油田开发论文：市域油田开发对水文地质影响探究

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本文作者：刘大平1刘成玉2作者单位：1吉林省征地事物中心2北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室

石油开采对水文地质环境的影响

1过量开采地下水导致开采条件恶化、资源枯竭

油田开发建设对水资源需求很大，由于油藏和水资源配置不匹配，我国油田对地下水资源的依赖程度普遍较高．地下水资源超采，尤其是在有采无补或采大于补的条件下开采地下水．静储量减少使地下水位大幅度下降．开采压力的进一步加深使得含水层被逐渐疏干，地下水位埋深不断增大．由于地下水位下降，引起静水压力减小及含水层变薄，改变了地下水压力和含水层上下滞水层中的应力状况，形成大面积区域性地下水下降漏斗，机井越打越深，取水日益困难．单井涌水量普遍减少，甚至出现吊泵、水井报废等现象［7－9］，增加了油田建设的开支，影响了正常生产活动的进行．

2开采承压水引起地面沉降

地下水资源的过量开采是导致我国现阶段城市地区地面沉降的最主要原因．油田地区潜水储量远远不能满足开发建设的需求，开采承压水导致地面沉降的趋势及现象比比皆是．引起地面沉降的机理按照不同的承压水储层结构可以分为2种类型，其中孔隙承压水造成地面沉降的可以解释为开采含水层水位下降后，由于砂层压密而产生的．根据Terzaghl有效应力原理可得。沙层是通过颗粒的接触点承受应力的，当有效应力增加时颗粒的接触面积增大，排列更加紧密，孔隙度减小砂层压缩，产生地面沉降．理论上，由于岩层压密而造成的地面沉降应该在承压砂层孔隙水停止开发之后，地下水复位时，发生沉降的地面可以回弹复原．大庆市的实际情况也可以佐证这一理论，但是这种回弹在黏性土质条件下将受到一定限制．虽然Terzaghl的有效应力原理同样适用于黏性土的释水压密，但是较砂层反应滞后，一旦孔隙结构发生变化即使水位恢复土层也不会复位，形成永久性的地面沉降．国内外的经验表明，即使通过人工地下水补给使地面停止下沉，但只能有一定程度的恢复，难以完全回复原位．其原因很大程度上是由于黏性土释水压密导致黏土结构改变造成的．由于大庆市部分地区的地面沉降类型属于不可恢复的黏性土释水压密沉降，导致大庆市水文地质环境的实际情况不容乐观．此外，作为传统指标体系中用来评价地下水资源重要依据的孔隙承压水位，不能全面表征地下水资源储量，进而，将其作为地面沉降得以恢复的反馈因子更缺乏说服力．

3高压注水导致地面变形

油田进入主体开采期后就要对油藏进行高压注水，如果油层物性差、连通性较弱，就会在高压注水过程中形成高压区块，或者在井间、层间产生异常高压带．高压注采可以造成地表高程变化，且这种变形与同期地层压力变化较为一致．注采过程中的地面变形基本上是弹性变形．注水导致高压层地面抬升、隆起，停注后地面将停止升高，如果采取降压措施，地表还会下沉．注水压力的持续影响会带来井底流压及地层压力的变化．由于不同介质导压能力存在差异，非均质层内压力场使层间岩性变化不均衡，导致地面隆起变形，造成油、水井套管损坏［10］．不仅如此，采油及地下水水位下降引起含水层上部的局部疏干，孔隙压力释放，破坏了含水层原有骨架的应力结构；大规模、高强度的采油可能引发地下深部的应力释放与变异，使局部构造产生活动，从而造成地层错动，甚至引发浅源地震．［5］

4含油污水回灌恶化了地质水文环境

渗透污染的污染源主要来自渗坑及落地油．钻井期间遗留的泥浆坑和砖厂取土坑残留有大量的石油类污染物，这些渗坑的含油污水会直接进入含水层污染地下水．另外，在雨季尤其是洪水季节，因对渗坑的管理不当，含油污水通过地表径流的作用使原油进入大的水域，又会造成地表水体污染，当这些水体补给地下水时污染的范围就会扩大［11］．渗透污染主要作用于潜水层，而潜水层和人类活动联系紧密，一旦污染，重金属含量超标的含油污水可导致土壤及农作物遭受污染，对人体危害严重．穿透污染通常是由于过量开采承压水引起的地裂缝隙使得承压含水层失去承压层的保护，在降水丰沛的季节，遭受地表水污染的采油废水通过地裂涌入地下承压含水层．以上2种污染的表现形式通常为面状污染．相对于潜水污染，承压水层的污染更具顽固性，一经污染难以恢复，对水文地质环境造成永久性的损失．由事故性采油造成的油田区污染以点状分布为主．主要污染物是含油污水和钻井泥浆，污染因子主要是Na、石油、Cl、HCO、F、矿化度、COD、挥发酚、As等，污染源呈点状分布［5］．不同油田的原油属性差别很大，在研究石油开采对当地地下水环境的污染情况时应根据实际情况进行检测［12］．

大庆地区水文地质环境及演变

1大庆地区水文地质环境概况

从区域地质构造上看，大庆地区属于松辽拗陷区的西北部．总体上，本区地质构造比较简单，主要发育有北东和北西两组前第四纪断裂并被第四纪地层所覆盖．本区沉积了厚层的中生代沉积岩和近200m厚的第四纪松散堆积层．水文地质资料显示，大庆地区地下水主要有3个含水层：（1）上部大兴屯组黏性土、粉细砂孔隙潜水层；（2）林甸组砂砾石孔隙承压含水层；（3）泰康组砂、砂砾石孔隙承压含水层．3个含水层间水力联系微弱，其中林甸组、泰康组砂砾石孔隙承压含水层为大庆地区地下水的主要开采层，地下水初始水位在5．0m左右．［13］大庆现阶段开采的地下水属于湖相沉积孔隙型潜层承压水，湖泊相沉积物以细小颗粒组分构成隔水层，较粗大的颗粒组成含水层，在含水层水量未受损失之前，含水层的压力被水承受，而含水层的颗粒没有明显变化，孔隙度也基本保持不变．当水量损失时，压力转移到颗粒组分上，含水层随之受到压缩．因此，该地的地下水损失之后如果不能获得及时补充将对水文地质构造造成较大影响，容易发生不可逆的地质变形，在地表常表现为地面沉降，包括随之产生的土地盐渍化、泡泽水域变化等一系列次生问题．通常情况下，湖相沉积平原地下水隔水层的黏性土并非完全隔绝水分；然而作为大庆油田主要地下水源地的林甸组、泰康组砂砾石孔隙承压水，黏性土质细密、胶结完全，隔水层发育完善，使其拥有较高的测压水位和较好的封闭性．虽然属于一般意义上的理想的地下水源，但是考虑到其良好封闭性及随之而来的补给条件差、含水层间水力联系微弱等问题，一经开采难以恢复，一旦发生污染将造成永久性的环境损失，因此不适合大规模的开发利用．

2大庆地区水文地质环境演变阶段

大庆市水文地质环境面临的最严重的问题是由于长期过量开采地下水导致的地下水水资源枯竭，地下水降落漏洞面积不断扩大，城市悬空、地面沉降．据地质勘探部门调查公布的数据，现阶段大庆市地下已经形成了两大块漏斗区，油田西部的方圆4000多km2的漏斗区及东部的方圆1500多km2的漏斗区，几乎覆盖整个大庆市，并波及与大庆相邻的周边市县．本文以大庆西部地区地下水降落漏洞的形成及演变情况为依据，以CorelDRAWX4为工具平台，分析大庆油田石油开采对水文地质环境的影响，并模拟大庆市地下水位及地下水降落漏斗的发育（见图2，3，4）［6］．总体来看，大庆西部地区地下水降落漏斗的形成和发展可分为3个阶段．

1）地下水降落漏斗形成初期（1960—1976年）第1阶段为地下水漏斗的形成阶段，由于地下水开采量逐年增加，日均开采量已由开始的（1960年）0．31×104m3／d增加到1976年的304×104m3／d，此时漏斗的扩展范围已经形成，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］．相应的地下水水位由开采初期的距地面以下6．00m下降到29．50m，15年下降了23．50m．1976年漏斗区面积为812km2，漏斗中心位于红卫星水源，静水位埋深320m．［14］

2）地下水降落漏斗发展期（1977—1998年）第2阶段为地下水漏斗的快速发展段，由于地下水开采量不断增加，新的地下水水源地不断投入运行，漏斗快速发展，到1994年地下水开采量达66．42×104m3／d．1985年漏斗中心静止水位35．49m，1997年静止水位达461m，1999年静止水位47．24m，1998年大庆西部漏斗中心静水位下降到历史最低点48．73m．面积达到历史最大值2143km2，漏斗中心向南位移至独立屯水源．

3）地下水降落漏斗稳定期（1999年后）大庆地区这一阶段总体上地下水漏斗缩小回升．1999年后，大庆有关部门开始控制地下水的开采量，大力开发地表水源．其间关闭了喇嘛甸、齐家和让胡路等3座地下水源，使地下水漏斗中心水位稳定于41．70m，且有缓慢回升的良好趋势．目前，林甸组砂砾石孔隙承压水水位埋深25．42m，泰康组砂、砂砾石孔隙承压水埋深41．70m，两层含水岩组尚都保持着承压性．漏斗中心向南移至南水源，基本恢复到1973年的开采水平．［14］

3大庆市地下水采油污染特点

由于大庆市原油具有高烷烃低芳烃的特点，地下水原油污染的检测主要选择烷烃与芳烃作为检测目标．有关人员对大庆地区地下水原油污染物进行了检测，结果表明已有2／3的地下水遭受了不同程度的污染且主要是石油类污染，同时确定污染主要由地表水的渗透作用导致［15］；刘晶等对大庆油田区泡沼取样分析的结果再次佐证了地表水渗透型污染的持续扩散［16］；刘晓艳等对大庆油田地区土壤的研究表明，石油类有机污染物被土壤颗粒所吸附，难于向下迁移［17］．由于土壤的隔绝能力较强，加之大庆市的气候条件，发生土壤污染物淋溶导致地下水污染的可能性不大．

对策与措施

1建立和完善全区水文地质环境综合监测网

大庆地区的水文地质环境监测网要覆盖整个水文地质相对完整的区域，而不仅限于大庆市本身．通过地下水定期取样，监测大庆地区地下水采油污染的变化情况，一旦发生事故快速报告．同时开展地上地下一体化监控，建立先进的地面沉降监测网络，选取敏感地区定期开展地面沉降监测；结合InSAR、GPS方法取得第一手数据，通过研究地面沉降机理，建立地面沉降预警系统．

2控制地表水水质，保证废水达标排放

大庆市地下水原油污染的主要途径是地表水污染的渗透造成的，保护地下水质的最有效措施是严格控制地表径流及泡沼的水质，通过油田废水的净化及循环利用，减少油田开采的一次供水；对油田生产用水的排放要严格按照国家石油开发工业水污染物排放标准的有关要求进行排放，通过控制地表水水质保护地下水免受污染．同时，对地表环境进行恢复和优化，对已经造成的地面沉降加强植被种植，优化地表水土环境，使之重新建立良性的地上与地下水循环格局．

3控制地下水开采量，创新油田开采模式

控制地下水开采漏斗的继续发展是防治地面沉降发生灾害的最有效的手段．大庆市地下水降落漏斗的修复是防控地面沉降的关键，虽然大庆市地下水水位从1999年开始趋于平稳，但是由于油田生产的需求依旧，地下水漏斗控制工作进展缓慢．在保证地下水水位控制在地面沉降临界水位以上的最基本要求下，开展油田持续开发的新技术，既保证油田产量，又减少油田生产的需水量，才能从根本上减轻大庆地区水文地质环境面临的压力．