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本文作者：劉大平1劉成玉2作者單位：1吉林省征地事物中心2北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

石油開采對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的影響

1過量開采地下水導(dǎo)致開采條件惡化、資源枯竭

油田開發(fā)建設(shè)對(duì)水資源需求很大，由于油藏和水資源配置不匹配，我國(guó)油田對(duì)地下水資源的依賴程度普遍較高．地下水資源超采，尤其是在有采無補(bǔ)或采大于補(bǔ)的條件下開采地下水．靜儲(chǔ)量減少使地下水位大幅度下降．開采壓力的進(jìn)一步加深使得含水層被逐漸疏干，地下水位埋深不斷增大．由于地下水位下降，引起靜水壓力減小及含水層變薄，改變了地下水壓力和含水層上下滯水層中的應(yīng)力狀況，形成大面積區(qū)域性地下水下降漏斗，機(jī)井越打越深，取水日益困難．單井涌水量普遍減少，甚至出現(xiàn)吊泵、水井報(bào)廢等現(xiàn)象［7－9］，增加了油田建設(shè)的開支，影響了正常生產(chǎn)活動(dòng)的進(jìn)行．

2開采承壓水引起地面沉降

地下水資源的過量開采是導(dǎo)致我國(guó)現(xiàn)階段城市地區(qū)地面沉降的最主要原因．油田地區(qū)潛水儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足開發(fā)建設(shè)的需求，開采承壓水導(dǎo)致地面沉降的趨勢(shì)及現(xiàn)象比比皆是．引起地面沉降的機(jī)理按照不同的承壓水儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)可以分為2種類型，其中孔隙承壓水造成地面沉降的可以解釋為開采含水層水位下降后，由于砂層壓密而產(chǎn)生的．根據(jù)Terzaghl有效應(yīng)力原理可得。沙層是通過顆粒的接觸點(diǎn)承受應(yīng)力的，當(dāng)有效應(yīng)力增加時(shí)顆粒的接觸面積增大，排列更加緊密，孔隙度減小砂層壓縮，產(chǎn)生地面沉降．理論上，由于巖層壓密而造成的地面沉降應(yīng)該在承壓砂層孔隙水停止開發(fā)之后，地下水復(fù)位時(shí)，發(fā)生沉降的地面可以回彈復(fù)原．大慶市的實(shí)際情況也可以佐證這一理論，但是這種回彈在黏性土質(zhì)條件下將受到一定限制．雖然Terzaghl的有效應(yīng)力原理同樣適用于黏性土的釋水壓密，但是較砂層反應(yīng)滯后，一旦孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化即使水位恢復(fù)土層也不會(huì)復(fù)位，形成永久性的地面沉降．國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)表明，即使通過人工地下水補(bǔ)給使地面停止下沉，但只能有一定程度的恢復(fù)，難以完全回復(fù)原位．其原因很大程度上是由于黏性土釋水壓密導(dǎo)致黏土結(jié)構(gòu)改變?cè)斐傻模捎诖髴c市部分地區(qū)的地面沉降類型屬于不可恢復(fù)的黏性土釋水壓密沉降，導(dǎo)致大慶市水文地質(zhì)環(huán)境的實(shí)際情況不容樂觀．此外，作為傳統(tǒng)指標(biāo)體系中用來評(píng)價(jià)地下水資源重要依據(jù)的孔隙承壓水位，不能全面表征地下水資源儲(chǔ)量，進(jìn)而，將其作為地面沉降得以恢復(fù)的反饋因子更缺乏說服力．

3高壓注水導(dǎo)致地面變形

油田進(jìn)入主體開采期后就要對(duì)油藏進(jìn)行高壓注水，如果油層物性差、連通性較弱，就會(huì)在高壓注水過程中形成高壓區(qū)塊，或者在井間、層間產(chǎn)生異常高壓帶．高壓注采可以造成地表高程變化，且這種變形與同期地層壓力變化較為一致．注采過程中的地面變形基本上是彈性變形．注水導(dǎo)致高壓層地面抬升、隆起，停注后地面將停止升高，如果采取降壓措施，地表還會(huì)下沉．注水壓力的持續(xù)影響會(huì)帶來井底流壓及地層壓力的變化．由于不同介質(zhì)導(dǎo)壓能力存在差異，非均質(zhì)層內(nèi)壓力場(chǎng)使層間巖性變化不均衡，導(dǎo)致地面隆起變形，造成油、水井套管損壞［10］．不僅如此，采油及地下水水位下降引起含水層上部的局部疏干，孔隙壓力釋放，破壞了含水層原有骨架的應(yīng)力結(jié)構(gòu)；大規(guī)模、高強(qiáng)度的采油可能引發(fā)地下深部的應(yīng)力釋放與變異，使局部構(gòu)造產(chǎn)生活動(dòng)，從而造成地層錯(cuò)動(dòng)，甚至引發(fā)淺源地震．［5］

4含油污水回灌惡化了地質(zhì)水文環(huán)境

滲透污染的污染源主要來自滲坑及落地油．鉆井期間遺留的泥漿坑和磚廠取土坑殘留有大量的石油類污染物，這些滲坑的含油污水會(huì)直接進(jìn)入含水層污染地下水．另外，在雨季尤其是洪水季節(jié)，因?qū)B坑的管理不當(dāng)，含油污水通過地表徑流的作用使原油進(jìn)入大的水域，又會(huì)造成地表水體污染，當(dāng)這些水體補(bǔ)給地下水時(shí)污染的范圍就會(huì)擴(kuò)大［11］．滲透污染主要作用于潛水層，而潛水層和人類活動(dòng)聯(lián)系緊密，一旦污染，重金屬含量超標(biāo)的含油污水可導(dǎo)致土壤及農(nóng)作物遭受污染，對(duì)人體危害嚴(yán)重．穿透污染通常是由于過量開采承壓水引起的地裂縫隙使得承壓含水層失去承壓層的保護(hù)，在降水豐沛的季節(jié)，遭受地表水污染的采油廢水通過地裂涌入地下承壓含水層．以上2種污染的表現(xiàn)形式通常為面狀污染．相對(duì)于潛水污染，承壓水層的污染更具頑固性，一經(jīng)污染難以恢復(fù)，對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境造成永久性的損失．由事故性采油造成的油田區(qū)污染以點(diǎn)狀分布為主．主要污染物是含油污水和鉆井泥漿，污染因子主要是Na、石油、Cl、HCO、F、礦化度、COD、揮發(fā)酚、As等，污染源呈點(diǎn)狀分布［5］．不同油田的原油屬性差別很大，在研究石油開采對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的污染情況時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行檢測(cè)［12］．

大慶地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境及演變

1大慶地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境概況

從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上看，大慶地區(qū)屬于松遼拗陷區(qū)的西北部．總體上，本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，主要發(fā)育有北東和北西兩組前第四紀(jì)斷裂并被第四紀(jì)地層所覆蓋．本區(qū)沉積了厚層的中生代沉積巖和近200m厚的第四紀(jì)松散堆積層．水文地質(zhì)資料顯示，大慶地區(qū)地下水主要有3個(gè)含水層：（1）上部大興屯組黏性土、粉細(xì)砂孔隙潛水層；（2）林甸組砂礫石孔隙承壓含水層；（3）泰康組砂、砂礫石孔隙承壓含水層．3個(gè)含水層間水力聯(lián)系微弱，其中林甸組、泰康組砂礫石孔隙承壓含水層為大慶地區(qū)地下水的主要開采層，地下水初始水位在5．0m左右．［13］大慶現(xiàn)階段開采的地下水屬于湖相沉積孔隙型潛層承壓水，湖泊相沉積物以細(xì)小顆粒組分構(gòu)成隔水層，較粗大的顆粒組成含水層，在含水層水量未受損失之前，含水層的壓力被水承受，而含水層的顆粒沒有明顯變化，孔隙度也基本保持不變．當(dāng)水量損失時(shí)，壓力轉(zhuǎn)移到顆粒組分上，含水層隨之受到壓縮．因此，該地的地下水損失之后如果不能獲得及時(shí)補(bǔ)充將對(duì)水文地質(zhì)構(gòu)造造成較大影響，容易發(fā)生不可逆的地質(zhì)變形，在地表常表現(xiàn)為地面沉降，包括隨之產(chǎn)生的土地鹽漬化、泡澤水域變化等一系列次生問題．通常情況下，湖相沉積平原地下水隔水層的黏性土并非完全隔絕水分；然而作為大慶油田主要地下水源地的林甸組、泰康組砂礫石孔隙承壓水，黏性土質(zhì)細(xì)密、膠結(jié)完全，隔水層發(fā)育完善，使其擁有較高的測(cè)壓水位和較好的封閉性．雖然屬于一般意義上的理想的地下水源，但是考慮到其良好封閉性及隨之而來的補(bǔ)給條件差、含水層間水力聯(lián)系微弱等問題，一經(jīng)開采難以恢復(fù)，一旦發(fā)生污染將造成永久性的環(huán)境損失，因此不適合大規(guī)模的開發(fā)利用．

2大慶地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境演變階段

大慶市水文地質(zhì)環(huán)境面臨的最嚴(yán)重的問題是由于長(zhǎng)期過量開采地下水導(dǎo)致的地下水水資源枯竭，地下水降落漏洞面積不斷擴(kuò)大，城市懸空、地面沉降．據(jù)地質(zhì)勘探部門調(diào)查公布的數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段大慶市地下已經(jīng)形成了兩大塊漏斗區(qū)，油田西部的方圓4000多km2的漏斗區(qū)及東部的方圓1500多km2的漏斗區(qū)，幾乎覆蓋整個(gè)大慶市，并波及與大慶相鄰的周邊市縣．本文以大慶西部地區(qū)地下水降落漏洞的形成及演變情況為依據(jù)，以CorelDRAWX4為工具平臺(tái)，分析大慶油田石油開采對(duì)水文地質(zhì)環(huán)境的影響，并模擬大慶市地下水位及地下水降落漏斗的發(fā)育（見圖2，3，4）［6］．總體來看，大慶西部地區(qū)地下水降落漏斗的形成和發(fā)展可分為3個(gè)階段．

1）地下水降落漏斗形成初期（1960—1976年）第1階段為地下水漏斗的形成階段，由于地下水開采量逐年增加，日均開采量已由開始的（1960年）0．31×104m3／d增加到1976年的304×104m3／d，此時(shí)漏斗的擴(kuò)展范圍已經(jīng)形成，中心地下水位由8．54m下降到1975年的27．86m，平均下降速率1．28m／a［13］．相應(yīng)的地下水水位由開采初期的距地面以下6．00m下降到29．50m，15年下降了23．50m．1976年漏斗區(qū)面積為812km2，漏斗中心位于紅衛(wèi)星水源，靜水位埋深320m．［14］

2）地下水降落漏斗發(fā)展期（1977—1998年）第2階段為地下水漏斗的快速發(fā)展段，由于地下水開采量不斷增加，新的地下水水源地不斷投入運(yùn)行，漏斗快速發(fā)展，到1994年地下水開采量達(dá)66．42×104m3／d．1985年漏斗中心靜止水位35．49m，1997年靜止水位達(dá)461m，1999年靜止水位47．24m，1998年大慶西部漏斗中心靜水位下降到歷史最低點(diǎn)48．73m．面積達(dá)到歷史最大值2143km2，漏斗中心向南位移至獨(dú)立屯水源．

3）地下水降落漏斗穩(wěn)定期（1999年后）大慶地區(qū)這一階段總體上地下水漏斗縮小回升．1999年后，大慶有關(guān)部門開始控制地下水的開采量，大力開發(fā)地表水源．其間關(guān)閉了喇嘛甸、齊家和讓胡路等3座地下水源，使地下水漏斗中心水位穩(wěn)定于41．70m，且有緩慢回升的良好趨勢(shì)．目前，林甸組砂礫石孔隙承壓水水位埋深25．42m，泰康組砂、砂礫石孔隙承壓水埋深41．70m，兩層含水巖組尚都保持著承壓性．漏斗中心向南移至南水源，基本恢復(fù)到1973年的開采水平．［14］

3大慶市地下水采油污染特點(diǎn)

由于大慶市原油具有高烷烴低芳烴的特點(diǎn)，地下水原油污染的檢測(cè)主要選擇烷烴與芳烴作為檢測(cè)目標(biāo)．有關(guān)人員對(duì)大慶地區(qū)地下水原油污染物進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明已有2／3的地下水遭受了不同程度的污染且主要是石油類污染，同時(shí)確定污染主要由地表水的滲透作用導(dǎo)致［15］；劉晶等對(duì)大慶油田區(qū)泡沼取樣分析的結(jié)果再次佐證了地表水滲透型污染的持續(xù)擴(kuò)散［16］；劉曉艷等對(duì)大慶油田地區(qū)土壤的研究表明，石油類有機(jī)污染物被土壤顆粒所吸附，難于向下遷移［17］．由于土壤的隔絕能力較強(qiáng)，加之大慶市的氣候條件，發(fā)生土壤污染物淋溶導(dǎo)致地下水污染的可能性不大．

對(duì)策與措施

1建立和完善全區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)

大慶地區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)要覆蓋整個(gè)水文地質(zhì)相對(duì)完整的區(qū)域，而不僅限于大慶市本身．通過地下水定期取樣，監(jiān)測(cè)大慶地區(qū)地下水采油污染的變化情況，一旦發(fā)生事故快速報(bào)告．同時(shí)開展地上地下一體化監(jiān)控，建立先進(jìn)的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，選取敏感地區(qū)定期開展地面沉降監(jiān)測(cè)；結(jié)合InSAR、GPS方法取得第一手?jǐn)?shù)據(jù)，通過研究地面沉降機(jī)理，建立地面沉降預(yù)警系統(tǒng)．

2控制地表水水質(zhì)，保證廢水達(dá)標(biāo)排放

大慶市地下水原油污染的主要途徑是地表水污染的滲透造成的，保護(hù)地下水質(zhì)的最有效措施是嚴(yán)格控制地表徑流及泡沼的水質(zhì)，通過油田廢水的凈化及循環(huán)利用，減少油田開采的一次供水；對(duì)油田生產(chǎn)用水的排放要嚴(yán)格按照國(guó)家石油開發(fā)工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求進(jìn)行排放，通過控制地表水水質(zhì)保護(hù)地下水免受污染．同時(shí)，對(duì)地表環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)和優(yōu)化，對(duì)已經(jīng)造成的地面沉降加強(qiáng)植被種植，優(yōu)化地表水土環(huán)境，使之重新建立良性的地上與地下水循環(huán)格局．

3控制地下水開采量，創(chuàng)新油田開采模式

控制地下水開采漏斗的繼續(xù)發(fā)展是防治地面沉降發(fā)生災(zāi)害的最有效的手段．大慶市地下水降落漏斗的修復(fù)是防控地面沉降的關(guān)鍵，雖然大慶市地下水水位從1999年開始趨于平穩(wěn)，但是由于油田生產(chǎn)的需求依舊，地下水漏斗控制工作進(jìn)展緩慢．在保證地下水水位控制在地面沉降臨界水位以上的最基本要求下，開展油田持續(xù)開發(fā)的新技術(shù)，既保證油田產(chǎn)量，又減少油田生產(chǎn)的需水量，才能從根本上減輕大慶地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境面臨的壓力．