中俄輸油管道泄露過程中原油于土壤中的遷移研究

王學力，王榕，吳官生，高鵬，王博，王東坡

(1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2.中國石油管道公司大慶(加格達奇)輸油氣分公司，黑龍江 加格達奇 165000；3.四川農業大學資源環境學院，四川 成都 611130)

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中俄輸油管道泄露過程中原油于土壤中的遷移研究

王學力1,2，王榕3，吳官生2，高鵬2，王博2，王東坡1

(1.天津大學材料科學與工程學院，天津 300072；2.中國石油管道公司大慶(加格達奇)輸油氣分公司，黑龍江 加格達奇 165000；3.四川農業大學資源環境學院，四川 成都 611130)

摘要：為了探尋中俄輸油管道泄露原油過程中原油在土壤中的遷移規律，采用箱體動態模擬和球形積分模型對此進行研究，實驗土壤為沿線的粉質粘土和粘土混碎石.結果表明，原油在不同土體各方向遷移速率的大小皆為：垂直向下方向(Z負軸)>管線方向(Y正軸/Y負軸)>水平垂直管線方向(X正軸/X負軸)>垂直向上方向(Z正軸).分析土壤含水率對原油遷移距離的影響，結果表明，含水率在6.09%15.02%范圍內時，原油的遷移距離隨著土壤含水率的增大先增大后減小，含水率為10.33%時遷移距離最大.箱體動態模擬實驗結果和球形積分模型的預測結果一致，原油的遷移速率大小為：粘土混碎石>粉質粘土，說明了球形積分模型的合理性.

關鍵詞：管道泄漏；遷移；原油；箱體動態模擬

0引言

近年來，輸油管道原油泄漏事件的頻繁發生，不僅造成了嚴重的資源浪費和經濟損失，并且對生態環境帶來了巨大的威脅.中俄輸油管道是一條埋藏式的年輕管道，且該管道穿越的地區地形復雜、生態環境脆弱，因此研究中俄輸油管道原油在土壤中的遷移規律至關重要.目前，國內外研究原油及其污染物在土壤中遷移規律的方法主要有：現場取樣分析法[1-4]、土壤過濾法[5-7]、淋濾法[8-11]、離心模型法[12-13]等，這些方法主要針對已經脫離管道存在于地表上或土壤中的原油遷移，而對于在管道泄漏過程中原油在土壤中遷移規律的研究方法較少.為了在發現原油泄漏時能及時正確地采取處理措施減少損失和危害，本文中采用箱體動態模擬實驗研究中俄輸油管道泄漏原油過程中原油在自然土體中的遷移規律.

1材料方法

1.1實驗材料1)油品.實驗用油采用中俄輸油管道林源進站俄原油.經檢測分析，原油的密度為0.843 3 g/cm3，凝點小于-25 ℃，水含量為0.064%，蠟含量為4.35%，膠質和瀝青含量為6.67%.2)土樣.實驗土樣粉質粘土和粘土混碎石采集于漠大線加格達奇地段，其中粘土混碎石由花崗巖與砂巖發育而來.土樣的基本理化參數見表1，表中的容重及含水率為在實驗箱體中采樣并測定的結果.3)熒光燈.采用LGY JL-101型手電筒式熒光燈，燈光顏色為藍色；經檢測，原油在藍色燈光的照射下顯現出鮮明的暗黃色，原油落在土壤中后可以明顯地區分土壤與油，并且可以清晰分辨出原油的遷移路徑.

表1　實驗土樣的基本理化性質

1.2實驗方法

1.2.1箱體動態模擬實驗采用邊長為20 cm的立方體木箱進行箱體動態模擬實驗.將土樣每2 cm一層壓實，把土壤一層一層裝入箱體，同時將輸油管鋪設在箱體中心固定，裝好的土壤應達到均勻密實、接近自然土體.箱體裝置見圖1.然后將原油從豎直輸油管連續地勻速加入，在實驗時間結束時停止加入，立馬打開排油閥門，待輸油管內殘留的油全部流出后，馬上拔出輸油管打開箱體；用削土刀由進油口方向往排油口方向根據一定的距離迅速切下土層，用熒光手電筒觀察切下的每個剖面上原油滲透的痕跡，用刻度尺量取每個剖面上原油斑邊際距離剖面中心的距離并記錄.經過預實驗，設置粉質粘土的實驗時間梯度為：1、2、3、4、5 min；粘土混碎石的實驗時間梯度為：15、30、60、120 s；每一時間梯度進行3次重復試驗并取其平均值.

圖1　箱體模擬實驗裝置

1.2.2原油遷移距離預測根據在土體剖面XOZ(X、Y、Z軸方向見圖1)上采集的實驗數據，利用Origin 8.5軟件，采用高斯方程(Gauss)進行數據擬合，得到每個XOZ平面的橢圓面積曲線方程，然后對該曲線沿輸油管埋藏方向(Y軸)進行積分，得到原油遷移污染土體的體積；接著對體積—時間進行異速增長曲線(allometric)擬合，得出原油在土體中的遷移體積與時間關系，即V-t關系.根據兩種土壤的V-t擬合公式與球體體積變形公式求出以漏油點為中心的遷移半徑r，遷移半徑r即為類似遷移距離L.該預測模型稱為球體積分模型.該模型的建立基于以下幾個假設：1) 原油以勻速連續泄漏；2)XOZ平面原油滲透斑跡為橢圓；3) 污染土體為球體.

1.2.3含水率對原油遷移的影響將采集的新鮮粉質粘土經過風干或加水攪拌的方法制備一組含水率不同的土樣，該組土樣含水率為：6.09%、8.55%、8.86%、10.33%、11.56%、12.3%、15.02%；將這一系列含水率的土壤分別進行3 min的箱體動態模擬實驗.

2結果與討論

2.1原油在土體各方向的遷移原油在土體中X軸的正負方向的遷移距離很接近，Y軸也如此，因此僅需X正軸、Y正軸、Z正軸和Z負軸方向的數據，分析原油在粉質粘土和粘土混碎石土體中各方向遷移的時間距離關系.

由圖2、圖3可知，在粉質粘土和粘土混碎石土體中，原油在各方向遷移距離的大小皆為：Z負軸>Y正軸=Y負軸>X正軸=X負軸>Z正軸.原油在土壤中遷移的作用力主要為重力和毛細管力[14]，在Z負軸，重力作為驅動力促進原油的移動；在X軸、Y軸、Z正軸，重力阻礙原油的移動，在Z正軸的阻礙作用遠遠大于X、Y軸.而原油在Y軸遷移的距離大于X軸，可能是因為，Y軸方向為輸油管埋藏的方向，土壤與輸油管不能完全融合而留下一條縫隙，這條縫隙使原油更易在Y軸方向運移.

圖2　原油在粉質粘土中個各方位的遷移距

圖3　原油在粘土混碎石中各方位的遷移距

土壤粒徑越小，比表面積越大，吸附截留原油的性能越強[15]，原油在其中的遷移速率受到牽制；并且，粘土混碎石中含有粒徑大于10 mm的碎石顆粒，碎石顆粒幾乎沒有吸附性，能與周圍土壤顆粒間產生較大的縫隙，減小了對原油遷移的阻礙.有機質雖然對土壤吸附原油有較大影響[16]，但兩種土壤的有機質含量相差太小，可忽略其影響.因此，在該實驗中，原油的遷移速率主要受土壤顆粒的影響，且原油在粉質粘土中的遷移速率小于在粘土混碎石中的遷移速率.

2.2原油遷移距離預測結果根據1.2中的球體積分模型，將計算得到的土體被污染體積與泄漏時間(t)進行異速增長曲線(allometric)進行擬合分析，得到被污染土體體積(V)與泄漏時間(t)之間的關系方程式.如下：

粉質粘土：

V=17.93t2.06,R2=0.991 5

(1)

粘土混碎石：

V=0.16t2.02,R2=0.969 9

(2)

根據兩種土壤的V-t擬合公式與球體體積變形公式：

r=(3V/4π)1/3

(3)得到類似遷移距離L(即r)，進一步圖像擬合，得到時間-遷移距離預測圖(見圖4).由圖4可明顯看出原油在粉質粘土、粘土混碎石中遷移的距離隨時間的增加而增大，粘土混碎石的遷移速率大于粉質粘土，且其遷移速率為粉質粘土的兩倍多，這與2.1中的實驗結果相同，說明了球體積分模型的合理性.

圖4　原油在土壤中遷移距離預

圖5　含水率對遷移距離的影

3結論

1) 原油在粉質粘土和粘土混碎石土體中各方向遷移距離的大小皆為：Z負軸>Y正軸=Y負軸>X正軸=X負軸>Z正軸.管道泄漏時，可以加強對Z負軸和Y軸方向的原油截留，防止原油遷移帶來更嚴重的污染.

2) 原油在粉質粘土中的遷移距離隨著土壤含水率的增大先增大后減小，在含水率為10.33%時遷移距離達到最大.管道泄漏時，可以提高土壤含水率的方式減小原油的遷移速率，為清理回收原油爭取時間.

3) 箱體動態模擬實驗結果和球形積分模型預測結果一致，原油在粘土混碎石中的遷移速率大于在粉質粘土中的遷移速率.

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(責任編輯游俊)

The migration of crude oil in soil during the leakage of theChina-Russia oil pipeline

WANG Xueli1,2,WANG Rong3,WU Guansheng2,GAO Peng2,WANG Bo2,WANG Dongpo1

(1.School of Materials Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Daqing Oil and Gas Pipelines Branch Company of PetroChina Pipeline Company,Jiagedaqi 165000,China;3.College of Resources & Environment,Sichuan Agricultural University,Chengdu,611130,China)

Abstract:In order to explore the migration patterns of crude oil in soil during China-Russia oil pipeline leak,the method of box body dynamic simulation and integral sphere model had been applied with silty clay and clay mixed macadam as the experimental soil.The results showed that the migration distance of crude oil in each direction of soil decreased in the following order:vertically downward direction (negative Z axis) > direction of the pipeline (positive Y axis and negative Y axis) > horizontal vertical pipeline direction (positive X axis and negative X axis) > vertical upward direction (positive Z axis).The soil moisture content and oil pressure effect on crude oil migration distance were analyzed.As results showed,crude oil migration distance along with the increase of soil moisture content increased first,then decreased,in the case of soil moisture content within the scope of 6.09%15.02%.In addition,the moisture content of 10.33% migration distance was the largest.Meanwhile,the result predicted by spherical integral model that the migration rate of crude oil in soil decreased in the order:clay mixed macadam > silty clay.It was consistent with the result of box body dynamic simulation experimental,which proved the rationality of the spherical integral model.

Key words:pipeline leak; migration; crude oil; box body dynamic simulation

中圖分類號:X53

文獻標志碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.03.013

文章編號:1000-2375(2016)03-0242-04

作者簡介：王學力(1974-)，男，高級工程師，E-mail：kjwxl@petrochina.com.cn

基金項目：校企合作項目(漠大線油品遷移規律及控制技術研究)資助

收稿日期:2015-08-18