СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
METHOD OF NEUTRALISATION OF WASTES OF OIL OR GAS WELL DRILLING

Изобретение относится к области обезвреживания отходов бурения в сфере нефтегазовой промышленности и может быть использовано при химической мелиорации нарушенных сельскохозяйственных земель.
Известен способ обезвреживания отходов бурения нефтяных и газовых скважин, включающий отделение от бурового раствора, циркулирующего в процессе бурения, продуктов измельченной горной породы (бурового шлама) с последующим захоронением бурового шлама в специально устраиваемых для этой цели грунтовых выработках - шламовых амбарах (патент РФ №2213121 от 27.09.2003 г. по кл. С09К 7/00) [1].
Этот способ характеризуется существенными недостатками, состоящими в том, что в составе бурового шлама остаются специфическими технологические добавки (активные химические вещества), которые за время хранения в шламовых амбарах проникают в окружающие их горные породы, грунтовые воды и почвы, и это приводит к токсическим воздействиям на окружающую среду; природопользователи, эксплуатирующие нефтяные и газовые месторождения, в соответствии с федеральным законодательством платят значительные экологические платежи, что приводит к удорожанию (метра проходки скважин) производства.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание технологии, позволяющей получать на основе буровых шламов органо-минеральные вещества, которые улучшают гранулометрический и физико-химический состав поврежденных земельных угодий, соответственно повышают их сельскохозяйственную продуктивность и одновременно исключают необходимость захоронения буровых шламов.
Поставленная задача решается тем, что в способе обезвреживания отходов бурения нефтяных и газовых скважин, а также разведочных и эксплуатационных скважин любых других месторождений, включающем отделение бурового шлама от бурового раствора, циркулирующего в процессе бурения, и складирование буровых шламов в шламовых амбарах, буровой шлам перерабатывают в шламовый полупродукт, в который включают в качестве модификатора композитной смеси гуминоминеральный концентрат, а территории всех грунтовых выработок для размещения обезвреживаемых продуктов бурения возвращают в земельный оборот.
Шламовые амбары устраивают в виде нескольких временных оперативных параллельно расположенных амбаров, в каждый из которых направляют шлам от бурения различных слоев горных пород, которые поочередно подвергаются проходке при помощи бурового инструмента.
Устраивают технологический пост по приготовлению товарного продукта в виде нескольких параллельных бассейнов, в каждом из которых организуют поочередное вызревание мелиоранта.
В полупродукт, полученный путем предварительной технологической подготовки буровых шламов, характеризующихся содержанием комплекса активных химических веществ, вводят в качестве модификатора гуминоминеральный концентрат по патенту РФ №2051884 от 10.01.1996 г. по кл. C05F 11/02 с соблюдением регламентированной дозировки, режима миксерной гомогенизации и необходимой технологической выдержки для полного вызревания композитного товарного продукта. В результате получают синергический эффект, состоящий в том, что токсичность буровых шламов устраняется, а композитный товарный продукт приобретает качества, позволяющие осуществлять с его помощью химическую мелиорацию почв обычных или поврежденных земельных угодий (результаты испытаний см. в приложении). Полученный композитный товарный продукт (мелиорант) наряду с устранением токсических свойств буровых шламов обеспечивает улучшение полезных свойств гуминоминерального концентрата за счет усиления позитивных химических характеристик. В результате достигается синергический эффект, обусловленный тем, что полезный эффект мелиоранта, получаемый из исходных продуктов, превосходит сумму эффектов от раздельного использования каждого из них.
На чертеже схематично показана технологическая последовательность переработки бурового шлама в мелиорант.
Буровой шлам, после его отделения от циркулирующего в буровом процессе специального глинистого раствора, укладывают в устроенные раздельно параллельно расположенные временные оперативные шламовые амбары 1, в каждый из которых направляют шлам от бурения различных слоев горных пород. Тем самым обеспечивают наибольшую технологическую однородность бурового шлама в каждом оперативном шламовом амбаре 1, а также возможность управляемого дозирования компонентов шламового полупродукта. Мобильным грузоподъемным стреловым краном 2 поочередно устанавливают на каждый оперативный шламовый амбар 1 переносной лопастной активатор с автономным электроприводом 3, с помощью которого осуществляют миксерное усреднение бурового шлама в соответствующем оперативном щламовом амбаре 1. По мере аналогичной технологической процедуры заполнения каждого оперативного шламового амбара 1 продуктами бурения других слоев горных пород (при их последовательной буровой проходке) буровой шлам в каждом оперативном шламовом амбаре 1 после очередного миксерного усреднения подвергают вылеживанию в соответствии с регламентированным по времени режимом.
Из шламового амбара 1 шламовый полупродукт перегружают при помощи переносного шнекового питателя 4, перемещаемого мобильным грузоподъемным стреловым краном 2, в один из нескольких параллельных бассейнов приготовления товарного продукта 5 для приготовления мелиоранта; на этом технологическом посту в шламовый полупродукт вводят в качестве модификатора гуминоминеральный концентрат из тарных упаковок 6 в массовой пропорции, определяемой технологическим регламентом. Приготовление мелиоранта проводят при помощи переносного лопастного активатора с автономным электроприводом 3, перемещаемого стреловым краном 2, до получения гомогенизированного равномерного состава согласно лабораторному контролю.
В каждом из бассейнов товарного продукта 5 гомогенизированный состав выдерживают до регламентированной стадии вызревания, после достижения которой готовый мелиорант перегружают переносным шнековым питателем 4 через весовое устройство 7 на транспортные средства 8 для использования по назначению.
Территории всех грунтовых выработок для размещения обезвреживаемых продуктов бурения возвращают в земельный оборот.
Полезный хозяйственно-финансовый эффект изобретения обусловлен устранением необходимости расчетов экологических платежей за негативное воздействие на окружающую среду (налоги) при захоронении отходов бурения, имеющие токсические свойства, восстановлением поврежденных земель и угодий, подверженных эрозии с помощью полученного на их основе композитного товарного продукта (мелиоранта), а также повышением сельскохозяйственной продуктивности (урожайности) обычных земельных угодий.
Литература
1. Применение георадиолокационного зондирования в обследовании шламовых амбаров. Антропов А.А. Рядинский В.Ю., Ким Е.В., Денеко А.В., Еланцев Д.И. НИИ Экологии и рационального использования природных ресурсов ТюмГУ
- Шламовые амбары. Один из распространенных источников химического загрязнения территории нефтегазового комплекса. Это - ямы, заполненные водой, нефтью, буровыми растворами, глиной, цементом, горной породой.
Содержащиеся в шламовых амбарах растворы относят к IV классу токсичности. Их воздействие на природную среду происходит в результате фильтрации и распространения с грунтовыми водами или с поверхностным стоком из-за разрушения обваловки амбаров. Считается, что воздействие на природную среду шламовых растворов сходно с воздействием разливов нефти и минерализованных вод. Для снижения опасности шламовых амбаров их рекультивируют, засыпая грунтом.
Приложение
Результаты испытаний технологии детоксикации БСВ и БШ и их утилизации на скважине №1 - Девонская, Астраханской области.
Отходами бурения являются буровая сточная вода (БСВ) и буровой шлам (БШ). Решающим фактором, определяющим загрязняющее действие БСВ и БШ, а также возможность нейтрализации вредного воздействия на объекты природной среды являются их состав и физико-химические свойства. По агрегатному состоянию указанные отходы могут быть систематизированы как жидкие (текучие), полужидкие (пастообразные) и твердые. При этом основным признаком отнесения к тому или иному виду в данной систематизации является содержание твердой и жидкой фазы.
Так же как и БСВ, буровые шламы подлежат обезвреживанию и утилизации. Для подтверждения возможности использования БШ в качестве компонента гуминоминерального мелиоранта проведен модельный опыт с использованием бурового шлама со скважины Девонская №1 (Астраханская область).
Модельный (лабораторный) опыт проведен с учетом конкретных условий для определения оптимальной дозы внесения мелиоранта, приготовленного из ГМК и БШ, взятых в отношении 1:20 и 1:10. Были использованы две дозы: 150 т/га (доза 1) и 300 т/га (доза 2) по сухому веществу. В данном случае модельный опыт является двухфакторным: изучаются два вида мелиоранта, отличающиеся количеством ГМК в его составе.
В качестве тестовой культуры использовался ячмень (сорт «Дина»).
ТаблицаВсхожесть семян ячменя (усредненные данные)
Варианты
Всхожесть семян (%)
1
Контроль
100.0
2
Почва +ГММ (доза 1)
92.3
3
Почва +ГММ (доза 2)
15.4
Применительно к условиям скважины Девонская №1 (Астраханская область) оптимальный состав ГММ обеспечивается при смешивании ГМК и бурового шлама, взятых в отношении 1:10 (по сухому веществу). Оптимальная доза внесения ГММ составляет 150 т/га по сухому веществу. Внесение ГММ в этой дозе обеспечивает почти 100%-ую всхожесть семян и продуктивность растений на уровне контрольного варианта. Активность каталазы возрастает на 42%, увеличивается полная и наименьшая влагоемкость. Увеличению коэффициента структурности способствует как внесение шлама без обработки гуминоминеральным концентратом, так и обработанного 5 и 10% ГМК, причем структурообразующий эффект от внесения мелиорантов выше, чем от внесения одного бурового шлама. Применение мелиорантов на основе бурового шлама способствует увеличению водовместимости и общей влагоемкости почвы.
Полученные результаты показывают улучшение водно-воздушных характеристик, что свидетельствует об улучшении физических свойств исследуемой почвы под воздействием вносимых ГММ. Буровой шлам, использованный для приготовления мелиорантов, имел рН, близкий к нейтральному. Поэтому при внесении его в почву не происходило негативного изменения реакции почвенного раствора, т.е. подщелачивания, а при использовании ГММ водной суспензии даже немного снижался.
Результаты проведения испытаний технологии детоксикации ОБР и их утилизации на скважине Южно-Линевская №1, Оренбургская область.
3
Объекты испытаний. Для приготовления мелиоранта использовался отработанный буровой раствор (ОБР), имеющий следующие характеристики: рН 11,1, содержание сухого вещества 54,2%, удельный вес 1,7 г/см, зольность 84,2%.
Почва на территории скважины обладает следующими свойствами: рН водной суспензии 7,3 (слабощелочная), содержание легкорастворимых солей 0,2% и представлена рыхлым песком.
Микрополевой опыт. Полученные ранее в условия вегетационного опыта данные показывают, что наибольший положительный эффект наблюдается при использовании мелиоранта, получаемого смешиванием одной части ГМК и 1,85-2,5 частей ОБР (все компоненты в пересчете на сухое вещество) или ОБР:ГМК=1:1 по объему при содержании сухого вещества в ОБР 25-32% и 15% сухого вещества в ГМК. Доза внесения мелиоранта по сухому веществу составляет 13,6-16,8 т/га или 72,0-73,5 т/га при влажности около 80%.
При определении дозы внесения мелиоранта следует учитывать местные почвенные условия. Рекомендуемая в технических условиях доза внесения мелиоранта определена для незасоленной супесчаной почвы, имеющей слабокислую реакцию. Почва, на которой был заложен микрополевой опыт, обладает крайне неблагоприятными свойствами: рН водной суспензии 7,3 (слабощелочная), содержание легкорастворимых солей 0,2%, рыхлый песок.
Модельный опыт. С учетом конкретных условий проведен модельный (лабораторный) опыт для определения оптимальной дозы внесения мелиоранта, приготовленного из ГМК и ОБР, взятых в отношении 1:1,9 (по сухому веществу). Были использованы две дозы: 10 т/га и 13 т/га по сухому веществу или соответственно 50 и 65 т/га при влажности мелиоранта около 80%.
В качестве тестовой культуры выбран ячмень сорт «Дина». В сосуды помещалась почва массой 300 г (в пересчете на абсолютно сухую почву), предварительно смешанная с мелиорантом или ОБР, согласно схеме опыта (повторность 4-кратная), и высевались семена по 7 шт. на сосуд.
Схема опыта:
1. Почва (контроль без внесения);
2. Почва +ОБР в количестве, соответствующем количеству ОБР в составе мелиоранта при дозе внесения 50 т/га (доза 1);
3. Почва + мелиорант, доза внесения 50 т/га (доза 1);
4. Почва +ОБР в количестве, соответствующем количеству ОБР в составе мелиоранта при дозе 65 т/га (доза 2);
5. Почва + мелиорант, доза внесения 65 т/га (доза 2).
Влияние ГММ на развитие и продуктивность растений.
В условиях модельного опыта были оценены такие показатели, как всхожесть семян ячменя (таблица 1), биометрические параметры, продуктивность растений (по нарастанию биомассы). Продолжительность модельного опыта составила 3 недели: до появления второго листа. По истечении данного времени были проведены биометрические исследования (определена средняя высота растений), а также произведен учет сухой надземной биомассы.
Таблица 1.Всхожесть семян ячменя (усредненные данные).
Варианты
Всхожесть, кол-во семян
% к контролю
1. Контроль
5,5
100,0
2. Почва +ОБР (доза 1)
5,5
100,0
3. Почва +ГММ (доза 1)
5,5
100,0
4. Почва +ОБР (доза 2)
0.5
9,1
5. Почва +ГММ (доза 2)
5,0
90,9
Результаты определения всхожести семян ячменя указывают на изменение данного показателя при увеличении дозы внесения ОБР, что свидетельствует о значительной токсичности использованного ОБР: при увеличении дозы внесения ОБР на 30% всхожесть снижается в 11 раз. При дозе 1 и в составе мелиоранта ОБР при обеих дозах практически не оказывает токсического влияния на всхожесть - отмечается незначительное снижение показателя по сравнению с контролем на варианте с мелиорантом при дозе 2 (9%).
Изменения в развитии растений под воздействием мелиоранта оценены по биометрическим показателям. Средняя высота растений по вариантам показана в таблице 2.
Таблица 2.Средняя высота растений ячменя.
Варианты
Высота растений, см
% к контролю
1. Контроль
7,0
100,0
2. Почва +ОБР (доза 1)
5.7
81,4
3. Почва +ГММ (доза 1)
5,8
82,8
4. Почва +ОБР (доза 2)
2,5
35,7
5. Почва +ГММ (доза 2)
5,9
84,3
Внесение в разных дозах мелиоранта и ОБР снижает среднюю высоту растений по сравнению с контролем, что свидетельствует о торможении роста растений под действием ОБР, как без обработки ГМК, так и в составе мелиоранта. Особенно сильно снижается высота растений на варианте с ОБР при дозе 2.
Анализируя данные биометрических исследований, можно отметить, что при повышении дозы разница между вариантом с использованием мелиоранта и вариантом с ОБР в соответствующей дозе значительно увеличивается, следовательно, положительный эффект от детоксикации ОБР гуминоминеральным концентратом повышается с увеличением токсической нагрузки на почву и растения.
Снижение средней высоты растений на вариантах с использованием обеих доз мелиоранта в пределах 20% по сравнению с контролем примерно соответствует наименьшей существенной разнице, что свидетельствует об отсутствии отрицательного эффекта от действия мелиоранта и может объясняться плохими агрохимическими и агрофизическими свойствами исходной почвы, изменение которых под действием мелиоранта происходит не моментально, а требует определенного времени. В данном модельном опыте не предусмотрено время выдержки почвы после внесения мелиоранта перед посевом семян, необходимое для протекания биологических и биохимических процессов, поэтому растения испытывают некоторый стресс на начальном этапе своего развития.
В целом действие обеих доз мелиоранта по результатам биометрии можно оценить как положительное, что также подтверждается данными по продуктивности растений, которые являются основным агрохимическим показателем действия испытуемых препаратов и доз на растения.
Для оценки продуктивности ячменя в условиях модельного опыта произведен учет сухой биомассы растений (таблица 3).
Таблица 3.Учет сухой биомассы ячменя.
Варианты
Средняя биомасса ячменя, г/сосуд
% к контролю
1. Контроль
0,10
100,0
2. Почва +ОБР (доза 1)
0,09
90,0
3. Почва +ГММ (доза 1)
0,12
120,0
4. Почва +ОБР (доза 2)
0,02
20,0
5. Почва +ГММ (доза 2)
0,07
70,0
Полученные результаты по учету сухой биомассы наглядно показывают положительное влияние мелиоранта на продуктивность растений по сравнению с вариантами с использованием только ОБР. Увеличение продуктивности ячменя на варианте с использованием мелиоранта при дозе 1 является достоверным и положительным не только относительно варианта с использованием ОБР в соответствующей дозе, но и по сравнению с контролем.
Сопоставляя данные по биомассе с данными по всхожести и биометрии, можно сказать, что если растения на вариантах с использованием мелиоранта в дозе 1 и испытывали незначительный стресс на начальном этапе своего развития, то по прошествии времени не только опередили в развитии растения контрольного варианта, но и показали большую продуктивность.
Использование мелиоранта (доза 2) способствовало значительному снижению токсичности входящего в его состав ОБР, но, несмотря на это, продуктивность растений на данном варианте оказалась ниже, чем на контроле, на 30%. Это можно объяснить низкой буферностью исходной почвы: при незначительном увеличении дозы вносимых препаратов происходит резкое нарастание токсичности. В данном случае при имеющихся конкретных почвенных условиях дозу 2 следует считать завышенной, так как почва, обладая негативными биохимическими и агрофизическими свойствами, не может противостоять токсической нагрузке и теряет способность самовосстанавливаться, несмотря на использование в качестве компонента мелиоранта гуминовых кислот.
Влияние ГММ на ферментативную (каталазную) активность почвы.
По истечении срока проведения эксперимента с растениями в почве каждого варианта проведено определение ферментативной (каталазной) активности почв. Полученные данные представлены в таблице 4.
Таблица 4.Активность каталазы (в мл. 0,1 М КМп04 на 1 г. почвы за 20 минут).
Варианты
Активность каталазы
% к контролю
1. Контроль
0,50
100,0
2. Почва +ОБР (доза 1)
0,60
120,0
3. Почва +ГММ (доза 1)
0,60
120,0
4. Почва +ОБР (доза 2)
0,55
110,0
5. Почва +ГММ (доза 2)
0,65
130,0
Результаты определения каталазной активности выявили увеличение этого показателя на всех обработанных вариантах по сравнению с контролем. Анализируя данные по ферментативной активности, представленные в таблице 4, можно сказать, что внесение ОБР и ГММ не нарушает протекания биологических почвенных процессов. В варианте с внесением ГММ по сравнению с контрольным активность каталазы выше на 20% и 30% по обеим дозам, что является существенным. Такое увеличение активности фермента относительно контрольного варианта можно объяснить внесением органического вещества и глинистых минералов, которые являются носителями адсорбированных ферментов, в то время как исходная почва крайне бедна органическим веществом и тонкодисперсной фракцией и не может обеспечить условия для нормальной деятельности микрофлоры и сохранения ферментного пула.
Изменение физико-химических свойств почвы под воздействием ГММ.
Внесением гуминоминерального концентрата достигается увеличение коэффициента структурности и значительное снижение содержания пылеватой фракции, как показателей, отражающих наличие агрономически ценной структуры (таблица 5) (макроагрегаты размером больше 10 мм отсутствовали).
Таблица 5Структурный состав грунта (сухое фракционирование)
Вариант
Размер агрегатов, мм
Коэффициент Структурности К
Мезоагрегаты
Микроагрегаты
10-7
7-5
5-3
3-1
1-0.5
0,5-0.25
0,25
1. Контроль
7,5
4.5
5,5
13,0
6,5
28,0
35,0
1,86
2. Почва +ОБР (доза 1)
22,0
7,0
6.0
6,0
8.0
27,0
24,0
3,17
3. Почва +ГММ (доза 1)
14,0
14,0
10,0
14,5
7,0
24,5
16,0
5,25
4. Почва +ОБР (доза 2)
22,0
15,0
7,5
8.0
4.0
24.0
19,5
4,13
5. Почва +ГММ (доза 2)
13,0
13,0
10.0
16.5
5,0
27,0
15,5
5,45
Очевидно, что коэффициент структурности грунта возрастает с ростом дозы вносимых препаратов, причем большее увеличение показателя отмечается при внесении мелиоранта по сравнению с вариантами с использованием ОБР. Органическое вещество и глинистые минералы, входящие в состав мелиоранта, обеспечивают структурирование фракции <0,25 мм: в контрольном варианте эта фракция составляет 35%, а при внесении мелиоранта в обеих дозах соответствует 15,5-16,0%, т.е. содержание микроагрегатов, не представляющих агрономической ценности, снижается более чем в 2 раза.
Одновременно с улучшением структуры оптимизируются и другие показатели физического и химического состояния почвы: изменение по вариантам полной и наименьшей влагоемкости в %, а также значения рН представлены в таблице 6.
Таблица 6.
Изменение физико-химических свойств почвы под влиянием вносимого гуминоминерального мелиоранта. Варианты
Полная влагоемкость
Наименьшая влагоемкость
рН
1. Контроль
23,43
22,13
7,4
2. Почва +ОБР (доза 1)
26,36
24,61
7,5
3. Почва +ГММ (доза 1)
26,19
24.34
7,3
4. Почва +ОБР (доза 2)
26,29
24,01
8,0
5. Почва +ГММ (доза 2)
27,42
26,36
7,7
Полученные результаты отражают тенденцию к увеличению этих важных показателей водно-воздушного режима, что свидетельствует об улучшении физических свойств исследуемой почвы под воздействием вносимого ГММ.
Кислотно-основные свойства почвы под действием вносимых препаратов меняются незначительно.