Способ изготовления литифицированного искусственного грунта
METHOD OF MANUFACTURING LITHITIONED ARTIFICIAL SOIL

Изобретение относится к утилизации отходов бурения и/или выбуренной породы с элементами бурового раствора, образующихся в ходе бурения разведочных, поисковых и/или эксплуатационных скважин и может быть использовано для изготовления строительного материала - грунта литифицированного искусственного (ГЛИ) - применяемого в качестве субстрата в ходе рекультивации загрязненных и нарушенных земель, а также в качестве инертного материала при ликвидации временных шламонакопителей, амбаров, технологических выемок, мест размещения отходов и пр.
Известен способ утилизации буровых отходов с получением искусственного грунта, включающий смешивание бурового шлама с техническим углеродом, с последующим смешиванием с негашеной известью и с последующим последовательным смешиванием с торфом, цементом и песком, при следующем соотношении компонентов, мас.%: буровой шлам - 40-60; углерод технический - 2-5; цемент - 10-15; песок - 10-15; торф - 15-20; негашеная известь - остальное (RU 2508170 С1, опубл. 27.02.2014).
Известен также способ изготовления искусственного грунта для рекультивации нарушенных земель, по которому буровой шлам разравнивают бульдозером и совместно с торфо-песчаной смесью прикатывают с частичным перемешиванием и затем осуществляют окончательное перемешивание, при этом используют следующие компоненты, об.%: буровой шлам - 50-65, песок или супесчаный грунт - 16-25, торф - 15-23, остальное - активные обезвреживающие и мелиорирующие добавки, в том числе гипс или фосфогипс в количестве 2-3 об.%, сорбент алюмосиликатный в количестве 0,3-0,5 об.% (RU 2399439 С1, опубл. 20.09.2010).
Полученные известными способами материалы представляют собой рассыпчатый мелкодисперсный материал, предназначенный для рекультивации почвы. Он не обеспечивает необходимую твердость при заполнении полостей технологических выемок.
3
Наиболее близким к предложенному является способ переработки буровых отходов с получением искусственного грунта, включающий размещение на кустовой площадке компонентов смеси и емкости для переработки, помещение в емкость бурового шлама, добавление к шламу компонентов и перемешивание смеси экскаватором. В качестве компонентов смеси используют буровой шлам влажностью 30-60% и плотностью от 1,3 до 1,8 кг/дм в количестве 38-58 мас.%, цемент в качестве основного вяжущего материала в количестве 5-15 мас.%, отход термической утилизации нефтешламов (золошлак) плотностью от 1,2 до 1,6 кг/дм в количестве 14,5-34% от массы смеси, минеральный наполнитель - песок в количестве 5-30 мас.% и сорбент-комплексообразователь в количестве 2-4% от массы смеси. Буровой шлам включает, например, выбуренную породу (55-75 мас.%) и отработанный буровой раствор (25-45 мас.%). В качестве улучшающих добавок используют, например: хлорид кальция, хлорид натрия, нитрит кальция (до 2% от массы смеси), которые ускоряют набор прочности материала и являются противоморозными добавками; жидкое стекло (силикат натрия) (до 1% от массы смеси), повышающее водонепроницаемость и водостойкость, если требуется усиленная гидроизоляция; известь негашеную, гипс строительный, связывающие воду и обезвреживающие отходы (RU 2551564 С2, опубл. 27.05.2015). Полученный грунт имеет прочность на сжатие 0,05-0,4 МПа. Однако эта прочность является недостаточной, так как не обеспечивает несущую способность и прочность получаемого грунтового массива на месте ликвидированной выемки (шламонакопителя) или обустроенного проезда. Зачастую технологические выемки, шламонакопители, промысловые дороги на месторождениях нефти и газа обустроены в песчаных насыпях, не обеспеченных дренажными и армирующими системами. Недостаточная прочность и дисперсность применяемого материала приводит к быстрому разрушению дорожных одежд, дорожных оснований, просадке площадок, обустроенных на месте ликвидированных выемок и шламонакопителей.
Согласно ГОСТ 23558 прочность обработанных материалов и укрепленных грунтов на сжатие должна составлять не менее 1 МПа.
Задачей изобретения является создание материала, обладающего необходимой прочностью для заполнения полостей технологических выемок и обустройства дорожных оснований.
Техническим результатом изобретения является обеспечение придания полученному продукту обломочно-зернистной структуры и крупнокусковой формы.
Технический результат достигается способом изготовления грунта литифицированного искусственного, заключающимся в перемешивании отходов бурения и/или выбуренной породы (ОБ), песка, цемента и растворимого силиката, в котором при перемешивании используют смесь цемента и растворимого силиката при следующем соотношении компонентов, % от исходного объема ОБ:
отходы бурения и/или выбуренная порода
с элементами бурового раствора
100
песок
10-90
цемент
3-30
силикат
2-15
Кроме того, при перемешивании дополнительно может быть введен компонент, связывающий жидкости (воду, растворенные и жидкие нефтепродукты) - сорбент и/или негашеная известь в количестве 1-10% от исходного объема ОБ.
При использовании одновременно сорбента и негашеной извести масса негашеной извести составляет 50% и более от суммарного объема сорбента и негашеной извести.
Кроме того, при перемешивании может быть дополнительно введен отвердитель - хлорид кальция (или хлорид натрия, или иной отвердитель) в количестве 1-10% от исходного объема ОБ.
Кроме того, при перемешивании могут дополнительно вводить щелочной агент - гидрокарбонат натрия в количестве 1-10 гидрокарбоната натрия в количестве 1-10% от исходного объема ОБ.
В одном варианте способа перемешивание осуществляют в полости шламонакопителя путем распределения части песка по поверхности ОБ, перемешивания их ковшом экскаватора, нанесения поверх полученной массы цемента с силикатом и оставшейся части песка и перемешивания их ковшом экскаватора.
Кроме того, после распределения части песка дополнительно могут распределять по его поверхности сорбент и/или негашеную известь.
Кроме того, после перемешивания полученной массы с цементом и силикатом могут вводить в массу водный раствор хлорида кальция, после чего перемешивают массу до полной гомогенизации.
Возможно, чтобы по окончании перемешивания на поверхность полученной массы наносили следующий слой ОБ и смешивали его с остальными компонентами в аналогичной последовательности, и затем повторяли послойное нанесение компонентов и их перемешивание до заполнения полости шламонакопителя.
В другом варианте способа перемешивание осуществляют с помощью смесительного оборудования путем последовательной загрузки в него части песка и ОБ, их перемешивания, последовательного добавления цемента, силиката и остального песка и их перемешивания.
Кроме того, после загрузки в смесительное оборудование части песка в него могут загружать сорбент и/или негашеную известь и перемешивать.
Кроме того, после перемешивания массы с цементом и силикатом возможно введение отвердителя - водного раствора хлорида кальция и перемешивание до полной гомогенизации.
Отсутствие торфа и применение растворимого силиката в повышенном количестве от 2 до 5 об. % от объема ОБ обеспечивают получение грунта с обломочно-зернистой структурой и повышенной прочностью на сжатие.
Основой для изготовления ГЛИ могут являться такие отходы бурения (ОБ), как буровой шлам, буровые сточные воды, отработанный буровой раствор, выбуренная порода с элементами бурового раствора в различных комбинациях или раздельно. Для изготовления грунта могут применяться отходы бурения как на водной (далее - отходы бурения на РВО), так и на углеводородной основе (далее - отходы бурения на РУО). В случае содержания в отходах бурения углеводородной составляющей более 15 % по массе, данные отходы предварительно обрабатываются в установках типа УЗГ-1М или аналогичных.
Предложенный способ предусматривает изготовление грунта как на территории мест накопления, хранения, размещения отходов производства и потребления, так и на технологических площадках, на которых выполняется бурения скважин. Процесс изготовления ГЛИ может осуществляться как в шламовых амбарах (других накопителях), так и «из-под станка».
Предложенный способ позволяет осуществлять вовлечение отходов бурения и/или выбуренной породы (ОБ) в процесс переработки (утилизации) и изготовления ГЛИ за счет:
- увеличения доли инертной минеральной части в объеме отходов бурения за счет внесения природных песчаных грунтов;
- преобразования отходов бурения и/или элементов бурового раствора из жидкого и пластичной агрегатного состояния в твердое обломочно-зернистое состояние, за счет чего происходит нормализация воздушно-водного обменного режима, характерного для минеральных грунтов;
- сорбции и удержания минеральных и органических загрязняющих веществ исходного сырья в сорбирующих элементах получаемого ГЛИ;
- вовлечения ГЛИ в хозяйственный оборот с исключением миграции остаточных загрязнителей в окружающую среду свыше допустимых пределов.
Способ предусматривает полезное использование (утилизацию) и/или обезвреживание отходов бурения и/или выбуренной породы с элементами бурового раствора, образующихся при бурении эксплуатационных, поисковых, разведочных скважин, а также при реконструкции скважин и строительстве вспомогательных скважин.
Отходы бурения (ОБ) представляют собой совокупность различных видов отходов, образующихся в ходе бурения скважин, в различных комбинациях:
- Буровой шлам (далее - БШ) - твердая фаза отходов бурения;
- Отработанный буровой раствор (далее - ОБР) - жидкая фаза отходов бурения, образующаяся при смене типа/вида бурового раствора в ходе операций по бурению;
- Буровые сточные воды (далее - БСВ) - жидкая фаза отходов бурения, образующаяся в результате использования воды в технологических нуждах.
В ходе буровых работ осуществляется ряд мероприятий по уменьшению объема образования отхода: очистка и восстановление бурового раствора, повторно-последовательное использование отстоя использованной воды и пр. Для целей изготовления ГЛИ и вовлечения полученного материала в рекультивационные работы используются ОБ, мероприятия по обработке (и/или уменьшению объема) которых становятся технологически невозможными и/или экономически неэффективными.
На выход из внешнего лотка буровой установки ОБ поступают общим потоком, характеристики которого дифференцируются по соотношению твердой и жидкой фазы. По поступлению в шламонакопитель или другую емкость данная смесь разделяется на две составляющих - относительно жидкую и твердую фазы. Вовлечение в производство ГЛИ возможно как фаз в смеси, так и по отдельности.
Вовлечение отходов бурения в хозяйственный оборот без специальной обработки практически исключается в связи с отсутствием у них выраженной структуры, насыщенности водой и отсутствием кислорода, необходимого для активации естественных процессов биоразложения токсикантов. В этой связи основными задачами при использовании отходов бурения в предложенном способе являются придание им устойчивой (например, обломочно-зернистой) структуры, обеспечение возможности кислородного и водного обмена в структуре получаемого продукта, обеспечение устойчивого удержания в структуре токсикантов в различных эксплуатационных режимах.
Для получения наиболее экологически безопасного материала, обладающего приемлемыми физико-химическими и технологическими свойствами неорганических грунтов необходимо:
- снизить содержание свободной воды;
- увеличить крупность частиц;
- придать материалу структуру, обеспечивающую водно-воздушный обмен;
- перевести тяжелые металлы в «неподвижную» форму;
- снизить концентрацию «свободных» нефтепродуктов до региональных нормативов.
Для приготовления материала ГЛИ используются:
3
Э
- отходы бурения и/или выбуренная порода с элементами бурового раствора со следующими характеристиками: плотность 0,8-2,2 кг/дм; влажность 30-90%; класс опасности отхода III-IV (в соответствии с «Критериями...», утвержденными Приказом МПР России №511 от 15.06.2001 г.); суммарная удельная эффективная активность естественных радионуклидов (Афф) не более 2800 Бк/кг;
- Песок (грунт) в соответствии с ГОСТ 25100-2011. Допустимо применение песков, добываемых как гидронамывным (ГОСТ-8736), так и сухоройным способом.
- Портландцемент по ГОСТ 30515 и/или шлакопортландцемент по ГОСТ 10178, и/или сульфатостойкий и пуццолановый цементы по ГОСТ 22266, и/или цементы для строительных растворов по ГОСТ 25328 марок не ниже 400.
- Известь молотая негашеная 2-3 сорта по ГОСТ 9179.
- Силикат натрия (калия, лития) растворимый по ГОСТ Р 50418-92 или ГОСТ 13079-93.
- Отвердитель, например, хлорид кальций по ГОСТ 450-77, или хлорид натрия.
- Гидрокарбонат натрия по ГОСТ 32802-2014 в качестве щелочного агента.
- В качестве сорбентов - цеолиты, глаукониты по ТУ 2164-001-30521475-2013 или другим нормативным документам, утвержденным в установленном порядке.
Соотношения компонентов в % от объема ОБ и значения прочности на сжатие образцов полученного предложенным способом грунта приведены в таблице 1.
От применяемых в отрасли составов, данный состав отличается применением силиката натрия в смеси с цементом в качестве вяжущего, а также предпочтительным применением отвердителя, позволяющего добиться характерной обломочно-зернистой структуры материала за короткий промежуток времени при устойчивых отрицательных температурах окружающей среды. Обломочно-зернистая структура материала позволяет на несколько порядков уменьшить поверхность смачивания, и, соответственно, снизить вероятность смыва токсикантов в окружающую среду.
Добавление песка приводит к снижению способности отходов бурения удерживать в структуре воду, увеличивает структурность и элементное разнообразие системы, обеспечивает основу для эффективной работы вяжущих компонентов материала.
Буровой шлам обладает неудовлетворительными физико-механическими свойствами с точки зрения пригодности для строительных и рекультивационных работ. Вводимые в шлам вяжущие компоненты (цемент и силикат) позволяют трансформировать его вязко-пластичное состояние в выраженное твердое структурное, обеспечивающее достаточную несущую способность и прочность получаемого грунтового массива.
В ходе протекающих при смешении отходов бурения с вяжущими компонентами процессов происходит переход подвижных форм тяжелых металлов в нерастворимые гидроксидные формы. Кроме того, при химической реакции силиката натрия (калия, лития) с базовыми оксидами металлов, алюминатами, цинкатами и плюмбатами образуются труднорастворимые силикаты.
Отверждение полученной системы осуществляется по способу Ронсона путем смешения композиции с отвердителем, например - хлоридом кальция. При введении в состав материала негашеной извести происходит «связывание» избыточной воды и перевод углеводородной фракции в нерастворимые формы. Добавление гидрокарбоната натрия позволяет увеличить щелочность среды (в случае если отходы бурения загрязнены кислыми компонентами), что способствует протеканию процесса ионного обмена и литификации.
Пример 1 - использование отходов (и/или выбуренной породы, загрязненной остатками бурового раствора на водной основе), расположенных в шламовом амбаре либо временном шламонакопителе в качестве сырья для изготовления ГЛИ с последующей засыпкой и/или рекультивацией шламового амбара этим материалом.
Шламовые амбары и временные шламонакопители представляют собой технологические выемки, обустраиваемые в теле площадки, на которой осуществляется строительство скважин (кустовой площадки), либо в открытом грунте с гидроизоляцией днища. Осуществляют предварительную подготовки самого амбара и находящегося в ней сырья (отходов, выбуренной породы).
В случае если размеры амбара не позволяют осуществить эффективное перемешивание имеющейся в наличии экскаваторной техникой всего объема сырья (отходов бурения, выбуренной породы) расположенного в данном амбаре, необходимо произвести отсыпку разрезающих полос с использованием грунта (песка). Учитывая, что плотность песка (грунта) существенно выше плотности отходов бурения, песок вытесняет отходы бурения и обеспечивает достаточную опору для прохода экскаваторной техники к удаленным частям амбара. При необходимости разрезающие полосы могут быть укреплены за счет настилания дорожных плит.
Обустройство разрезающих полос планируется таким образом, чтобы длина проекции на плоскость опущенной до проектного дна амбара стрелы экскаватора, установленного в любой точке периметра образованной разрезающими полосами и обвалованием карты, составляла более половины наиболее длинной стороны данной карты. В карте оставляют сырье (ОБ) слоем 0,5 м и осуществляют его перемешивание с ингредиентами ГЛ, взятыми в вышеуказанных объемах. Перемешивание производят экскаватором в следующей последовательности.
Выгружают в карту грунт (песок); выгрузку осуществляют экскаватором, объем песка берется в размере половины массы, предусмотренной для данного объема ОБ; равномерно распределяют песок по площади карты.
Затем осуществляют выгрузку в карту сорбента путем вывешивания мешка на ковше экскаватора, разрезания его днища и равномерного распределения сорбента по площади карты. В карту дополнительно выгружают негашеную известь по схеме, аналогичной схеме выгрузки сорбента.
Перемешивают слой ОБ с песком (грунтом), сорбентом и негашеной известью путем многократного (не менее пяти раз для каждой точки) зачерпывания ковшом экскаватора массы с дна амбара, подъема и выгрузки ее на поверхность перемешиваемого массива последовательно по всей площади карты.
Затем наносят на поверхность полученной массы сухую смесь вяжущих - цемента и силиката натрия (калия или лития) и оставшуюся массу песка (грунта). Ингредиенты выгружают по схеме, аналогичной схеме выгрузки сорбента. Перемешивание вяжущих с массой осуществляют аналогично перемешиванию песка и сорбента.
В ходе перемешивания наблюдается резкое повышение плотности и вязкости смеси, налипание смеси на стенки ковша. Для обеспечения качественного перемешивания ингредиентов ГЛИТ, а также инициализации процесса отверждения в массу вводят водный раствор хлорида кальция (или другого отвердителя). Объем жидкости определяют визуально, исходя из пластических характеристик перемешиваемой массы.
В случае загрязнения амбара или временного шламонакопителя реагентами, существенно меняющими водородный показатель отходов бурения (выбуренной породы) в сторону кислой реакции, в раствор хлорида кальция добавляют гидрокарбонат натрия.
Перемешивание продолжают до полной гомогенизации массы, не менее 5-кратного перемешивания массы в каждой точке по площади карты, но не дольше 3 часов.
По окончании перемешивания слоя на его поверхность наносят следующий слой отходов бурения (выбуренной породы) из рядом расположенных карт, и осуществляют его смешивание с ингредиентами ГЛИ в вышеизложенной последовательности.
Полость карты послойно заполняется сырьем из рядом расположенной карты с одновременным смешением его с ингредиентами ГЛИ. Таким образом, происходит последовательное заполнение полости карты ГЛИ.
При обустройстве дополнительных разрезающих полос, а также для целей приготовления ГЛИ в работу вовлекается грунт (песок) из разрезающих полос, использование которых больше не осуществляется.
По заполнении полости амбара (временного шламонакопителя) обеспечивают выдерживание ГЛИ в течение трех суток. По окончании этого срока производят отбор проб ГЛИ и направляют их в лабораторию для проведения анализов на предмет установления соответствия контролируемых параметров требованиям ТУ. По получении положительных результатов амбар (временный шламонакопитель) передают на техническую и/или биологическую рекультивацию. В рамках рекультивационных мероприятий ГЛИ расценивается как полный аналог грунта (песка) и применяется соответственно.
Пример 2 - использование отходов (и/или выбуренной породы, загрязненной остатками бурового раствора на углеводородной основе), расположенных в шламовом амбаре либо временном шламонакопителе в качестве сырья для изготовления ГЛИ с последующей засыпкой и/или рекультивацией шламового амбара этим материалом.
Данный вариант аналогичен примеру 1 (для амбарной технологии) или примеру 3 (для безамбарной технологии) в случае, если содержание углеводородов в отходах бурения (выбуренной породе) менее или равно 15% по массе и/или они имеют класс опасности для окружающей среды не хуже IV.
В случае, если содержание углеводородов в отходах бурения (выбуренной породе) превышает 15% и/или имеет III класс опасности, предварительно осуществляют обработку такого отхода термическим методом с использованием транспортабельного и/или мобильного оборудования.
Пример 3 - реализация способа при безамбарной технологии бурения скважин, в случае, если площадкой приготовления ГЛИ определена кустовая (скважинная) площадка.
Для реализации данного варианта на подготовительном этапе осуществляют обустройство временной технологической площадки (накопителя), предназначенной для складирования готового ГЛИ в период его отверждения. Временный накопитель представляет собой обвалованную площадку, оборудованную временными дренажами и сборным гидроизолированными приямком для собираемого с территории временного накопителя ливневого стока. В качестве временного накопителя могут применяться также любые серийно выпускаемые быстросборные емкости.
В данном варианте ГЛИ приготавливают с применением перемешивающего оборудования (серийно выпускаемых двухвалковых смесителей, бетоносмесителей различных типов и видов и пр.).
Отходы бурения выгружают после блоков очистки растворов буровых установок в специальную сменную емкость, оборудованную обвязкой и крепежными элементами, приспособленными для подъема и выгрузки емкости в приемный бункер смесительной установки. Объем емкости определяется исходя из особенностей смесительного оборудования с учетом объема применяемых материалов.
Смесительное оборудование устанавливают в непосредственной близости от места выгрузки отходов бурения из буровой установки или в ином месте, к которому возможен подвоз заполненных сменных емкостей.
1
2
В смеситель загружают песок (в объеме / от предусмотренного ППР объема для данной порции отходов бурения), сорбент и/или негашеная известь (если предусмотрено ППР). Смеситель запускают в работу и постепенно в него вводят порцию отходов бурения (выбуренной породы с элементами бурового раствора). Перемешивание осуществляют в течение получаса.
К полученной смеси последовательно добавляют цемент, силикат натрия (калия или лития) и оставшийся объем песка/грунта.
В ходе перемешивания наблюдается резкое повышение плотности и вязкости смеси, налипание смеси на стенки смесителя. Для обеспечения качественного перемешивания ингредиентов ГЛИ, а также инициализации процесса отверждения в массу вводят водный раствор хлорида кальция (или другого отвердителя). Объем жидкости определяют визуально, исходя из пластических характеристик перемешиваемой массы.
Перемешивание продолжают до полной гомогенизации массы, но не менее 15 минут, после чего массу выгружают на временную площадку (накопитель). Срок выдерживания каждой порции готового ГЛИ составляет 3 суток, после чего производится отбор пробы с каждой партии готового ГЛИ. В случае установления соответствия контролируемых параметров ГЛИ требованиям ТУ материал вывозят в места его использования, либо применяют на кустовой (скважинной) площадке для целей технической и/или биологической рекультивации.
Полученный предлагаемым способом ГЛИ представляет собой однородный по цвету и составу песчаный слабоуплотненный, песчаный среднеуплотненный, песчаный сильноуплотненный, дресвяной либо щебневый (в зависимости от направлений использования и способов изготовления) негорючий материал.
Физико-механические свойства ГЛИ принимаются как для материала, являющегося грунтом и соответствующего определениям ГОСТ 25100-2011.
Перечень контролируемых параметров, необходимый для всех случаев применения ГЛИ, и достаточный для рекультивации и/или ликвидации шламовых амбаров (временных шламонакопителей, технологических выемок и прочее) приведен в таблице 2. Из таблицы видно, что полученный ГЛИ соответствует…и имеет показатели прочности, необходимые для заполнения полостей технологических выемок.