МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ОТВЕРЖДАЮЩИЙ СОСТАВ ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОЛУЖИДКИХ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ (МОС-1)
MODIFIED CURING COMPOSITION FOR HARDENING MINERALISED DRILLING SLUDGE ("МОС"-1)

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для подготовки минерализованных отходов бурения, образующихся при строительстве нефтяных и газовых скважин в надсолевых и солевых интервалах, к утилизации в качестве экологически безопасного техногенного грунта, использования этого грунта, например, в дорожном строительстве.
Известна смесь для обезвреживания и литификации буровых шламов и нефтезагрязненных грунтов, содержащая алюмосиликатную породу, известь и портландцемент, и неорганическую комплексообразующую добавку - хлорид двух- или трехвалентного металла или их смесь, или сульфат двух- или трехвалентного металла или их смесь, или карбонат двух- или трехвалентного металла или их смесь, или фосфогипс, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюмосиликатная порода - 55-80
Известь - 5-10
Портландцемент - 5-20
Неорганическая комплексообразующая добавка - 5-30
(см. патент RU № 2199569, кл. С09К 7/00, В09С 1/08, 2003). Она пригодна для обезвреживания слабосцементированных отходов и превращения их в экологически безопасные грунты.
Однако при прохождении надсолевых и солевых интервалов на поверхность извлекаются породы, состоящие в основном из минеральных солей - хлоридов натрия и калия и, в меньшей степени, их сульфатов. Кроме того, для безаварийного бурения таких интервалов применяют высокоминерализованные буровые растворы, полностью насыщенные солями. По общепринятым правилам отработанные соленасыщенные буровые растворы и буровой минерализованный шлам захороняют в шламовых амбарах и редко вывозят на специально подготовленные полигоны для их хранения.
Недостатком этой смеси является низкая степень отверждения минерализованных отходов бурения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является состав для отверждения отработанных буровых растворов и осадков буровых сточных вод, включающий портландцемент (70-90 мас.%) и доломит (10-30 мас.%) - а.с. № 1549980 СССР, С 09 К 7/0, бюл. № 10, 15.03.90. Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
Смесь включает широко известные материалы, обеспечивает отверждение слабоминерализованных полужидких отходов бурения с достаточно эффективным обезвреживанием по органическим загрязнителям, сульфатам и карбонатам и достижением приемлемой механической прочности для захоронения отвержденной массы в объектах природной среды.
Недостатком данного состава является низкий уровень стабильности отвержденных минерализованных отходов бурения. При попадании в водную среду механическая прочность конечного продукта резко падает и он разрушается.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение механической прочности и водоустойчивости отвержденного материала; возможность утилизации полученного путем отверждения минерализованных отходов бурения техногенного грунта в качестве экологически безопасного материала для дорожного строительства, выравнивания рельефа местности.
Указанный технический результат достигается заявляемым модифицированным составом для отверждения минерализованных полужидких отходов бурения (МОС-1), включающим портландцемент, трепел и/или опоку, и/или диатомит, и цеолит, при следующем соотношении компонентов, мас.%.
портландцемент - 90,5-94,0
трепел и/или опока, и/или
диатомит - 4,0-6,0
цеолит - 2,0-3,5
2
Опока, трепел, диатомит отдельно или в сочетании за счет содержания в них до 90-98% кремнезема обеспечивают связывание продукта гидратации вяжущего - гидроксида кальция в двухкальциевый гидросиликат. Уменьшение содержания Са(ОН) при твердении минерального вяжущего влечет также переход многоосновных гидросиликатов и гидроалюминатов в менее основные, которые значительно более стойки по отношению к выщелачиванию пресной и минерализованной водой. Кроме того, при взаимодействии с водой и гидроксидом кальция отдельные зерна высокопористой добавки увеличиваются в объеме (набухают), что вызывает уплотнение твердеющего материала, затрудняет проникновение агрессивной среды, в данном случае минеральных ионов, и т.о. препятствует разрушению получающегося камня.
Технический результат - обеспечение механической прочности и водоустойчивости получаемого при отверждении продукта достигается за счет синергетического эффекта взаимодействия компонентов модифицированного состава. В результате этого эффекта повышается количество продуктов твердения минерального вяжущего до уровня, не достижимого в прототипе.
Введение цеолита в заявляемых количествах производят для улучшения адсорбции органических загрязнителей, а также для увеличения прочности цементного камня за счет взаимодействия частиц цеолита с новообразованиями вяжущего. В результате образуется промежуточная высокопрочная зона с малой пористостью, что способствует увеличению прочности цементного камня и уменьшению проницаемости отвержденного материала для агрессивной среды.
В результате обработки водорастворимых минерализованных отходов заявляемым модифицированным отверждающим составом, возможно, осуществить подготовку их к утилизации в качестве техногенного грунта путем повышения механической прочности и водоустойчивости отвержденной массы по сравнению с исходным полужидким отходом. Использование модифицированного отверждающего состава позволит исключить или снизить негативную техногенную нагрузку на объекты окружающей природной среды.
Реализация изобретения поясняется примерами, результаты которых приведены в таблицах 1 и 2.
3
3
3
*
сж
сж
Для исследования эффективности обезвреживания методом отверждения использованы минерализованные полужидкие отходы бурения следующего физико-химического состава: плотность - 1,57 г/см, влажность - 40%, содержание нефтепродуктов - 6,855 г/кг, минерализация пятикратной водной вытяжки - 20,94 г/дм по сухому остатку, содержание хлоридов и сульфатов в количестве - 10,1 и 1,5 г/дм соответственно. Модифицированную отверждающую смесь получали перемешиванием компонентов, наименование и количество которых приведено в таблице 1, до достижения смесью однородности. Эту смесь добавляли к минерализованным полужидким отходам в количестве от 20 до 50 мас.%. После перемешивания готовую массу помещали в формы размером 2×2×2 см и выдерживали при комнатной температуре. Через 7 суток часть образцов испытывали на прочность (δ), а остальные помещали в пятикратный объем воды для определения водоустойчивости. Через 10-14 суток определяли δ  водонасыщенных образцов и экстракцию водой нефтепродуктов, хлоридов, сульфатов и суммы растворимых минеральных и органических веществ (сухой остаток) из отвержденного материала.
3
3
3
Для сравнения эффективности заявляемого модифицированного отверждающего состава с прототипом использовали полужидкие отходы следующего физико-химического состава: плотность - 1,57 г/см, влажность - 40%, содержание нефтепродуктов - 6,855 г/кг, минерализация пятикратной водной вытяжки - 20,94 г/дм по сухому остатку, содержание хлоридов и сульфатов в количестве - 10,1 и 1,5 г/дм соответственно, которые обрабатывали модифицированной отверждающей смесью в количестве 20% к массе отходов. Смесь состояла из 80 мас.% портландцемента и 20 мас.% доломита. Методика исследований аналогична описанной выше. Через 4 суток нахождения в воде образцы 14-суточного срока твердения разрушались.
Таблица 1
Примеры приготовления составов
№
Название компонента
Содержание в мас.%
Время отверждения, суток
Время водной вытяжки, суток
1
портландцемент
90,5
7
14
трепел
6,0
цеолит
3,5
2
портландцемент
92,25
7
14
трепел
5,0
цеолит
2,75
3
портландцемент
94,0
7
14
трепел
4,0
цеолит
2,0
4
портландцемент
90,5
7
14
опока
6,0
цеолит
3,5
5
портландцемент
92,25
7
14
опока
5,0
цеолит
2,75
6
портландцемент
94,0
7
14
опока
4,0
цеолит
2,0
7
портландцемент
90,5
7
14
диатомит
6,0
цеолит
3,5
8
портландцемент
92,25
7
14
диатомит
5,0
цеолит
2,75
9
портландцемент
94,0
7
14
диатомит
4,0
цеолит
2,0
10
портландцемент
90,5
7
10
трепел
3,0
опока
3,0
цеолит
3,5
11
портландцемент
92,25
7
10
трепел
3,5
опока
1,5
цеолит
2,75
12
портландцемент
94,0
7
10
трепел
1,0
опока
3,0
цеолит
2,0
13
портландцемент
90,5
7
10
трепел
2,0
диатомит
4,0
цеолит
3,5
14
портландцемент
92,25
7
10
трепел
2,5
диатомит
2,5
цеолит
2,75
15
портландцемент
94,0
7
10
трепел
1,0
диатомит
3,0
цеолит
2,0
16
портландцемент
90,5
7
10
опока
3,0
диатомит
3,0
цеолит
3,5
17
портландцемент
92,25
7
14
опока
2,0
диатомит
3,0
цеолит
2,75
18
портландцемент
94,0
7
14
опока
1,5
диатомит
2,5
цеолит
2,0
19
портландцемент
90,5
7
14
опока
2,0
трепел
2,0
диатомит
2,0
цеолит
3,5
20
портландцемент
92,25
7
14
опока
2,0
трепел
1,5
диатомит
1,5
цеолит
2,75
21
портландцемент
94,0
7
14
опока
1,0
трепел
1,0
диатомит
2,0
цеолит
2,0
сж
Характерные результаты исследований, представленных в таблице 2, подтверждают, что использование предлагаемого модифицированного отверждающего состава для отверждения минерализованных отходов бурения (МОС-1) обеспечивает достаточную механическую прочность (δ>0,5 МПа образцов семисуточного срока твердения) и водоустойчивость (коэффициент водоустойчивости не менее 0,78) отвержденных образцов. Кроме того, при обработке минерализованных буровых отходов заявляемой модифицированной отверждающей смесью обеспечивается достаточный обезвреживающий эффект. Содержание вымываемых водой загрязняющих веществ из отвержденного материала снижается по сравнению с исходными отходами: на 99-100% по нефтепродуктам, на 22-60% по хлоридам и на 54-80% по сульфатам.
2
2
Для реализации изобретения используют недорогие и недефицитные материалы, при этом содержащиеся в составе опока диатомит, трепел и цеолит обладают удельной поверхностью 2000-4000 см/г, в примерах использованы материалы с удельной поверхностью 3000 см/г и применяют портландцемент марки М 500, поскольку эта марка проявляет большую активность. Для приготовления модифицированного отверждающего состава (МОС-1) может быть применено стандартное технологическое оборудование, в частности шнековые и лопастные смесители, а также смесительные машины.