油田開發論文：市域油田開發對水文地質影響探究

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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北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室

石油開采對水文地質環境的影響

1過量開采地下水導致開采條件惡化、資源枯竭

油田開發建設對水資源需求很大，由于油藏和水資源配置不匹配，我國油田對地下水資源的依賴程度普遍較高．地下水資源超采，尤其是在有采無補或采大于補的條件下開采地下水．靜儲量減少使地下水位大幅度下降．開采壓力的進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力狀況，形成大面積區域性地下水下降漏斗，機井越打越深，取水日益困難．單井涌水量普遍減少，甚至出現吊泵、水井報廢等現象［7－9］，增加了油田建設的開支，影響了正常生產活動的進行．

2開采承壓水引起地面沉降

地下水資源的過量開采是導致我國現階段城市地區地面沉降的最主要原因．油田地區潛水儲量遠遠不能滿足開發建設的需求，開采承壓水導致地面沉降的趨勢及現象比比皆是．引起地面沉降的機理按照不同的承壓水儲層結構可以分為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，由于砂層壓密而產生的．根據Terzaghl有效應力原理可得。沙層是通過顆粒的接觸點承受應力的，當有效應力增加時顆粒的接觸面積增大，排列更加緊密，孔隙度減小砂層壓縮，產生地面沉降．理論上，由于巖層壓密而造成的地面沉降應該在承壓砂層孔隙水停止開發之后，地下水復位時，發生沉降的地面可以回彈復原．大慶市的實際情況也可以佐證這一理論，但是這種回彈在黏性土質條件下將受到一定限制．雖然Terzaghl的有效應力原理同樣適用于黏性土的釋水壓密，但是較砂層反應滯后，一旦孔隙結構發生變化即使水位恢復土層也不會復位，形成永久性的地面沉降．國內外的經驗表明，即使通過人工地下水補給使地面停止下沉，但只能有一定程度的恢復，難以完全回復原位．其原因很大程度上是由于黏性土釋水壓密導致黏土結構改變造成的．由于大慶市部分地區的地面沉降類型屬于不可恢復的黏性土釋水壓密沉降，導致大慶市水文地質環境的實際情況不容樂觀．此外，作為傳統指標體系中用來評價地下水資源重要依據的孔隙承壓水位，不能全面表征地下水資源儲量，進而，將其作為地面沉降得以恢復的反饋因子更缺乏說服力．

3高壓注水導致地面變形

油田進入主體開采期后就要對油藏進行高壓注水，如果油層物性差、連通性較弱，就會在高壓注水過程中形成高壓區塊，或者在井間、層間產生異常高壓帶．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，地表還會下沉．注水壓力的持續影響會帶來井底流壓及地層壓力的變化．由于不同介質導壓能力存在差異，非均質層內壓力場使層間巖性變化不均衡，導致地面隆起變形，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力結構；大規模、高強度的采油可能引發地下深部的應力釋放與變異，使局部構造產生活動，從而造成地層錯動，甚至引發淺源地震．［5］

4含油污水回灌惡化了地質水文環境

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直接進入含水層污染地下水．另外，在雨季尤其是洪水季節，因對滲坑的管理不當，含油污水通過地表徑流的作用使原油進入大的水域，又會造成地表水體污染，當這些水體補給地下水時污染的范圍就會擴大［11］．滲透污染主要作用于潛水層，而潛水層和人類活動聯系緊密，一旦污染，重金屬含量超標的含油污水可導致土壤及農作物遭受污染，對人體危害嚴重．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，在降水豐沛的季節，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種污染的表現形式通常為面狀污染．相對于潛水污染，承壓水層的污染更具頑固性，一經污染難以恢復，對水文地質環境造成永久性的損失．由事故性采油造成的油田區污染以點狀分布為主．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、揮發酚、As等，污染源呈點狀分布［5］．不同油田的原油屬性差別很大，在研究石油開采對當地地下水環境的污染情況時應根據實際情況進行檢測［12］．

大慶地區水文地質環境及演變

1大慶地區水文地質環境概況

從區域地質構造上看，大慶地區屬于松遼拗陷區的西北部．總體上，本區地質構造比較簡單，主要發育有北東和北西兩組前第四紀斷裂并被第四紀地層所覆蓋．本區沉積了厚層的中生代沉積巖和近200m厚的第四紀松散堆積層．水文地質資料顯示，大慶地區地下水主要有3個含水層：（1）上部大興屯組黏性土、粉細砂孔隙潛水層；（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個含水層間水力聯系微弱，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，湖泊相沉積物以細小顆粒組分構成隔水層，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．當水量損失時，壓力轉移到顆粒組分上，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補充將對水文地質構造造成較大影響，容易發生不可逆的地質變形，在地表常表現為地面沉降，包括隨之產生的土地鹽漬化、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，黏性土質細密、膠結完全，隔水層發育完善，使其擁有較高的測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給條件差、含水層間水力聯系微弱等問題，一經開采難以恢復，一旦發生污染將造成永久性的環境損失，因此不適合大規模的開發利用．

2大慶地區水文地質環境演變階段

大慶市水文地質環境面臨的最嚴重的問題是由于長期過量開采地下水導致的地下水水資源枯竭，地下水降落漏洞面積不斷擴大，城市懸空、地面沉降．據地質勘探部門調查公布的數據，現階段大慶市地下已經形成了兩大塊漏斗區，油田西部的方圓4000多km2的漏斗區及東部的方圓1500多km2的漏斗區，幾乎覆蓋整個大慶市，并波及與大慶相鄰的周邊市縣．本文以大慶西部地區地下水降落漏洞的形成及演變情況為依據，以CorelDRAWX4為工具平臺，分析大慶油田石油開采對水文地質環境的影響，并模擬大慶市地下水位及地下水降落漏斗的發育（見圖2，3，4）［6］．總體來看，大慶西部地區地下水降落漏斗的形成和發展可分為3個階段．

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，此時漏斗的擴展范圍已經形成，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年漏斗區面積為812km2，漏斗中心位于紅衛星水源，靜水位埋深320m．［14］

2）地下水降落漏斗發展期（1977—1998年）第2階段為地下水漏斗的快速發展段，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行，漏斗快速發展，到1994年地下水開采量達66．42×104m3／d．1985年漏斗中心靜止水位35．49m，1997年靜止水位達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48．73m．面積達到歷史最大值2143km2，漏斗中心向南位移至獨立屯水源．

3）地下水降落漏斗穩定期（1999年后）大慶地區這一階段總體上地下水漏斗縮小回升．1999年后，大慶有關部門開始控制地下水的開采量，大力開發地表水源．其間關閉了喇嘛甸、齊家和讓胡路等3座地下水源，使地下水漏斗中心水位穩定于41．70m，且有緩慢回升的良好趨勢．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，基本恢復到1973年的開采水平．［14］

3大慶市地下水采油污染特點

由于大慶市原油具有高烷烴低芳烴的特點，地下水原油污染的檢測主要選擇烷烴與芳烴作為檢測目標．有關人員對大慶地區地下水原油污染物進行了檢測，結果表明已有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，同時確定污染主要由地表水的滲透作用導致［15］；劉晶等對大慶油田區泡沼取樣分析的結果再次佐證了地表水滲透型污染的持續擴散［16］；劉曉艷等對大慶油田地區土壤的研究表明，石油類有機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，加之大慶市的氣候條件，發生土壤污染物淋溶導致地下水污染的可能性不大．

對策與措施

1建立和完善全區水文地質環境綜合監測網

大慶地區的水文地質環境監測網要覆蓋整個水文地質相對完整的區域，而不僅限于大慶市本身．通過地下水定期取樣，監測大慶地區地下水采油污染的變化情況，一旦發生事故快速報告．同時開展地上地下一體化監控，建立先進的地面沉降監測網絡，選取敏感地區定期開展地面沉降監測；結合InSAR、GPS方法取得第一手數據，通過研究地面沉降機理，建立地面沉降預警系統．

2控制地表水水質，保證廢水達標排放

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，保護地下水質的最有效措施是嚴格控制地表徑流及泡沼的水質，通過油田廢水的凈化及循環利用，減少油田開采的一次供水；對油田生產用水的排放要嚴格按照國家石油開發工業水污染物排放標準的有關要求進行排放，通過控制地表水水質保護地下水免受污染．同時，對地表環境進行恢復和優化，對已經造成的地面沉降加強植被種植，優化地表水土環境，使之重新建立良性的地上與地下水循環格局．

3控制地下水開采量，創新油田開采模式

控制地下水開采漏斗的繼續發展是防治地面沉降發生災害的最有效的手段．大慶市地下水降落漏斗的修復是防控地面沉降的關鍵，雖然大慶市地下水水位從1999年開始趨于平穩，但是由于油田生產的需求依舊，地下水漏斗控制工作進展緩慢．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，開展油田持續開發的新技術，既保證油田產量，又減少油田生產的需水量，才能從根本上減輕大慶地區水文地質環境面臨的壓力．