旱寒地区石油对灰漠土渗透性影响分析

朱博

摘要：本文针对新疆克拉玛依地区采油厂灰漠土在旱寒气候多次冻融循环作用下，石油污染对土壤渗透性的影响展开研究。首先对研究区不同污染条件下的未冻融土样做变水头试验，分析其渗透系数变化规律，结合污染土样扫描电镜结果，分析渗透性变化原因;然后对试样进行多次冻融循环试验，循环温度区间依据当地气候设置为-20℃—40℃，循环次数为6次，测其渗透系数，并对各试验结果进行分析。研究成果可为该地区采油厂土壤修复提供依据。

关键词：冻融循环;原油污染;土壤渗透系数;克拉玛依

引言：

克拉玛依作为新疆油田的“主战场”，针对该地区特有的气候特点、土壤性质和原油种类，开展该地区石油在灰漠土中的渗透性影响研究显得尤为突出，尤其是冻融循环的影响。本文选用克拉玛依市春风采油厂所产原油，在拟新建采油井周边取土壤样品，采用室内冻融循环和变水头试验方法结合扫描电镜微观解析，分析并探讨了影响该地区冻融循环作用下受石油污染土壤的渗透系数变化因素。

1实验材料与方法

实验所用土样采自克拉玛依市胜利油田排66区块拟新建采油井周边。试验制样及过程严格依据《土工试验规程》（SL237-1999）[16]进行，去除表土在同一深度用TST-55型環刀（61.8mm*40mm）取样18件，再根据土壤剖面每层取样3kg。土壤剖面见图1。

实验制样分由三部分组成：第一部分，取六件样，依次编号为1#～6#，依据前人研究结果，对试样进行原油污染，据试样编号分别加入0.00%、0.61%、1.20%、1.81%、2.41%、和3.01%的原油进行污染，对试样进行48 h常温养护，随后在常温下进行变水头试验，试验过程严格按照《土工试验规程标准》（SL237-1999）进行;第二部分取六件样，依次编号为7#～12#，再对其进行冻融循环，冻融循环试验仪器选用可程式恒温恒湿试验箱（JW-2002），箱体内的温度、湿度可以控制在一定的区间。结合克拉玛依地区多年温度变化情况，设置试样循环低温为-20℃，高温为40℃，此次试验对试件进行6次循环，单次循环为8 h。循环试验结束再对此试件进行变水头试验，试验过程及要求同第一部分;第三部分对第一、二部分中的试件土样经研磨过100目筛进行扫描电镜测试。

2实验结果与分析

2.1土样分析

将采集的土壤筛分，进行颗分试验可得其颗粒累计分布曲线和不同粒径颗粒分布曲线。

针对克拉玛依地区的特殊地理环境，此次进行了三组有针对性的等量颗分试验：第一组为原状样，将采集的土壤风干后直接进行颗分试验;第二组为烘干样，根据克拉玛依地区多年来天气变化资料的分析，模拟土壤经历酷暑时节，遂将采集的土壤进行50℃恒温烘烤，烘烤24h，该过程使用的仪器是北京市永光明医疗仪器厂101型电热鼓风干燥箱进行烘制，待土壤冷却至室温时再进行颗分试验;第三组为冻融样，实验室模拟该地土壤所经历的温度变化-20℃—40℃，循环6次，单次8 h，该过程使用的仪器为触摸可程式恒温恒湿试验箱（JW-2002），待土壤冷却至室温时再进行颗分试验。

最后得到结论，三组试验结果对应的图像走势基本一致。相比较而言，原状样的累计分布曲线更加陡，烘干样次之，而冻融样则较为平缓;在级配角度看来，冻融样级配最好，烘干样次之，原状样最差。由不同粒径颗粒分布曲线可知，无论是原状样、烘干样和冻融样，颗粒分布趋势一致，各土样的主要粒径区间均为0.5-0.1mm，土样在进行烘烤和冻融后颗粒分布波峰基本重合，相较于原状样波峰下降约15%，说明土壤在进行烘干、冻融之后，颗粒分布较原状样更加均匀;土壤在经过烘烤和冻融处理之后，0.5-10mm间的颗粒百分比明显多于原状样。综上可得知，灰漠土在经历外界强烈的干扰后，物理性质有了明显的变化。

2.2石油对灰漠土渗透率的影响

2.2.1石油对原状样渗透性的影响

该区域土壤（1#）的渗透系数为1.76×10-4cm/s，当石油污染土壤后，其渗透性先急剧减小，随后趋于平稳;变化最明显的过程是土样中石油含量为0.00%（1#）到0.61%（2#），该过程土壤的渗透性减小66.42%，说明石油作为土壤的外来干扰物，对土壤的渗透性影响剧烈。但是当石油的含量大于1.20%之后，土壤的渗透性基本趋于稳定，变化率为5%左右，渗透系数在1.99×10-5cm/s至8.18×10-6cm/s间，此时，渗透性与含油率之间表现出显著的负相关性（R=0.97），这与M. Khamehchiyan et al.[1]的研究结果一致。

2.2.2石油对冻融样渗透性的影响

土壤在经历冻融循环处理之后，渗透系数（7#）为4.36×10-4cm/s，是原状样（1#）的1.47倍，由此说明连续的冻融循环对土壤渗透性的影响显著，渗透性变化的原因可能是冻融循环影响了土体结构，进而改变了土壤的渗透性。当石油污染土壤后，其渗透性整体表现为先急剧陡降，后平稳。

随着土样中石油含量的增加，土壤的渗透性急剧减小，减小最明显的过程为土样中石油含量0.00%的7#试样到0.61%的8#试样，渗透系数减小0.74倍。当含油率处于1.81%—2.41%区间时，冻融条件已不再是影响土壤渗透率的主控因素，此时随含油率的增加冻融土样的渗透系数趋向于某一区间;此时，土样中石油含量与渗透性有良好的（负）相关性（R>0.9）。

当土样中含油率在0～1.20%区间时，同条件下的冻融样渗透性远优于原状样的渗透性;当土样中含油率在1.20%～3.01%区间时，同条件下的原状样渗透性略优于冻融样的渗透性。比较1#和7#可知，在不被石油污染的情况下，冻融样的渗透性比原状样的大147%;而当含油率为1.20%时，土体的孔隙结构已趋于稳定，同时受到石油物质的胶结，使得渗透性变化率趋于稳定。

3结论

（1）研究区土壤的主要粒径区间为0.25mm—0.075mm。经土力学相关计算可知：研究区土壤的曲率系数Cc=1.09，处于1和3之间，根据以往文献及现场施工结果表明该区域土壤为级配连续的土壤。

（2）克拉玛依地区土壤的渗透系数为1.76×10-4cm/s，冻融情况下的渗透系数为4.36×10-4cm/s。

参考文献：

[1]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4.中国建筑工业出版社， 2007 ：488-499.