0 引言

随着开采程度的加深，我国大部分油田特别是东部陆上油田已逐渐步入高含水中后期，产出液平均综合含水率已经超过80%；但同时伴生大量污水，这些污水的排放或处理方式不当，极有可能影响油田开发乃至周边生态环境^{[1, 2, 3]}。油田污水主要包含采出水、钻井污水及其他类型含油污水，根据水质特点的不同，其处理方式及工艺也不尽相同。常用方法有物理法及生物化学法，包括吸附、聚结、絮凝及水力旋流法等，原理主要是将污水中的有害或污染成分沉淀、中和、吸附和降解^{[4, 5, 6]}。目前，膜分离、磁吸附、高级氧化及超声波处理等技术逐渐成为当下油田污水处理中的应用热点，但这些方法设备装置复杂且能耗成本偏高，难以适应大规模油田污水的处理^{[7, 8, 9]}。

研究区十屋断陷地处松辽盆地东南隆起区，在此先后发现后五家户、八屋、孤家子3个气田，四五家子、秦家屯2个油气田及数个含气构造;油气分布十分复杂，勘探程度高，造成油田外排污水规模增加，技术成本变高。若大规模污水处理效率低而又无法达到外排标准，势必给油田经济效益带来影响。因此，结合现有的环境和技术进行探索，找到更高效的污水处理方法是目前断陷区油田污水处理的紧要任务。

随着油气开采进程的不断深入，断陷区的地层结构也逐步清晰化。本次研究的目的断陷区域4 km以下的部分地层呈负压状态，系统地层压力梯度仅为0.005~0.008 MPa/m,且其周围边界均为极弱透水层，在地层深处形成一个特殊构造的天然封闭储藏区。若此类容储介质参数能够达到相应地质填埋标准，则在工业污水的入注及容储上潜力巨大^{[10, 11]}。因此，寻找地下容储空间、发展地质埋存技术也不失为一种高效、环保的污水处理理念。笔者试图运用数值模拟的方法刻画出污水入注十屋异常低压凹陷及示踪污染物的迁移过程，对该系统容储油田污水的可行性及安全性进行评估。

松辽盆地地跨东北三省，面积约26万km²，属大型内陆中生代含油沉积盆地。盆地划为6个一级构造，由中央塌陷区向四周辐射，包含东北隆起带、西部斜坡带、东南隆起带、西南隆起带及北部倾伏带(图 1)。研究区为隶属盆地东南隆起带梨树凹陷的次一级负向构造单元，整体呈扇状，覆盖面积2 500 km²。区内主要填充中生代地层，最厚达9 000 m。盆地演化经历了晚侏罗世——早白垩世裂陷期、晚白垩世裂后期和新生代构造反转及抬升剥蚀期三个阶段^{[12, 13]}。

图 1 研究区构造位置及油气田分布 Fig. 1 Tectonic location and distribution of oil and gas fileds indicating the research area

图选项

十屋断陷西以桑树台断裂为界，南北及东界发育剥蚀边界，断陷整体按主轴NE向展布(图 2a)。研究区进一步划为3个次级构造单元，包括东部斜坡区、北部陡坡区以及中部深陷区，断陷内部主要发育NE和近EW向两组断裂。从地震测线剖面解释(图 2b)看，该区主要受桑树台断裂控制，属于典型的西断东超式箕状断陷。

①.北部陡坡区;②.中部深陷区;③.东部斜坡区。T2.泉头组顶面；T3.登楼库组顶面；T4.营城组顶面；T4-1.沙河子组顶面；T4-2.火石岭组顶面；T5.基底面。 图 2 十屋断陷构造分区(a)及654.0——653.4测线剖面解释(b) Fig. 2 Tectonic division of Shiwu depression (a) and line profile 654.0-653.4 (b)

图选项

断陷区残留的沉积地层由老到新发育上侏罗统火石岭组(J₃h)，下白垩统沙河子组(K₁sh)、营城子组(K₁y)、登娄库组(K₁d)、泉头组(K₁q)，上白垩统青山口组(K₂q)、姚家组(K₂y)和嫩江组(K₂n)。至晚白垩世末期，盆地应力性质改变，东南隆起区遭受不同程度的隆升和剥蚀，剥蚀范围400~1 300 m，从而导致第四系沉积物直接覆盖于泉头组及嫩江组不同层位之上。

2 异常低压体系成因机制

地层压力即孔隙流体压力，与地层深度、构造、封闭条件等因素有关，地层压力特征的分析同时又是油气运聚和地下水动力场及化学场的研究基础。在正常情况下，地层中的流体处于连通状态，此时地层压力等于静水压力。凡是低于静水压力的地层压力都为异常低压。前人对异常高压的形成机制研究较多，而对异常低压形成机理的研究仍处于探索阶段^{[14, 15]}。随着油气勘探开发的不断深入，地质学家们逐渐发现沉积盆地亦存在异常低压，如美国的Piceance盆地^[16]和Llanos盆地^[17]，我国的鄂尔多斯盆地^[18]和松辽盆地十屋断陷^[19]等，这种特殊盆地类型中，无论废弃油藏还是天然容储构造，在地质填埋技术的发展上均有巨大潜力。

针对研究区盆地负压区这一特殊构造，前人对其低压体系的形成与演化做了很多细致工作。研究认为，十屋断陷低压区经历了一个常压——高压——低压的复杂演变过程，该过程同盆地构造运动、沉积压实、油气生成及运聚等因素都密不可分。低压成因主要可以归结为3点^{[20, 21, 22]}：

1)低压系统的温度随地层的隆升逐渐降低，造成流体体积收缩，从而导致地层压力在没有流体继续补充的情况下降低。

2)构造抬升、剥蚀过程中上覆地层围限压力有所下降，导致层内高异常压力突破围限压力;同时岩石的抗张强度致使岩石发生裂隙，高压层由于这些裂隙及构造运动中形成的断裂产生压力释放，储集在地层中的油气也沿裂隙向上扩散，致地层产生压力降。

3)在低压形成期，断陷区烃源岩已处于生烃后期，生烃能力弱，无更多油气补充，低压层得以保持。

3 污水容储可行性研究

结合十屋断陷研究区水文地质条件，将该区地下水系统概化为由潜水、承压水及中间弱透水层组成的拟三维越流系统，并建立与之适应的模型求解。模拟过程充分考虑各种源汇项、边界条件及上下含水层间的关系，模拟了油田污水入注过程及污染物的运移状况。

3.1 水文地质概念模型

综合分析断陷区勘探测试资料可知，该区地表覆盖第四系松散沉积物，区内主要发育上侏罗统、下白垩统及上白垩统三套中生代地层。从剖面上看，断陷呈楔状，总体构造西断东超，地层向东逐层超覆、减薄。结合岩性特征，确定模型垂向分层为5层：第1层包括上白垩统中上部青山口组(K₂q)等地表含水层，含水层厚度大；第2层为下白垩统下部泉头组(K₁q)堆积的一套河流相泥砂岩互层沉积层；第3层为下白垩统上部登娄库组(K₁d)，多由粉、细砂岩及黑色泥岩组成，颗粒细，渗透性很差；第4层为下白垩统营城子组(K₁y)的负压含水层，层中砂质泥岩与粉、细、中砂岩，含砾细、中砂岩互层，天然裂隙发育，渗透性好；第5层为下白垩统下部沙河子组(K₁sh)负压含水层，层内粉砂质泥岩与粉、细砂岩，含中砾砂岩等厚互层，并夹杂灰黑色泥岩，且天然裂隙较发育，渗透性好。该特征反映了断陷深部系统的良好封闭性,适合长期容储污水。同时,由于埋深大，地质变化等未知因素的干扰也难致容储污水排至地面。

区内水系发达，东辽河自东向西横贯全区，地势北高南低，东高西低，地下水跟地表水流动方向整体一致，矿化度偏低。该区地下水流为三维流，盆地底部为不透水边界，地表水体为内边界，四周为二类边界。

3.2 地下水流数学模型

以十屋断陷水文地质概念模型为基础，建立该区深层地下水三维流动系统数学模型：

3.3 地下水流数值模型 3.3.1 网格剖分

根据研究区实际结构特点，确定平面网格步长为550 m，模型平面划分网格单元3 646个(图 3)。

图 3 模拟区域网格单元三维剖分 Fig. 3 Distribution of 3D grid subdivision of research area

图选项

在十屋断陷地下水数值模拟过程中：地表水同第1层水力联系较强，随季节变化不大，作为1类边界处理；侧向边界及盆地底部边界为2类边界，流量都为0。工区地下水水位埋深大，第1层表面覆盖较厚黏土层，动态资料显示水位变幅小，因此在模拟过程中忽略了上边界的补给蒸发排泄项。

3.3.3 参数分区及初选

参数的确定直接影响数值模拟模型精度。一般意义上讲，地质体实际参数和模型模拟参数是有区别的。首先，建模得到的测试参数受诸多因素影响，只能无限逼近实际，最终模型结构参数是等效参数；其次，用土工、抽水试验确定的参数同时受设备条件、区域范围等因素限制，无法满足模型一定精度要求。因此，在研究区模型参数选取过程中，以水位动态资料为拟合基准，在沉积及岩性分布的约束下根据土工、抽水试验参数运用数值模拟模型识别的方法来确定模型参数。

研究区浅层岩性的研究已较清晰，对本次模拟研究影响不大。深层岩性渗透系数的确定则主要利用钻孔资料获得的数据通过一定数学方法概化取得，在每一层上采用等效厚度法处理：

各含水层渗透系数变化区间见表 1。

由于盆地内负压分布极不均衡，我们根据测线剖面654.0——653.4现今的剩余压力(-8~0 MPa)分布，将研究区划为5个区，并将每个负压区压力值概化为一平均值，从0 MPa开始每2 MPa为一个等级梯度(图 4)。

a.测线654.0-653.4剖面剩余压力; b.断陷负压分区平面展布。 图 4 十屋断陷压力分布图 Fig. 4 Pressure distribution of Shiwu depression

图选项

模拟初始注水时刻为2014年1月1日。在研究区范围内设置注水井20口，每口井注水速度为200 m³/d(由模拟重心确定本区污水容储量，未考虑注水方式)。模拟过程中每天向低压系统供水4 000 m³，注水层位为第4层及第5层。供水量过大容易导致地下水位激增，不利于污水自动均匀分布，因此注水方式选择间歇性注水。结合盆地低压系统实际条件，设计初期连续注水20 a，然后停注1 a，2035年1月1日开始连续注水10 a再停注1 a，之后隔1 a注1 a，直到系统负压值趋于0 MPa时停注。

模拟发现，断陷区第1层模拟单元水头初始时刻开始呈下降趋势，直至约51 850 d左右时出现拐点，随即地下水水位开始上涨(图 5)。这是因为,盆地研究区第3层为极弱透水层，同时忽略了上边界的补给蒸发排泄;注水伊始，没有补给，浅层含水层水位持续稳定下降，至水位拐点位置由于负压系统已达容储极限，负压值趋近于0 MPa，后续隔年注水才开始对浅层含水层水位造成影响。按照拐点对应时间步可粗略估算出负压系统的大致容储量。

图 5 第1层随机点水头值同时间关系曲线 Fig. 5 Curves of water level vs. time of random poinis in first layer

图选项

图 6a表示的是2155年停注时研究区第4层低压层水头等值线图，整体北低南高，南部水丘均值高达383.036 m。图 6b为停注10 a后该层的水头值展布，从水头分布特点上看，整体从北至南呈平缓升高趋势，平均水头值290.384 m，同负压层拐点极值水位吻合，亦验证了负压系统污水停注时间判定的合理性。

图 6 第4层低压层水头等值线图 Fig. 6 Isopotential lines of underpressure layer 4th

图选项

按照水位拐点估计，将停注水时间51 850 d判定为负压区储水极限天数有可能存在一定误差。以拐点±5 000 d误差作为假定，按照模拟注水方式则产生8.053%的误差，并不影响判定断陷区具有巨大容储空间的事实。此外，参数概化过程中也可能产生一定误差，但概化误差也在误差允许范围之内。计算结果应该基本符合本区实际容储量。

4 污水环境影响分析

环境影响分析对于污水处置来说是一件极其重要的工作程序，同时也是考核容储空间是否合格的一把尺子。容储量确定之后，盲目处置污水极有可能造成油田及周边环境的二次污染。分析优选MODPATH(三维示踪模型)软件同时结合MODFLOW模块追踪计算虚拟粒子轨迹来模拟工区污染物运移情况。污染物迁移数学模型为

预测中以断陷区油气田开发中钻井、压裂及聚驱残液中的惰性聚合物聚丙烯酰胺(PAM)为模拟目标组分，考虑到该类污水残液抗高盐、抗高温的特性，在深部地层迁移模拟计算中忽略了物化、温度、衰减和吸附等因素影响，运用溶质运移中示踪剂的方法对污水污染物的影响范围进行预测。具体模拟设计方案为:在每口井中加入5个质点做为示踪剂，弥散参数分层位选用工区经验参数，见表 2。从注水伊始对示踪剂的运动情况进行监测，同时定量分析其运移过程，分析主要从水平及垂直两方向进行。

从平面污染运移状况(图 7a)看，示踪污染晕呈扇状，质点由指定输入点以平均0.117 m/d的速度运移，主要运移方向为北东向。若以该点负压极限为准，停止注水，虚拟粒子运移速度在缺少注水影响的条件下势必减慢。当水头差逐渐变小时，其运移的速度也就随之逐渐变小，直至停止。到2156年恰停注1 a，此时污染晕锋面边界距离模拟区边界的最小距离约3 000 m，在运移速度不变的条件下，最快的质点运移到边界也要约70 a，加之边界的隔水条件限制，污水水平方向对周围环境造成影响的概率较小。

a. 2156年水平方向质点扩散情况（黄色区域为污染晕锋面边界）; b. 2156年垂直方向质点扩散情况。 图 7 污水污染物运移流线 Fig. 7 Migration streamlines of wastewater pollutants

图选项

从质点运移剖面(图 7b)上看，质点从模拟示踪开始至结束活动范围偏窄，垂向运移速度远低于水平运移速度，加之第3层属几千米厚度的极弱透水层，污染物很难穿透(高于等水头线为井的位置)。因此,污水在垂直方向上也不会对上部潜水造成影响。

研究区的天然条件使得向其注污存储的方案具有较高的可行性。同时通过地下土体的自净作用，长时间的反应使得注入污水最终能够达到一定程度的净化，同目前高效、环保的理念相契合。

5 经济效益探讨

模型从2014年1月1日注水伊始至达到低压系统容储极限，共计20 825 d注水停滞，按照有效注水时间和20口注水井每天的累积注水量估算,储藏总量约为1.241 ×10⁸ m³。以断陷区公主岭市污水集中处理厂为例，对油田污水容储经济效益进行评估。

该厂为一日处理量10万t级的中型污水处理厂，核心技术是通过循环式活性污泥法对排放污水进行二级处理，处理后的水质基本达到国家规定的排放标准。该厂运营时期处理污水耗电平均0.496(kW·h)/t，平均电价约0.65元/(kW·h)，目前每天实际处理污水约3万t。按照该区峰值期0.9元/(kW·h)最高电价计算，假若盆地低压区投入矿场实践，以每日极限吨级昼夜不停处理污水，相当于该厂持续处理污水3~4 a，单纯耗损电费成本5.540×10⁷元。按照实际污水处理量及电价均值计算，相当于持续处理污水11~12 a，单纯耗损电费成本4.001×10⁷元。

单纯从计算结果上看，研究区容储量的可观性及处理污水伴生的经济效益是不言而喻的。但方案实际施行过程中，还应结合钻井施工成本等因素综合考虑。

6 结论及建议

本文在前人研究资料及成果的基础上，通过对十屋断陷这一完整的水文地质单元进行数学建模、数值求解以及模型的识别和预测，对该区污水储藏的可行性进行了分析论证，并取得了一定认识：

1)研究区负压系统污水容储空间达1.241 ×10⁸ m³，从环境保护及经济建设的角度分析该区污水储藏具有一定可行性。

2)本次研究为污水处理及盆地负压区的利用提出了一个新思路，即大规模注入污水进至具备容储可行性的近源天然盆地负压区。污染物运移模拟结果表明，污水以合适的速度入注负压区后污染物难以逃逸，加之地下土体的自净作用，该方法较传统污水处理法有着高效节能的优点，使污水的处理更为彻底。

3)由于地质体本身的复杂性，本次研究采用数值模拟的方法探索研究区盆地容储污水问题尚存在许多不足。如研究过程中未考虑注水方式的合理性、地层压力变化对孔隙介质的影响及污水对渗透率孔隙的堵塞等问题，而这些因素对研究区容储能力的计算分析都可能存在一定影响，这也是今后研究工作中有待进一步解决的问题。