油田靶区的石油类污染物迁移与修复治理技术

根据模拟实验结果与实测实验数据，运用上述计算方法及参考前人研究成果，对油田典型靶区油井石油污染物在土壤中的运移特征进行了预测研究。通过靶区实际研究证明，本书的数值模拟方法合理可行，可以较好地应用于大庆研究区域土壤石油污染的预测预报。

6.4.1　污染源分析和初、边界条件

油田土壤的主要污染源是试油及井下作业产生的落地原油。宋芳屯油田1998年投产油井数为739口，按回收率80%计算，废弃在环境中的落地油为73.9～295.6t/年。落地原油主要分布在以油井为中心的一定范围内。油井附近的浓度越大，离井越远，浓度越小，60～70m以外，几乎没有污染物存在。F58井附近的落地原油平均产量按1.0t/年计算，源强按落地原油的20%计算，以油井为中心呈正态分布。

对于污染物迁移模型，以油田开发前土壤的石油含量为初始值，根据监测资料取40mg/kg。上边界为第一类边界条件，为了给定污染物的浓度边界，根据对井场的实际检测，把落地油以油井为中心按正态分布分配到半径为80m的区域。考虑到污染物在下边界的浓度或者通量是未知的，下边界取为Neumann边界作为边界条件，给定污染物的弥散通量为零。考虑到污染物分布范围以及污染物的迁移方向，左右边界取零通量边界。

水运动模型的上边界为降雨补给（蒸发排泄）边界，为降雨量减去地表径流和实际蒸发量，根据当地实际月平均降水量和蒸发量逐月计算。下边界为潜水面，给定水头值为潜水位。由于非饱和带的水运动主要是垂向运动，因此取左右边界通量为零。在计算的初始时刻，在计算域上给定基质势。实测土壤含水量和基质势见表6－1，不同深度上的基质势变化按实测值插值得到。

表6－1　土壤含水量和基质势监测值

6.4.2　参数确定

应用数学物理方法对土壤溶质运移进行定量模拟时，土壤水分和溶质运移参数是必不可少的资料。模拟中实用的参数主要有三个来源：一是现场实验，二是实验室实验，三是文献调研。这些参数包括土壤水分特征曲线h－θ，土壤饱和导水率Ks等。

1）土壤水特征曲线的测定

土壤水基质势或土壤水吸力随土壤含水率变化，其关系曲线称为土壤水分特征曲线或土壤持水曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水能量和数量之间的关系。土壤水分特征曲线通常是通过实验测定得到，鉴于试验条件所限，本书数据主要通过文献调研得到［79］。部分主要数据如表6－2所示。

表6－2　计算参数取值表

采用Gardner和Visser提出的经验公式

公式两边取自然对数得：lnS＝lna－blnθ，用最小二乘法进行拟合，回代得出经验公式

2）饱和导水率Ks的测定饱和导水率Ks用渗透仪法测定。土柱内径为10cm，长30cm，土壤干容重为1.3g/cm3，土表控制2cm定水头，为垂直向下的饱和流，测定结果取5～7次的平均水平，由下式计算饱和导水率Ks：

式中，Ks为饱和导水率；AT为土壤横截面面积；Q为t时间内通过土柱的水量；L为土柱长度；计算结果为10.1cm/d。

3）非饱和导水率K的确定

关于非饱和导水率K，采用Campbell定律，即：

其中，非饱和导水率K（h）为关于基质势h的函数；ha为进气吸力（或进气值）；Sa所对应的基质势值。根据试验拟合最终确定得出公式为：

其他参数主要参考了《油田开发工程环境影响报告》中的实验数据及课题组野外入渗试验数据。取石油在土层中的渗透系数为水渗透系数的1/50～1/100。吸附系数和降解系数由实验室实验结果确定，透过吸附平衡实验和土柱实验分别得到了黏土、黏质粉土、粉砂土和细砂土的吸附等温线，结合油井周围的地质条件，确定其吸附系数。降解系数则由实验得到的不同温度（30℃，100℃，200℃，300℃）条件下石油污染物在不同岩性（黏土、黏质粉土、粉砂土）中的降解系数来确定。石油污染物在纵向和横向的弥散度为经验值，参考前人研究成果设定本书模拟计算的主要参数取值［79］，详见表6－2所列。

6.4.3　数值模拟软件开发

根据井场作业的特点、影响范围以及地下水埋深，选择模拟分析范围为：以油井为中心，沿径向向两侧各80m。下边界为浅层地下水面，埋深6m。采用矩形剖分网格，共剖分1 500个单元，1 515个节点。根据落地油分布和迁移特点，剖分网近地表加密，向下部变疏，在井点附近加密，向两侧变疏。

程序用C＋＋语言实现，程序中设计了一个数据类C－Data和一个方法类CDoes。数据类完成对数据初始化，并提供输出方法output；方法类中包含以组合方式嵌入的四个对象，分别用于交替求解h，C时的各方程组系数以及解三对角方程组的方法，下一步准备工作的方法等。主程序主要完成交替工作，计算工作是在方法类完成的。具体步骤如图6－2所示。

图6－2　石油污染数值模拟计算框图(www.xing528.com)

6.4.4　油井井场石油污染对土壤影响分析

根据初始条件和边界条件以及最初的基本假设和参数值，利用有限差分方法对水运动模型求解得出土壤中水分的迁移，得到不同时间油井附近土壤剖面的水头和水运动速度。再运用污染物迁移模型模拟得出不同时段末刻的石油含量分布情况，如图6－3～图6－6所示。从模拟结果可以看出石油类污染物在土壤中的迁移具有以下特征：

从时间上看，污染源处土壤表层的有机污染物含量呈现累加的趋势。在污染源强一定的情况下，随着有机污染物在土壤中的迁移，参与吸附和生物降解等作用的土壤量不断增加，由于生物降解等作用，土壤的吸附作用不断得到部分恢复。当土壤的吸附与生物降解等自净作用与有机污染物的增加量大体持平时达到动平衡状态。模拟分析结果显示，达到平衡的时间大约需要15～20年，平衡条件下油井附近的土壤含油量一般为7 000～12 000mg/kg。

图6－3　1年末土壤中石油含量等值线/（mg/kg）

图6－4　5年末土壤中石油含量等值线/（mg/kg）

图6－5　10年末土壤中石油含量等值线/（mg/kg）

图6－6　20年末土壤中石油含量等值线/（mg/kg）

从垂直方向上看，落地油主要在表层土壤中聚集，一般集中在地表之下20～30cm的范围内，其中0～5cm深度范围内含量最高，向深部按指数规律迅速降低。达到平衡时，石油污染物的影响深度为40～50cm，污染深度为30～40cm，平均90%以上的石油残留在20cm以上的土层内。模拟结果说明石油污染物在土壤中的迁移能力很弱，石油类有机污染物在油区土壤中滞留时间长。

从水平方向看，在油井井场附近，石油对土壤的污染程度与距井口的距离基本呈反比趋势，由落地原油产生的污染区域在以油井为中心的35～40m范围内，在此范围之外迅速降低。

6.4.5　模拟预测结果及分析

图6－7　土壤中污油迁移深度随时间变化特征

根据上述初始条件、边界条件以及模拟计算参数值，采用如前所述的有限差分 方法对靶区土壤石油污染综合模型进行了数值模拟计算。运用流体运动模型模拟靶区土壤液体的运动，得到不同时间区内油井附近点源的水头和水运动速度，运用石油污染物迁移模型模拟计算出不同时段末刻土壤中的污油含量分布情况。模拟结果如图6－7～图6－9所示。模拟结果反映出研究区石油类有机污染物在土壤中的迁移规律具有以下特征：

研究区土壤中石油类有机污染物的迁移深度随时间的变化特征具有随时间的逐渐延长而加深的特征，在20年的迁移过程中，相对来说，前10年石油污染物向下迁移的速度快，10年内约向下迁移了32cm，而后10年的迁移速度明显减慢，仅迁移了大约10cm左右。而土壤中污油含量随迁移深度的变化特征显示，随着石油类污染物的迁移深度逐渐增加，污染区土壤中的污油含量逐渐降低，在深度为20cm内的土壤中污油含量高，污染物降低速度快；20～30cm范围内土壤污染物含量比较低，向下迁移速度比其上慢得多；石油污染物主要残存于20～30cm以上的土壤中，其中0～5cm深度范围的土壤中含量最高。模拟结果显示，在深度30cm以下的土壤中石油类污染物含量已经很低，在40cm或50cm以下的土壤中残余污油含量接近于零。

图6－8　土壤中含油量随时间变化特征

图6－9　土壤中污油迁移深度变化特征

总之，数值模拟结果证实，研究区内土壤中石油类有机污染物的迁移影响深度主要在20～30cm以上范围的土壤中，平均90%以上的污油残留在20cm以上的土层内；经过20年的迁移过程，大庆典型油区内石油类污染物的最大污染影响深度约为50cm。结合研究区水文地质资料得知该区地下水位深度为6m，因此模拟结果说明大庆宋芳屯油区土壤中，当土壤石油类有机污染物的污染强度控制在9 550mg/kg以下时，在模拟20年时间里，土壤中的石油污染物不会对该区地下水构成威胁。所以，大庆油田在进行石油生产与储运等过程中，应做到尽量避免原油落地，已落地原油应尽量回收清理，虽然目前油区土壤石油污染平均水平在污染下限以内，但还是应该做到未雨绸缪，为大庆油田的长期稳定可持续发展而尽量降低油区土壤中的石油污染物含量，保证大庆油区地下水系统永久性免受地表油污土壤的侵害，给子孙后代留下一个美丽而洁净的大庆。

通过开展石油类污染物在油田土壤中的迁移数值模拟研究主要得到以下结论：

（1）大庆原油的特征致使该区油污土壤中存在短时间内形成小范围、高浓度石油污染的现象，因石油浓度超过土壤颗粒的吸附容量，多余的石油在土壤空隙中形成石油—土壤复合体残留在土壤中。

（2）大庆油区土壤中石油类有机污染物的迁移规律显示，土壤中污油主要富集在表层土壤中，聚集范围主要分布于20～30cm以内。

（3）大庆典型油区内土壤中石油类有机污染物经过模拟20年的迁移过程，其最大污染影响深度约为50cm。

（4）由于该区地下水位深度为6m，因此当油区土壤中石油类有机污染物的污染强度控制在9 550mg/kg以下时，在模拟20年的条件下，土壤中的石油污染物不会侵害地下水层。

（5）油田土壤表层中石油有机污染物虽然未对地下水层构成威胁，但对油区地表生态环境产生的影响是不可忽视的。为了保持大庆的长久繁荣，应该避免环境中落地油的产生和存在。