壹、石油開采區汙染源特點
油田開發給經濟帶來巨大推動力的同時也產生了壹些環境問題。隨著油田開發的進行，人們越來越多地認識到保護生態環境的必要性。
在石油的開發和生產過程中，井場附近的落地原油對土壤的汙染問題越來越引起人們的重視。落地原油是指在油井生產過程中，沒有進入集輸管線而散落在地面的原油。原油落地後會與地面的水、砂、泥土形成混合物，其中的溶解氣和輕烴則會揮發進入大氣環境，造成大氣汙染。部分原油滲入土壤後，會造成土壤和地下水體的汙染。那些積存於表層土壤中的原油會影響土壤的通透性和土壤中養分的釋放，降低土壤中動物及微生物的活性，使土壤的綜合肥力下降，高分子的烴類附著在植物根系上能夠形成壹層黏膜阻礙根系的呼吸和吸收作用，甚至引起根系腐爛，由此影響到上覆植被。土壤汙染嚴重的地區還會改變地表生態，遭受汙染的地區可能在幾十年甚至上百年的時間內都會寸草不生。
石油汙染物中文獻報道較多的有酚、氰、苯並（a）芘等。酚類化合物是芳烴的含羥基衍生物。作物對酚有壹定的忍耐能力，其適應範圍因作物種類、品種、土壤類型和栽培條件而不同，汙水含酚＜25 mg/L時，水稻和小麥生長正常；＞50 mg/L時，開始受抑制。作物體內酚的殘留量隨汙水中酚濃度增加而增加；酚在植物各部分的殘留量按莖葉＞根＞籽實的順序遞減，殘留在籽實中的酚量占總殘留量的比例很少。殘留在農產品中的酚的毒性不大。汙水中酚的濃度＞12 mg/L時，部分蔬菜的品質變劣，口味變澀。酚對作物的危害起始濃度不同，水稻為200 mg/L，黃瓜、西紅柿為100 mg/L。當用含酚0.003～11.0 mg/L的低濃度酚的汙水灌溉蔬菜時，可增產6%～13.6%，對品質沒有產生不利影響［8］。酚在土壤中易被降解礦化，壹般不產生累積現象。
氰的性質有些像酚，它進入土壤後也極易分解、揮發。盆栽試驗證明，用含氰（氰化鈉）0.5～30 mg/L水澆灌水稻和油菜時，兩者的生長發育未受明顯影響；用含氰＞50 mg/L的水澆灌時，生長發育和產量均受影響，開始在糙米和油菜中有氰殘留，氰在水稻各部分的殘留量按根＞莖葉＞谷殼＞糙米的順序遞減。
石油在土壤中的殘留是較強的。自從石油組分的多環芳烴類被確定為具有致癌的危險性以來，研究重點便放在多環芳烴的殘留毒性上。以苯並（a）芘為代表的多環芳烴類物質，主要是各種碳氫化合物在760℃以上高溫裂解過程中生成。根據徐瑞薇（1980）的綜述，各國學者不斷證明，在植物和微生物體內能夠合成多環芳烴，正是這種生物合成的苯並（a）芘，構成了土壤中自然本底。與人類活動造成的外源汙染相比，土壤中生物合成的濃度相對來說是非常低的。
從劉鈞祜和應佩峰（1976）施用5種苯並（a）芘含量的汙泥的試驗結果來看，苯並（a）芘在耕層土壤中有明顯殘留，並隨著汙泥施用量的增加而增多。無論是田間小區試驗還是盆缽試驗，結果是壹致的。
長期以來，國內外學者對土壤苯並（a）芘能否經根系進入植物體並累積於植物體，特別是貯藏器官（如籽實）的報道，很不壹致。美國1964年對8 個州進行的調查顯示，工業區生長的小麥苯並（a）芘的含量（3.52×10 -9）為農業區生長的小麥（0.34×10 -9）的10倍；蘇聯某石油裂解廠附近生長的植物中，苯並（a）芘含量高達600×10 -9～5960×10 -9，並隨距汙染源距離的增加而遞減。Siegfriend等（1975）連續6年每年每公頃施用3～6t垃圾堆肥，土壤中苯並（a）芘年投入增加量為150μg·m-2，但在胡蘿蔔及萵苣莖中未見苯並（a）芘的累積。王崇效等（1979）連續4年施入含5000～47 000μg/kg苯並（a）芘的汙泥，在玉米、高粱、小麥的莖稈和籽實中均未發現苯並（a）芘的累積。高拯民（1981，1989）采用野外調查、盆缽試驗等方法，研究汙水灌區與清水灌區精白米中苯並（a）芘含量，發現二者在統計學上無顯著差異。劉鈞祜和應佩峰（1986）也獲得了類似的結果，他們認為苯並（a）芘具有疏水特性，不論土壤中苯並（a）芘含量多寡，根部只限於接觸吸收（或吸附）而難於通過根部組織向地上部組織運輸。
石油類物質對土壤的汙染在油田區域內是壹個普遍存在的問題，全面了解土壤中石油類物質含量及分布和演化規律是評價土壤石油汙染的前提條件。因此，有必要對石油類汙染物在土壤中的遷移規律和轉化過程進行研究。本次研究以勝坨油田井場附近土壤中落油汙染研究為例，分析我國東部油田井場附近的土壤汙染規律，為油氣田勘探開發過程中的汙染控制與治理措施提供依據，並可通過這壹研究來分析石油類汙染物對水環境的影響程度和範圍，為石油的開發和生產區的環境保護提供參考數據。
二、研究區概況
本次研究區勝坨油田位於山東省東營市境內，是我國第二大油田勝利油田中的高產油田。其構造位置在濟陽坳陷北部，坨莊-勝利村-永安鎮二級構造帶的中段，東鄰民豐窪陷、西及西南鄰利津窪陷、南接東營中央隆起斷裂帶、北面為勝北弧形大斷層遮擋。勝坨油田分為3個區塊，其中三區位於勝坨油田的東部，西與二區相接，北是陳家莊凸起，西南與利津生油凹陷相鄰，是壹個物源、油源均豐富的含油區。
勝坨油田是由東西2個高點組成、被斷層復雜化了的逆牽引背斜構造油氣藏（圖3-40）。油田內部斷層發育，***有斷層58 條，均為正斷層。主要斷層12 條，將油田分為11個斷塊，各斷塊自成獨立的油水系統。“八五”以後又陸續發現了13 個小圈閉油藏。
圖3-40 勝坨油田構造井位略圖
本次研究的坨7斷塊位於三區的東南部，為壹地塹式長條狀斷層，其北和東分別以2條大斷層與坨28和坨11斷塊相接；斷塊內還發育有4條次級小斷層，其中3條在中部，壹條在東部。鉆井揭示坨21斷塊為上第三紀和下第三紀地層，自上而下依次為明化鎮組、館陶組、東營組和沙河街組；其中沙河街組分為4段，沙二段是主力含油層系。沙二段上部屬三角洲-河流沈積，下部以三角洲相沈積為主。上部沈積時期，由於氣候幹燥，湖盆收縮，東營凹陷大部分地區接受河流相沈積。儲層為河流-三角洲沈積，巖性為細砂巖和粉細砂巖，灰粒狀砂巖。沙二段分為2 個油組，1～5 沙層為上油組，6～11 沙層為下油組。上油組以正韻律沈積為主，下油組以反韻律沈積為主。油藏含油面積自上而下變小，最大含油面積為3.5 km2，地質儲量2104.0×104 t。
1961年，勝坨油田開始勘探，至2002年底累積探明含油面積81.0 km2，石油地質儲量48 407×104 t，天然氣儲量88 900×104 m3。開采近40年來，對當地的土壤和生態環境產生了壹定的影響。
三、井場附近土壤汙染的空間分布特征
（壹）取樣點設計及化驗指標
土壤元素的平面分布規律研究以取樣的五口井為例。取樣時以第五個點作為井點，在其兩側分別取4個點進行元素平面分布規律分析。其中井Y317、Y3187、Y2129和Y4118每口井各取了9個點，而井Y6227由於條件限制只取了8個點。
土壤元素隨深度的分布規律研究仍以取樣的五口井為例，其中取樣的深度範圍在0～180 cm以內，土壤樣品點的深度為0、20、40、60、80、100、140、180 cm 處的。井Y317分別對平面上4個點在深度範圍內進行取樣，而井Y3187、Y2129、Y4118和Y6227每口井只各取了2個點。
（二）微量元素分布
1.土壤元素的平面分布規律
土壤元素的平面分布規律研究以取樣的五口井為例。取樣時以第五個點作為井點，在其兩側分別取4個點進行元素平面分布規律分析。其中井Y317、Y3187、Y2129和Y4118每口井各取了9個點，而井Y6227由於條件限制只取了8個點。
圖3-41為取樣的五口井土壤元素的含量變化圖，對其進行分析，找出其中的分布規律。
對五口取樣井Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As元素含量進行對比分析，可以得出以下規律和結論：
部分元素在井口附近有呈現高值的趨勢，說明在井場附近這些微量元素出現異常，且這些異常與油田開發有關。其中Zn表現得較為突出，五口取樣井中有四口井在井口處取得相對較高值。而As、Cu和Ni元素的含量曲線在井口周圍的變化趨勢不明顯。因此，我們可以大膽推測，研究區井場附近的土壤中Cr、Pb、Zn元素受油田開發過程中落油汙染的影響較大，而As、Cu和Ni元素受落油汙染的影響較小。
個別取樣井在離井口較遠的取樣土壤中部分元素的含量曲線有上翹的趨勢，即在離井口壹定距離處的土壤中部分微量元素的含量有所增加。由這壹趨勢我們可以認識到：井口附近土壤中Cr、Pb、Zn元素在井口處含量較高，隨著離井口距離的加大，土壤元素的含量有減少的趨勢，但這並不說明落油汙染在井口處就最為嚴重，井場周圍土壤的汙染治理仍顯得十分必要。這種異常可能是由於研究區範圍內，井孔密集，相互間存在幹擾。這壹認識對於井場周圍落油汙染治理工作能夠起到壹定的指導作用。
針對圖中出現的部分異常值，我們也可以對其進行解釋。Y2129左側的高值點是由於其左側有壹鄰井Y2126的影響，而井Y6227的左側和右側土壤元素含量分別出現高值可能是由於井的左側為壹泥漿池，右側為壹小水塘，而土壤取樣點位於它們附近的原因。但對於具體異常原因還有待於進壹步的深入研究。
對以上取樣井附近土壤中微量元素P和F含量進行對比分析，可以得出以下規律和結論：
1）大多數井P元素的含量在井點處呈現低值，向兩側逐漸呈現高的含量值，隨著離井口距離的增加含量保持穩定，可用圖形“ ”近似表示P元素的含量變化曲線。其中，井口處土壤中P元素含量的降低可能是由於油類物質進入土壤後，改變土壤結構，減小孔隙度，使土壤理化性質發生變化，微生物迅速生長，導致土壤中P元素的含量降低［21］。
圖3-41 井場附近土壤中微量元素含量平面變化圖（圖中△為井口）
2）F元素含量變化的波動性較大，且井口兩端的含量曲線不具有對稱性。因此推斷F元素的含量變化可能與落油汙染的關系不是很大。其中，同壹井場附近土壤中F元素含量曲線在井口壹側先降低後增加，在另壹側先增加後降低的規律較為明顯。
對以上取樣井附近土壤中微量元素Hg和Cd的含量變化進行對比分析，可以得出以下規律和結論：
1）Hg元素的含量在井口附近的取樣中，除在井Y317表現有明顯的變化外，在其他井中含量變化的不是很明顯。可以認為Hg元素的含量受落油汙染的影響不是很大，極個別井場附近土壤中含量的異常變化，可能是由於石油勘探開發鉆井生產過程中產生的廢鉆井液汙染的影響。
2）Cd元素的含量基本上是在井口處的取樣中表現高值，在井口兩側的土壤中含量降低並趨於穩定。井Y2129 井口左側之所以會出現高值，懷疑是因為鄰井Y2126 的影響。而井Y6227的左側出現異常高值有可能是因為取樣點位於泥漿池附近的原因。
2.深度剖面上土壤微量元素含量的變化規律
土壤元素隨深度的分布規律研究仍以取樣的五口井為例，其中取樣的深度範圍在0～180 cm以內，土壤樣品點的深度為0、20、40、60、80、100、140、180 cm 處的。井Y317分別對平面上4個點在深度範圍內進行取樣，而井Y3187、Y2129、Y4118和Y6227每口井只各取了2個點。
圖3-42為井場附近鉆孔中土壤微量元素的含量變化圖，對其進行分析並找出其中的分布規律。
對以上取樣井附近鉆孔中土壤微量元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As的含量變化進行對比分析，可以得出以下規律和結論：
1）除個別異常點外，Cr和Zn元素的含量隨深度的變化，曲線的形態基本壹致，隨深度的增加元素含量先增加後減少，最大值點壹般都不是在井口處土壤中，1m深度以下土壤中元素的含量趨於穩定。Cr和Zn元素含量曲線的波動性較大這說明落油區地下土壤中Cr和Zn元素的含量受落油汙染的影響較大，影響範圍在1 m以內。
2）Cu、Ni、Pb和As元素的含量隨深度的變化不大，僅在80 cm或1 m深度處土壤中元素的含量略有增加。這說明落油區地下土壤中Cu、Ni、Pb和As元素受落油汙染的影響相對較小。
對井場附近鉆孔中土壤微量元素P和F的含量變化進行對比分析，我們可以得出以下規律和結論：P和F元素的含量高值在1m深度範圍以內出現，且曲線波動性較大。隨後，大部分取樣井P和F元素的含量略有降低。可見：在深度剖面上，P和F元素的含量變化不具有規律性。
對井場附近鉆孔中土壤微量元素Hg和Cd含量變化進行對比分析，我們可以得出以下規律和結論：
1）Hg元素含量曲線總的變化趨勢為地表處呈現高值，隨著深度的增加含量降低，達到某壹低值後，元素的含量趨於穩定。在向低值轉化的過程中，會有壹小幅度的波動變化。
2）Cd元素的含量高值出現在1m深度範圍以內，且元素含量總的變化趨勢為先增加後減少。這說明Cd元素受落油汙染的影響範圍在1 m以內。
圖3-42a 井場附近鉆孔中土壤微量元素含量變化圖
圖3-42b 井場附近鉆孔中土壤微量元素含量變化圖
（三）有機汙染分布
1.井場附近土壤中烴類含量的平面分布規律
圖3-43為井場附近土壤中烴類含量平面變化圖，對其進行分析找出其中的分布規律。對五口取樣井附近表層土壤中烴類含量進行對比分析，我們可以得出以下規律和認識：
1）飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的含量曲線極具相似性，其含量的變化趨勢壹致。
2）多數取樣井附近的土壤中，飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的含量最大值存在於井口處。這與油田開發過程中落油易在井口處富集的現象相吻合。
3）井Y6227周圍土壤中的4種石油物質含量的最大值不是在井口處。其中，在其左側土壤中石油物質的含量存在最大值是由於取樣點位於泥漿池附近的緣故。其右側土壤中石油類物質的含量存在較大值可能是因為其樣點位於壹小水塘附近，受其影響較大。
研究區土壤中氯仿瀝青A的含量是圖3-43 中飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質含量的總和，其含量的變化規律對於分析土壤中落油的汙染規律最具有實際意義。
對取樣井表層土壤中的氯仿瀝青A的含量進行對比分析，我們可以得出以下規律和認識：氯仿瀝青A含量的最大值壹般存在於井口附近的土壤中，這與采油過程中落油壹般在井口處聚集較多的現象相壹致。除井口外，還存在其他高值點，懷疑是施工過程中原油遺漏或其他因素的影響。
2.深度剖面上土壤中落油含量的變化規律
土壤中落油含量的分布規律研究仍以取樣的五口井為例，其中取樣的深度範圍也在0～180 cm以內，為0、20、40、60、80、100、140、180 cm處的土壤樣品點。
圖3-44為井場附近深度剖面上土壤中落油的含量變化圖，對其進行分析找出其中的分布規律。可以得出以下規律和認識：
1）取樣井附近土壤中飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的含量變化在各取樣深度剖面上具有可比性。同壹口井中，四種烴類物質的含量曲線的形態具有相似性，能夠將其含量隨深度的變化看作具有規律性。
2）飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的含量最大值基本上出現在井口處的土壤樣品中。自井口向下，含量急劇減少，在20、40和80 cm深度處的土壤樣品中其含量出現部分高值。總體上，飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質的含量隨取樣深度的增加是減少的。
3）深度剖面上，土壤中飽和烴的含量值基本上較芳烴、非烴和瀝青質的含量要大壹些。其中瀝青質的含量最少，芳烴和非烴的含量時大時小，變化較不穩定。
4）氯仿瀝青A的含量均在井口處取得最大值，含量隨深度變化的規律性較為明顯。個別剖面上，氯仿瀝青A的含量在40、80 cm深度取樣點上有增加的趨勢。
四、井場附近土壤汙染的時間演化特征
為了研究落油汙染的演化規律，本課題中選取的五口采樣井的開采時間具有規律性，分別為20世紀60年代、70年代、80年代、90年代和2000年投入開采的油井。其中，Y317井為20世紀60年代開始投入開發，Y3187井為70年代開始投入開發，Y2129井為80年代開始投入開發，Y4118 井為90年代開始投入開發，Y6227 井為最近投入開發的。通過井場附近土壤中汙染物的空間分布圖並結合開采年限，分析汙染物含量隨時間的演化規律。
圖3-43 研究區井場附近土壤中烴類含量平面分布圖（圖中△為井口）
圖3-44a 井場附近鉆孔中土壤落油的含量變化圖
圖3-44b 井場附近鉆孔中土壤落油的含量變化圖
（壹）落油汙染區土壤中微量元素的演化規律
對圖3-45中各元素在取樣井地表處土壤中的含量進行統計分析，可以發現：
圖3-45a 土壤中微量元素含量演化圖
圖3-45b 土壤中微量元素含量演化圖
1）土壤中Cr、Cu、Ni、Zn、As元素的含量隨時間的演化規律不是很明顯。若能排除油田開發過程中鉆井液及生活垃圾的排放等因素的影響，規律性會強壹些，但分析起來會非常困難。因此，對這些元素的含量演化規律研究還有待於進壹步的探討。
2）Pb元素在20世紀90年代和2000年投入開采的井附近土壤中的含量較以前開采的井附近土壤中的含量有增大的趨勢。但由於增大的趨勢不是很明顯，再加之土壤中微量元素含量的影響因素很多，因此，很難有準確定論。
3）P、F、Hg和Cd元素的含量演化規律也不明顯，幾乎無規律可循。
其中，井Y4118附近取樣點中Hg含量異常較明顯，其影響因素值得進壹步深究。
（二）井場附近土壤中烴類含量的演化規律
通過井場附近土壤中烴類物質的空間分布圖並結合開采年限，分析落油中汙染物的含量隨時間的演化規律，為土壤落油汙染治理工作提供指導依據。
對圖3-46 井場附近土壤中落油物質的含量進行統計分析，可以得出以下規律和結論：
1）飽和烴、芳烴、非烴、瀝青質和氯仿瀝青A的含量演化曲線變化趨勢具有相似性。大致規律為：井場附近土壤中的烴類物質的含量在60年代投產的Y317 井井口處取最大值，Y3187井（20世紀70年代）附近含量相對較低，隨後開采的兩口井（Y2129、Y4118）附近烴類物質的含量又有增加的趨勢，2000年投入開采的井Y6227 井場附近土壤中烴類物質的含量幾乎為零。總的來看，井場附近土壤中烴類含量有隨時間而逐漸減少的趨勢，說明開發時間越長烴類汙染越嚴重，與常規認識壹致。
2）開采時間越晚井口附近土壤采樣中烴類物質的含量相對就越少。這說明在油田開發過程中，各部門對落油汙染問題越來越重視並采取了有利的防治措施，落油汙染現象有所好轉。
3）井Y2129和井Y4118石油類物質的含量有增加的趨勢，很有可能是由於當時施工過程中對落油汙染的處理方法還不夠完善引起的。
通過上述對東營石油開采區內開采井附近土壤中微量元素及有機物的平面和剖面研究發現石油開采過程中造成的落油汙染對於當地表層土壤具有壹定的影響，具體而言表現為以下幾點規律：
1）從影響範圍來看，平面研究表明以開采井為中心50 m範圍內土壤元素含量受落油汙染影響較大，特別是井口附近表層土壤微量元素和有機物含量出現異常高值；50 m半徑以外元素含量基本穩定。剖面研究表明落油汙染的影響範圍主要集中在地表至地下1m深度，在此深度內物質含量具有明顯波動。
2）從異常元素的種類來看，土壤微量元素中Cr、Pb、Zn、Cd元素受油田開發過程中落油汙染的影響較大，而As、Cu、Ni、Hg、P、F元素受落油汙染的影響較小。土壤中有機烴類的成分變化明顯且規律統壹，說明其含量受落油汙染控制。
3）從土壤中汙染發展趨勢來看，開采井周邊有機汙染汙染隨時間發展而汙染加劇的趨勢明顯，開采時間越晚井口處土壤采樣中石油類物質的含量越少。微量元素汙染規律性不明顯，顯然受到當地土壤質地、背景值等多種因素的復合影響。
油田開發過程是壹項包含有鉆井工程、井下作業工程、采油工程以及油氣集輸、儲運等多種工程及工藝的系統工程，因而不可避免地會對周圍環境造成不同程度的汙染和破壞。油田開發對生態環境造成影響的主要汙染物為落地原油、廢泥漿和巖屑和洗井廢水等。
圖3-46 井場附近土壤中落油物質含量演化圖
在油田開發區，每壹口油井都可看作壹個汙染點源或風險汙染點源。在鉆井、洗井、試井以及修井作業中，要排放壹部分原油落在井場周圍，造成井場周圍壹定範圍內土壤遭受汙染。落地油在土壤表層聚積後，不斷向下遷移，在超過土壤環境容量的情況下，會進入地下潛水層汙染地下水，破壞土壤的正常功能，使地下水水質惡化。石油汙染物在土壤表層積聚還會影響作物的正常生長，降低產量，危害生態環境。
油田開發建設過程對土壤環境的影響分為勘探期、建設期和生產期3個階段。其中，落油對土壤環境的影響主要發生在生產期（運營期）。
運營期間正常工況下，油田開發對土壤影響不大，所有工藝都在封閉管線、站場內進行。因此正常工況下，油田投產時，對區域土壤環境影響不大。運營期對土壤的汙染影響，主要發生在事故條件下，如爆管泄滲致使原油散落地面及運營期間試井、洗井、采油作業時，均會有油滴落在地面。另外各類機械設備也可能出現跑、冒、漏油故障，從而對外環境造成油汙染。開發區內落地油對土壤環境的影響是局部的，它受發生源的制約，主要呈點片狀分布，在橫向上以發生源為中心向四周擴散，距油井越遠，土壤中含油量越少。
另外，管線泄漏會影響地表以下較深層土壤，對表層土壤影響不大。但在地下水位較淺的地段，隨地下水的垂直運動，將影響地表土壤的理化性質。油類物質進入土壤後，將改變土壤結構，減小孔隙度，土壤理化性質發生變化，微生物迅速生長，使土壤氮、磷成分降低。油類通過植物吸收，經富集和生物放大作用，影響牧畜及人體健康。所以管線壹旦發生泄漏，應及時對汙染土壤進行處理，以減少影響。
此外，落油汙染還與采油井的投產時間、所采用的註采方式以及采油井的作業次數和頻率有密切關系。