СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ
METHOD FOR PROCESSING DRILLING WASTES

Изобретение относится к безамбарной технологии утилизации отходов бурения и может быть использовано в переработке отходов бурения нефтегазовых скважин, полученных при бурении с горизонтов, не содержащих нефть, с получением экологически чистого искусственного камня, который может быть использован в процессе эксплуатации нефтяного месторождения.
При бурении нефтяных скважин, образуются отходы, содержащие буровой шлам, отработанный буровой раствор, буровые сточные воды, которые сбрасываются в специальные шламовые амбары. В процессе эксплуатации скважин амбары с отходами бурения заполняются отработанными буровыми и тампонажными растворами, буровыми сточными водами и шламом, пластовыми водами, продуктами испытания скважин, материалами для приготовления и химической обработки буровых и тампонажных растворов, ГСМ, хозяйственно-бытовыми сточными водами и твердыми бытовыми отходами, ливневыми сточными водами. Так образуются производственно-технологические отходы бурения. Амбары с производственно-технологическими отходами бурения занимают большие площади, а их содержимое является постоянным источником загрязнения окружающей среды. По мере заполнения амбаров в них добавляют природный песок и цемент, смесь перемешивают и выгружают на специальную площадку для последующего отвердевания, хранения и/или утилизации. Состав производственно-технологических отходов бурения не позволяет получать из них полезные продукты, поэтому разрабатываются так называемые безамбарные способы, предназначенные для переработки отходов собственно бурения, содержащих буровой шлам, отработанный буровой раствор, буровые сточные воды.
Известные способы переработки отходов бурения условно подразделяются на термические, химические, биологические, физические и физико-химические. Применяются также комбинации из этих методов. Например, известен термический способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала в виде гравия, щебня, керамзита, песка (RU 2389564, публ. 20.05.2010 г.) [1].
Буровой шлам из амбара подают в сушильный барабан, где подсушивают до формовочной влажности 28-32%, при этом удаляют избыточную влагу и обезвреживают от патогенных микроорганизмов и микроспор. Полученную массу формуют, для чего направляют на дырчатые вальцы или шнековый пресс, где из нее прессуют с хорошим уплотнением сырцовые гранулы размером 12-14 мм однородного гранулометрического состава. Гранулы этого полупродукта подают в короткий барабан обкатки и подсушки, где отходящими газами из печи обжига подсушивают до остаточной влажности 10-15%. В результате прочность гранул возрастает до 1,1 МПа, влажность снижается до 12%. С помощью элеватора упрочненные полуфабрикат-гранулы направляют во вращающуюся печь, где проводят их высокотемпературную термообработку в режиме скоростного обжига при температуре 950-1200°С.
3
Данным способом можно утилизировать буровые шламы непосредственно на площадке буровой установки, однако применение высокотемпературной термообработки в режиме скоростного обжига при температуре 950-1200°С потребует больших энергетических затрат, а необходимость в оборудовании для такой термообработки не позволит создать мобильную, перемещаемую от скважины к скважине установку для реализации этого способа. Что касается формообразования конечного продукта и его прочностных характеристик, то данный способ проиллюстрирован примером получения гравия плотностью 900-1200 г/см, фракции 5-10 и 10-20 мм (преимущественно) и песка фракцией менее 5 мм; прочностью 4,5-5,0 МПа. Таким образом, данным способом получают рыхлый, сыпучий, непрочный материал.
Известен химико-термический способ утилизации отходов (RU 2425815, публ. 10.08.2011 г.) [2]. Согласно этому способу буровой шлам, отработанный технологический раствор и сточные буровые воды смешивают с минеральными добавками - суглинком и/или песком или песчано-глинистой фракцией до получения однородной массы. Эту массу наносят на стенки газофакельной установки и подвергают термическому обжигу, то есть спекают посредством сжигания газа. В результате спекания происходит формирование прочностной структуры с получением готового инертного и прочного строительного материала в виде керамики, которая представляет собой обожженную спекшуюся однородную массу. Формообразования данный способ не содержит, полученную в газофакельной установке керамику скалывают с ее стенок, сколотые куски вывозят к местам сооружения кустовых площадок скважин и строительства внутрипромысловых дорог. Способ характеризуется большими затратами энергии на сжигание газа и выбросами в атмосферу продуктов его сгорания, также как и вышеописанный термический способ требует оборудования для термообработки, затрудняющего создать передвижную, т.е. перемещаемую от скважины к скважине установку для реализации этого способа. Кроме того, данным способом получают материал неопределенной формы в виде кусков, что повышает его пустотность и снижает прочность.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ обезвреживания отходов бурения (RU 2519861, публ. 20.06.2014) [3], который может быть реализован в передвижной установке. Согласно этому способу обезвреживают слабоминерализованные отходы бурения, в состав которых входит буровой шлам, отработанный буровой раствор, сточные воды и осадок буровых сточных вод. Из шламового амбара отходы загружают в двухвальный смеситель и в течение 2-3 минут подвергают механическому перемешиванию с консолидирующим составом в количестве 20% по массе, состоящим из вяжущего портландцемента марки 500 и сорбента - тонкодисперсной активной добавки - опоки с размером частиц 0,25-0,001 мм, взятых 40-60% к массе отходов бурения.
В количественном эквиваленте расход консолидирующего состава составляет примерно 200 кг (цемента - 80 кг, сорбента - 120 кг) на 1 т отходов бурения. При перемешивании сорбент очищает отходы бурения от химических токсикантов. Затем в смеситель добавляют раствор активатора твердения, в качестве которого используют стекло натриевое жидкое в количестве 10-20% от сухого отверждаемого материала (100-200 кг на 1 т отходов бурения) и тщательно перемешивают в течение 5-7 минут. В источнике [3] указано, что готовую отвержденную смесь выгружают для дальнейшего использования. Однако за такое время смесь не может затвердеть, поэтому можно предположить, что не затвердевшую смесь укладывают и возможно уплотняют уже в процессе применения, а благодаря наличию цемента и жидкого стекла она твердеет и набирает прочность, превращаясь в прочное основание. Предел прочности материала на сжатие при температуре 20±2°С и влажности 60% составляет не менее 4,0 МПа, в водонасыщенном состоянии - не менее 3,0 МПа. Таким образом, согласно способу, описанному в источнике [3], получают также сыпучий рыхлый материал.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа переработки шламовых отходов в готовый прочный сыпучий формованный строительный материал, при этом способ может быть реализован в передвижной установке.
Для решения этой задачи предложен способ, включающий введение в отходы цемента и сорбента, отверждение полупродукта с получением готового строительного материала, при этом отходы смешивают с 10-20% природного песка и 0,6-1,0% сорбента «Унисорб-Био» от массы перерабатываемых отходов, полученную смесь обезвоживают фильтрацией до влажности не более 30%, добавляют портландцемент тампонажный ПЦТ 1-50 в количестве 20-30% от массы обезвоженной смеси, а также ускоритель твердения в количестве 0,8-1,0% от массы портландцемента, полученную массу брикетируют при давлении прессования от 30 до 50 МПа, полученные брикеты отверждают до требуемой прочности готового строительного материала.
В частном случае исполнения способа брикеты отверждают в закрытом от доступа осадков помещении в течение 12 часов.
Сущность заявленного способа заключается в следующем. Отходы бурения характеризуются высокой влажностью. Минеральный состав этих отходов крайне неблагоприятный для физического обезвоживания, так как около 60% твердой фазы шлама представлено глинистыми минералами, которые в большинстве своем гигроскопичны и способны не только удерживать большое количество влаги, но и активно ее поглощать. Для обезвоживания отходов в заявленном способе используют фильтрацию, которая, в отличие от других способов обезвоживания, таких, например, как центрифугирование, флотация, термическая обработка и др. технологически легко осуществима, в том числе на передвижных установках.
Для улучшения фильтруемости отходы бурения смешивают с природным песком, количество которого составляет 10-20% от массы перерабатываемых шламовых отходов и сорбентом «Унисорб-Био» в количестве 0,6-1,0% от массы этих отходов. Введение песка менее 10% ухудшает фильтруемость отходов бурения, а при количестве песка более 20% их обезвоживание не улучшается. Сорбент «Унисорб-Био», известный в качестве средства для сбора нефти с поверхности, в количестве 0,6-1,0% от массы перерабатываемых отходов снижает вымываемость водорастворимых соединений из получаемого искусственного строительного камня, одновременно предотвращая выделение из искусственного камня веществ (токсикантов), вредных для окружающей природы. Введение сорбента в количестве менее 0,6% от массы отходов не обеспечивает полного связывания токсикантов искусственным камнем, а при количестве сорбента более 1,0% от массы отходов наблюдается его перерасход, снижение прочности искусственного камня и удорожание стоимости переработки отходов бурения. Обезвоживание смеси отходов бурения с песком и сорбентом до влажности не более 30% обусловлено тем, что при последующем брикетировании ее с добавкой портландцемента и ускорителя твердения наблюдается значительное водоотделение, которое способствует замазыванию формующих ячеек брикетировочного пресса и снижению его производительности.
Добавка к обезвоженной смеси отходов бурения с песком и сорбентом портландцемента тампонажного ПЦТ 1-50 в количестве от 20 до 30% от массы обезвоженной смеси, а также ускорителя твердения в количестве 0,8-1,0% от массы портландцемента, позволяет получить сыпучий материал, пригодный для брикетирования. Использование указанного портландцемента в количестве менее 20% от массы обезвоженной смеси приведет к заметному снижению прочности искусственного камня, а в количестве, большем 30%, - к перерасходу вяжущего и увеличению стоимости переработки отходов бурения. Введение в обезвоженную смесь ускорителя твердения в количестве менее 0,8% от массы портландцемента не обеспечивает существенного прироста прочности на сжатие искусственного камня в ранние сроки твердения, а при количестве более 1% эффективность воздействия добавки ускорителя твердения снижается, т.е. прирост прочности искусственного камня замедляется.
Давление прессования от 30 до 50 МПа, которое используют при брикетировании смеси на основе отходов бурения, обусловлено тем, что при давлении менее 30 МПа полученные брикеты характеризуются низкой прочностью, а при давлении более 50 МПа прочность полученных брикетов существенно не повышается. Кроме того, при высоком давлении прессования наблюдается водоотделение из смеси, что ухудшает процесс брикетирования. Полученные из пресса брикеты представляют собой полупродукт, который во влажных условиях может рассыпаться. Поэтому брикеты отверждают до требуемой прочности готового строительного материала. В частном случае исполнения способа брикеты отверждают в закрытом от доступа осадков помещении в течение 12 часов и получают искусственный строительный камень, структура которого пригодна для транспортировки и хранения. Через месяц прочность брикетов может составлять более 5,0 МПа. Таким образом, новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении из отходов бурения готового прочного сыпучего формованного строительного материала.
При экспериментальной проверке заявленного способа учитывали, что при бурении скважин образуются буровой шлам, отработанный буровой раствор, буровые сточные воды. При подготовке отходов бурения к утилизации производится их отстаивание в шламовом амбаре в течение 20-30 дней. За этот период происходят основные процессы седиментации и разделение объема отходов на жидкую (водную) фазу и гелеобразный осадок. При наличии на поверхности водной фазы нефтеводяной эмульсии ее удаляют с помощью нефтесборщиков. Учитывалось также, что переработка отходов будет осуществляться непосредственно в шламовых амбарах, расположенных на территории кустовых площадок, где проводятся мероприятия по предотвращению загрязнения отходов бурения нефтью и нефтепродуктами. Загрязнение отходов бурения нефтью в процессе строительства скважины сведено к минимуму. В процессе освоения скважины сброс скважинной жидкости в шламовые амбары и временные шламонакопители запрещается. В случае если нефть и нефтепродукты все-таки попали в шламовый амбар, из-за ее низкой плотности они скапливаются на поверхности буровых сточных вод в виде пленки. С целью ликвидации загрязнения на поверхности воды и нефтяной пленки распыляют сорбент «Унисорб-Био», который насыщается нефтью и удаляется с водной поверхности амбара. Вышеописанный процесс является подготовкой отходов к переработке в полезный продукт.
Перерабатываемые заявленным способом отходы бурения представляют собой водную пульпу, твердая часть которой состоит из продуктов разрушения горных пород забоя и стенок скважины, продуктов истирания бурового снаряда и обсадных труб, глинистых минералов (при промывке глинистым раствором). Химико-минералогический состав твердой фазы отходов в рамках месторождения нефти имеет постоянную стабильность.
3
Отходы бурения, отобранные из шламового амбара для переработки, представляют собой водную пульпу плотностью до 1,45 г/см и содержанием твердой фазы до 50%. Твердая фаза отходов бурения представлена в основном, до 80%, аргиллитом, алевролитом и песчаником. Кроме того, в состав отходов входят глины, кварцевый песок и другие вещества.
2
2
3
2
3
3
2
2
3
Гранулометрический состав твердой фазы отходов бурения представлен в основном частицами менее 80 мкм (более 70%) и максимальным размером зерен до 5 мм. Твердая фаза отходов бурения имеет потери массы при прокаливании 7,05%, а после прокаливания следующий химический состав, %: 61,17 SiO, 18,76 AlO, 8,06 FeO, 1,33 СаО, 2,12 MgO, 1,15 SO, 2,70 KO, 2,20 NaO, т.е. она имеет алюмосиликатный состав. В качестве примесей в отходах присутствуют оксиды титана, марганца, фосфора, иода, селена, бария, висмута и др. Объем отходов, образующихся при бурении одной скважины, составляет порядка 300-350 м.
Для получения из шламовых отходов искусственного строительного камня использовали следующие материалы и реагенты:
- песок природный со свойствами, удовлетворяющими требованиям ГОСТ 8736-93;
- сорбент «Унисор-Био» производства ООО «НПФ «Экосорб» по ТУ 2254-001-95690898-2010;
- портландцемент тампонажный бездобавочный ПЦТ 1-50 по ГОСТ 1581-96.
2
3
В качестве ускорителя твердения использовали соду техническую кальцинированную марки Б (NaCO) по ГОСТ 5100-85. При использовании способа в зимнее время в качестве ускорителя твердения можно использовать известный для этих целей хлорид кальция, который является также противоморозной добавкой.
Пример осуществления заявленного способа. Отходы бурения из шламового амбара загружают в приемный бункер, из которого насосом подают в бак с мешалкой объемом. В этот бак через дозатор загружают 20% песка и 0,75% сорбента «Унисорб-Био» от массы отходов бурения и перемешивают до получения однородной смеси. Из бака смесь отходов бурения, песка и сорбента насосом подают на фильтр-пресс, где фильтруют, удаляя из смеси большую часть воды.
В результате обработки давлением на фильтр-прессе твердая фаза шлама задерживается на внутренней поверхности перегородки камеры фильтра, образуя слой осадка. Оставшаяся свободная жидкость отсасывается и отводится из фильтра. Продолжительность цикла обезвоживания смеси отходов бурения с природным песком и сорбентом составляет 30 минут. Частично обезвоженный кек с влажностью 25%> загружают в смеситель, в который подают 25% портландцемента ПЦТ 1-50 от массы обезвоженного кека и 1% кальцинированной соды от массы портланцемента, где они перемешиваются в течение не менее 10 минут с получением однородной полусухой массы. Полученную смесь дозированно подают на пресс брикетировочный валковый, где под давлением прессования 40 МПа формируют брикеты будущего искусственного камня размером 41,5×34,5×20 мм. Спрессованные брикеты транспортируют на крытую специальную площадку для предварительного твердения в течение не менее 12 часов. Площадка имеет навес для предотвращения попадания дождевых осадков на искусственный камень. Затвердевшие брикеты транспортируют на открытый склад для хранения, где они приобретают требуемую прочность.
Искусственный камень, полученный из отходов бурения в виде пресс-щебня, имеет следующие характеристики:
3
- насыпная плотность - 950 кг/м;
- гранулометрический состав: размер кусков 40-70 мм в количестве не менее 80%, остальное - пропрессованные частицы размером менее 40 мм;
- предел прочности на сжатие искусственного камня в возрасте 28 суток водного хранения - не менее 5,0 МПа;
- морозостойкость - не менее F10;
- водопоглощение - не более 30% по массе.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать из отходов бурения готовый прочный сыпучий строительный формованный материал.