大庆石油与天然气资源及其重要地位

2.1.1　自然条件

大庆油田是我国最大的油田，位于松辽平原中央部分，滨洲铁路横贯油田中部。其中大庆油田为大型背斜构造油藏，自北而南有喇嘛甸、萨尔图、杏树岗等高点。油层为中生代陆相白垩纪砂岩，深度为900～1 200m，中等渗透率。原油为石蜡基，具有含蜡量高（20%～30%）、凝固点高（25～30℃）、黏度高（地面黏度35）、含硫低（在0.1%以下）的特点。原油比重为0.83～0.86。1959年，在高台子油田钻出第一口油井，1960年3月，大庆油田投入开发建设。1976年以来，连续28年，年产原油一直在5 000万t以上，1983年产油5 235万t。2000年正式转制成立大庆油田有限责任公司。累计生产原油20亿t以上，为国民经济、社会发展作出了突出贡献。大庆油区的发现和开发，证实了陆相地层能够生油并能形成大油田，从而丰富和发展了石油地质学理论，改变了中国石油工业落后面貌，对中国工业发展产生了极大的影响。

大庆是中国最年轻的城市之一，位于黑龙江省西部，松嫩平原中部，松辽盆地中央坳陷区北部，处于松花江、嫩江一级阶地上，大地貌为微起伏波状平原，境内无山无岭，地势东北偏高，西南偏低，稍高处多为平缓的漫岗，平地多为耕地、草原，低处多为排水不畅的季节性积水洼地和沼泽以及大小不等的泡沼，整个区域由江湾漫滩及阶地等构成；海拔高度在126～165m之间。市区地理位置北纬45°46′～46°55′，东经124°19′～125°12′之间，东与绥化地区相连，南与吉林省隔江（松花江）相望，西部、北部与鹤乡齐齐哈尔市接壤。滨洲铁路从市中心穿过，东南距冰城哈尔滨市159km，西北距齐齐哈尔市139km。全市总面积21 219km2、人口240万，其中市区面积5 107km2、人口104万。大庆市包括萨尔图、让胡路、龙凤、红岗、大同五区和肇源、肇州、泰康、林甸四县。滨洲铁路横穿市区，滨洲线、让通线在市内交汇，形成铁路枢纽，25座火车站每天接发的客货列车通往全国各地；市内多于8 500km的公路纵横交错，50多条公共交通营运线环绕全城。经过50多年的开发建设，大庆已发展成为一座现代石油城市。

大庆市地处北温带大陆性季风气候区，受蒙古内陆冷空气和海洋暖流季风的影响，形成了春秋季风多，冬季寒飘雪的特点；年平均气温4.7℃，年日照时数2 658.1h，平均无霜期限229d，夏季平均气温22℃，年平均降水量为435mm，蒸发量为1 620.4mm；全区气候比较干旱。

大庆市有着星罗棋布的江、河、湖、泊，松花江、嫩江流经大庆，天然水面合计2 130km2；大庆地面覆盖的天然草场总面积达5 600km2。大庆市天然植被主要由草甸草原、低土盐化草甸和沼泽构成。草甸草原是松嫩草原的地带性植被，分布在漫岗地、缓坡地和低平地上，植被主要以中早生的多年生草本植物为建群种，并以丛生和根茎型禾草占优势。

2.1.2　主要资源

2.1.2.1　总体特点

大庆以她的主要资源——石油与天然气在我国国民经济中的重要地位为世人所瞩目。大庆地下蕴藏着极其丰富的石油和天然气资源，大庆油田是世界上年产原油5 000万t以上的11个特大型油田之一，也是我国第一大油田，占全国总产量的35%～40%。油田南北长138km，东西宽73km，油田面积大约5 000km2。在地质历史上，这里曾是一个大型内陆湖盆，中生代侏罗纪和白垩纪时期，沉积了丰富的生油物质；盆地中心的沉积岩厚度达7 000～9 000m以上；据《大庆市志》记载，这个地区经科学预测，至少蕴藏着100亿～150亿t石油储量，可供开采的石油储量为80亿～100亿t；天然气总储量为8 580亿～42 900亿m3。

2.1.2.2　大庆油田石油的组成特征

石油是一种天然的可燃有机矿产，被誉为“工业的血液”、“黑色的金子”。石油是由各种不同结构的以不同比例混合在一起的烃类与非烃类化合物所组成。不同地区、不同油层中的石油因地下地质条件的差异，它们的化学组成和物理性质都有很明显的差别。地壳内部的石油随着其演化过程受周围地质环境的物理化学条件影响以及石油形成后由于受次生作用影响，不断使石油的组分发生改变，从而增加了石油物理化学性质的复杂性。因此，大庆油田出产的石油组成也具有其特殊性。

大庆石油是一种复杂的多组分混合物，其中包含的元素主要有：碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）5种，此外还含有很多种微量金属和非金属元素，如占微量元素总量50%～70%的镍和钒。据统计，大庆原油中碳和氢元素的含量一般为96%～99%，其中碳占83%～87%，氢占11%～14%；其余氧、氮、硫三种杂元素含量很低，仅占0.5%～5%，但是由它们所组成的杂原子化合物的种类和数量却很多，对石油性质的影响也很大。大庆油田主要有黑帝庙、萨尔图、葡萄花、高台子、扶余、杨大城子等6套产油层系，其中最典型的萨尔图油层的混合油的元素组成特征是：含碳85.74%，氢13.31%，氧0.69%，氮0.15%，硫0.11%［148］。

石油可被分成饱和烃、芳香烃、非烃及沥青质4种族组分。不同油田产出的石油族组成具有较大差别，松辽盆地的原油中的饱和烃含量一般为50%～70%，高者可达91.6%；芳烃含量一般＜20%，高者也可达30.8%；非烃含量一般为15%，含量低者为4.1%；沥青质含量较低，一般小于4%，最低仅为0.8%。大庆油田的石油属于陆相成因，具有典型植物成因特色，其特点是高蜡低硫、高镍低钒、高烷烃低芳烃。大庆石油中的烷烃主要是由C13～C35范围分子量较高的链烷烃，一般以C27或C29为最主要成分。大庆石油中的芳香烃可分为单环、双环、稠环三类，最典型的有苯系物、联苯、萘、蒽、菲、苝、苊等。

2.1.2.3　大庆油田石油的性质特征

石油组成的差异直接影响石油的物理性质，也反映出原始生油母质及演化程度的区别。由于石油是一种复杂化合物的混合物，因此严格地说，石油没有固定的物理常数，不同地区、不同层位、甚至同一层位的不同部位的石油，其物理性质也是有差别的。但是经过广泛的比较，还是可以归纳出反映石油总体特征的一些物理性质。这些物理性质对认识石油类有机污染特征以及进行石油类有机污染迁移研究与评价具有重要意义。

石油的颜色变化范围很大，从白色、淡黄、黄褐、深褐、黑绿直至黑色。其颜色与石油中胶质、沥青质含量密切相关，二者含量越高，石油的颜色就越深。大庆油田的石油主要为黑色黏稠状原油，深井也有无色透明的轻质油。

石油的相对密度是指20℃时的原油与4℃时的水的同体积质量比。大庆石油的相对密度主要在0.857～0.860范围内。因一般将相对密度大于0.90的石油称为重质石油，所以大庆原油属于中等密度的石油。

石油的黏度是衡量其黏稠程度的量，其实质是流体流动时产生一种阻止其质点相对移动的力，即流体的内摩擦力，大小用黏度衡量。石油黏度可用动力黏度表示，在SI国际单位制中，其单位为帕斯卡·秒（Pa·s）。它表示在1N力作用下，两个液层面积各为1m2、相距1m，彼此间相对移动速度为1m/s时，石油流动所产生的阻力。受温度、压力及组成的影响，石油黏度变化范围较大，大庆一般原油在50℃黏度为9.3～21.8×10－3 Pa·s。石油黏度不仅直接影响油在管线中的流动，对采油和油气集输产生重要影响，而且对于石油类污染物的迁移与防治也具有重要意义。

石油的溶解性也是其重要特征之一。一般石油难溶于水，但却易溶于许多有机试剂，如氯仿、四氯化碳、苯、石油醚、醇、二硫化碳、丙酮、甲醇－丙酮－苯三元混合溶剂（MAB）等。石油在水中的溶解度取决于它的成分和外界条件。烃类在水中的溶解度（甲烷除外）随分子量增大而减小，碳数相同的各种烃类比较，水溶性规律为：烷烃＜环烷烃＜芳香烃。根据石油在有机溶剂中的溶解性，可以将各种石油组分鉴定和分离开来，可以将石油的水溶性和油溶性特点用于石油储运和环境保护研究中。

总之，研究石油的组成特征与理化性质是深入认识石油在土壤中迁移特征与过程及其污染状况等问题的重要依据。大庆地区的石油不但储量丰富而且相对埋深比较浅，勘探成本比较低，大庆原油的质地非常好，属于石蜡基中质正常石油，具有高凝固点、高黏度、高蜡低硫的特点。

2.1.3　区域土壤特征

2.1.3.1　土壤的一般特点

土壤是自然环境要素的重要组成之一，它是处在岩石圈最外面的一层疏松的部分，具有支持植物和微生物生长繁殖的能力，称为土壤圈。土壤圈是处于大气圈、岩石圈、水圈和生物圈之间的过渡地带，是联系有机界和无机界的中心环节，也是结合地理环境各组成要素的纽带。

土壤的定义随学科而异。从农业角度出发，它是地球陆地表面具有肥力的能够生长植物的疏松表层，是人类赖以生存的重要自然资源；从环境学角度看，土壤不仅是一种资源，还是人类生存环境的重要组成部分。它依据其独特的物质组成、结构和空间位置，在提供肥力的同时，还通过自身的缓冲性、同化和净化性能，在稳定和保护人类的生存环境中发挥着极为重要的作用。土壤的主要组成部分如图2－1所示。它是由固体、液体和气体三相共同组成的疏松多孔体系，三部分的相对含量因时、因地而异。土壤固相包括土壤矿物质和土壤有机质；土壤矿物质是土壤物质组成的主体部分，构成土壤的骨架，约占土壤固体总重量的90%以上；土壤中的矿物质按其成因可分为原生矿物和次生矿物两类。土壤有机质是土壤中各种含碳有机物的总称，一般只占固体总量的1%～10%，在可耕性土壤中约占5%，且绝大部分在土壤表层，它是土壤的重要组成部分和土壤形成的主要标志，对土壤性质有很大影响；土壤有机质主要来源于动植物和微生物的残体，可分为两大类，一类是组成有机质的各种有机化合物，称为非腐殖质，如蛋白质、糖类、树脂、有机酸等；另一类为腐殖质，是特殊有机化合物，不属于有机化学中现有的任何一类，包括腐殖酸、富里酸和腐黑物等。

图2－1　土壤的主要组成部分

土壤液相是指土壤中水分及其水溶物，也是土壤重要的组成部分，主要来自大气降水和灌溉。在地下水位接近地面（2～3m）的情况下，地下水也是上层土壤水分的重要来源；水进入土壤以后，由于土壤颗粒表面的吸附力和微细孔隙的毛细管力，可将一部分水保持住。但不同土壤保持水分的能力不同。砂土由于土质疏松，孔隙大，水分容易渗漏流失；黏土土质细密，孔隙小，水分不容易渗漏流失。气候条件对土壤水分含量影响也很大。土壤水分并非纯水，实际上是土壤中各种成分和污染物溶解形成的溶液，即土壤溶液。因此土壤水分既是植物养分的主要来源，也是进入土壤的各种污染物向其他环境圈层（如水圈、生物圈等）迁移的媒介。

土壤中有无数孔隙充满空气，即土壤气相；典型土壤约有35%体积是充满空气的孔隙，所以土壤具有疏松结构［59］，如图2－2所示。土壤空气与大气基本相近，大庆地区土壤中的主要气体成分是N2，O2，CO2以及部分烃类气体。

图2－2　土壤的结构特点

岩石矿物风化过程中形成的矿物颗粒大小差异甚大，一般分为砾石、砂粒、粉砂粒和黏粒四级。土壤中各粒级所占的相对比例或重量百分数叫做土壤矿物质的机械组成或土壤质地。土壤的质地直接影响进入土壤中环境污染物质的截留、迁移和转化。黏土富含黏粒，颗粒细小，比表面积大，故其在物理性质上表现出较强的吸附能力，可以将进入土壤中的污染物吸附到土粒的表面，使其不易迁移；砂土黏粒含量少，砂粒含量多，土壤的通气和透水性强，吸附能力较弱，进入其中的污染物易迁移。

土壤孔性是指土壤中孔隙数量大小的分配和比例特征。土壤孔隙分为无效孔隙、毛管孔隙和通气孔隙；土壤孔性在调节土壤水分和空气比例的基础上调节了土壤热量，同时还可以通过过滤、截留、物理化学吸附、化学分解、微生物降解等作用影响进入土壤的各种污染物质。

土壤具有吸附性。土壤中两个最活跃的组分是土壤胶体和土壤微生物，它们对污染物在土壤中的迁移和转化有重要作用。土壤胶体是土粒中颗粒细小的部分，一般为直径小于0.001mm的微细固体颗粒，是由矿物质微粒（铝硅酸盐类）、腐殖质、铝、铁、锰、硅和含水氧化物组成；土壤胶体分为无机胶体（土壤黏粒）、有机胶体（腐殖质胶体）和有机无机复合体三种。土壤胶体以巨大的比表面积和带电性，使土壤具有吸附性。

土壤具有酸碱性和缓冲性特点。由于土壤是一个复杂的体系，其中存在着各种化学和生物化学反应，因而使土壤表现出不同的酸性或碱性。我国土壤的pH值大多在4.5～8.5之间，有由南向北递增的规律性，长江以南的土壤多为酸性和强酸性，如华南、西南地区广泛分布的红壤、黄壤，pH值大多在4.5～5.5之间，有少数低至3.6～3.8；华中、华东地区的红壤，pH值在5.5～6.5之间；长江以北的土壤多为中性或碱性，如华北、西北的土壤大多数含CaCO3，pH值一般在7.5～8.5之间，少数强碱性土壤的pH值高达10.5。土壤缓冲性是指土壤具有缓和其酸碱度发生激烈变化的能力，可以保持土壤反应的相对稳定，为植物生长和土壤生物的活动创造比较稳定的生活环境，对各种类型的污染物的存在状态具有比较重要的意义。所以土壤的缓冲性能是土壤的重要性质之一。(www.xing528.com)

沿垂直方向的分层性是土壤最明显的特征，不同层次具有独特的物理性质、颜色、外形等，构成土壤的形态。一般来说自然土壤剖面可划分为三个基本土层，从地表向地下为A层（表层、淋溶层），B层（亚层、淀积层）和C层（风化母岩层、母质层），如图2－3所示。

图2－3　土壤垂向剖面土层示意

2.1.3.2　区域土壤一般特征

大庆市土壤是在特定的地貌、成土母质、气候、水文、植被等成土因素的综合作用下形成的。据《大庆市志》记载，草原土壤占市区总土地面积的18.64%，是主要的耕地土壤；水成土壤主要有草甸土和沼泽土，其中草甸土占市区总土地面积的52.23%。

大庆地区主要土壤类型为黑钙土、草甸土、盐土、碱土、风沙土及沼泽土6类。大庆地区西部是嫩江冲积沙地，形成西部以风沙土为主，东部以黑钙土、草甸土为主的两条土壤带，盐碱土镶嵌分布于两条土带之中，组成了复杂的土壤复区。各种类型土壤的主要特性列于表2－1。

表2－1　大庆主要土壤类型与特性

2.1.3.3　研究区土壤样品及其特征

为了掌握大庆地区的土壤特征，进行大庆土壤中石油类有机污染物迁移模拟研究，对区内代表性土壤样品进行了采集和分析。

1）样品采集及预处理

大庆地区土壤类型较多，黑钙土为该区典型地带性土壤，盐碱土为典型非地带性土壤；因此研究中选取典型黑钙土和盐碱土作为模拟研究对象，对其主要物理、化学性质进行测定、分析和对比。

选择远离人类居住区及石油污染区（未受石油污染）和油井旁（受石油污染）作为采样地点。未受石油污染的土壤采自远离道路、农田及人类活动的地方，石油污染的土壤采自远离公路及人类活动的油井场所，根据生产作业年限的长短分为2年及10年以上并与周围油水井的距离在300m以上的油井附近进行样品采集。

研究中共选取了五个采样点的5个系列样品，样品的采集基础数据如表2－2所示。

样点1位于大庆市开发区301国道东侧八一农垦大学以北1 000m处的草原上，表面有人工牧草生长，剖面上主要为灰色块状土，土壤类型为盐碱土；样点2位于大庆市东风新村电视塔东部采油1厂四矿管辖范围内的抽油生产井（62－71井）附近，距采油树东北向9m，当时正值修井作业期间，采油树旁地表有散落的石油，采样点处无明显的石油残余存在，该样品作为两年较短采油井史的油污土样代表；样点3位于采样点2西南部，距离采油一厂四矿62－71井约西南70m的小土坎处，可以将该样品作为油污土壤样品的参照样品；样点4位于样点2以南的采油一厂二矿北1－7丙－46井南偏东6～7m处，该采油井的生产历史在15年以上，井旁土地上有被风化的干的残留污油存在，样点4可作为生产井史较长的油污土壤的代表样品；样点5在301国道以西，大庆实验中学东侧、东湖南侧苗圃内，土壤类型为黑钙土。在样品采集点分别挖一个长1.5m、宽1m、深1.5m的长方形土坑，按照观察到的新鲜土壤剖面的颜色变化和土质变化划分小层；由于土壤剖面具有明显的分层性，所以我们主要根据不同土层的土壤具有不同的颜色、结构、质地、松紧度、温度、植物根系分布等特点，对土壤剖面进行了土层划分。按土壤颜色明显变化的自然层次划分剖面的大层。根据实验需要，按照一定的采样深度，用小铁锹和小泥刀采集土壤，将同层的土样装在洁净的塑料袋内，按地层的上下顺序贴好标签，做好采样记录。在采样过程中尽量要保持使用器具的洁净，避免人为污染。

从野外采来的土壤样品，应尽快带回实验室放在阴凉处，置于洗刷洁净、干燥的瓷盘内摊开风干，以免发霉变质，影响测定结果。当达到半干状态时用玻璃棒把土块压碎，剔除碎石以及动植物残体等杂物后铺成薄层，经常翻动、充分风干。风干后的土壤样品，再用玻璃棒或木棒碾碎后，过2mm孔径尼龙筛，将样品按四分法缩分后，留下足够的量进行试验与分析使用。用玛瑙研钵将其研细，过80目筛后，装袋、封好、贴上标签备用。

2）大庆土壤的质地特征

土壤的质地或机械组成表示土壤颗粒的粗细程度，即其含砂、粉砂及黏粒等的相对比例。土壤中许多物理过程与化学反应的进行都受到质地的制约，因为它决定着这些反应进行的表面积。按照土壤颗粒的大小，可以划分出不同的土壤粒级，一般比较简单的方法是根据砂、粉砂和黏粒在土壤中的不同比例，进行土壤质地的分类，表2－3为我国土壤质地分类标准［149］。

表2－3　我国土壤质地分类标准

（续表）

研究中对大庆土壤样品采用比重计法测定系列1、系列4及系列5样品的机械组成（见表2－4）；对应土壤样品中黏土矿物成分及其含量的测定采用X射线衍射定性、定量分析土壤中黏土矿物成分和相对含量，由大庆研究院地质实验室协助完成，分析结果如表2－4所示。黏土矿物是土壤矿物质中最细小的部分（粒径＜0.001mm），也是土壤矿物质中最活跃的物质成分，它具有胶体特性。不同土壤类型或同一类型土壤不同土层中黏土矿物的组成具有差异性。

表2－4　大庆土壤样品黏土矿物与质地特征

土壤质地不同可影响土壤的结构和通透性状，进而对石油类有机污染物的截留、迁移、转化产生不同的效应。根据我国土壤质地分类标准［19］中列出的砂粒（1.0～0.05mm）、粗粉粒（0.05～0.01mm）、黏粒（＜0.001mm）等不同粒径的颗粒组成含量特点，可以判断三个系列的大庆土壤样品的质地基本上均可定为壤土类型。从分析结果看出大庆土壤样品中黏土矿物的特点，系列4样品中黏土矿物种类较多，系列2和系列5中不含高岭石，但系列1中存在伊/蒙混层。

3）大庆土壤的理化特征

土壤的理化性质在很大程度上影响着土壤的其他性质如土壤养分的保持、土壤生物的数量等。为了研究大庆土壤对石油类污染物在其中的迁移与转化的影响，研究中对采集的大庆地区主要类型土壤的比重、容重、孔隙度、酸碱度、烧失量、含水率及电导率等物理和化学性质进行了测定与分析，如表2－5所示。

表2－5　大庆土壤样品理化参数数据