СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DECONTAMINATING HIGHLY MINERALIZED DRILLING WASTES AND PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам обезвреживания отходов бурения в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано непосредственно на буровой установке или на специализированном полигоне при очистке и обезвреживании отработанных буровых растворов, буровых сточных вод и буровых шламов, содержащих нефтепродукты, тяжелые металлы, синтетические поверхностно-активные вещества и другие загрязнители.
Изобретение направлено на снижение отрицательной экологической нагрузки на объекты природной среды при строительстве, эксплуатации и ликвидации нефтегазовых скважин.
Известен способ обезвреживания отходов бурения методом инертизации с использованием цемента и доломитовой муки (патент РФ №2040633, E02B 3/16, C09K 7/02, опубл. 25.07.1995).
Известный способ состоит из рытья котлована, возведения противофильтрационного экрана, заполнения амбара-накопителя отходами бурения, расслоение отходов бурения на загущенную и осветленную фазы, удаления осветленной жидкой фазы, отверждения загущенной фазы при помощи цемента и доломитовой муки с образованием верхнего отвержденного слоя и нанесения непроницаемого экрана с засыпкой амбара-накопителя минеральным грунтом.
Основными существенными недостатками известного способа являются: необходимость использования амбарного способа накопления отходов бурения, трудоемкость процесса перемешивания в амбаре всего объема отходов бурения с консолидирующим материалом, необходимость захоронения отвержденного материала в амбарах.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа заявляемого решения, является способ обезвреживания бурового шлама, содержащегося в отработанном буровом растворе (патент РФ №2198142, C02F 11/00, C02F 11/12, C02F 11/14, опубл. 10.02.2003). Способ включает разделение твердой и жидкой фаз бурового раствора путем внесения алюмосиликатов, гидролизованных до значения рН 9-12. Полученный в результате разделения осадок твердой фазы подают в смеситель, где смешивают его с литифицирующим порошковым комплексообразователем, содержащим следующие компоненты, мас.%: портландцемент 20-30, известь негашеная 10-15, карбонат кальция 10-20, фосфогипс 10-40, доломит 10-20.
Основными существенными недостатками известного способа являются отсутствие этапа очистки жидкой фазы, применение широкого спектра реагентов, а также отсутствие решения проблемы утилизации соли.
Основной технической задачей заявляемого изобретения является снижение отрицательной экологической нагрузки на объекты природной среды при строительстве, эксплуатации и ликвидации нефтегазовых скважин, снижение трудоемкости способа обезвреживания отходов бурения, повышение механической прочности и водоустойчивости отвержденного материала с возможностью повторного использования обезвреженных отходов в нефтегазовых регионах и решение проблемы утилизации очищенного рассола.
Поставленная задача решается в изобретении тем, что способ обезвреживания высокоминерализованных отходов бурения включает отмыв технической водой отходов бурения от солей с получением отмытого бурового шлама и загрязненного рассола, последующее многоступенчатое отделение жидкой и твердой фаз загрязненного рассола путем коагулирования, флокулирования и центрифугирования. Жидкая фаза (осветленный рассол) с растворенной в ней солью самотеком сливается в емкость для осветленной жидкости. Твердая фаза вместе с отмытым буровым шламом отправляется на обработку методом инертизации с предварительным введением не менее 20% по массе отверждающего состава, состоящего из цемента марки ПЦ М-500 - в качестве вяжущего и природного силикагеля опоки - в качестве сорбента, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
цемент
40-80
опока
20-60
Обработку отмытого бурового шлама и твердой фазы (отверждаемого материала) осуществляют при влажности 40% путем тщательного перемешивания в течение 2-3 минут.
Далее в смесительную емкость блока инертизации добавляют раствор активатора затворения, в качестве которого используют 20% жидкое стекло в количестве 10-20% от объема сухого отверждаемого материала, и тщательно перемешивают в течение 5-7 минут.
Техническим результатом заявляемого способа обезвреживания отходов бурения является создание технологии, обеспечивающей эффективное обезвреживание и утилизацию отходов бурения, загрязненных тяжелыми металлами, фенолами, нефтепродуктами и другими химическими загрязнителями.
Пример.
Высокоминерализованные отходы бурения через загрузочную воронку поступают в смесительную емкость, где их подвергают разбавлению технической водой в соотношении 1:10 для отмывки от солей, тщательно перемешивают в течение 2-3 минут. По окончании процесса перемешивания полученная смесь направляется на сетку вибросита для проведения грубой механической очистки. На сетке вибросита отмытый крупнодисперсный буровой шлам отделяется от загрязненного рассола и сбрасывается в ковш скипового подъемника, затем при помощи лебедки выгружается в двухвальный смеситель на обработку методом инертизации. Отделенный загрязненный рассол с мелкодисперсным шламом самотеком сливается из вибросита в емкость блока очистки загрязненного рассола. Сюда же, при работающих перемешивателях, из блока приготовления и дозирования химреагентов вводятся растворы коагулянта и флокулянта. Скоагулированная и сфлокулированная смесь отстаивается для выделения осадка, который направляется на блок инертизации, а оставшаяся часть смеси насосом направляется в центрифугу, где происходит расслоение на жидкую (осветленный рассол) и твердую фазы. Последняя направляется на инертизацию, а жидкая фаза с растворенной в ней солью самотеком сливается в емкость для осветленного рассола.
С целью определения эффективности проведенного процесса многоступенчатой очистки были проведены лабораторные исследования образцов технической воды, применяемой для отмыва высокоминерализованных отходов бурения, загрязненного рассола и осветленного рассола (табл. 1).
Процесс инертизации производят обработкой отверждающим составом на основе вяжущего цемента марки ПЦ М-500 и тонкодисперсной активной сорбционной добавки - опоки. При этом влажность инертизируемых отходов бурения должна быть не менее 40%. При перемешивании смеси происходит связывание токсичных примесей сорбентом. Сорбция токсикантов протекает до полного обезвреживания (табл. 2).
После тщательного перемешивания в обезвреженную смесь автоматически подается раствор активатора затворения в виде 20% жидкого стекла в количестве 20% от объема отверждаемого материала. Производится повторное перемешивание содержимого емкости в течение 5-7 мин.
В результате добавления активатора затворения и вяжущего вещества образуется при твердении прочная консервирующая матрица, предотвращающая растворение токсичных веществ под воздействием компонентов окружающей среды, дополнительно связывая их физически и химически, снижая поверхность контакта с окружающей средой.
Как видно из таблицы 2, отмечается снижение содержания нефтепродуктов, солей тяжелых металлов и плотного остатка в водной вытяжке отвержденного материала по отношению к отходам бурения, не прошедшим инертизацию.
Отвержденные образцы были также испытаны на прочность камня на сжатие по ГОСТ 10180-90 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Полученный материал достаточно прочен: по показателю предела прочности камня на сжатие при температуре 20±2°C и влажности 60% соответствует марке М40, а в водонасыщенном состоянии - М30.
Продуктом обезвреживания отходов бурения в указанном примере является отвержденный материал - инертная масса с характеристиками техногенных грунтов, которая может использоваться в качестве вторичных материальных ресурсов (засыпки карьеров, котлованов, балок, оврагов, отсыпки дорог на территории скважин т.д.), а также при сооружении земельного полотна автомобильных дорог без твердого покрытия в дорожном и аэродромном строительстве.
Известна установка для обезвреживания и утилизации бурового шлама (патент РФ №2006492, C02F 11/14, B01F 15/04, опубл. 30.01.1994), содержащая бункеры порошкообразного и жидкого реагентов отверждающего состава, объемный дозатор, дроссель, смеситель реагентов и шлама, транспортер для сброса шлама. Кроме того, установка снабжена пневмоуправляемыми затворами на линиях порошкообразного и жидкого реагентов и пневмораспределителями, промежуточной емкостью с датчиком веса и пневмоуправляемой шиберной заслонкой, исполнительным блоком, вход которого соединен с выходом датчика веса, а выход - с двумя пневмораспределителями, причем один из них соединен пневмолинией с днищем бункера порошкообразного реагента и пневмоуправляемой шиберной заслонкой промежуточной емкости, а с другой - с пневмоуправляемыми затворами на линиях порошкообразного и жидкого реагентов и дозаторов порошкообразного реагента.
Недостатками известной установки являются:
- неравномерное перемешивание бурового шлама с отвердителем, что снижает качество отвержденной смеси;
- отсутствие утилизации высокоминерализованных отходов бурения.
Известна установка мобильная по переработке и обезвреживанию уровых шламов (патент РФ №2450865, B03B 9/06, C02F 11/14, опубл. 20.05.2012), включающая блок промывки твердой фазы, оборудованный виброситом с ячеей сетки 0,25 мм, пескоотделителем гидроциклонного типа в составе линейного ситогидроциклонного сепаратора, оснащенные душевыми установками, установленными над сетчатыми поверхностями. В состав установки также входит емкость сбора очищенной воды, блок загрузки твердой фазы, оборудованный бункером, соединенным с емкостью сбора очищенной воды и наклонным шнековым конвейером для вывода и транспортировки осажденного шлама из бункера, блок коагуляции жидкой фазы, содержащий паровой теплообменник, соединенный с отстойной емкостью, блок обезвоживания осадка, оснащенный центрифугой, емкость сбора фугата, блок термического обессоливания, содержащий обратноосмотический мембранный модуль и выпарной аппарат. Блоки соединены между собой трубопроводами, оснащенными насосами и задвижками. Данное техническое решение является наиболее близким к заявленному решению - прототипом.
Основным существенным недостатком прототипа является наличие в составе установки энергоемких блоков.
Технической задачей предлагаемой установки является отмыв и обезвреживание высокоминерализованных отходов бурения методом инертизации с целью получения при низких экономических затратах отвержденного материала повышенной инертности и прочности.
Техническая задача решается тем, что установка состоит из блока приема и отмывки отходов бурения; блока грубой механической очистки, оборудованного виброситом, для разделения загрязненного рассола и бурового шлама; блока очистки (осветления) загрязненного рассола, состоящего из емкостей для коагуляции и флокуляции; блока тонкой механической очистки, состоящего из центрифуги; емкости для принятия осветленного рассола, причем блоки соединены между собой трубопроводами, оснащены насосами и задвижками, при этом установка дополнительно содержит блок инертизации твердой фазы.
Установка для обезвреживания отходов бурения изображена на принципиальной схеме (чертеж).
Установка для обезвреживания отходов бурения состоит из блока 1 приема и отмывки отходов бурения, блока 2 грубой механической очистки, блока 3 приготовления и дозирования реагентов, блока 4 очистки загрязненного рассола, блока 5 тонкой механической очистки, емкости 6 для временного хранения осветленного рассола, блока 7 инертизации отверждаемого материала.
3
Блок 1 для приема и отмывки отходов бурения представляет собой смесительную емкость объемом 40 м, оснащенную лопастной мешалкой и загрузочной воронкой. На смесительной емкости установлен гидродинамический диспергатор, обвязанный с центробежным насосом.
Блок 2 для грубой механической очистки состоит из сита вибрационного.
Блок 3 для приготовления и дозирования химических реагентов представлен емкостями с перемешивателями механического типа для приготовления коагулянта и флокулянта, а также датчиками для весовой дозации реагентов.
Блок 4 для очистки загрязненного рассола представлен металлической емкостью, оснащенной двумя перемешивателями для проведения процесса коагуляции и флокуляции. Емкость блока обвязана с винтовым насосом, который подает скоагулированную и сфлокулированную смесь в центрифугу.
Блок 5 для тонкой механической очистки содержит центрифугу типа ОГШ-Т-501У-01.
Блок 6 - емкость для временного хранения осветленного рассола.
Блок 7 для инертизации отверждаемого материала представляет собой смесительный модуль принудительного действия, состоящий из двухвального смесителя, установленного в неподвижной металлической емкости, и пульта управления. Смесительный модуль оснащен тензодатчиками, благодаря которым осуществляют весовую дозацию необходимых для процесса инертизации сыпучих реагентов.
Блоки 1-7 объединены в единое целое с помощью рам и металлоконструкций и могут базироваться на сварной раме двухосного прицепа, который устанавливают на бетонной площадке рядом со шламовым амбаром (мобильный вариант) или на бетонной площадке на специализированном полигоне (стационарный вариант).
Принцип работы установки.
Загрязненные химическими токсикантами высокоминерализованные отходы бурения из накопительных контейнеров перегружают через загрузочную воронку в блок 1 для приема и отмыва отходов бурения. Туда же направляют техническую воду в соотношении 1:10 для отмыва от солей. Вращающаяся мешалка емкости блока 1 перемешивает в течение 2-3 минут отходы бурения с водой. При наличии в отходах бурения крупных солевых включений для более быстрого растворения соли включается в работу гидродинамический диспергатор, в который смесь воды и отходов бурения подается насосом. По окончании процесса отмыва отходов бурения от всех солевых включений полученную смесь из приемного блока 1 при помощи насоса направляют на блок грубой механической очистки 2, где смесь пропускают через сетку вибросита. Отделенный от загрязненного рассола крупнодисперсный буровой шлам накапливают в ковше загрузочного скипового подъемника, затем при помощи лебедки выгружают в двухвальный смеситель блока 7 на обработку методом инертизации. Отделенный на вибросите загрязненный рассол с мелкодисперсным шламом самотеком сливают в емкость блока 4 для очистки. Сюда же из блока 3 приготовления и дозирования химреагентов вводят растворы коагулянта и флокулянта. Содержимое емкости блока 4 перемешивают в течение 2-3 минут, затем дают смеси отстояться. Образованную в емкости твердую фазу (осадок) направляют в блок инертизации 7, а оставшуюся часть смеси - на центрифугу блока тонкой механической очистки 5. В центрифуге под действием гравитационных сил происходит расслоение на жидкую (осветленный рассол) и твердую фазы, при этом последняя направляется на блок инертизации 7, а жидкая фаза (осветленный рассол) подается в приемную емкость для осветленного рассола 6.
Полученный осветленный рассол может повторно использоваться для отмыва отходов бурения или утилизироваться следующими двумя способами:
- направляться на закачку в поглощающие горизонты;
- сбрасываться на естественные испарители (емкости сезонного регулирования).
Твердая фаза, образовавшаяся в блоках 2, 4, 5 при обезвреживании высокоминерализованных отходов бурения, подается в смесительный модуль блока инертизации 7, при этом влажность твердой фазы должна быть не менее 40%. В случае необходимости ее увлажняют технической водой.
Отверждающий состав в виде сыпучих реагентов на основе вяжущего цемента марки ПЦ М-500 и тонкодисперсной активной сорбционной добавки - опоки из контейнеров типа «Биг-Бэг» по шнековому конвейеру в определенной последовательности дозировано подаются на смешение в смесительный модуль блока инертизации 7. Содержимое емкости тщательно перемешивается.
Добавка в виде 20% жидкого стекла, предназначенная для активации процесса затворения, перекачивается из специальной емкости насосом через магистраль системы дозации жидких добавок в смесительный модуль блока инертизации 7.
Производится смешение содержимого смесительного модуля в течение 5-7 минут.
По окончании процесса смешения готовый отвержденный материал через донный затвор в нижней части емкости выгружают и доставляют к месту назначения.
Из материалов патентно-информационных исследований не обнаружено способа обезвреживания отходов бурения, а также устройства для осуществления заявляемого способа, существенные признаки которых были бы идентичными существенным признакам заявляемых объектов. Отсюда можно сделать правомерный вывод о соответствии заявляемых объектов критерию изобретений - «новизна». Приведенная выше совокупность существенных признаков заявляемого способа и установки для его осуществления является существенным отличием и связана причинно-следственной связью с достигаемым техническим результатом. В этих совокупностях каждый из признаков является необходимым, а вместе взятые - достаточны для реализации поставленной задачи.
Совокупность существенных признаков является причиной, а полученный технический результат - следствием. При этом и заявляемый способ, и установка для его осуществления объединены единым изобретательским замыслом.
Отсюда также правомерен вывод о соответствии заявленного технического решения (способа и установки для его осуществления) критерию «изобретательский уровень». Что касается соответствия такому критерию, как «промышленная применяемость», то проведенная экспертная проверка на одном из участков Астраханского газоконденсатного месторождения, показала возможность неоднократного воспроизведения изобретения с заявленной совокупностью существенных признаков.