陇东地区油田退役井场土壤修复措施及其修复效果研究*

厉斌 刘小江 王鹏波 潘峰

(兰州大学大气科学学院 兰州 730000)

0 引言

石油作为国家能源的重要保障，工业发展的驱动力，被称为“工业的血液”。随着我国工业发展，机动车保有量飞速增长，石油需求量不断增加，开采面积日益增大。据统计，每年全世界约800万t(我国约60万t)原油进入环境，污染周边土壤、地下水、地表水。《全国土壤污染状况调查公告》显示，我国13个采油区，土壤超标率为23.6%，以石油烃和多环芳烃为主要污染物。我国油田开发过程中造成的土壤污染问题已不容忽视[1-2]。

原油开采过程中产生的采油废水、原油等进入周边土壤，井场土壤受到石油类污染物污染。石油类污染物进入土壤后，可破坏土壤结构，导致土壤盐碱化、板结化，降低土壤的生产力；石油类作为有机碳会使得土壤中元素比例失调，微生物大量繁殖导致土壤营养降低；土壤中石油类污染物浓度较高时会阻碍植物根系的呼吸作用，土壤中的石油进入植物体内会破坏植体，导致植物死亡。

目前石油污染土壤修复技术有物理修复、化学修复和生物修复三大类。物理修复主要包括土壤气相抽提、热脱附法、焚烧法、客土法等，化学修复包括溶液淋洗萃取法、氧化法等，生物修复是通过植物、微生物等生物的生长代谢过程对有机污染物进行降解，主要包括土壤耕作法、生物通风法、植物修复法等方法[3-7]。

目前陇东地区对于井场油泥采取的处置方式主要为生物处置，利用不同种类微生物把石油中的碳氢化合物作为其碳源和能源分解、消耗，降解成二氧化碳和水或转化成为无害物质，靠微生物的吸附作用去除污泥中重金属离子。

由于陇东地区油田开发分散，井场数量多，地处山区交通不便，采用现有物理、化学方法修复井场土壤成本过高，操作难度大，综合考虑各方面因素，适宜采用操作简单、对周围环境影响小的修复方式进行退役井场土壤修复。

1 探究过程

1.1 研究对象

陇东地区某油田区块于20世纪90年代末开始陆续开发建设，该区块于2010年被划分为饮用水水源保护区，少数井场由于生产能力低下于2006年通过封堵油层和井口对采油井进行了封停，保护区剩余井场于2017年陆续进行永久性封井，退出水源保护区。2017年退役井场采取的封井措施为全井段打水泥封堵，封井后对场地内的生产设施、管线等进行拆除，拆除后平整场地，进行井场内石油类污染土壤的修复。本次研究选取水源保护区内退役井场作为研究对象。

1.2 井场分类

采油井为在油田开发过程中直接用于地下石油开采的井，本次研究对象采油井的工作方式均为有杆泵机械采油，由深井泵通过抽吸作用将原油送到地面。在生产过程中，产量降低的情况下会采取补孔、压裂、酸化等修井措施进行增产。采油井在生产或洗、修井过程中采油废水、原油等污染物可能进入周边环境，造成井口附近土壤污染。

研究对象中共有植物修复、翻耕、自然恢复三类井场。

(1)植物修复。植物修复是利用天然植物的物理、化学、生物性质来移除、降解、富集、固定土壤中的污染物，具有成本低廉、实施简单、环境友好等优点[8]。大部分退出井场设备拆除、落地油清理、场地覆土平整后，不扰动场地内表层土壤的情况下直接打孔种植能够促进石油类污染物降解松树、苜蓿。LIU W X等[9]的研究结果表明，苜蓿可增加土壤中的异养细菌的数量，从而提高土壤中石油类污染物的降解速率，起到修复有机污染土壤的作用。

(2)农作物翻耕。部分井场在进行了设备拆除和场地平整后，由附近居民占用，作为耕地进行农作物耕种，耕种农作物为玉米。

(3)自然恢复。部分井场在退出水源保护区后，仅进行了生产设备拆除和场地平整，未对场地采取其他土壤修复措施。

1.3 数据选取

由于研究对象均位于饮用水源二级保护区内，土壤中的各项监测指标执行《土壤环境质量—建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中一类用地的筛选值(826 mg/kg)和管制值(5 000 mg/kg)(下称“筛选值”和“管制值”)。

根据井场内土壤污染范围的调查监测，发现井场主要污染集中在井口附近，其余区域基本无石油类污染。井口处土壤的45项挥发性有机物及半挥发性有机物监测值均满足《土壤环境质量—建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中一类用地筛选值，仅有石油烃超标。因此本次研究选取10口采油井井口土壤石油烃监测数据进行对比分析。

(1)植物修复。5口油井井场为植物修复井场，编号为A1～A5，均于2017年10月封场恢复，除设备拆除场地覆土平整外未对下层土壤进行扰动，原井场表层土位于覆土层下，本次监测过程中剥离表层20 cm覆土，取20 cm以下的土壤作为原井口表层土壤，对表层土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤进行取样监测。

(2)翻耕。3口油井井场退役后由当地居民翻耕，编号为B1，B2，其中B1井场于2017年4月封场恢复，B2井场于2006年封场恢复。对表层土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤进行取样监测。

(3)自然恢复。2口油井井场为自然恢复，编号为C1～C3，其中C1于2017年3月封场恢复，C2，C3于2006年封场恢复。剥离表层20 cm覆土，取20 cm以下的土壤作为原井口表层土壤，对表层土壤、50～60 cm和90～100 cm土壤进行取样监测。

2 探究结果

2.1 监测结果对比

(1)植物修复。植物修复的5口采油井井口石油烃监测值见表1。

表1 A1～A5井口土壤石油烃监测值

续表1

(2)翻耕。井场恢复后翻耕的3口采油井井口石油烃监测值见表2。

表2 B1～B3井口土壤石油烃监测值

(3)自然恢复。自然恢复的2口采油井井口石油烃监测值见表3。

表3 C1，C2井口土壤石油烃监测值

2.2 各类井场恢复效果分析

2.2.1 植物修复

由表1的监测数据：A1～A5井口表层土壤石油烃浓度全部大于《土壤环境质量—建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中一类用地筛选值小于管制值，最大值为3 562 mg/kg，筛选值占标率431.23%；50～60 cm、90～100 cm土壤石油烃浓度均小于筛选值。可以看出，虽然种植苜蓿、松树可以增加土壤中的异养细菌数量以提高石油类污染物的降解速率，但由于井口处土壤常年受石油类污染物污染，土壤板结，孔隙度小，且井场恢复时进行了场地的压实平整，土壤中氧气含量低，加之微生物在进行石油类污染物降解的同时消耗氧气，产生二氧化碳，二氧化碳浓度增高抑制微生物降解，导致土壤内石油类降解速率较低[10-13]，进而导致植物修复井场内土壤的修复效果不显著。

石油烃类污染物在土壤表层浓度较高，浓度随土壤深度增加迅速减小，到90～100 cm处石油烃含量很低。呈现出此种分布特征的主要原因是石油类污染物向下层土壤扩散主要受大气降水对其的淋滤作用影响，土壤受石油类污染物污染后，土壤吸附其中黏性物质，导致其孔隙度降低，不利于污染物向下扩散，致使污染物大量滞留在表层土壤[14-15]。

本次研究使用A1～A5井场井口处土壤石油烃浓度平均值代表采油井未进行封场恢复前生产过程中的井口土壤石油烃浓度现状值，原因如下：

(1)研究对象中采用植物修复的5口采油井井场均于2017年下半年封场恢复，经过设备拆除和场地覆土平整后，在场地内打孔种植松树，表层播撒苜蓿草籽，表层覆土下的原井场土壤未经过扰动，可大致代表原井场土壤状况。

(2)受石油类污染物污染的土壤中含有具有石油烃降解能力的微生物，由土壤内的土著菌种自然降解土壤石油类含量的半衰期为833 d，而植物修复的井场恢复效果并不明显，种植的植物未有效提高石油类污染物的降解速率。土壤监测时间为2018年5月，与封场恢复时间间隔较短，石油类污染物浓度减小有限。

(3)加之本次研究对象井场清洁生产管理水平相当，井场历史生产状况基本一致，使用A1～A5井场井口处土壤石油烃浓度平均值代表本次研究中各采油井未进行封场恢复前的井口土壤石油烃浓度生产现状值。表层为2 631.2 mg/kg，50～60 cm为103.98 mg/kg，90～100 cm为2.34 mg/kg。

2.2.2 翻耕

由表2的监测数据可以看出：3处翻耕井场井口处土壤石油烃浓度均小于筛选值，最大值出现在B2表层，为185 mg/kg，筛选值占标率为22.40%。

石油烃浓度依然呈现出表层较高，下层较低的分布特征。但与B2相比，B1井场50～60 cm处石油烃浓度相对表层下降幅度更大，由于B1井场用于耕种时间较短，仅进行了一季农作物种植，表层土壤与深层土壤交换较少，石油烃浓度上高下低的分布特征保持得更为明显。而B2井场于2006年封场，作为农田种植作物已有十余年时间，在多次翻耕后，表层土壤与下层土壤交换相对充分，且翻耕后土壤孔隙增大，表层石油类污染物更易通过雨水淋滤作用向深层迁移，导致B2井场井口50～60 cm土壤石油烃浓度相对较高。

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翻耕可以有效解决石油类污染土壤的板结问题，将受石油类污染物影响出现板结的表层土壤破碎，提高土壤孔隙度，增加土壤中的氧气含量，提高土壤中微生物的代谢强度。同时种植农作物根部和其周围的微生物相互作用，植物根部创造富含营养物质的多元有机环境，利于根际微生物群落的新陈代谢，在根际微生物的新陈代谢下，石油类污染物被微生物降解为植物生长所需碳源，在降低石油类污染物对作物的毒性的同时促进植物的生长[16]。

除增加微生物数量，提高微生物代谢强度，加快土壤中石油类污染物的降解速率外，翻耕可以使土壤内的石油类污染物与空气接触，自然挥发部分挥发性强的污染物。在挥发和微生物降解的共同作用下，有效降低受污染土壤中的石油类污染物浓度，起到土壤修复的效果。

2.2.3 自然恢复

由表3的监测数据可以看出：C1井场井口表层土壤石油烃含量大于筛选值，为1 397 mg/kg，筛选值占标率为163.13%；50～60 cm土壤石油烃含量也达到了832 mg/kg，筛选值占标率为100.73%。90～100 cm土壤石油烃含量很小，为2.8 mg/kg，筛选值占标率0.34%。

C1井场设备拆除、场地覆土平整后未采取其他恢复措施，且封场恢复时间短，石油类污染物自然降解率低，导致井口处土壤石油烃浓度较高；虽然50～60 cm处土壤石油烃浓度随相比表层较低，浓度分布仍呈现表层高、深层低的特征，但超过生产现状值7倍。

石油类污染物在未受污染土壤中更易向深层中迁移，C1井场生产时间短，在封场前已停产较长时间，土壤污染程度相对其他井场低，污染物下渗条件较为良好，停产后直至封场，表层土壤石油类污染物长期受雨水淋滤下渗，导致50～60 cm土壤石油烃浓度相对其他井场同层位土壤更大。

自然恢复情况下，虽然恢复周期长，但土壤中的石油类污染物也会在植物和土著菌种的持续降解下，浓度降低至较低水平。

3 结论

(1)通过采油井井口处土壤监测数据可以看出，石油类污染物进入土壤后，表层土壤板结，石油类污染物大量滞留在土壤表层，难以向深层土壤迁移，石油烃含量随深度的增加迅速下降，到90～100 cm处土壤石油烃含量很低。

(2)本文选取的植物修复井场均为2017年封场恢复，无不同年限间的监测值对比，植被恢复井场恢复效果并不明显。C2，C3井场监测结果表明石油类污染物在经历较长时间的自然降解挥发后，污染物浓度可以降低至可接受水平。与翻耕相比，自然恢复周期较长，表层石油类污染物长期受雨水淋滤，可能导致深层土壤石油烃浓度较高。

(3)与本文研究对象中的植物修复和自然恢复对比，翻耕有效地解决了石油类污染物导致土壤板结的问题，翻耕过程中石油类污染物与空气接触，自然恢复部分石油类污染物，同时增加土壤中的含氧量，配合农作物种植，可有效提高土壤中微生物数量，促进土壤微生物的代谢作用，有效提高石油类污染物的降解速率。

(4)由于本文研究对象井场均位于我国陇东地区，低渗透油田数量多，开发井场零星散布于山区，交通不便，现有的物理、化学方法修复成本高，难度大，且退役井场恢复为林地较长时间内不会被开发使用。结合油田开发实际情况，翻耕施加氮肥后，种植能促进石油类污染物分解的松树、苜蓿等植物这一恢复措施，具有技术成本低、对环境影响小、可有效清除石油类污染物和改善土壤生态环境等优势，适宜作为我国陇东地区油田退役井场土壤恢复措施使用。