中俄输油管道泄露过程中原油于土壤中的迁移研究

王学力，王榕，吴官生，高鹏，王博，王东坡

(1.天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2.中国石油管道公司大庆(加格达奇)输油气分公司，黑龙江 加格达奇 165000；3.四川农业大学资源环境学院，四川 成都 611130)



中俄输油管道泄露过程中原油于土壤中的迁移研究

王学力1,2，王榕3，吴官生2，高鹏2，王博2，王东坡1

(1.天津大学材料科学与工程学院，天津 300072；2.中国石油管道公司大庆(加格达奇)输油气分公司，黑龙江 加格达奇 165000；3.四川农业大学资源环境学院，四川 成都 611130)

摘要：为了探寻中俄输油管道泄露原油过程中原油在土壤中的迁移规律，采用箱体动态模拟和球形积分模型对此进行研究，实验土壤为沿线的粉质粘土和粘土混碎石.结果表明，原油在不同土体各方向迁移速率的大小皆为：垂直向下方向(Z负轴)>管线方向(Y正轴/Y负轴)>水平垂直管线方向(X正轴/X负轴)>垂直向上方向(Z正轴).分析土壤含水率对原油迁移距离的影响，结果表明，含水率在6.09%15.02%范围内时，原油的迁移距离随着土壤含水率的增大先增大后减小，含水率为10.33%时迁移距离最大.箱体动态模拟实验结果和球形积分模型的预测结果一致，原油的迁移速率大小为：粘土混碎石>粉质粘土，说明了球形积分模型的合理性.

关键词：管道泄漏；迁移；原油；箱体动态模拟

0引言

近年来，输油管道原油泄漏事件的频繁发生，不仅造成了严重的资源浪费和经济损失，并且对生态环境带来了巨大的威胁.中俄输油管道是一条埋藏式的年轻管道，且该管道穿越的地区地形复杂、生态环境脆弱，因此研究中俄输油管道原油在土壤中的迁移规律至关重要.目前，国内外研究原油及其污染物在土壤中迁移规律的方法主要有：现场取样分析法[1-4]、土壤过滤法[5-7]、淋滤法[8-11]、离心模型法[12-13]等，这些方法主要针对已经脱离管道存在于地表上或土壤中的原油迁移，而对于在管道泄漏过程中原油在土壤中迁移规律的研究方法较少.为了在发现原油泄漏时能及时正确地采取处理措施减少损失和危害，本文中采用箱体动态模拟实验研究中俄输油管道泄漏原油过程中原油在自然土体中的迁移规律.

1材料方法

1.1实验材料1)油品.实验用油采用中俄输油管道林源进站俄原油.经检测分析，原油的密度为0.843 3 g/cm3，凝点小于-25 ℃，水含量为0.064%，蜡含量为4.35%，胶质和沥青含量为6.67%.2)土样.实验土样粉质粘土和粘土混碎石采集于漠大线加格达奇地段，其中粘土混碎石由花岗岩与砂岩发育而来.土样的基本理化参数见表1，表中的容重及含水率为在实验箱体中采样并测定的结果.3)荧光灯.采用LGY JL-101型手电筒式荧光灯，灯光颜色为蓝色；经检测，原油在蓝色灯光的照射下显现出鲜明的暗黄色，原油落在土壤中后可以明显地区分土壤与油，并且可以清晰分辨出原油的迁移路径.

表1　实验土样的基本理化性质

1.2实验方法

1.2.1箱体动态模拟实验采用边长为20 cm的立方体木箱进行箱体动态模拟实验.将土样每2 cm一层压实，把土壤一层一层装入箱体，同时将输油管铺设在箱体中心固定，装好的土壤应达到均匀密实、接近自然土体.箱体装置见图1.然后将原油从竖直输油管连续地匀速加入，在实验时间结束时停止加入，立马打开排油阀门，待输油管内残留的油全部流出后，马上拔出输油管打开箱体；用削土刀由进油口方向往排油口方向根据一定的距离迅速切下土层，用荧光手电筒观察切下的每个剖面上原油渗透的痕迹，用刻度尺量取每个剖面上原油斑边际距离剖面中心的距离并记录.经过预实验，设置粉质粘土的实验时间梯度为：1、2、3、4、5 min；粘土混碎石的实验时间梯度为：15、30、60、120 s；每一时间梯度进行3次重复试验并取其平均值.

图1　箱体模拟实验装置

1.2.2原油迁移距离预测根据在土体剖面XOZ(X、Y、Z轴方向见图1)上采集的实验数据，利用Origin 8.5软件，采用高斯方程(Gauss)进行数据拟合，得到每个XOZ平面的椭圆面积曲线方程，然后对该曲线沿输油管埋藏方向(Y轴)进行积分，得到原油迁移污染土体的体积；接着对体积—时间进行异速增长曲线(allometric)拟合，得出原油在土体中的迁移体积与时间关系，即V-t关系.根据两种土壤的V-t拟合公式与球体体积变形公式求出以漏油点为中心的迁移半径r，迁移半径r即为类似迁移距离L.该预测模型称为球体积分模型.该模型的建立基于以下几个假设：1) 原油以匀速连续泄漏；2)XOZ平面原油渗透斑迹为椭圆；3) 污染土体为球体.

1.2.3含水率对原油迁移的影响将采集的新鲜粉质粘土经过风干或加水搅拌的方法制备一组含水率不同的土样，该组土样含水率为：6.09%、8.55%、8.86%、10.33%、11.56%、12.3%、15.02%；将这一系列含水率的土壤分别进行3 min的箱体动态模拟实验.

2结果与讨论

2.1原油在土体各方向的迁移原油在土体中X轴的正负方向的迁移距离很接近，Y轴也如此，因此仅需X正轴、Y正轴、Z正轴和Z负轴方向的数据，分析原油在粉质粘土和粘土混碎石土体中各方向迁移的时间距离关系.

由图2、图3可知，在粉质粘土和粘土混碎石土体中，原油在各方向迁移距离的大小皆为：Z负轴>Y正轴=Y负轴>X正轴=X负轴>Z正轴.原油在土壤中迁移的作用力主要为重力和毛细管力[14]，在Z负轴，重力作为驱动力促进原油的移动；在X轴、Y轴、Z正轴，重力阻碍原油的移动，在Z正轴的阻碍作用远远大于X、Y轴.而原油在Y轴迁移的距离大于X轴，可能是因为，Y轴方向为输油管埋藏的方向，土壤与输油管不能完全融合而留下一条缝隙，这条缝隙使原油更易在Y轴方向运移.

图2　原油在粉质粘土中个各方位的迁移距

图3　原油在粘土混碎石中各方位的迁移距

土壤粒径越小，比表面积越大，吸附截留原油的性能越强[15]，原油在其中的迁移速率受到牵制；并且，粘土混碎石中含有粒径大于10 mm的碎石颗粒，碎石颗粒几乎没有吸附性，能与周围土壤颗粒间产生较大的缝隙，减小了对原油迁移的阻碍.有机质虽然对土壤吸附原油有较大影响[16]，但两种土壤的有机质含量相差太小，可忽略其影响.因此，在该实验中，原油的迁移速率主要受土壤颗粒的影响，且原油在粉质粘土中的迁移速率小于在粘土混碎石中的迁移速率.

2.2原油迁移距离预测结果根据1.2中的球体积分模型，将计算得到的土体被污染体积与泄漏时间(t)进行异速增长曲线(allometric)进行拟合分析，得到被污染土体体积(V)与泄漏时间(t)之间的关系方程式.如下：

粉质粘土：

V=17.93t2.06,R2=0.991 5

(1)

粘土混碎石：

V=0.16t2.02,R2=0.969 9

(2)

根据两种土壤的V-t拟合公式与球体体积变形公式：

r=(3V/4π)1/3

(3)得到类似迁移距离L(即r)，进一步图像拟合，得到时间-迁移距离预测图(见图4).由图4可明显看出原油在粉质粘土、粘土混碎石中迁移的距离随时间的增加而增大，粘土混碎石的迁移速率大于粉质粘土，且其迁移速率为粉质粘土的两倍多，这与2.1中的实验结果相同，说明了球体积分模型的合理性.

图4　原油在土壤中迁移距离预

图5　含水率对迁移距离的影

3结论

1) 原油在粉质粘土和粘土混碎石土体中各方向迁移距离的大小皆为：Z负轴>Y正轴=Y负轴>X正轴=X负轴>Z正轴.管道泄漏时，可以加强对Z负轴和Y轴方向的原油截留，防止原油迁移带来更严重的污染.

2) 原油在粉质粘土中的迁移距离随着土壤含水率的增大先增大后减小，在含水率为10.33%时迁移距离达到最大.管道泄漏时，可以提高土壤含水率的方式减小原油的迁移速率，为清理回收原油争取时间.

3) 箱体动态模拟实验结果和球形积分模型预测结果一致，原油在粘土混碎石中的迁移速率大于在粉质粘土中的迁移速率.

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(责任编辑游俊)

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

中图分类号:X53

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.03.013

文章编号:1000-2375(2016)03-0242-04

作者简介：王学力(1974-)，男，高级工程师，E-mail：kjwxl@petrochina.com.cn

基金项目：校企合作项目(漠大线油品迁移规律及控制技术研究)资助

收稿日期:2015-08-18