馬東哲 樊四鵬 劉瑩 楊柳 袁野 陳清 任佶

1中國石油大慶石油管理局環(huán)境監(jiān)測中心站

2青海油田采油四廠

在油田開發(fā)過程中，地下石油層的石油被開采出來，地下壓力減小，因此需要向地下油層注水以保持地下壓力。油田注水中含有鐵細菌、腐生菌和硫酸鹽還原菌。其中對水體危害最大的是硫酸鹽還原菌，它可在水中分解形成H2S，對水體造成破壞，并與管道中的鐵發(fā)生反應，腐蝕管壁，還能形成懸浮物堵塞油層，給油田生產(chǎn)造成困難[1]。腐生菌主要依靠有機物生存，其生長過程中分泌的黏液會堵塞管道，還會加速硫酸鹽還原菌的繁殖。鐵細菌同樣容易沉積到鐵質(zhì)管道的管壁上并造成腐蝕[2]。三種細菌作用的原理不同，但都會對水質(zhì)造成危害且腐蝕管壁。國家能源局頒布的SY/T 5329—2012 《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》中對油田注水水質(zhì)有以下要求：懸浮物顆粒直徑中值≤1.5 μm 時，硫酸還原菌≤10 mL-1，鐵細 菌≤n ×102mL-1，腐生菌≤n ×102mL-1（1 ＜n ＜10）。因此，檢測油田注入水中三種細菌的菌量對注水達標有著重要意義。

計算三種細菌的不確定度可以反映檢測的準確性，為判斷細菌在水體中的含量以及油田注水的工藝處理提供依據(jù)。國家頒布了幾種計算不確定度的方法，其中具有代表性的兩種是國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》和中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會頒布的RB/T 141—2018《化學檢測領域測量不確定度評定利用質(zhì)量控制方法確認數(shù)據(jù)評定不確定度》。目前SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》采用絕跡稀釋檢測方法，由于缺少國家標準物質(zhì)和標準樣品對三種細菌進行準確度評價，無法采用RB/T 141-2018 法計算不確定度，所以使用JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，即bottom-up方法，通過計算A類不確定度（重復性實驗可以統(tǒng)計出的不確定度）和B 類不確定度（重復性實驗不能統(tǒng)計出的不確定度），最后得到合成不確定度和擴展不確定度。按該方法對絕跡稀釋法加以不確定度評定，能最大限度地反映檢測的波動狀態(tài)，對注入水中三種細菌含量給予準確定量。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

紫外燈（深圳市光普達科技有限公司），自動壓力蒸汽滅菌鍋（額定壓力0.22 MPa，額定功率2.1 kW，電壓AC220 V，頻率50 Hz/60 Hz），1 mL一次性使用無菌注射器（0.05 mL 分度，江蘇治宇醫(yī)療器材有限公司），隔水式培養(yǎng)箱（上海一恒科學儀器有限公司），SRB-HX 系列快速細菌測試瓶（北京華興世紀儀器有限公司）。

1.2 檢驗依據(jù)

采用SY/T 5329—2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)指標及分析方法》中的絕跡稀釋法，即將待測水樣用無菌注射器注入測試瓶中進行接種稀釋，實驗室培養(yǎng)，根據(jù)細菌瓶陽性反應和稀釋倍數(shù)計算細菌數(shù)目。

1.3 實驗步驟

本實驗樣品采用大慶油田采油六廠注水水樣，實驗步驟如下：

（1）將7個細菌測試瓶放入蒸汽滅菌鍋，滅菌鍋參數(shù)調(diào)節(jié)為0.14 MPa、30 min（每個滅菌瓶只能接種一次，使用完畢后需要更換）。滅菌后取出測試瓶，按順序排列，并分別編號，備用。注意整個實驗過程需保證無菌條件，在無菌環(huán)境內(nèi)完成。

（2）將水樣稀釋，即使用一次性無菌注射器吸取1 mL待測水樣，注入編號為1的滅菌瓶中，振蕩多次使其混勻（無菌注射器只能使用一次）。

（3）更換一支新的注射器，將編號1瓶中的液體吸取1 mL，注入編號為2的滅菌瓶中，再從編號2 的滅菌瓶中吸取1 mL，注射入編號3 的滅菌瓶中，如此往復，重復進行。每次稀釋可以將細菌數(shù)量減小到原來的十分之一，稀釋到用表面皿觀察沒有細菌為止。

（4）接種后的瓶子在35 ℃溫度條件下恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)7天后取出進行讀數(shù)，這時可以根據(jù)稀釋次數(shù)計算細菌的菌量值。

在培養(yǎng)過程中，觀察瓶中液體顏色：若呈黑色或有黑色固體，則水中含有硫酸鹽還原菌；若瓶中水樣從原來的紅色變?yōu)辄S色，或水樣狀態(tài)變?yōu)闇啙?，則證明水樣中含有腐生菌；如瓶中水樣產(chǎn)生黑色或棕色沉淀，或水樣狀態(tài)變?yōu)槌吻?，則證明水樣中含有鐵細菌。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)《化學分析中不確定度的評估指南》，通過計算不確定度來確認細菌總量波動范圍，本文使用Bottom-up 方法計算不確定度，這種方法在細菌檢測方面已有很多應用。王悅對生活飲用水中的細菌總數(shù)進行判定，將細菌在平皿中培養(yǎng)計算菌落總數(shù)，忽略其他原因，主要考慮重復測定產(chǎn)生的不確定度[3]。施建兵用同樣方法計算細菌總數(shù)，從稀釋過程和重復測定誤差兩方面計算產(chǎn)生的不確定度[4]。綜合以上文獻，使用平皿計數(shù)法計算水中的菌落總數(shù)，主要考慮重復測定產(chǎn)生的不確定度以及不能用統(tǒng)計方法測定的不確定度，即從A類和B類兩類不確定度來分析三種細菌檢測的不確定度。

2.1 A類不確定度的計算

在對三種細菌的檢測過程中，會因為重復測定引入不確定度，即A類不確定度，這是測定過程中主要的不確定度分量。用絕跡稀釋法[5]對21組硫酸還原菌的菌量進行測定，由于測定數(shù)據(jù)較大，將菌量換算成對數(shù)值分析。

硫酸鹽還原菌不確定度分量的計算結(jié)果見表1。

表1 硫酸鹽還原菌不確定度分量的計算Tab.1 Calculation of uncertainty components of sulfate reducing bacteria

計算菌量對數(shù)的平均值，計算式為

式中：X 為菌量，mL-1；Xi為每次核查時的菌量，mL-1。

根據(jù)貝塞爾公式，得到標準偏差S。

式中：S 為標準偏差；n 為核查次數(shù)。

計算算術平均值的不確定度，得到A 類不確定度。

式中：uA為A類不確定度。

所有菌落數(shù)的平均值：A平均=229 mL-1。

相對標準不確定度為

式中：uA,rel為A類相對不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值。

腐生菌不確定度分量的計算結(jié)果見表2。

表2 腐生菌不確定度分量的計算Tab.2 Calculation of uncertainty components of saprophytic bacteria

計算菌量對數(shù)的平均值，計算式為

式中：X 為菌量，mL-1；Xi為每次核查時的菌量，mL-1。

根據(jù)貝塞爾公式，得到標準偏差S。

式中：S 為標準偏差；n 為核查次數(shù)。

計算算術平均值的不確定度，得到A 類不確定度。

式中：uA為A類不確定度。

所有菌落數(shù)的平均值：A平均=279 mL-1。

相對標準不確定度為

式中：uA,rel為A類相對不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值。

鐵細菌不確定度分量的計算結(jié)果見表3。

表3 鐵細菌不確定度分量的計算Tab.3 Calculation of uncertainty components of iron bacteria

計算菌量對數(shù)的平均值，計算式為

式中：X 為菌量，mL-1；Xi為每次核查時的菌量，mL-1。

根據(jù)貝塞爾公式，得到標準偏差S。

式中：S 為標準偏差；n 為核查次數(shù)。

計算算術平均值的不確定度，得到A 類不確定度。

式中：uA為A類不確定度。

所有菌落數(shù)的平均值：A平均=793 mL-1。

相對標準不確定度為

式中：uA,rel為A類相對不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值。

2.2 B類不確定度的計算

B類不確定度是不能用統(tǒng)計方法計算的不確定度，包括稀釋的不確定度、樣品質(zhì)量的不確定度、溫度的不確定度等。在20 ℃時，塑料的膨脹系數(shù)為8×10-6，注射器受溫度影響產(chǎn)生的不確定度為

式中：urel為溫度產(chǎn)生的相對不確定度。

由于注射器受溫度影響產(chǎn)生的不確定度為4.62×10-6，遠遠小于其他環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不確定度，故可以忽略不計。

由于稀釋樣品采用無菌注射器，每次均吸取1 mL 水樣，水樣體積較小，容易產(chǎn)生誤差，而無菌注射器本身產(chǎn)生的誤差不能通過重復測定加以避免。B類不確定度都是因為注射器引起，因此三種細菌的B類不確定度相同。實驗過程從編號為1的瓶子稀釋直到無菌種出現(xiàn)，本實驗共稀釋7次。因此可以用貝塞爾公式計算其不確定度。1 mL 的一次性使用無菌注射器廠家提供不確定度為±0.007，則由無菌注射器產(chǎn)生的不確定度為

式中：uB為B 類不確定度；uB,rel為B 類相對不確定度。

本檢測方法B 類不確定度主要由稀釋環(huán)節(jié)產(chǎn)生，其他環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不確定度較小，可以忽略，所以只考慮稀釋環(huán)節(jié)的不確定度。

2.3 合成不確定度與擴展不確定度的計算

（1）硫酸還原菌的合成與擴展不確定度。計算1 mL 的一次性使用無菌注射器引入的相對不確定度為0.001 5，硫酸還原菌的相對不確定度為1.71×10-4，將兩者的相對不確定度進行合成，相對合成不確定度為

式中：uA，rel為A 類相對不確定度；uB，rel為B 類相對不確定度；urel為相對標準不確定度。

合成不確定度為

式中：u合成為硫酸鹽還原菌細菌總數(shù)的合成不確定度；urel為相對標準不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值；f 為樣品的稀釋倍數(shù)。

當置信概率為95%時，k=2，擴展不確定度為

式中：U 為樣品的擴展不確定度；k 為置信因子。

（2）腐生菌的合成與擴展不確定度。計算1 mL一次性使用無菌注射器引入的相對不確定度為0.001 5，腐生菌的相對不確定度為1.52×10-4，將兩者的相對不確定度進行合成，相對合成不確定度為

式中：uA，rel為A 類相對不確定度；uB，rel為B 類相對不確定度；urel為相對標準不確定度。

合成不確定度為：

式中：u合成為腐生菌細菌總數(shù)的合成不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值；f 為樣品的稀釋倍數(shù)。

當置信概率為95%時，k=2，擴展不確定度為

式中：U 為樣品的擴展不確定度；k 為置信因子。

（3）鐵細菌的合成與擴展不確定度。計算1 mL 的一次性使用無菌注射器引入的相對不確定度為0.001 5，鐵細菌的相對不確定度為6.14×10-5，將兩者的相對不確定度進行合成，相對合成不確定度為

式中：uA，rel為A 類相對不確定度；uB，rel為B 類相對不確定度；urel為相對標準不確定度。

合成不確定度為：

式中：u合成為鐵細菌細菌總數(shù)的合成不確定度；A平均為菌落數(shù)的平均值；f 為樣品的稀釋倍數(shù)。

當置信概率為95%時，k=2，擴展不確定度為

式中：U 為樣品的擴展不確定度；k 為置信因子。

3 結(jié)論

本文采用絕跡稀釋法對油田注入水中腐生菌、鐵細菌和硫酸還原菌進行檢測，利用Bottom-Up法計算絕跡稀釋法對三種細菌檢測的不確定度分別為：硫酸還原菌±4 mL-1；腐生菌±6 mL-1；鐵細菌±16 mL-1。通過不確定度的計算，可對油田注水是否達標進行準確判定，并為注水前水處理消毒工藝提供了技術支持和保障。