一、石油开采区污染源特点
油田开发给经济带来巨大推动力的同时也产生了一些环境问题。随着油田开发的进行，人们越来越多地认识到保护生态环境的必要性。
在石油的开发和生产过程中，井场附近的落地原油对土壤的污染问题越来越引起人们的重视。落地原油是指在油井生产过程中，没有进入集输管线而散落在地面的原油。原油落地后会与地面的水、砂、泥土形成混合物，其中的溶解气和轻烃则会挥发进入大气环境，造成大气污染。部分原油渗入土壤后，会造成土壤和地下水体的污染。那些积存于表层土壤中的原油会影响土壤的通透性和土壤中养分的释放，降低土壤中动物及微生物的活性，使土壤的综合肥力下降，高分子的烃类附着在植物根系上能够形成一层黏膜阻碍根系的呼吸和吸收作用，甚至引起根系腐烂，由此影响到上覆植被。土壤污染严重的地区还会改变地表生态，遭受污染的地区可能在几十年甚至上百年的时间内都会寸草不生。
石油污染物中文献报道较多的有酚、氰、苯并（a）芘等。酚类化合物是芳烃的含羟基衍生物。作物对酚有一定的忍耐能力，其适应范围因作物种类、品种、土壤类型和栽培条件而不同，污水含酚＜25 mg/L时，水稻和小麦生长正常；＞50 mg/L时，开始受抑制。作物体内酚的残留量随污水中酚浓度增加而增加；酚在植物各部分的残留量按茎叶＞根＞籽实的顺序递减，残留在籽实中的酚量占总残留量的比例很少。残留在农产品中的酚的毒性不大。污水中酚的浓度＞12 mg/L时，部分蔬菜的品质变劣，口味变涩。酚对作物的危害起始浓度不同，水稻为200 mg/L，黄瓜、西红柿为100 mg/L。当用含酚0.003～11.0 mg/L的低浓度酚的污水灌溉蔬菜时，可增产6%～13.6%，对品质没有产生不利影响［8］。酚在土壤中易被降解矿化，一般不产生累积现象。
氰的性质有些像酚，它进入土壤后也极易分解、挥发。盆栽试验证明，用含氰（氰化钠）0.5～30 mg/L水浇灌水稻和油菜时，两者的生长发育未受明显影响；用含氰＞50 mg/L的水浇灌时，生长发育和产量均受影响，开始在糙米和油菜中有氰残留，氰在水稻各部分的残留量按根＞茎叶＞谷壳＞糙米的顺序递减。
石油在土壤中的残留是较强的。自从石油组分的多环芳烃类被确定为具有致癌的危险性以来，研究重点便放在多环芳烃的残留毒性上。以苯并（a）芘为代表的多环芳烃类物质，主要是各种碳氢化合物在760℃以上高温裂解过程中生成。根据徐瑞薇（1980）的综述，各国学者不断证明，在植物和微生物体内能够合成多环芳烃，正是这种生物合成的苯并（a）芘，构成了土壤中自然本底。与人类活动造成的外源污染相比，土壤中生物合成的浓度相对来说是非常低的。
从刘钧祜和应佩峰（1976）施用5种苯并（a）芘含量的污泥的试验结果来看，苯并（a）芘在耕层土壤中有明显残留，并随着污泥施用量的增加而增多。无论是田间小区试验还是盆钵试验，结果是一致的。
长期以来，国内外学者对土壤苯并（a）芘能否经根系进入植物体并累积于植物体，特别是贮藏器官（如籽实）的报道，很不一致。美国1964年对8 个州进行的调查显示，工业区生长的小麦苯并（a）芘的含量（3.52×10 -9）为农业区生长的小麦（0.34×10 -9）的10倍；苏联某石油裂解厂附近生长的植物中，苯并（a）芘含量高达600×10 -9～5960×10 -9，并随距污染源距离的增加而递减。Siegfriend等（1975）连续6年每年每公顷施用3～6t垃圾堆肥，土壤中苯并（a）芘年投入增加量为150μg·m-2，但在胡萝卜及莴苣茎中未见苯并（a）芘的累积。王崇效等（1979）连续4年施入含5000～47 000μg/kg苯并（a）芘的污泥，在玉米、高粱、小麦的茎秆和籽实中均未发现苯并（a）芘的累积。高拯民（1981，1989）采用野外调查、盆钵试验等方法，研究污水灌区与清水灌区精白米中苯并（a）芘含量，发现二者在统计学上无显著差异。刘钧祜和应佩峰（1986）也获得了类似的结果，他们认为苯并（a）芘具有疏水特性，不论土壤中苯并（a）芘含量多寡，根部只限于接触吸收（或吸附）而难于通过根部组织向地上部组织运输。
石油类物质对土壤的污染在油田区域内是一个普遍存在的问题，全面了解土壤中石油类物质含量及分布和演化规律是评价土壤石油污染的前提条件。因此，有必要对石油类污染物在土壤中的迁移规律和转化过程进行研究。本次研究以胜坨油田井场附近土壤中落油污染研究为例，分析我国东部油田井场附近的土壤污染规律，为油气田勘探开发过程中的污染控制与治理措施提供依据，并可通过这一研究来分析石油类污染物对水环境的影响程度和范围，为石油的开发和生产区的环境保护提供参考数据。
二、研究区概况
本次研究区胜坨油田位于山东省东营市境内，是我国第二大油田胜利油田中的高产油田。其构造位置在济阳坳陷北部，坨庄-胜利村-永安镇二级构造带的中段，东邻民丰洼陷、西及西南邻利津洼陷、南接东营中央隆起断裂带、北面为胜北弧形大断层遮挡。胜坨油田分为3个区块，其中三区位于胜坨油田的东部，西与二区相接，北是陈家庄凸起，西南与利津生油凹陷相邻，是一个物源、油源均丰富的含油区。
胜坨油田是由东西2个高点组成、被断层复杂化了的逆牵引背斜构造油气藏（图3-40）。油田内部断层发育，共有断层58 条，均为正断层。主要断层12 条，将油田分为11个断块，各断块自成独立的油水系统。“八五”以后又陆续发现了13 个小圈闭油藏。
图3-40 胜坨油田构造井位略图
本次研究的坨7断块位于三区的东南部，为一地堑式长条状断层，其北和东分别以2条大断层与坨28和坨11断块相接；断块内还发育有4条次级小断层，其中3条在中部，一条在东部。钻井揭示坨21断块为上第三纪和下第三纪地层，自上而下依次为明化镇组、馆陶组、东营组和沙河街组；其中沙河街组分为4段，沙二段是主力含油层系。沙二段上部属三角洲-河流沉积，下部以三角洲相沉积为主。上部沉积时期，由于气候干燥，湖盆收缩，东营凹陷大部分地区接受河流相沉积。储层为河流-三角洲沉积，岩性为细砂岩和粉细砂岩，灰粒状砂岩。沙二段分为2 个油组，1～5 沙层为上油组，6～11 沙层为下油组。上油组以正韵律沉积为主，下油组以反韵律沉积为主。油藏含油面积自上而下变小，最大含油面积为3.5 km2，地质储量2104.0×104 t。
1961年，胜坨油田开始勘探，至2002年底累积探明含油面积81.0 km2，石油地质储量48 407×104 t，天然气储量88 900×104 m3。开采近40年来，对当地的土壤和生态环境产生了一定的影响。
三、井场附近土壤污染的空间分布特征
（一）取样点设计及化验指标
土壤元素的平面分布规律研究以取样的五口井为例。取样时以第五个点作为井点，在其两侧分别取4个点进行元素平面分布规律分析。其中井Y317、Y3187、Y2129和Y4118每口井各取了9个点，而井Y6227由于条件限制只取了8个点。
土壤元素随深度的分布规律研究仍以取样的五口井为例，其中取样的深度范围在0～180 cm以内，土壤样品点的深度为0、20、40、60、80、100、140、180 cm 处的。井Y317分别对平面上4个点在深度范围内进行取样，而井Y3187、Y2129、Y4118和Y6227每口井只各取了2个点。
（二）微量元素分布
1.土壤元素的平面分布规律
土壤元素的平面分布规律研究以取样的五口井为例。取样时以第五个点作为井点，在其两侧分别取4个点进行元素平面分布规律分析。其中井Y317、Y3187、Y2129和Y4118每口井各取了9个点，而井Y6227由于条件限制只取了8个点。
图3-41为取样的五口井土壤元素的含量变化图，对其进行分析，找出其中的分布规律。
对五口取样井Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As元素含量进行对比分析，可以得出以下规律和结论：
部分元素在井口附近有呈现高值的趋势，说明在井场附近这些微量元素出现异常，且这些异常与油田开发有关。其中Zn表现得较为突出，五口取样井中有四口井在井口处取得相对较高值。而As、Cu和Ni元素的含量曲线在井口周围的变化趋势不明显。因此，我们可以大胆推测，研究区井场附近的土壤中Cr、Pb、Zn元素受油田开发过程中落油污染的影响较大，而As、Cu和Ni元素受落油污染的影响较小。
个别取样井在离井口较远的取样土壤中部分元素的含量曲线有上翘的趋势，即在离井口一定距离处的土壤中部分微量元素的含量有所增加。由这一趋势我们可以认识到：井口附近土壤中Cr、Pb、Zn元素在井口处含量较高，随着离井口距离的加大，土壤元素的含量有减少的趋势，但这并不说明落油污染在井口处就最为严重，井场周围土壤的污染治理仍显得十分必要。这种异常可能是由于研究区范围内，井孔密集，相互间存在干扰。这一认识对于井场周围落油污染治理工作能够起到一定的指导作用。
针对图中出现的部分异常值，我们也可以对其进行解释。Y2129左侧的高值点是由于其左侧有一邻井Y2126的影响，而井Y6227的左侧和右侧土壤元素含量分别出现高值可能是由于井的左侧为一泥浆池，右侧为一小水塘，而土壤取样点位于它们附近的原因。但对于具体异常原因还有待于进一步的深入研究。
对以上取样井附近土壤中微量元素P和F含量进行对比分析，可以得出以下规律和结论：
1）大多数井P元素的含量在井点处呈现低值，向两侧逐渐呈现高的含量值，随着离井口距离的增加含量保持稳定，可用图形“
图3-41 井场附近土壤中微量元素含量平面变化图（图中△为井口）
2）F元素含量变化的波动性较大，且井口两端的含量曲线不具有对称性。因此推断F元素的含量变化可能与落油污染的关系不是很大。其中，同一井场附近土壤中F元素含量曲线在井口一侧先降低后增加，在另一侧先增加后降低的规律较为明显。
对以上取样井附近土壤中微量元素Hg和Cd的含量变化进行对比分析，可以得出以下规律和结论：
1）Hg元素的含量在井口附近的取样中，除在井Y317表现有明显的变化外，在其他井中含量变化的不是很明显。可以认为Hg元素的含量受落油污染的影响不是很大，极个别井场附近土壤中含量的异常变化，可能是由于石油勘探开发钻井生产过程中产生的废钻井液污染的影响。
2）Cd元素的含量基本上是在井口处的取样中表现高值，在井口两侧的土壤中含量降低并趋于稳定。井Y2129 井口左侧之所以会出现高值，怀疑是因为邻井Y2126 的影响。而井Y6227的左侧出现异常高值有可能是因为取样点位于泥浆池附近的原因。
2.深度剖面上土壤微量元素含量的变化规律
土壤元素随深度的分布规律研究仍以取样的五口井为例，其中取样的深度范围在0～180 cm以内，土壤样品点的深度为0、20、40、60、80、100、140、180 cm 处的。井Y317分别对平面上4个点在深度范围内进行取样，而井Y3187、Y2129、Y4118和Y6227每口井只各取了2个点。
图3-42为井场附近钻孔中土壤微量元素的含量变化图，对其进行分析并找出其中的分布规律。
对以上取样井附近钻孔中土壤微量元素Cr、Cu、Ni、Pb、Zn、As的含量变化进行对比分析，可以得出以下规律和结论：
1）除个别异常点外，Cr和Zn元素的含量随深度的变化，曲线的形态基本一致，随深度的增加元素含量先增加后减少，最大值点一般都不是在井口处土壤中，1m深度以下土壤中元素的含量趋于稳定。Cr和Zn元素含量曲线的波动性较大这说明落油区地下土壤中Cr和Zn元素的含量受落油污染的影响较大，影响范围在1 m以内。
2）Cu、Ni、Pb和As元素的含量随深度的变化不大，仅在80 cm或1 m深度处土壤中元素的含量略有增加。这说明落油区地下土壤中Cu、Ni、Pb和As元素受落油污染的影响相对较小。
对井场附近钻孔中土壤微量元素P和F的含量变化进行对比分析，我们可以得出以下规律和结论：P和F元素的含量高值在1m深度范围以内出现，且曲线波动性较大。随后，大部分取样井P和F元素的含量略有降低。可见：在深度剖面上，P和F元素的含量变化不具有规律性。
对井场附近钻孔中土壤微量元素Hg和Cd含量变化进行对比分析，我们可以得出以下规律和结论：
1）Hg元素含量曲线总的变化趋势为地表处呈现高值，随着深度的增加含量降低，达到某一低值后，元素的含量趋于稳定。在向低值转化的过程中，会有一小幅度的波动变化。
2）Cd元素的含量高值出现在1m深度范围以内，且元素含量总的变化趋势为先增加后减少。这说明Cd元素受落油污染的影响范围在1 m以内。
图3-42a 井场附近钻孔中土壤微量元素含量变化图
图3-42b 井场附近钻孔中土壤微量元素含量变化图
（三）有机污染分布
1.井场附近土壤中烃类含量的平面分布规律
图3-43为井场附近土壤中烃类含量平面变化图，对其进行分析找出其中的分布规律。对五口取样井附近表层土壤中烃类含量进行对比分析，我们可以得出以下规律和认识：
1）饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量曲线极具相似性，其含量的变化趋势一致。
2）多数取样井附近的土壤中，饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量最大值存在于井口处。这与油田开发过程中落油易在井口处富集的现象相吻合。
3）井Y6227周围土壤中的4种石油物质含量的最大值不是在井口处。其中，在其左侧土壤中石油物质的含量存在最大值是由于取样点位于泥浆池附近的缘故。其右侧土壤中石油类物质的含量存在较大值可能是因为其样点位于一小水塘附近，受其影响较大。
研究区土壤中氯仿沥青A的含量是图3-43 中饱和烃、芳烃、非烃和沥青质含量的总和，其含量的变化规律对于分析土壤中落油的污染规律最具有实际意义。
对取样井表层土壤中的氯仿沥青A的含量进行对比分析，我们可以得出以下规律和认识：氯仿沥青A含量的最大值一般存在于井口附近的土壤中，这与采油过程中落油一般在井口处聚集较多的现象相一致。除井口外，还存在其他高值点，怀疑是施工过程中原油遗漏或其他因素的影响。
2.深度剖面上土壤中落油含量的变化规律
土壤中落油含量的分布规律研究仍以取样的五口井为例，其中取样的深度范围也在0～180 cm以内，为0、20、40、60、80、100、140、180 cm处的土壤样品点。
图3-44为井场附近深度剖面上土壤中落油的含量变化图，对其进行分析找出其中的分布规律。可以得出以下规律和认识：
1）取样井附近土壤中饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量变化在各取样深度剖面上具有可比性。同一口井中，四种烃类物质的含量曲线的形态具有相似性，能够将其含量随深度的变化看作具有规律性。
2）饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量最大值基本上出现在井口处的土壤样品中。自井口向下，含量急剧减少，在20、40和80 cm深度处的土壤样品中其含量出现部分高值。总体上，饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量随取样深度的增加是减少的。
3）深度剖面上，土壤中饱和烃的含量值基本上较芳烃、非烃和沥青质的含量要大一些。其中沥青质的含量最少，芳烃和非烃的含量时大时小，变化较不稳定。
4）氯仿沥青A的含量均在井口处取得最大值，含量随深度变化的规律性较为明显。个别剖面上，氯仿沥青A的含量在40、80 cm深度取样点上有增加的趋势。
四、井场附近土壤污染的时间演化特征
为了研究落油污染的演化规律，本课题中选取的五口采样井的开采时间具有规律性，分别为20世纪60年代、70年代、80年代、90年代和2000年投入开采的油井。其中，Y317井为20世纪60年代开始投入开发，Y3187井为70年代开始投入开发，Y2129井为80年代开始投入开发，Y4118 井为90年代开始投入开发，Y6227 井为最近投入开发的。通过井场附近土壤中污染物的空间分布图并结合开采年限，分析污染物含量随时间的演化规律。
图3-43 研究区井场附近土壤中烃类含量平面分布图（图中△为井口）
图3-44a 井场附近钻孔中土壤落油的含量变化图
图3-44b 井场附近钻孔中土壤落油的含量变化图
（一）落油污染区土壤中微量元素的演化规律
对图3-45中各元素在取样井地表处土壤中的含量进行统计分析，可以发现：
图3-45a 土壤中微量元素含量演化图
图3-45b 土壤中微量元素含量演化图
1）土壤中Cr、Cu、Ni、Zn、As元素的含量随时间的演化规律不是很明显。若能排除油田开发过程中钻井液及生活垃圾的排放等因素的影响，规律性会强一些，但分析起来会非常困难。因此，对这些元素的含量演化规律研究还有待于进一步的探讨。
2）Pb元素在20世纪90年代和2000年投入开采的井附近土壤中的含量较以前开采的井附近土壤中的含量有增大的趋势。但由于增大的趋势不是很明显，再加之土壤中微量元素含量的影响因素很多，因此，很难有准确定论。
3）P、F、Hg和Cd元素的含量演化规律也不明显，几乎无规律可循。
其中，井Y4118附近取样点中Hg含量异常较明显，其影响因素值得进一步深究。
（二）井场附近土壤中烃类含量的演化规律
通过井场附近土壤中烃类物质的空间分布图并结合开采年限，分析落油中污染物的含量随时间的演化规律，为土壤落油污染治理工作提供指导依据。
对图3-46 井场附近土壤中落油物质的含量进行统计分析，可以得出以下规律和结论：
1）饱和烃、芳烃、非烃、沥青质和氯仿沥青A的含量演化曲线变化趋势具有相似性。大致规律为：井场附近土壤中的烃类物质的含量在60年代投产的Y317 井井口处取最大值，Y3187井（20世纪70年代）附近含量相对较低，随后开采的两口井（Y2129、Y4118）附近烃类物质的含量又有增加的趋势，2000年投入开采的井Y6227 井场附近土壤中烃类物质的含量几乎为零。总的来看，井场附近土壤中烃类含量有随时间而逐渐减少的趋势，说明开发时间越长烃类污染越严重，与常规认识一致。
2）开采时间越晚井口附近土壤采样中烃类物质的含量相对就越少。这说明在油田开发过程中，各部门对落油污染问题越来越重视并采取了有利的防治措施，落油污染现象有所好转。
3）井Y2129和井Y4118石油类物质的含量有增加的趋势，很有可能是由于当时施工过程中对落油污染的处理方法还不够完善引起的。
通过上述对东营石油开采区内开采井附近土壤中微量元素及有机物的平面和剖面研究发现石油开采过程中造成的落油污染对于当地表层土壤具有一定的影响，具体而言表现为以下几点规律：
1）从影响范围来看，平面研究表明以开采井为中心50 m范围内土壤元素含量受落油污染影响较大，特别是井口附近表层土壤微量元素和有机物含量出现异常高值；50 m半径以外元素含量基本稳定。剖面研究表明落油污染的影响范围主要集中在地表至地下1m深度，在此深度内物质含量具有明显波动。
2）从异常元素的种类来看，土壤微量元素中Cr、Pb、Zn、Cd元素受油田开发过程中落油污染的影响较大，而As、Cu、Ni、Hg、P、F元素受落油污染的影响较小。土壤中有机烃类的成分变化明显且规律统一，说明其含量受落油污染控制。
3）从土壤中污染发展趋势来看，开采井周边有机污染污染随时间发展而污染加剧的趋势明显，开采时间越晚井口处土壤采样中石油类物质的含量越少。微量元素污染规律性不明显，显然受到当地土壤质地、背景值等多种因素的复合影响。
油田开发过程是一项包含有钻井工程、井下作业工程、采油工程以及油气集输、储运等多种工程及工艺的系统工程，因而不可避免地会对周围环境造成不同程度的污染和破坏。油田开发对生态环境造成影响的主要污染物为落地原油、废泥浆和岩屑和洗井废水等。
图3-46 井场附近土壤中落油物质含量演化图
在油田开发区，每一口油井都可看作一个污染点源或风险污染点源。在钻井、洗井、试井以及修井作业中，要排放一部分原油落在井场周围，造成井场周围一定范围内土壤遭受污染。落地油在土壤表层聚积后，不断向下迁移，在超过土壤环境容量的情况下，会进入地下潜水层污染地下水，破坏土壤的正常功能，使地下水水质恶化。石油污染物在土壤表层积聚还会影响作物的正常生长，降低产量，危害生态环境。
油田开发建设过程对土壤环境的影响分为勘探期、建设期和生产期3个阶段。其中，落油对土壤环境的影响主要发生在生产期（运营期）。
运营期间正常工况下，油田开发对土壤影响不大，所有工艺都在封闭管线、站场内进行。因此正常工况下，油田投产时，对区域土壤环境影响不大。运营期对土壤的污染影响，主要发生在事故条件下，如爆管泄渗致使原油散落地面及运营期间试井、洗井、采油作业时，均会有油滴落在地面。另外各类机械设备也可能出现跑、冒、漏油故障，从而对外环境造成油污染。开发区内落地油对土壤环境的影响是局部的，它受发生源的制约，主要呈点片状分布，在横向上以发生源为中心向四周扩散，距油井越远，土壤中含油量越少。
另外，管线泄漏会影响地表以下较深层土壤，对表层土壤影响不大。但在地下水位较浅的地段，随地下水的垂直运动，将影响地表土壤的理化性质。油类物质进入土壤后，将改变土壤结构，减小孔隙度，土壤理化性质发生变化，微生物迅速生长，使土壤氮、磷成分降低。油类通过植物吸收，经富集和生物放大作用，影响牧畜及人体健康。所以管线一旦发生泄漏，应及时对污染土壤进行处理，以减少影响。
此外，落油污染还与采油井的投产时间、所采用的注采方式以及采油井的作业次数和频率有密切关系。