钻井液中急性毒性检测方案(水质毒性分析)

钻 并 液夜与宪完井 液DRILLING FLUID & COMPLETION FLUIDVol. 32 No.1Jan. 2015第32卷第1期2015年 1月 钻 井 液 完井 液2015年1月54 Microtox生物毒性测试技术在钻井液中的应用分析 朱红卫， 刘晓栋 (中国石油集团海洋工程有限公司渤星公司，天津) 朱红卫等.Microtox生物毒性测试技术在钻井液中的应用分析[J].钻井液与完井液，2015，32(1)：53-56. 摘要 介绍了 Microtox 生物毒性测试技术的测试仪器、原理和测试方法。以费希尔狐菌作为受试菌种，测试了部分水基钻井液液理剂和钻井液体系的ECso值，并基于 Microtox 生物毒性测试技术，提出一种钻井液生物毒性现场快速监测技术。实验结果表明，淀粉、XC、多元醇及天然高分子类钻井液无毒，磺化酚醛树脂、褐煤、沥青、铁铬盐及三磺钻井液生物毒性 ECso 值远低于国家标准值 30 000 mg/L， AMPS 类多元共聚物及高温合成聚合物钻井液无毒。Microtox 生物毒性测试技术为海洋钻井液排放提供了2种毒性检测手段，分别为定性判别和定量测试，同时为环保型钻井液研发提供了评价方法。 关键词 水基钻井液；生物毒性；发光细菌法；排放；现场监测 中图分类号： TE254 文献标识码：A 文章编号：1001-5620(2015)01-0053-04 Microtox 生物毒性测试技术具有快速、简单、廉价等优点，已成为毒性测试领域研究的热点-。Microtox实验使用冻干的费希尔狐菌，通过5 min 和15 min 的暴露实验，测定其代谢的抑制情况，从而计算出样品的毒性。该测试方法已在多个国家被认可为官方标准，美国环保局(EPA)、加拿大已经批准该方法为石油钻井废弃液排放的毒性监测1-9。使用Microtox Model 500 生物毒性测试仪，以费希尔狐菌作为受试菌种，对常用钻井液处理剂和钻井液体系进行了测试分析，实验表明该方法为环保型水基钻井液研究和研选低毒处理剂提供了检测方法，同时为现场钻井液排放提供了一种快速生物毒性现场监测技术。 1 生物毒性测试原理及方法 1.1 测试仪器 Microtox Model 500 生物毒性测试仪(美国SDI公司生产)，专用测试管和移液枪。 1.2 测试试剂 Microtox Acute Reagent(费希尔弧菌)， Microtox Diluent(稀释液，2%NaCl无毒溶液)， MicrotoxOsmotic Adjusting Solution (渗透调节液， 22%NaCl 无毒溶液)， Microtox Reconstitution Solution(补充液，无毒高纯水)。 1.3 仪器测定原理 Microtox生物毒性测试技术使用的是一种费希尔狐菌的发光细菌，这种细菌在新陈代谢时会发出光。当发光细菌接触有毒污染物时，细菌的新陈代谢就会被抑制，发光强度减弱或熄灭，细菌发光强度可用发光检测仪测定出来。在一定浓度范围内，有毒物浓度大小与发光细菌光强度变化成一定比例关系，因此可通过发光细菌来快速测试样品液毒性大小。 ECso代表半有效抑制浓度，即费希尔弧菌液光强减少一半时样品液的有效浓度，其值越小，则毒性越大。实验中用EC，0(5)和EC5o(15)值来表示样品急性毒性水平，其含义是样品在15℃下，发光菌暴露在样品液5 min 和15 min 内，菌液发光量减少一半时的有效浓度。 1.4 毒性检测方法 采用 Microtox Model 500毒性仪推荐的标准方法 ( 基金项目：中国石油天然气 集 团公司重大专项“高温高密度钻井液与 可 排放海水基钻井液成套 技 术研发”(20 1 4E-38-02)部分研究 内 容。 ) ( 第一作者简介：朱 红卫 ，工程 师 ，硕士，毕 业 于中 国 石油大学(华东)油气井工程专业， 现 从事钻井液技术研究工工。 地 址：天津市 塘 沽 区 津塘 公 路40号； 邮 政编码300 451 ；电话1862208261 5 ； E-mail： zhuhongwei-2007@163.com。 ) (81.9% Basic Test)进行毒性实验。 用蒸馏水配制样品液，取夜品液2500 uL 与 250uL 22%的NaCl 溶液混合后扔掉750 uL， 取1000pL混合溶液加入1 000 pL 2%的NaCl溶液，将混合溶液稀释1倍，以此类推将混合溶液稀释2、4、8、16、32、64、128、256倍，得到标准系列溶液。 用无毒高纯水复苏费希尔弧菌干冻试剂，用2%的 NaCl 溶液将费希尔弧菌稀释10倍，取 100 uL稀释菌液进行原始发光性能检测。取900 uL 样品与100 uL 稀释菌液充分混合5、15 min 后，检测费希尔弧菌的发光抑制率。并通过指数衰减函数拟合质量浓度(x)-发光抑制率(y)回归方程，并计算ECso值。 1.5 钻井液样品处理 1)不溶物。水溶性处理剂按常规加量用蒸馏水配制成溶液待用。微溶或难溶处理剂按常规咖量加入蒸馏水中，在振荡器中振动8h后，取中层悬浮液待用。 2)浑浊。浑浊的或含有不沉淀颗粒物的样本，需要用离心机甩脱，达到去除浊度或颗粒物的目的。应当注意的是，样本的浑浊可能引起不明确的发光增强或减弱，只有当不考虑浑浊带来的毒性时，才使用以上的去浊度过程。 3)颜色。有色处理剂(特别是红、棕或黑色)，应在测试前用蒸馏水或去离子水稀释(25%或50%)。因为样品的颜色会吸收光而影响测试精度。 4) pH值。样品的 pH值应按规定使用 NaOH或HCl调节到6.0~8.0。pH值超出6.0~8.0时，会对发光菌产生明显的影响，导致毒性检测结果失效。但是在样品描述中应记录原始 pH值及调整后 pH值。 5)钻井液基浆。按体积比取1份钻井液基浆加入9份稀释液，用11000 r/min±300 r/min 搅拌器搅拌30 min， 静置60 min 后，取中层悬浮液待用。 1.6 钻井液毒性分级 Microtox Model 500 生物毒性测试仪自带计算程序，可实现数据采集、曲线拟合计算，得到样品液EC50值。样品生物毒性的分级标准10如表1所示。 表1 生物毒性分级 生物毒性分级 ECs/(mg/L) 生物毒性分级 ECs/(mg/L) 剧毒 <1 微毒 1001~25000 高毒 1~100 无毒 ≥25000 中等毒性 101~1000 排放限值 ≥30000 2 应用分析 2.1 标准毒性物质测试分析 Microtox 测试说明中，EC5o(5) 和EC5o(15) 的标准毒性物质分别为苯酚和硫酸锌，其值分别为苯酚EC50(5)=13~26 mg/L、硫酸锌ECso(15)=3~10mg/L。配制苯酚标准液(100mg/L)做5 min 毒性测试，硫酸锌标准液(20 mg/L) 做 15 min 毒性测试，图1、图2为测试结果。 图1苯酚5 min 毒性测试结果 图2 硫酸锌15 min 毒性测试结果 苯酚EC50(5)为22.35 mg/L， 在13~26 mg/L范围内，5 min 准确度达到实验要求；硫酸锌15 minEC5o(15)为4.27 mg/L， 在标准3~10 mg/L范围内，说明 15 min 准确度良好，达到实验要求。 2.2 钻井液毒性测试分析 2.2.1钻井液处理剂毒性测试分析 钻井液处理剂淀粉、XC、多元醇、磺化沥青、合成聚合物 BDF-100S、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、铁铬盐 FCLS 的生物毒性测试结果如表2所示。由表2看出，天然高分子类化学处理剂、AMPS合成聚合物类降滤失剂、聚醚多元醇无毒；磺化酚醛树脂、沥青 ECso 值不能满足排放的要求；铁铬盐ECs，值远远低于排放限值，属于中等毒性处理剂。对井底温度小于150℃下，首选天然高分子处理剂；对井底温度高于150℃以上的环境敏感区域，应减少或避免使用三 磺处理剂，应选择 AMPS 合成聚合物类抗高温环保处理剂。 表22不同钻井液处理剂毒性测试结果 处理剂 浓度/% EC5/(mg/L) 毒性 XC 0.3 2 504100 无毒 PAC-LV 0.5 1504100 无毒 CMS 0.5 86 500 无毒 SMP-2 2.0 7523 微毒 SPNH 3.0 2412 微毒 白沥青 1.5 5966 微毒 BDSC-300 3.0 40 740 无毒 BDF-100S 0.5 1588000 无毒 BDV-1 0.5 1347000 无毒 FCLS 1.0 423 中等毒性 2.2.2 钻井液体系生物毒性测试分析 选取3种具有代表性的钻井液体系：天然高分子聚合物钻井液、聚磺钻井液、丙烯酸合成聚合物钻井液进行生物毒性测试，结果如图3所示。钻井液的配方如下。 天然高分子聚合物钻井液 4%土浆+0.1%XC+0.5%PAC-LV+1.0%淀粉 聚磺钻井液 4%土浆 +3%KCl+0.2%PAC-LV+0.3%XC+1.5%沥青+2%SMP-2+2%SPNH+5%超细钙+重晶石 抗高温聚合物钻井液 4%土浆+5%KCl+0.3%XC+0.2%PAC-LV+0.5%增黏剂 BDV-1+0.5%降虑失剂BDF-100S+3% 聚醚多元醇 BDSC-300+5%超细钙+重晶石 图3 3种钻井液生物毒性测试结果 图3显示了3种钻井液发光菌抑制率随稀释质量浓度变化的曲线，可以看出毒性大小顺序为聚磺 钻井液>抗高温聚合物钻井液>天然高分子钻井液。 表3给出了上述3种钻井液中处理剂的生物毒性值，天然高分子类处理剂形成的钻井液体系达到无毒标准；聚磺钻井液体系微毒；抗高温聚合物钻井液体系是用丙烯酸合成聚合物处理剂替换有毒的三磺处理剂，测试结果显示，抗高温聚合物钻井液体系无毒。3种钻井液基础性能数据表明，抗高温聚合物钻井液基础性能优于聚磺钻井液，在满足高温钻井工况条件下，兼具了环境保护的优点，是抗高温环保钻井液优良的替代品。 表3 3种钻井液基础性能数据 钻井液 p/ T老化/ PV/ YP/ Gel/ FLAp/FLHTHP/ EC5o/ 毒性 类型 g/cm℃ mPa·s Pa Pa/Pa mL mL mg/L 天然高分子1.10 120 26 123/5 3.5 13 87380无毒 聚磺 1.30200 24 224/10 5.8 28 19730微毒 抗高温 聚合物 1.30200 26 102/15 2.4 23 39 240无毒 2.3 钻井液生物毒性现场监测技术 钻井液可排放需要满足 GB 4914—2008和GB18420—2009 的要求2。现场钻井液毒性来源取决于多种因素，钻遇富重金属地层，在高温地层钻井液处理剂相互作用生成新物质、钻井液腐败后带来毒性等，因此钻井液的毒性可能会一直发生变化，因此需要对钻井液废液进行现场监测，对未达标的废液实行处理后排放或加以回收。 钻井液生物毒性现场监测技术定性测量样品的毒性，测试时间为5 min， 需要菌液少，操作简单。测试方法为取处理后的钻井液废液，加入稀释液(2%NaCl溶液)至浓度为30%(样品液占总体积的浓度)，测试5 min 发对发光度。若相对发光度大于或等于50%，则证明废液无毒，即EC5o≥30 000 mg/L ；反之则样品液有毒，即EC50 <30 000 mg/L。表4为某井废弃钻井液生物毒性的测定结果，定性测试了现场废弃钻井液的相对发光度及定量测试了 ECso 值。 表4检测现场废浆的生物毒性 样品编号 相对发光度 /% ECs/(mg/L) 1# 86 68500 2* 62 35 100 3* 12 8 200 4* 3 3400 表4结果表明，1*和2*样品无毒，3*和4* 样品微毒，以相对发光度定性判别样品毒性与定量测试ECso值具有一定的相关性。钻井液的生物毒性现场监测需要实验时间短、耗材少、测量结果准确的实验方法。因此，以相对发光度定性判别样品毒性的方法较适合于钻井液生物毒性的现场监测。 3 结论与建议 1.Microtox 生物毒性测试技术可以应用于水基钻井液处理剂和钻井液体系的 ECso值测试，为海洋钻井液排放提供了一种快速毒性检测手段。实验结果表明，抗高温类钻井液处理剂，如磺化酚醛树脂、褐煤、沥青、铁铬盐等的生物毒性 ECso值远低于 30 000 mg/L的国家标准值；天然高分子类处理剂及钻井液体系无毒，i可满足井底温度低于150℃的钻井； AMPS类合成聚合物处理剂属于无毒产品，可实现抗高温钻井液体系的无毒、可排放。 2.基于 Microtox 生物毒性测试技术，提出了一种钻井液生物毒性现场快速监测技术，该技术操作方便、测试时间短、耗材少、测量结果准确，可应用于海上钻井液的生物毒性监测，为废弃钻井液处理和排放提供技术指导。 3.应建立钻井液处理剂毒性数据库，为环境保护型钻井液体系的研发和现场筛选无毒处理剂提供依据。 ( 参考文献 ) ( [1] 马梅.新的生物毒性测试方法及其在水生态毒理研究中的应用[D]. 中国科学院研究生院(生态环境研究中心)， 2002.Ma Mei. 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Study and Application of Rigid Wedging Mud Loss Control Under Pressure.DFCF， 2015，32(1)：49-52 Authors HOU Shili， HUANG Daquan， YANG Hewei， LIU Guangyan， LI Shuan， WANG Lukun， SUN Shuang， WANG Xiaofang Abstract The rigid wedging mud loss control under pressure is a technology in which rigid lost circulation material (LCM)，expandable or expandable LCM， and low permeability LCM are employed to bridge the mud loss channels. It involves bridging，wedging and filling in the fractures and pores of formation to increase the circumferential stress of formation， hence enhancingthe pressure bearing of the formation. LCM slurries for mud loss control under pressure were formulated with optimized particlesize distribution determined by SAN-2 engineering theory. The rigid LCM was also compounded with other LCM to verify theirperformance in mud loss control. The experiments showed that LCM slurries containing compounded rigid LCM， expandable LCMand low permeability LCM promptly bridged and filled the fractures and formed low permeability packing with pressure bearing of7MPa. In field application of this technology in 33 wells， success rate of mud loss control was increased remarkably， and the quantityofLCM slurries was reduced. Key words Lost circulation： Mud loss control technology； Mud loss control using pressure bearing LCM； Rigid LCM； Pressurebearing capacity First author’s address Drilling Fluid Technology Services of CNPC Bohai Drilling Engineering Company Limited. Tianjin300280.E-mail： john922@163.com. Application of Microtox Biological Toxicity Testing Technique in Drilling Fluid Analysis.DFCF，2015， 32(1)：53-56 Authors ZHU Hongwei， LIU Xiaodong Abstract This paper introduces the testing instrumentation， principles and testing method of Microtox， a biological toxicity testingtechnique. The ECvalues of some mud additives and drilling fluid formulations were tested using the Vibrio fischeri as the testingbacteria. An onsite fast testing method was presented using Microtox technique. Laboratory experiments showed that drilling starch，XC， polyhydric alcohols， as well as natural high molecular weight polymers are nontoxic. Sulfonated phenolic， lignite， asphaltene，FCLS and the so-called tri-sulfonates drilling fluids have EC values that are far less than the national standard of 30，000 mg/L.AMPS copolymers and synthesized high temperature polymer drilling fluids are nontoxic. Microtox technique provides two toxicitytest methods for discharged drilling fluid in offshore drilling， a qualitative method and a quantitative method. Meanwhile this methodcan be used as a means of evaluating environmentally friendly drilling fluid. Key words Water base drilling fluid； Biological toxicity； Microtox： Discharge； Onsite monitoring First author’s address No. 40 Jintang Highway， Tanggu District， Tianjin 300451， china.E-mail： zhuhongwei-2007@163.com. A Novel Instrument for Evaluating Start-up Pressure of Special Gel ZND.DFCF，2015，32(1)：57-59 Authors WANG Pingquan， ZHU Tao Abstract ZND， a special gel has recently found a wide use in controlling mud losses. This paper discusses a novel instrument usedfor the evaluation of ZND， and a method of measuring the start-up pressure of ZND-liquid Ievel-pressure curve method. By plottingthe liquid level versus pressure， this high-precision instrument can be used to determine the start-up pressure of ZND in simulatedformation conditions， and the performance of gels at the same start-up pressure. Key words Gel； Starting pressure； Start-up pressure measuring instrument； Liquid level-pressure； Severe mud loss First author’s address Southwest Petroleum University， Xindu District， Chengdu， Sichuan 610500， china.E-mail： wpq64@163.com. Laboratory Study of Viscoelastic Isolation Additive for Use in Oil Well Cementing.DFCF， 2015，32(1)：60-64 Author LV Bin Abstract A new cementing additive， DQV， was prepared making the use of polymer’s viscoelasticity. DQV is an additive usedin cement slurry for better isolating formation and casing string. When mixed with cementing slurry， the mixture can render theannular space very good sealing， both efficient and flexible. Cement slurry treated with DQX had anti-migration capacity that was ten Microtox 生物毒性测试技术具有快速、 简单、廉价等优点，已成为毒性测试领域研究的热点 。 Microtox 实验使用冻干的费希尔狐菌， 通过 5 min 和 15 min 的暴露实验， 测定其代谢的抑制情况， 从而计算出样品的毒性。该测试方法巳在多个国家被认可为官方标准，美国环保局(EPA)、 加拿大巳经批准该方法为石油钻井废弃液排放的毒性监测。使用 Microtox Model 500生物毒性测试仪，以费希尔弧菌作为受试菌种，对常用钻井液处理剂和钻井液体系进行了测试分析，实验表明该方法为环保型水基钻井液研究和研选低毒处理剂提供了检测方法，同时为现场钻井液排放提供了一种快速生物毒性现场监测技术。