石油污染对黄河口沉积物工程性质的影响.pdf

第4 0 卷第1 期 2 0 1 0 年1 月 中国海洋大学学报 P E R I ( ) D I C A LO FO C E A NU N I V E R S I T YO FC H I N A 4 0 ( 1 ) ：0 6 3 0 6 8 J a n ，2 0 1 0 石油污染对黄河口沉积物工程性质的影响 王林昌1 2 ，袁守启r ，邢可军3 ( 1 中国海洋大学。山东青岛2 6 6 1 0 0 2 中国石化催化剂公司北京奥达分公司， 北京1 0 1 1 1 1 ；3 河南省濮阳市环保局监察支队，河南濮阳4 5 7 0 0 0 ) 摘要：对黄河口胜利油田某油井附近沉积物进行石油污染状况调查研究，采用坑探试验现场调查污染范围，发现油井 沉积物在一定范围内存在石油污染，污染多在0 2 1 5m 深度内，水平距离在1 4 0 4 4 0m 之间。原位测试污染沉积物 强度，取样进行室内石油浓度和沉积物物理力学指标测试。石油污染沉积物物理力学性质与未污染的有较大差别，污染 后沉积物的重度、渗透系数和强度等均有所降低。污染后的沉积物结构，多成块状和板状结构。 关键词：石油污染；黄河口；沉积物；性质 中图法分类号：X 1 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 5 1 7 4 ( 2 0 1 0 ) 0 1 一0 6 3 一0 6 黄河三角洲油气资源丰富，是胜利油田的主要产 油地之一。过去十几年，由于开采技术的落后和环保 意识的淡薄，石油开采过程中的泄漏石油对油井周围 沉积物造成了一定的污染。土体的石油污染被认为是 近几年继农药污染之后的又一大污染L 1 ，一方面威胁 到该地区生物群体的生存，另一方面沉积物污染后其 物理力学性质等发生了一定的改变，进而影响到上部 结构如海底管道、石油平台和海堤等的稳定性。 关于石油污染对土体工程性质的影响，多数在室 内配置石油污染的土体，然后测试其工程性质。 A l s a n a d 等 2 利用人工配比的不同石油污染比例的砂 土，研究了石油污染物对砂土强度系数、可压缩性、渗 透性及胀缩性的影响。S h a h 等 3 发现燃料油显著改 变了该区土壤的工程地质特性。主要影响有：最大干 密度下降40 A ，黏聚力减小6 6 ，内摩擦角减小2 3 ， 自由压缩强度降低( U C S ) 3 50 A ，液限增加1 1 。E v - g in 4 发现完全被汽油饱和的松散石英砂和密实石英砂 的摩擦角均有显著降低，体积应变均显著上升。本文 直接在现场石油开采过程中石油污染土体上原位测试 和取原状样，测试的是实际情况，避免了人工配置过程 中对土体的扰动等缺点。通过现场对某一井场的调 查、试验等手段，研究石油开采过程中对沉积物污染范 围、程度和物理力学性质的影响。 1 研究方案设计 1 1 研究区概括 黄河每年在河口地区沉积的土体达1 0 6 1 0 9t ， 绝大多数沉积在河口地区，形成鸟嘴状的复杂体系。 该区水深较浅，大多于0 1 8m 之间，最深处不超过 2 0m 。水下斜坡坡度极缓，常小于1 2 ( 。) ，距岸1 0k m 左右的海域，水深只有十几米，退潮时数公里的潮滩露 出水面。 为了研究方便，试验点选在东营海港附近一正在 运行的油井进行调查，地理位置如图1 所示。该地区 沉积物主要是1 9 6 4 1 9 7 6 年黄河走河刁口流路堆积 形成的。该地区属不规则半日潮，涨潮时潮水完全浸 没试验区，落潮时又会出露，试验过程于落潮出露期间 进行。 1 2 试验布置 对于沉积物污染范围的调查主要采用坑探试验 法，考虑到油井周边设施的布置，沿油井平台西边布置 3 条测线，2 条与西边成4 5 ( 。) 角，1 条与西边垂直。对 于每条测线，每2 0m 布置1 个探坑，用以揭示污染沉 积物的深度( 见图1 ) 。 每坑探测完毕后，肉眼观察污染程度，取lm 深度 原状样，进行石油含量和物理力学性质的测试。每种 污染程度的土体取样3 个，共取样1 2 个。每个探坑按 每2 0c m 深度取散样，用以测试石油浓度。石油浓度 采用紫外分光光度计测试，首先用正已烷萃取，萃取液 进行紫外分光光度测定，用实验室统一提供的标准油 品作参考标准，测试沉积物中油类的浓度。此外，现场 原位采用微型十字板和普氏贯入仪测试污染沉积物的 力学性质( 见图1 ) 。 收稿日期：2 0 0 8 1 0 - 2 1 ；修订日期：2 0 0 9 - 0 2 2 4 作者简介：王林昌( 1 9 7 3 一) ，男，博士生，高级经济师。E - m a il ：l e r y a o ( 国y a h o o c o E mc n * 通讯作者：E - m a il ：y l l a n s q s o h uc o r n 中国海洋大学学报 图1 黄河口海港研究区地理位置与试验布置 F ig 1T h el o c a t io no fH a iG a n gs t u d y a r e ao ft h eY e l l o wR iv e rE s t u a r ya n dt e s tp l a n 2 试验结果与分析 2 1 沉积物矿物粒度组成 原位取无污染1I T I 深度的土体进行室内土工试验 测试，分析沉积物的矿物成分和粒度组成。沉积物矿 物成分测试利用X 射线衍射( X R D ) 法，并根据衍射峰 的强度和半高宽定量分析了各成分的含量；粒度组成 采用筛分法和密度计法，首先采用筛分法筛取颗粒较 大的土体，对于粒径d 0 0 7 5I T l l n 的采用密度计法。试 2 04 06 0 舳l 1 2 01 4 0 m 1 # 测线 验结果为： ( 1 ) 主要矿物成分为石英、长石、方解石、白云石和部 分黏土矿物，碎屑矿物含量为7 0 8 0 。其中，石英 含量最大，占4 0 左右，其次为长石，占2 0 左右，方 解石占1 0 左右，白云石最少，只有1 3 的含量。 ( 2 ) 经粒度分析，沉积物中砂粒、粉粒和黏粒均有一定 的含量，砂粒含量相对较小，平均约为1 6 ；粉粒占多 数，含量位于4 4 - - 一8 7 之间；黏粒含量也相对较小， 平均约5 。 3 襻测线 图23 条测线中污染沉积物的范围 F ig 2T h es c o p eo fp e t r o l e u mc o n t a m in a t e ds e d im e n ta tt h r e em e a s u r e - l in e s 1 期 王林昌，等：石油污染对黄河口沉积物工程性质的影响研究 表1沉积物石油污染程度及其性状 T a b l e1T h ed e g r e eo fs e d im e n tp e t r o l e u mc o n t a m in a t io na n dit sp r o p e r t ie s 严重污染 2 3 1 S e r io u sp o l l u t io n 中度污染 1 3 2 2 3 1 M o d e r a t ep o l l u t io n 轻微污染 9 9 1 3 2 S l ig h tp o l l u t io n 基本无污染 3 3 9 9 N op o l l u t io nb a s ic a l l y 黑色，软塑，含水量较大，手感滑润， 有明显油气味和腥臭味。 灰黑色，软塑，3 0 6 0a m 深度处中 度污染，有轻微油气味。 灰色，可塑，无明显油迹感，无明显 油气味。 黄褐色，可塑，无油气味。 2 2 污染范围 石油污染后的沉积物大都呈现灰色至黑色，而未 污染的沉积物呈现黄褐色，两者可形成一明显的界面。 根据每个探坑揭示的污染深度，可初步绘制污染沉积 物的深度和水平范围，( 见图2 ) 。可以看出，3 条测线 中，石油污染的深度基本上位于0 2 1 5m 深度内， 其中，l # 测线的污染深度最小，基本上在0 9in 以内， 平面污染范围也最小，长度为1 4 0m ；3 # 测线的污染 深度最大，达1 5m ，平面污染范围也最大，达4 4 0I n 。 这与水深等深线有关，3 # 测线的水深较大，地理位置 较低，石油易于沿低位置流动；而1 # 测线相对位置较 高，污染深度和平面范围均相对较小。 应该指出的是，图中的污染范围是指顶部出现污 染物到底部消失的深度，实际情况下，不少污染沉积物 是成层分布的，某些层厚仅为几厘米。这可能是由于 多次石油泄露引起的，石油落地后扩散到一定深度时， 表层又有沉积物沉积，覆盖了原来的污染沉积物。在 调查中，多数污染沉积物上部覆盖一层未污染的沉积 中国海洋大学学报 物，厚度在1 0 2 0c m 之间，少数仅为几厘米。主要是 由于随着采油技术的发展和环保意识的提高，近期内 没有石油泄露，上部新近沉积物覆盖了原来污染沉积 物形成的。 2 3 污染程度 采用单因子法评价沉积物污染程度，即以沉积物 污染的实测浓度和标准值比较，计算单因子污染指数， 来确定石油污染程度，其表达式如下： 驴呈 式中，P ，为沉积物( i) 污染指数；C i为沉积物( i) 污染实 测浓度( m g k g ) ；S f 为评价标准( m g k g ) 。 对于评价标准，鉴于目前尚未见到有关国家标准 和地方标准，本文暂不对其进行评价。对取得的散样 进行石油浓度测试，发现基本上位于5 2 2 5 1m g k g 之间，对应典型的地层剖面图见表1 所示。 2 4 工程性质的影响 石油污染对沉积物的工程性质有一定影响，取原 状样和现场原位测试沉积物的工程性质，列于表2 中。 其中测试项目包括沉积物重度、渗透系数、压缩模量和 力学指标，重度采用环刀法测试，称取环刀内土体重量 后，除以环刀体积，经换算得到沉积物重度；饱和度采 用土体重度、干重度和含水量经公式换算得到；渗透系 数根据达西定律，采用变水头测试法；压缩模量采用标 准固结试验测试；直剪试验采用直剪仪测试；不排水抗 剪强度采用微型十字板测试；贯人阻力采用普氏贯入 仪测试。 经测试发现，污染程度对沉积物的重度、渗透系 数、压缩模量和力学指标都有一定的影响。污染程度 越大，沉积物重度越小。石油污染沉积物后，其力学指 标均有所改变，其中黏聚力增大、内摩擦角减小；不排 水抗剪强度和贯人阻力均有所降低。 表2 污染程度对沉积物工程性质的影响 T a b l e2T h ein f l u e n c eo fc o n t a m in a t io nd e g f e et os e d im e n te n g in e e r in gp r o p e r t ie s N o t e s ：D e g r e eo fs a t u r a t io n ；P e r m e a l o il it y ；C o m p r e s s io nm o d u l u s ；C o h e s iv ef o r c e ；I n t e r n a lf r ic t io na n g l e ；S e d iu r ou n d l a in e ds h e a s t e n g t h ；P e n e t r a t io nr e s is t a n c es t r e n g t h 为了进一步研究石油浓度与沉积物工程性质的影 响，将不同污染程度沉积物的与不排水抗剪强度和贯 人阻力的关系绘制于图3 和图4 中。沉积物污染程度 越大，强度越小，重度污染沉积物强度约是基本无污染 沉积物的3 l l 2 ，轻度污染沉积物的强度与基本无 污染的相差不大。 2 4 石油污染对沉积物结构的影响 土体结构类型有：团粒结构、块状结构、板状结构、 片状结构和核状结构等。通过对黄河口试验场地未污 染土体的调查可知，土体多为团粒结构类型，而石油污 染后沉积物多为块状和板状结构，尤其是晒干后，更加 明显。这是因为落地原油中有一定的胶黏性物质一沥 青，长时间与沉积物结合后形成的。 2 5 讨论 石油在开采过程中，对周围沉积物造成了一定的 污染，污染的深度达到1 5m ，部分较浅，仅为0 2m 。 最初的石油污染只产生在沉积物表面，由于沉积物具 有一定的孔隙，石油沿着孔隙渗透到深层沉积物中经 扩散引起的，造成更大范围的污染。 石油污染沉积物对工程性质的影响，主要机理表 现在：( 1 ) 石油污染降低了沉积物重度，这是因为石油 的重度相对土体和水小得多，石油浓度越高，土体中的 孑L 隙被石油充填的比例越大，总的重度越小；( 2 ) 对力 学指标有所影响，石油充填土体孔隙后，增加了土体的 黏聚效应，但对摩擦也起到了一定润滑作用，故直剪试 验得到的黏聚力比未污染土体的大，内摩擦角偏小；污 染土体具有一定的团聚效应，使得土体渗透性减小。 近些年来随着油田环保措施的进一步完善，可以 推测随着时间的推移，沉积物中石油含量进一步减小， 污染范围也进一步扩大。 1 期王林昌，等：石油污染对黄河口沉积物工程性质的影响研究 O 1 0 _ 2 0 3 0 吕舶 奋- 5 0 - 6 0 7 0 - 8 0 9 0 Ol O S e r io u s p o l l u t io n M o d e r a t op o l l u t io n S l ig h tp o l l u t io n 染N op o l l u t io nb a s ic a l l y 图3 污染程度对沉积物不排水抗剪强度的影响 F ig 3 T h ein f l u e n c eo fc o n t a m in a t io nd e g r e et o s e d im e n tu n - d r a in e ds h e a rs t r e n g t h P ，N 图4 污染程度对沉积物贯人阻力的影响 F ig 4T h ein f l u e n c eo fc o n t a m in a t io nd e g r e et os e d im e n t p e n e t r a t io nr e s is t a n c es t r e n g t h 3 结论 通过对黄河口胜利油田某油井附近的沉积物进行 现场调查和取样测试等，研究石油开采过程中沉积物 的污染范围、程度和对沉积物工程性质的影响，得出了 以下结论： ( 1 ) 油井附近沉积物存在一定范围的石油污染，深度 基本上在0 2 1 5m 之间，水平范围在1 4 0 4 4 0m 之间。石油污染的深度与水深有关，水深越大，污染范 围也越大。污染沉积物上部一般覆盖一薄层基本无污 染沉积物。 ( 2 ) 污染程度对沉积物的重度、渗透系数、压缩模量和 力学指标都有一定的影响。污染后，沉积物重度变小， 内摩擦角变小，内聚力有所增大。不排水抗剪强度和 贯入阻力均随污染程度的增大而减小，重度污染沉积 物强度约是基本无污染沉积物的3 1 1 2 。 ( 3 ) 石油污染对沉积物结构有一定影响，污染沉积物 多为块状和板状结构，认为是由于沥青与土颗粒结合 后形成的。 参考文献： I - 1 孙清，陆秀君梁成华土壤的石油污染研究进展E J q 沈阳农业 大学学报，2 0 0 2 ，3 3 ( 5 ) ：3 9 0 3 9 3 2 A L 女n a dHA ，I s m a e lNF A g in ge f f e c tO no ilc o n t a m in a t e dK u w a it is a n d J J o u r n a lo fG e o t e c h n ic a la n dG e o e n v ir o n m e n t a lE n - g in e e r in g 。1 9 9 7 ，1 2 3 ( 3 3 ) ：2 9 0 2 9 4 3 3S h a hSJ ，S h r o f fA V ，P a t e lJV S t a b il iz a t io no ff u e lo ilc o n t a r n i- n a t e ds o il Ac a s es t u d y J G e o t e c h n ic a la n dG e o l o g ic a lE n g i n e e r in g ，2 0 0 3 ，2 1 ( 4 ) ：4 1 5 4 2 7 4 E 哂nE ，陆BM M m e h a n im lb e h a v io ro f 锄o il c o n t a m in a t e ds a n d c T h eN e t h e r l a n d s ：E n v ir o n G e o t e c h n o l o g yP r o c ，M e d it 蚴 n e a n ( b n f o eR o t t e r d a m ：B a l k n aP u b l is h e r s ，1 9 9 2 ：1 0 1 - 1 0 8 6 8 中国海洋大学学报2010 年 T h eI n f l u e n c eo fP e t r o l e u mC o n t a m in a t io nt oE n g in e e r in g P r o p e r t ie so fS e d im e n ta tt h eY e ll o wR iv e rE s t u a r y W A N GL in - C h a n 9 1 ”，Y U A NS h o u - Q il ，X I N GK J u n 3 ( 1 O c e a nU n iv e r s it yo fC h in a ，Q in g d a o2 6 6 1 0 0 ，C h in a ；2 S in o p e cC a t a l y s tC o m p a n yB e ij in gA u d aD iv is io n ，B e ij in g1 0 1 1 1 ； 3 S u r v e il l a n c eD e t a c h m e n to fE n v ir o n m e n t a lP r o t e c t io nB u r e a u ，P u y a n g4 5 7 0 0 0 ，C h in a ) A b s t r a c t ：T h isp a p e rs t u d ie dt h es c o p ea n dp r o p e r t ie so fp e t r o l e u mc o n t a m in a t e ds e d im e n t ( P C S ) n e a r o n eo ilw e l la tt h eY e l l o wR iv e rE s t u a r y F ir s t l y ，t h es c o p eo fp e t r o l e u mc o n t a m in a t io nw a sin v e s t ig a t e d b yu s in ge x p l o r a t o r yp it P e t r o l e u mc o n t a m in a t io ne x is t e da tac e r t a ine x t e n ta r o u n dt h eo ilw e l la t0 2 1 5mind e p t h ，1 4 0 - - - 4 4 0minl e v e l T h e n ，t h es t r e n g t ho fP C Sw a sm e a s u r eI n - S it u ，a n ds o ils a m p l e w a st a k e nf o rm e a s u r in go ilc o n c e n t r a t io n ，p h y s ic a la n dm e c h a n ic a lp r o p e r t ie sin d o o r T h er e s u I t ss h o w t h a tp r o p e r t ie so fP C Sa r ed if f e r e n tf r o mt h o s eo fu n - c o n t a m in a t e d T h eg r a v it y ，p e r m e a b il it va n d s t r e n g t ha f t e rc o n t a m in a t io nw il ld e c r e a s e F in a l l y ，t h ea n a l y s iso fs o ils t r u c t u r er e v e a l st h a tm o s to fP C S a r eina l lm a s s iv ea n dp l a t e K e yw o r d s ：p e t r o l e u mc o n t a m in a t io n ；Y e l l o wR iv e rE s t u a r y ；s e d im e n t ；p r o p e r t y ( 上接6 2 页) 4 3 高福平，顾小芸，吴应湘考虑波一管一土耦合作用的海底管道在位 稳定性分析方法f J 海洋工程，2 0 0 5 ，2 3 ( 1 ) ：6 - 1 2 5 青岛环海海洋工程勘察研究院C B 2 2 C - C B 2 5 3 海底输油管线工程 责任编辑庞曼 地形测量及工程地质勘察技术报告 R 青岛：青岛环海海洋工 程勘察研究院，2 0 0 2 O n B o t t o m S t a b il it yA n a l y s iso fS u b m a r in eP ip e l in e sinC h e n g d a oO ilF ie l d L I UX ia o - L il ”，儿AY o n g - G a n 9 1 ，X I N GY in 9 3 ( O c e a nU n iv e r s it yo fC h in a1 K e yL a bo fM a r in eE n v ir o n m e n t a l E n v ir o n m e n t a lS c ie n c ea n dE n g in e e r in g ，Q in g d a o2 6 6 1 0 0 ，C h in a ； D a t o n gU n iv e r s it y ，D a t o n g0 3 7 0 0 3 ，C h in a ) S c ie n c ea n dE c o l o g y ，M in is t r yo fE d u c a t io n ；2 C o l l e g eo f 3 E n g in e e r in gS c h o o lo fS h a n x iD a t o n gU n iv e r s it y ，S h a n x i A b s t r a c t ：I nC h e n g d a oo ilf ie l d ，t h e r ea r et w om a ink in d so ft y p ic a ls e a b e d ，t h a tist h es il ts e a b e da n d t h es o f t - c l a ys e a b e d B a s e do nt h ef in it ee l e m e n tm o d e