СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ШЛАМОНАКОПИТЕЛЯ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ СКВАЖИН НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR CONSTRUCTING SLUDGE STORAGE PIT FOR WELL CUTTINGS AT OIL AND GAS DEPOSITS (VERSIONS)

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано при строительстве поисково-разведочных и эксплуатационных скважин для размещения буровых шламов на территории нефтегазовых месторождений, где формируют, складируют и длительное время хранят значительное количество отходов бурения.
Строительство нефтегазовых скважин на суше по амбарной технологии, предусматривающей сооружение временных буровых шламовых амбаров или шламонакопителей, неизбежно сопровождается образованием значительного объема отходов бурения, которые размещаются, как правило, в шламовых амбарах, сооруженных непосредственно на территории буровой площадки и предназначенных или для временного накопления сроком до 6 месяцев, и/или размещения на срок, превышающий 6 месяцев.
Ведение буровых работ является важнейшим аспектом развития процесса разработки участка месторождения природных углеводородов. С учетом экологической уязвимости природы, наличия территорий традиционного природопользования и особо охраняемых территорий, поиск путей оптимизации экологической безопасности работ, проводимых на нефтегазовых месторождениях, является важной задачей, решаемой с учетом охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
При строительстве скважин при ведении горных работ на поверхность из ствола скважины выносятся буровые отходы, состоящие из отработанного бурового раствора (ОБР), бурового шлама (БШ), буровых сточных вод (БСВ).
ОБР - это раствор, использованный в технологическом процессе и непригодный для бурения скважины в дальнейшем, а также буровой раствор и пластовый флюид, выброшенные при проявлениях скважины на дневную поверхность.
Буровой шлам (БШ) - смесь выбуренной породы с буровым раствором, причем эта смесь поступает в сборник отходов - шламонакопитель после предварительной очистки в циркуляционной системе очистного оборудования. Выбуренная порода, представляющая собой основную часть объема БШ, по своему минеральному составу нетоксична, но, диспергируясь в обработанном химическими реагентами буровом растворе, ее частицы адсорбируют на своей поверхности токсичные компоненты, которые в результате становятся опасными для окружающей среды.
БСВ нарабатываются в процессе бурения скважины, эксплуатации и ремонта оборудования и представляют собой буровой раствор, разбавленный технической водой и атмосферными осадками, попадающими в чашу шламонакопителя.
Фракционный состав твердой фазы отходов бурения варьируется от нескольких микрон (диспергированные частицы бентонитовой глины, утяжелители и т.п.) до 25 мм (выбуренная порода).
Для поддержания требуемых показателей бурового раствора осуществляют его разбавление. Ограниченные объемы резервуаров (емкостей), предназначенных для сбора жидких отходов бурения, вынуждают сбрасывать часть бурового раствора в шламонакопитель, в результате чего происходит загрязнение окружающей среды, включая почву, грунтовые и поверхностные воды, за счет проникновения жидких источников загрязнения через стенки и дно шламонакопителя, особенно при их повреждении. При попадании атмосферных осадков во время обратной засыпки отходов после их обезвреживания, повышается влажность отходов, возникает риск их выдавливания на поверхность и, как следствие, просачивания загрязняющих веществ в окружающую среду.
Загрязняющая способность отходов бурения обусловлена в том числе токсичностью химических реагентов, применяемых для обработки бурового раствора, который подается на забой скважины и выбуренную породу, находящуюся на поверхности. В результате промывки очистных устройств и разбавления остатков бурового раствора технической водой образуются буровые сточные воды, которые вместе с твердой фазой бурового шлама размещают в шламонакопителях. Жидкие отходы бурения и нефтедобычи являются источниками загрязнения окружающей среды.
Из уровня техники известен способ сооружения противофильтрационного резервуара для хранения отходов производства, заключающийся в том, что при сооружении противофильтрационного резервуара дно и стенки предварительно подготовленного участка местности под резервуар укрепляют тампонажным раствором, в качестве которого используют суглинистую суспензию состава, мас.%: суглинистая суспензия 85-90, цемент 9-14, жидкое стекло 1-5, укрепление стенок производят путем установки опалубки и заливки в нее указанной суспензии, при этом высоту опалубки и заливки наращивают поэтапно по мере заполнения резервуара отходами производства (см. заявку №95106563 на изобретение «Способ сооружения противофильтрационного резервуара для хранения отходов производства», дата подачи 24.04.1995 г., дата публикации заявки 27.04.1997 г.).
Недостатки данного решения обусловлены громоздкостью, трудоемкостью и материалоемкостью и связаны с необходимостью поэтапного наращивания опалубки, а также нарушением состава почвы из-за применения цемента, который при взаимодействии с водой, например атмосферными осадками, водными растворами солей и другими жидкостями, образует пластичную массу, которая затем затвердевает и превращается в камневидное тело.
Известен способ ликвидации отстойно-поглотительного котлована, включающий заполнение котлована отработанным буровым раствором, расслоение отработанного бурового раствора на загущенную и осветленную фазы и засыпку отстойно-поглотительного котлована минеральным грунтом, при этом загущенную фазу отверждают частично с образованием верхнего твердого слоя, причем отверждение производят после нанесения непроницаемого экрана, причем перед заполнением буровым раствором стенки и дно отстойно-поглотительного котлована покрывают глинистой пастой (см. а.с. №1188185 «Способ ликвидации отстойно-поглотительного котлована», дата подачи 18.07.1983 г., опубликовано 30.10.1985 г.).
Недостатки связаны с тем, что способ реализуется только для одного вида буровых отходов - отработанного бурового раствора, которым заполнен котлован, при этом процесс многостадиен и предусматривает, в частности, разделение раствора на фазы: загущенную и осветленную.
Кроме того, известен способ защиты почв и грунтовых вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами, включающий формирование жидкого капиллярного экрана, при этом в верхний слой почвы или грунта вносят природные минеральные и/или органические сорбенты, обладающие водоудерживающими свойствами, с последующим увлажнением почвенной или грунтовой среды до состояния полевой влагоемкости, причем в качестве минеральных сорбентов используют цеолиты, глины или доломиты в количестве 1-33% от массы сухой почвы, в качестве органических сорбентов - торф, целлюлозу, лигнин, древесные опилки, измельченную кору, солому, биомассу культурных и дикорастущих растений и резиновую крошку, минеральные сорбенты вносят в виде смеси с почвой слоем 20-25 см, органические сорбенты вносят отдельным слоем толщиной 5-20 см, находящимся под слоем почвы или смеси почвы с минеральным сорбентом толщиной 5-20 см (см. патент РФ №2361041 на изобретение «Способ защиты почв и грунтовых вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами»).
Недостатки данного решения связаны с рассеиванием используемых веществ и химических соединений за пределы обрабатываемой территории, а также ненадежной защитой сверху, что приводит к загрязнению окружающей среды.
Известен противофильтрационный экран хранилищ, преимущественно шламонакопителей и золоотвалов, включающий двухслойный водоупорный элемент, причем верхний водоудерживающий слой выполнен из смеси золы и уплотненного активного ила при следующем соотношении компонентов, мас.%: зола - 50-75, уплотненный активный ил - 25-50, а нижний подстилающий слой выполнен из золошлаковой смеси (см. патент №11551 на полезную модель «Противофильтрационный экран хранилищ», дата подачи 18.01.1999 г., опубликовано 16.10.1999 г.).
Помимо этого, известны способы строительства противофильтрационных экранов вокруг амбаров или котлованов с жидкими отходами, включающие создание чаши котлована (шламонакопителя) и противофильтрационных экранов вокруг нее путем проходки по периметру котлована узкой щелеобразной траншеи заданной глубины с последующим ее заполнением, например, глинисто-грунтовой пастой (см. а.с. №1439174 «Тиксотропный раствор для сооружения противофильтрационных диафрагм и способ его приготовления», дата подачи 30.04.1987 г., опубликовано 23.11.1988 г.) или эластичными оболочками (см. а.с. №1397590 «Устройство для образования противофильтрационной завесы из пленки», дата подачи 19.07.1985 г., опубликовано 23.05.1988 г.).
Известен способ сооружения и эксплуатации комплекса, по меньшей мере, из двух земляных амбаров-накопителей отходов бурения и пластового флюида, включающий отрывку котлована в минеральном грунте, нанесение гидроизолирующего слоя в виде глины с учетом результатов инженерно-геологических изысканий и последующее их заполнение отходами (см. СТО 09-0147428-037-89. Технологические мероприятия по сооружению и эксплуатации систем сбора и хранения отходов бурения. Грозный: СевКавНИПИнефть. - 1990. - 68 с.).
Известен способ гидроизоляции накопителей жидких токсичных, заключающийся в том, что с помощью вертикальной полой фрезы с лопатками для отброса грунта и радиальными отверстиями выбирают грунт из щели по периметру объекта, одновременно с этим в стенки под давлением через отверстия во фрезе нагнетают водополимеризующийся материал, далее в выработку подают сжатый горячий воздух, при этом с помощью механической лопаты и транспортера выработанный грунт подают в бункер-смеситель, где он смешивается с водополимеризующимся материалом, и далее получившаяся высокотекучая смесь поступает обратно в выработанное пространство (см. патент РФ №2473744 на изобретение «Способ строительства гидроизоляции накопителей жидких токсичных отходов», дата подачи 01.10.2010 г., опубликовано 27.01.2013 г.).
Недостатки данного решения связаны с использованием веществ и химических соединений (компаундов) для обрабатываемой траншеи, необходимостью использования дорогостоящего оборудования, состоящего из нескольких сопряженных модулей, ведения работ при температуре окружающей среды только до 0°C, необходимостью утилизации массы полимеризованного грунта после ликвидации объекта размещения отходов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ сооружения и эксплуатации комплекса, по меньшей мере, из двух земляных амбаров-накопителей отходов бурения и пластового флюида, включающий создание чаши котлована в минеральном грунте, гидроизоляцию его дна и стенок или металлическими листами, или полимерной пленкой, или железобетонными плитами, или деревянными щитами, покрытыми битумом, или композициями на основе глины, извести, цемента, после чего чашу заполняют отходами (см. Инструкция по охране окружающей среды при строительстве скважин на нефть и газ на суше: РД 39-133-94, М.: НПО «Буровая техника». - 1994. - 118).
К недостаткам данного способа относится использование в качестве материала для гидроизоляции дорогостоящих метизов и других строительных материалов, которые подлежат захоронению вместе с буровыми отходами. Помимо этого, не предусмотрен защитный верхний экран, накрывающий отходы и не позволяющий им рассеиваться по окружающей территории.
Кроме того, создание котлованов, входящих в комплекс, осуществляется до начала бурения, а эксплуатация, например, амбара для накопления пластового флюида - только при возможных нефтегазовых проявлениях и на заключительном этапе строительства скважины - ее освоении, т.е. в то время, когда слой защитного гидроизолирующего покрытия уже подвергся интенсивному метеорологическому воздействию, в том числе солнечной радиации и выветриванию, а также разрушению побегами и корневой системой растений, что приводит к растрескиванию защитной поверхности и, как следствие, не обеспечивает необходимую защиту грунтовых вод от загрязнения из-за повышенного скопления осадков в чаше и заболачивания почвы. При этом отходы, которые накапливаются в двух амбарах, отличаются друг от друга по генезису, токсичности и фильтрационным свойствам, а это означает, что защитного слоя, выполненного только из одного материала, - природной глины, недостаточно для защиты грунтовых вод от загрязнения, т.к. с повышением минерализации растворов за счет солей: NaCl и CaCl, коэффициент проницаемости глин также возрастает, причем основное увеличение коэффициента проницаемости происходит при концентрации солей 10-30 г/л (см. Гольдберг В.М., Скворцов Н.П. Проницаемость и фильтрация в глинах. - М.: Недра, 1986. - 160 с.).
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в создании сооружения, служащего для размещения отходов бурения, с повышенной безопасностью для окружающей среды.
Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе сооружения шламонакопителя для размещения отходов бурения скважин нефтегазовых месторождений, включающем создание чаши шламонакопителя, устройство противофильтрационного экрана на днище и бортах чаши, согласно изобретению перед созданием чаши шламонакопителя по ее периметру с отступлением на 1,0-5,0 м от внешнего края прокладывают узкую траншею, глубина которой совпадает с высотой бортов чаши шламонакопителя, при этом отметка дна траншеи от уровня грунтовых вод не превышает 0,3 м, после чего в траншее монтируют ограждающую конструкцию, герметично собранную из модульных панелей, выступающих после установки над бортами чаши на 0,1-0,2 м, затем траншею равномерно заполняют грунтом, используемым при строительстве шламонакопителя, а после устройства противофильтрационного экрана из гидроизоляционного материала и размещения на нем отходов бурения в виде твердой фазы бурового шлама и/или обезвреженных отходов бурения их накрывают изоляционным слоем в виде минерального грунта до уровня, не превышающего 0,3-0,4 м от внешнего края чаши, затем снова укладывают гидроизоляционный слой, при этом концы обоих гидроизоляционных слоев заводят за выступающий край ограждающей конструкции и заглубляют на 0,3-0,5 м, после чего укладывают слой минерального грунта и затем рекультивационный слой грунта толщиной 0,3-0,4 м, при этом для гидроизоляционного слоя используют синтетический материал.
Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе сооружения шламонакопителя для размещения отходов бурения скважин нефтегазовых месторождений, включающем создание чаши шламонакопителя, устройство противофильтрационного экрана на днище и бортах чаши, согласно изобретению перед созданием чаши шламонакопителя по ее периметру с отступлением на 1,0-5,0 м от внешнего края прокладывают узкую траншею, глубина которой совпадает с высотой бортов чаши шламонакопителя, при этом отметка дна траншеи от уровня грунтовых вод не превышает 0,3 м, после чего в траншее монтируют ограждающую конструкцию, герметично собранную из модульных панелей, выступающих после установки над бортами чаши на 0,1-0,2 м, затем траншею равномерно заполняют грунтом, используемым при строительстве шламонакопителя, а после устройства противофильтрационного экрана из гидроизоляционного материала и размещения на нем отходов бурения в виде твердой фазы бурового шлама и/или обезвреженных отходов бурения их накрывают гидроизоляционным слоем, при этом концы обоих гидроизоляционных слоев заводят за выступающий край ограждающей конструкции и заглубляют на 0,3-0,5 м, после чего укладывают слой минерального грунта и затем рекультивационный слой грунта толщиной 0,3-0,4 м, при этом для гидроизоляционного слоя используют синтетический материал.
Выбор расстояния между внешним краем чаши шламонакопителя и ограждающей конструкцией зависит в том числе от влажности, несущих свойств грунта площадки.
Глубина отметки дна траншеи не выше 0,3 м от уровня грунтовых вод является минимальной отметкой дна шламонакопителя по отношению к уровню грунтовых вод.
В качестве минерального грунта применяют, например, песок или ранее обезвреженные отходы бурения не выше IV класса опасности отхода.
В качестве синтетического материала для гидроизоляционного слоя используют, например, материал типа «Нетва-Теплонит», полиэтилен толщиной 3 мм, маты бентонитовые для гидроизоляции подземных сооружений типа Bentolock-Stroy (Бентолок-Строй), Voltex (Волтекс), Bentomat (Бентомат) или их аналоги, обладающие необходимыми гидроизоляционными свойствами.
В качестве материала для рекультивационного слоя применяют, в частности, крошку торфо-песчаной смеси или песок.
Толщина рекультивационного слоя, равная 0,3-0,4 м, обеспечивает возможность посадки трав-мелиорантов и использование для их обработки мотокультиваторов и прицепных дисковых борон диаметром 0,1-0,2 м. При такой толщине наносимого рекультивационного слоя применяемые агрегаты не повреждают нижележащий слой гидроизоляционного материала.
Жидкую фазу отходов бурения после осветления, нейтрализации и осаждения илистых частиц в жидкости закачивают в систему нефтесбора или транспортируют на очистные сооружения месторождения.
Использование модульной ограждающей конструкции позволяет избежать возникновения морозобойных явлений, способствующих деформации и разрушению гидроизоляционного слоя, а в случае их возникновения - выносу химических элементов, не являющихся фоновыми, вместе с грунтовыми и поверхностными водами в окружающую среду.
Модульные панели снабжены шпунтовым и/или крепежным соединением.
С целью уплотнения шлама перед его размещением в чаше шламонакопителя на противофильтрационный экран из гидроизоляционного материала дополнительно может быть размещен дренажный слой (на чертеже не показан) из щебня толщиной 5-10 см, который в дальнейшем будет служить основанием для монтажа текстильного мешка в форме трубы, изготовляемого по технологии, например, Geotech (геотуб) или аналогичным образом и предназначенного для фильтрации. Щебень укладывают с приямком. В фильтровальном мешке (геотуб), выполненном из водопроницаемой ткани заданного размера и объема, происходит удержание твердых частиц бурового шлама. Заполнение объема геотуб буровым шламом производится путем нагнетания соответствующих жидких смесей заданного состава через впускные рукава, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Применение фильтровального мешка позволяет эффективно обезвоживать буровые шламы со значительной экономией времени и денежных средств по сравнению с традиционными технологиями, при этом не нарушая экологию и естественный природный баланс. Жидкость, просочившаяся через стенки мешка (геотуб), с помощью гравиметрического дренажа и давления осадка подлежит откачке из приямка и дальнейшей утилизации. После окончания процесса уплотнения шлама сверху на геотуб, содержащий обезвоженный и уплотненный осадок, наносят слои, согласно первому или второму варианту заявляемого изобретения.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примерах конкретного применения.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где представлен вид шламонакопителя спереди в разрезе.
Предлагаемый к защите способ осуществляется следующим образом.
При осуществлении способа по первому варианту по периметру площадки, предназначенной для сооружения шламонакопителя, в котором планируют размещать отходы бурения, на расстоянии 1,0-5,0 м от внешнего края чаши шламонакопителя прокладывают узкую траншею, глубина отметки дна которой от уровня грунтовых вод не выше 0,3 м. В траншее устанавливают вертикальную ограждающую конструкцию 1, герметично собранную из модульных панелей (стенок), снабженных шпунтовым соединением, предусматривающим ответное взаимодействие панелей между собой, и/или крепежным соединением, например, болтовым. Кроме того, панели оснащены ребрами жесткости и приспособлениями для строповки, выполненными, например, в виде петель или сквозных отверстий. При установке панелей их равномерно засыпают грунтом, используемым для строительства тела насыпи.
Использование в предлагаемом способе строительства ограждающей модульной конструкции позволяет согласно ст. 1 Градостроительного кодекса, отнести данный объект строительства - шламонакопитель - к объектам капитального строительства, а именно к сооружениям. Причем согласно п.п. 23, 24 ст. 2 Федерального закона от 30.12.2009 г. №384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» в объекте для размещения отходов, обладающем признаками объекта капитального строительства, допускается, в отличие от временных построек, как накопление отходов, так и их размещение, предусматривающее хранение или захоронение. Таким образом, возводимое в соответствии с заявляемым способом сооружение относится к объектам капитального строительства.
Внутри заданного контура создают (выкапывают) чашу котлована (шламонакопителя), днище и борта которого защищают противофильтрационным экраном 2. При этом по первому варианту противофильтрационный экран 2 выполнен в виде слоя гидроизолирующего материала, в качестве которого используют, например, синтетический материал типа «Нетва-Теплонит», полиэтилен толщиной 3 мм, маты бентонитовые для гидроизоляции подземных сооружений типа Bentolock-Stroy (Бентолок-Строй), Voltex (Волтекс), Bentomat (Бентомат) или другие материалы, обладающие прочными гидроизоляционными свойствами. Концы гидроизолирующего материала заводят за выступающие края ограждающей конструкции 1, высота которой над поверхностью чаши после установки не превышает 0,1-0,2 м, и заглубляют на 0,3-0,3 м, при этом гидроизолирующий материал: рулонный или листовой, укладывают внахлест или его стыки, с учетом свойств применяемого материала, соединяют, например, с помощью термосварки.
Затем размещают буровые отходы 3 (твердая фаза) и/или обезвреженные отходы бурения не выше IV класса опасности отхода, которые накрывают изоляционным слоем 4 в виде природного минерального грунта, например песка, на который укладывают верхний слой гидроизоляционного покрытия 5, выполненного из тех же материалов, что и гидроизоляционный слой 2. При этом концы гидроизолирующего материала 5 также заводят за выступающий над поверхностью площадки край ограждающей конструкции и заглубляют на 0,3-0,5 м. Поверх гидроизоляционного слоя 5 наносят второй слой минерального грунта 6 в виде песка и затем рекультивационный слой 7 в виде торфо-песчаной смеси толщиной 0,3-0,4 м, причем рекультивационный слой состоит из слоя грунта (основания) и верхнего слоя в виде торфо-песчаной смеси, при этом высота каждого слоя находится в интервале не менее чем 0,15-0,20 м. Соотношение компонентов в торфо-песчаной смеси зависит от используемой марки торфа и природно-климатических условий, обеспечивающих продолжительность вегетационного периода для растений-мелиорантов.
Заявляемая общая толщина рекультивационного слоя, составляющая не менее 0,30-0,40 м, позволяет сформировать прочный искусственный почвенный покров для посадки трав-мелиорантов и использовать для их обработки, а также перемешивания грунта мотокультиваторы и/или прицепные дисковые бороны диаметром 0,10-0,20 м. При такой толщине наносимого рекультивационного слоя применяемые агрегаты не повреждают нижерасположенный слой гидроизоляционного материала.
По второму варианту изобретения после размещения на гидроизоляционном слое 2 бурового шлама и/или обезвреженных отходов бурения 3 не выше IV класса опасности, укладывают верхний гидроизоляционный слой 5, причем концы материала, используемого для слоев 2 и 5, заводят за края ограждающей конструкции и заглубляют на 0,3-0,5 м. Затем наносят изоляционный слой 6 и затем рекультивационный слой 7.
По первому и второму варианту перед нанесением рекультивационного слоя общий уровень содержимого шламонакопителя не должен превышать 0,3-0,4 м от уровня внешней кромки чаши шламонакопителя.
Для выемки и транспортировки содержимого с целью дальнейшей его переработки или обезвреживания шламонакопитель вскрывается в обратной последовательности. Модульные панели извлекаются для последующего использования, а демонтированные гидроизоляционные слои подлежат утилизации.
Благодаря предлагаемому способу сооружения шламонакопителя атмосферные осадки не проникают в тело размещаемых отходов бурения, а стекают за внешний край ограждающей конструкции, а затем выносятся за пределы площадки. Кроме того, грунтовые воды также не проникают в тело насыпи, и, следовательно, при этом не происходит выноса водорастворимых вредных веществ за пределы шламонакопителя.
Заявленный способ позволяет многократно использовать ограждающую конструкцию при строительстве других объектов, что значительно снижает стоимость строительства нового объекта для размещения отходов.