旱寒地區石油對灰漠土滲透性影響分析

朱博

摘要：本文針對新疆克拉瑪依地區采油廠灰漠土在旱寒氣候多次凍融循環作用下，石油污染對土壤滲透性的影響展開研究。首先對研究區不同污染條件下的未凍融土樣做變水頭試驗，分析其滲透系數變化規律，結合污染土樣掃描電鏡結果，分析滲透性變化原因;然后對試樣進行多次凍融循環試驗，循環溫度區間依據當地氣候設置為-20℃—40℃，循環次數為6次，測其滲透系數，并對各試驗結果進行分析。研究成果可為該地區采油廠土壤修復提供依據。

關鍵詞：凍融循環;原油污染;土壤滲透系數;克拉瑪依

引言：

克拉瑪依作為新疆油田的“主戰場”，針對該地區特有的氣候特點、土壤性質和原油種類，開展該地區石油在灰漠土中的滲透性影響研究顯得尤為突出，尤其是凍融循環的影響。本文選用克拉瑪依市春風采油廠所產原油，在擬新建采油井周邊取土壤樣品，采用室內凍融循環和變水頭試驗方法結合掃描電鏡微觀解析，分析并探討了影響該地區凍融循環作用下受石油污染土壤的滲透系數變化因素。

1實驗材料與方法

實驗所用土樣采自克拉瑪依市勝利油田排66區塊擬新建采油井周邊。試驗制樣及過程嚴格依據《土工試驗規程》（SL237-1999）[16]進行，去除表土在同一深度用TST-55型環刀（61.8mm*40mm）取樣18件，再根據土壤剖面每層取樣3kg。土壤剖面見圖1。

實驗制樣分由三部分組成：第一部分，取六件樣，依次編號為1#～6#，依據前人研究結果，對試樣進行原油污染，據試樣編號分別加入0.00%、0.61%、1.20%、1.81%、2.41%、和3.01%的原油進行污染，對試樣進行48 h常溫養護，隨后在常溫下進行變水頭試驗，試驗過程嚴格按照《土工試驗規程標準》（SL237-1999）進行;第二部分取六件樣，依次編號為7#～12#，再對其進行凍融循環，凍融循環試驗儀器選用可程式恒溫恒濕試驗箱（JW-2002），箱體內的溫度、濕度可以控制在一定的區間。結合克拉瑪依地區多年溫度變化情況，設置試樣循環低溫為-20℃，高溫為40℃，此次試驗對試件進行6次循環，單次循環為8 h。循環試驗結束再對此試件進行變水頭試驗，試驗過程及要求同第一部分;第三部分對第一、二部分中的試件土樣經研磨過100目篩進行掃描電鏡測試。

2實驗結果與分析

2.1土樣分析

將采集的土壤篩分，進行顆分試驗可得其顆粒累計分布曲線和不同粒徑顆粒分布曲線。

針對克拉瑪依地區的特殊地理環境，此次進行了三組有針對性的等量顆分試驗：第一組為原狀樣，將采集的土壤風干后直接進行顆分試驗;第二組為烘干樣，根據克拉瑪依地區多年來天氣變化資料的分析，模擬土壤經歷酷暑時節，遂將采集的土壤進行50℃恒溫烘烤，烘烤24h，該過程使用的儀器是北京市永光明醫療儀器廠101型電熱鼓風干燥箱進行烘制，待土壤冷卻至室溫時再進行顆分試驗;第三組為凍融樣，實驗室模擬該地土壤所經歷的溫度變化-20℃—40℃，循環6次，單次8 h，該過程使用的儀器為觸摸可程式恒溫恒濕試驗箱（JW-2002），待土壤冷卻至室溫時再進行顆分試驗。

最后得到結論，三組試驗結果對應的圖像走勢基本一致。相比較而言，原狀樣的累計分布曲線更加陡，烘干樣次之，而凍融樣則較為平緩;在級配角度看來，凍融樣級配最好，烘干樣次之，原狀樣最差。由不同粒徑顆粒分布曲線可知，無論是原狀樣、烘干樣和凍融樣，顆粒分布趨勢一致，各土樣的主要粒徑區間均為0.5-0.1mm，土樣在進行烘烤和凍融后顆粒分布波峰基本重合，相較于原狀樣波峰下降約15%，說明土壤在進行烘干、凍融之后，顆粒分布較原狀樣更加均勻;土壤在經過烘烤和凍融處理之后，0.5-10mm間的顆粒百分比明顯多于原狀樣。綜上可得知，灰漠土在經歷外界強烈的干擾后，物理性質有了明顯的變化。

2.2石油對灰漠土滲透率的影響

2.2.1石油對原狀樣滲透性的影響

該區域土壤（1#）的滲透系數為1.76×10-4cm/s，當石油污染土壤后，其滲透性先急劇減小，隨后趨于平穩;變化最明顯的過程是土樣中石油含量為0.00%（1#）到0.61%（2#），該過程土壤的滲透性減小66.42%，說明石油作為土壤的外來干擾物，對土壤的滲透性影響劇烈。但是當石油的含量大于1.20%之后，土壤的滲透性基本趨于穩定，變化率為5%左右，滲透系數在1.99×10-5cm/s至8.18×10-6cm/s間，此時，滲透性與含油率之間表現出顯著的負相關性（R=0.97），這與M. Khamehchiyan et al.[1]的研究結果一致。

2.2.2石油對凍融樣滲透性的影響

土壤在經歷凍融循環處理之后，滲透系數（7#）為4.36×10-4cm/s，是原狀樣（1#）的1.47倍，由此說明連續的凍融循環對土壤滲透性的影響顯著，滲透性變化的原因可能是凍融循環影響了土體結構，進而改變了土壤的滲透性。當石油污染土壤后，其滲透性整體表現為先急劇陡降，后平穩。

隨著土樣中石油含量的增加，土壤的滲透性急劇減小，減小最明顯的過程為土樣中石油含量0.00%的7#試樣到0.61%的8#試樣，滲透系數減小0.74倍。當含油率處于1.81%—2.41%區間時，凍融條件已不再是影響土壤滲透率的主控因素，此時隨含油率的增加凍融土樣的滲透系數趨向于某一區間;此時，土樣中石油含量與滲透性有良好的（負）相關性（R>0.9）。

當土樣中含油率在0～1.20%區間時，同條件下的凍融樣滲透性遠優于原狀樣的滲透性;當土樣中含油率在1.20%～3.01%區間時，同條件下的原狀樣滲透性略優于凍融樣的滲透性。比較1#和7#可知，在不被石油污染的情況下，凍融樣的滲透性比原狀樣的大147%;而當含油率為1.20%時，土體的孔隙結構已趨于穩定，同時受到石油物質的膠結，使得滲透性變化率趨于穩定。

3結論

（1）研究區土壤的主要粒徑區間為0.25mm—0.075mm。經土力學相關計算可知：研究區土壤的曲率系數Cc=1.09，處于1和3之間，根據以往文獻及現場施工結果表明該區域土壤為級配連續的土壤。

（2）克拉瑪依地區土壤的滲透系數為1.76×10-4cm/s，凍融情況下的滲透系數為4.36×10-4cm/s。

參考文獻：

[1]常士驃，張蘇民.工程地質手冊[M].4.中國建筑工業出版社， 2007 ：488-499.