СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ
PROCEDURE FOR UTILISATION OF DRILLING WASTE

Изобретение относится к охране окружающей природной среды при строительстве нефтяных скважин на суше, в частности к способам обезвреживания отходов бурения.
Известен способ обезвреживания отработанного бурового раствора и шлама методом отверждения, включающий складирование в земляном шламовом амбаре отработанного бурового раствора, смешение с портландцементом и последующее захоронение (см. Шишов В.А., Шеметов В.Ю. Об отверждении буровых растворов и шлама портландцементом. - Труды ВНИИКРнефть. - Техника и технологии промывки и крепления скважин. Краснодар. - 1982. - С.28-35).
К недостаткам известного способа относится использование в качестве консолидирующего материала портландцемента - дорогостоящего строительного материала.
Метод реагентного капсулирования является близким способом того же назначения по способу получения реагента. Метод реагентного капсулирования основан на способности оксида кальция образовывать в результате химических реакций капсулы с загрязненными материалами, изолирующие токсичные компоненты от окружающей среды (см. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук Логуновой Ю.В. «Совершенствование технологии и оборудования для обезвреживания нефтезагрязненных материалов методом реагентного капсулирования», 2009 г.). Данный способ включает приготовление гидрофобного реагента и смешение его с загрязненным материалом.
Гидрофобный реагент поглощает на первом этапе гидрофобную органическую фазу и после этого реагирует с присутствующей водой, образуя порошкообразный материал. В процессе капсулирования образуется твердый диспергированный материал, обладающий ярко выраженными гидрофобными свойствами. Полученный материал пригоден для использования в строительстве резервуаров, в качестве их подушек.
В описании прототипа говорится об использовании в качестве гидрофобизатора реагента капсулирования битума нефтяного строительного марки БН 70/30. Недостатками способа являются низкая эффективность, высокие энергозатраты (нагревание битума свыше 200°С) и дороговизна из-за использования битума. Кроме того, в известном способе в последующем возможно разрушение оболочек из-за негативного воздействия факторов окружающей среды. Кроме того, данный метод не предусматривает утилизацию многотоннажного отхода бурения-нефтешлама.
Техническая задача заключается в повышении эффективности утилизации отходов бурения с одновременной экономией трудовых и материальных затрат, утилизации местных многотоннажных промышленных порошкообразных отходов других отраслей промышленности (в частности цементное производство), обладающих вредными пылеобразующими свойствами, перевода отходов производства из категории загрязнителей объектов природной среды в материал для ее защиты, с одновременной утилизацией нефтешлама при бурении нефтяных скважин.
Поставленная задача решается тем, что в способе утилизации отходов бурения методом реагентного капсулирования, включающем смешение консолидирующего материла, состоящего из реагента капсулирования на основе оксида кальция и гидрофобизатора, с отходами бурения, согласно изобретению дополнительно используют отход цементной промышленности в виде цементной пыли при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Реагент капсулирования
20-30
Цементная пыль
15-30
Отход бурения
Остальное
В состав реагента капсулирования входит оксид кальция СаО и нефтешлам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид кальция
70-80
Нефтешлам
20-30
Кроме того, для дополнительной защиты капсул от негативного воздействия факторов окружающей среды в консолидированный материал при постоянном перемешивании добавляют полимерную добавку в количестве 1-2 мас.%. В качестве полимерной добавки используют полимер водный всесезонный (ПВВ) по ТУ 2216-002-75821482-2006.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В цилиндрическом реакторе с мешалкой при нормальных условиях смешиваются негашеная известь СаО и нефтешлам до образования однородного гидрофобного порошка-реагента капсулирования. Полученный реагент капсулирования извлекается из реактора и загружается в амбар-накопитель, где смешивается с отходами бурения. При достижении однородной массы в полученную смесь реагента капсулирования и бурового отхода добавляется цементная пыль и полимерная добавка. После перемешивания всей массы образуется консолидированный материал, который извлекается из амбара и отгружается потребителю.
Для установления оптимального соотношения СаО и нефтешлама в реагенте капсулирования был поставлен следующий опыт. Негашеную известь СаО смешивали с нефтешламом (содержание нефти и нефтепродуктов не менее 15%) в количестве 50-60, 70-80, 80-90 мас.% до получения гидрофобизированного порошка. Как видно из таблицы 1, наиболее оптимальным для реагента капсулирования является следующее содержание СаО 70-80%. При этом образуется порошок светло-коричневого цвета. Данный образец позволяет провести реагентное капсулирование.
С целью проведения консолидации бурового отхода с помощью реагента капсулирования был проведен следующий опыт. Буровой отход смешивали с реагентом капсулирования при комнатной температуре в следующих количествах 40-60, 60-70, 70-80 мас.%.
Оценку эффективности предложенного консолидирующего состава проводили в лабораторных условиях на сертифицированном приборе Игла Вика (ИВ по ТУ 25-08255075 1978 г.) на кафедре бурения УГНТУ.
Сущность метода заключается в определении степени погружения иглы в консолидированный материал. Приготовленный образец помещают в кольцо, расположенное на полированной стальной пластинке-донышке и опускают иглу. Степень отверждения оценивается высотой слоя материала, непробиваемого иглой. Для жидких, аморфных и сыпучих материалов данная высота h=0 мм, то есть твердость материала отсутствует. При наборе твердости материала игла поднимается выше. Твердость материала измеряется в пределах от 0 до 40 мм. Максимальная твердость достигается при h=40 мм. Если игла останавливалась на расстояние выше 1 мм, то это говорит об эффективной консолидации бурового отхода, если менее 1 мм, то о низкой степени консолидации. Как видно из таблицы 2, оптимальным рецептом для получения отвержденного сыпучего материала является смешение реагента капсулирования с буровым отходом в количестве 40-60%, при этом образуется консолидированный порошкообразный реагент, но данный образец не обладает достаточной твердостью. Испытания на приборе Вика также показали h=0,5 мм.
Для увеличения эффективности отвердевания бурового отхода было предложено использовать цементную пыль. Для определения оптимального рецепта консолидированного материала был поставлен следующий опыт.
Реагент капсулирования смешивали с цементной пылью и отходами бурения. Цементную пыль добавляли в следующих количествах 0-15, 15-30, 30-40 мас.%. О степени консолидации судили по известной методике «Испытание иглой Вика». Как видно из таблицы 3, оптимальный консолидированный материал получается при содержании реагента капсулирования 20-30 мас.% и цементной пыли 15-30 мас.%. Испытание иглой Вика в данном случае показывает h=1,5 мм.
С целью определения рецепта консолидированного материала с дополнительной защитой от негативного воздействия факторов окружающей среды был поставлен следующий опыт. За основу консолидированного материала был принят образец на основе реагента капсулирования и цементной пыли, рассмотренный выше, со следующим содержанием компонентов мас.%:
Отход цементной промышленности в виде
Цементной пыли
15-30
Реагент капсулирования
20-30
Отходы бурения
Остальное
Полученный консолидированный отход обрабатывали полимерным материалом ПВВ (по ТУ 2216-002-75821482-2006) в количествах 0-1, 1-2, 2-5 мас.%.
Как видно из таблицы 4, оптимальным является содержание ПВВ 1-2 мас.%. В данном случае образуется дополнительная равномерная пленка на всей поверхности капсул. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.
Для изучения влияния негативных факторов окружающей среды, в частности кислотных дождей, на консолидированный материал был поставлен следующий опыт. В лабораторных условиях была приготовлена кислая среда на основе 0,1 н HCl. Далее в эту среду на 24 часа погрузили консолидированный материал и материал, обработанный ПВВ. Как видно из таблицы 5, консолидированный материал закисляется в среде 0,1 н HCl (рН снижается с 11 до 6,5), при этом снижается твердость материала от h=1,5 мм до h=1,0 мм.
Консолидированный материал, предварительно обработанный ПВВ, закисляется незначительно в среде 0,1 н HCl (рН снижается с 11 до 10), при этом твердость материала снижается от h=1,5 мм до h=1,4 мм. В результате проведения экспериментов (таблицы 1-5) определено наиболее эффективное соотношение выбранных компонентов, мас.%:
Отход цементной промышленности в виде
Цементной пыли
15-30
Реагент капсулирования
20-30
Полимерный материал ПВВ
1-2
Отходы бурения
Остальное
Таблица 1Состав и характеристика реагента капсулирования
Компонент
Состав, мас.%
Характеристика
Состав реагента капсулирования:
1. СаО
50-60
70-80
80-90
2. нефтешлам
>40
20-30
<10-20
При подготовке реагента выделяется значительное количество тепла, масса густеет при перемешивании и не образует порошка.
Оптимальное соотношение, образуется порошок светло-коричневого цвета. Данный образец позволяет провести реагентное капсулирование.
Данное соотношение, ввиду малого содержания нефтешлама не обеспечивает гидрофобизации реагента капсулирования.
Таблица 2Состав и характеристика консолидированного материала
Консолидирующий материал:
Состав, % масс.
1. Реагент капсулирования
Характеристика
<20
20-30
>30
2. Буровой отход
>80
40-60
<70
Процесса капсулирования не происходит из-за недостаточного количества реагента капсулирования. Испытание иглой Вика показывает h=0.
Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой. Испытание иглой Вика показывает h=0,5.
Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса. Испытание иглой Вика показывает h=0.
Таблица 3Состав и характеристика консолидированного материала при добавлении цементной пыли
Консолидирующий материал:
Состав, мас.%
1. Реагент капсулирования
Характеристика
<20
20-30
>30
2. Цементная пыль
0-15
15-30
30-40
Образуется гелеобразная масса, не позволяющая консолидировать отходы.
Оптимальное соотношение, так как происходит равномерное распределение по всему объему.
Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси.
3. Буровой отход
<40
40-60
>60
Нецелесообразное использование, увеличение себестоимости утилизации. Испытание иглой Вика показывает h=1 мм.
Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.
Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса. Испытание иглой Вика показывает h=1 мм.
Таблица 4Состав и характеристика консолидированного материала (при добавлении ПВВ)
Консолидирующий материал:
Состав, мас.%
1. Реагент капсулирования
Характеристика
<20
20-30
>30
Недостаточное количество реагента для отверждения.
Оптимальное соотношение, происходит отверждение массы бурового отхода, образуются капсулы.
Не происходит полного гашения извести, капсулирование проходит неравномерно по всему объему.
2. Цементная пыль
<15
15-30
>30
Образуется гелеобразная масса, не позволяющая консолидировать отходы.
Оптимальное соотношение, так как происходит равномерное распределение по всему объему.
Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси.
3. Буровой отход
<40
40-60
>60
Нецелесообразное использование, увеличение себестоимости утилизации.
Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой.
Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса.
4. Полимер водный всесезонный
0-1
1-2
2-5
Недостаточное количество для образования полимерной пленки.
Оптимальное соотношение, образуется дополнительная равномерная пленка на поверхности капсул.
Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси, существенно увеличивает себестоимость утилизации единицы бурового отхода.
Испытание иглой Вика показывает h=1 мм.
Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.
Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.
Таблица 5Характеристика консолидированного материала, обработанного HCl и ПВВ
Реагент
Значение рН
Испытание иглой Вика, мм
Начальное
Конечное
Начальное
Конечное
Консолидированный материал
11
11
1,5
1,5
Соляная кислота 0,1 н HCl
0,5
0,5
-
-
Консолидированный материал +0,1 н HCl
11
6,5
1,5
1,0
Консолидированный материал, обработанный ПВВ+0,1 н HCl
11
10
1,5
1,4