3. Методы утилизация и обезвреживания отходов бурения. Требования к объектам размещения буровых шламов.

Деятельность предприятий нефтяной и газовой промышленности неизбежно связана с техногенным воздействием технологических процессов бурения и добычи на природную среду, поэтому вопросы охраны окружающей среды для отрасли имеют важное значение.

Среди комплекса природоохранных мер важная роль отводится мероприятиям по очистке, обезвреживанию и утилизации производственно-технологических отходов бурения — буровых сточных вод (БСВ), отработанных буровых растворов (ОБР) и выбуренной породы или бурового шлака (БШ), поскольку они содержат в своем составе широкую гамму загрязнений, представленных применяемыми в бурении материалами и химическими реагентами. Мероприятия, направленные на снижение уровня и объемов загрязнения природной среды, составляют основу экологически безопасной малоотходной технологии бурения и закачивания скважин.

Различают следующие способы утилизации и/или обезвреживания буровых отходов и отработанных буровых растворов:

– термические

– физические

– химические

– физико-химические

– биологические

АМБАРЫ

Один из способов утилизации буровых отходов включает рытье котлована в минеральном грунте. Извлеченный грунт используется для обвалования котлована и гидроизоляции полости котлована слоем глины. Затем котлован заполняется отходами бурения, проходит процесс расслоения отходов бурения на загущенную и жидкую фазы. Амбары освобождают от жидкой фазы, которую направляют в систему сбора и подготовки нефти с последующим использованием ее в системе поддержания пластового давления. Вода из жидкой фазы может удаляться путем испарения. Затем загущенные отходы бурения засыпают минеральным грунтом.

Недостаток: глинистый экран не обеспечивает необходимой защиты грунтовых вод от токсичных химических веществ , используемых для приготовления буровых растворов и вымываемых из захороненных отходов бурения талыми и ливневыми водами.

Еще один способ предусматривает рытье котлованов в минеральном грунте и гидроизоляцию их металлическими листами , или синтетической пленкой , или железобетонными плитами , или деревянными щитами с битумным покрытием, или композициями на основе глины, извести, цемента и последующее их заполнение. Недостаток: используются дорогостоящие строительные материалы и метизы, которые впоследствии захораниваются.

По данным ОАО "Когалымнефтегаз" при бурении скважины глубиной 2600 м в амбаре содержится около 65% воды, 30% шлама (выбуренной породы), 5,5% нефти, 0,5% бентонита и 0,5% различных присадок, обеспечивающих оптимальную работу буровой установки (таблица 1)

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев ОБР и буровой шлам захороняются в земляных амбарах непосредственно на территории буровой после окончания бурения скважины. Это решение не обеспечивает надежной экологической защиты мест захоронения отходов. Положение еще более усугубляется тем, что такой метод требует длительного времени ожидания подсыханиясодержимого амбаров перед их засыпкой и последующей рекультивацией, а это невыгодно в плане рационального народнохозяйственного использования земель. Вместе с тем этот метод ликвидации отходов бурения наиболее доступен по сравнению с другими, несмотря на безвозвратные потери бурового раствора. Обезвреживание отходов позволяет повысить экологичность таких работ и обеспечить благоприятные условия для своевременной рекультивации отстойников с ОБР и шламом, исключив стадию длительного ожидания затвердевания их содержимого.

Требования к объектам размещения буровых шламов

1. Определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе специальных (геологических, гидрологических и иных) исследований в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

2. На территориях объектов размещения отходов и в пределах их воздействия на окружающую среду собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, обязаны проводить мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды.

3. Собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, после окончания эксплуатации данных объектов обязаны проводить контроль за их состоянием и воздействием на окружающую среду и работы по восстановлению нарушенных земель.

Физические методы

Система очистки буровых растворов от выбуренной породы длительное время совершенствовалась, начиная от простейших гравитационных отстойников. Современная технология очистки буровых растворов происходит в 3-4 ступени: вибрационными ситами, гидроциклонными шламоотделителями (песко- и илоотделителями), сепараторами, центрифугами. Главные ее недостатки: громоздкость и большая металлоемкость, дороговизна, измельчение выбуренной породы механическим воздействием.

Технология очистки неутяжеленного бурового раствора по этой системе представляет собой последовательные операции, включающие грубую очистку на вибросите и тонкую очистку - пескоотделение и илоотделение-на гидроциклонных шламоотделителях (рис. 6.15). Буровой раствор после выхода из скважины 1 подвергается на первой ступени грубой очистке на вибросите 2 и собирается в емкости 10. Из этой емкости центробежным насосом 3 раствор подается в батарею гидро­циклонов пескоотделителя 4, где из раствора удаляются частицы песка. Очищенный от песка раствор поступает через верхний слив в емкость 9, а песок сбрасывается в шламовый амбар. Из емкости 9 центробежным насосом 5 раствор подается для окончательной очистки в батарею гидроциклонов илоотделителя 6. После отделения частиц ила очищен­ный раствор направляется в приемную емкость 8 бурового насоса 7, а ил сбрасывается в шламовый амбар.

Физико-химический методы

Предполагаетфизико-химическиевоздействия с цельюразделение ОБР нажидкую и твердыефазы с последующейутилизациейжидкойчасти и нейтрализациейосадка.

Перспективнымиметодамифизико-химическойочистки БСВ донорм, удовлетворяющихтребованиямихповторногоиспользованиядлянуждбурения, являютсяреагентнаяочистка и электрокоагуляция. Реагентнаяочисткаявляетсяоднимизнаиболеедешевых и доступныхметодовочистки БСВ. Применяютсяследующиехимическиереагенты: коагулянты - водорастворимыесолиполивалентныхметаллов; флокулянты - органическиевысокомолекулярныеполимеры.

В практикеочисткисточныхвод в качествекоагулянтовиспользуютсолиалюминия, железа, медиилиихсмеси в разныхпропорциях. НаибольшееприменениеполучилисульфаталюминияAI2(S04)3, сульфатжелеза Fe2(S04)3, хлорноежелезо FeCI3. Неорганическиекоагулянтыгидролизуются в воде с образованиемхлопьевгидроокисей, которыесорбируюттонкодисперсныезагрязнения, включаяколлоидные.

Флокулянты (полиакриламид, полиэтиленимин и др.) способствуютобразованиюболеекрупных и прочныххлопьевлибоинтенсифицируютпроцесссамокоагуляциичастиц, загрязняющихсточныеводы.

Такиедобавкивызываюткоагуляциюжидкойчастиотходов и выпадениетвердойфазы в осадок. Послеудаленияизамбараосветленнойводыоставшаясямассавновьобрабатываетсяфлокулянтом, и такпродолжаетсядотехпор, покавсяосновнаячастьводынебудетудаленаизжидкихотходов.

Обезвоживание ОБР с помощью флокулянтовневсегда является достаточно эффективным, потому что не учитывают возможности взаимодействия флокулянта с ВРП, добавляемыми в состав бурового раствора и частично остающимися в водной фазе. Это взаимодействие может привести к образованию нерастворимых продуктов и выводу флокулянта из объема. С другой стороны управляемое полимер-полимерное комплексообразование позволяет создать эффективную флокулирующую систему.

Так,например, вРГУнефтиигазаим. И.М.Губкинаразработаныдватипакомпозиционныхфлокулянтов, обладающихбольшейэффективностью, чемсоставляющиеихкомпоненты:

-гомогенно-гетерогенныйфлокулянткомпозиционный (ФК-1), получаемыйврезультатеобразованияполиэлектролитногокомплекса(ПЭК) междуполианионнымииполикатионнымиводорастворимымиполимерами;

-флокулянткомпозиционный (ФК-2), содержащийвкачествеосновыводорастворимыйполимервсочетаниисорганическимиинеорганическимидобавками. Разработанныекомпозиционныефлокулянты, различаясьпосоставуизакономерностямразделениядисперсийнафазы , всочетаниисдругимиприемами, вчастностифильтрациейи центрифугированием,обеспечиваютэффективноеобезвоживаниеОБРиочисткусточныхводотводорастворимыхполимеров.

КОАГУЛЯЦИЯ+ЦЕНТРИФУГА

Блок очистки бурового раствора с применением флокулянтов и коагулянтов позволяет удалить накапливающиеся в замкнутой циркуляционной системе мельчайшие частицы шлама (размер менее 5-10 мкм), которые не в состоянии удалить применяющиеся вибросита, гидроциклоны, илоотделители и даже центрифуги. Блок флокуляции-коагуляции (БФК) ставится в технологической цепочке системы очистки перед центрифугой и укрупняет частички до размера, удаляемого ею. Применение БФК позволяет получать на выходе после центрифуги жидкую фазу, пригодную для повторного использования на буровой в качестве технической воды и более компактную твёрдую фазу.

Технология обработки бурового раствора с применением БФК состоит в следующем:

• разбавление раствора водой для снижения вязкости и, соответственно, более эффективной механической обработки (для разбавления можно подавать часть жидкой фазы с центрифуги),

• обработка кислотой для снижения рН до уровня 6,5-7,5.

• обработка бурового раствора растворами коагулянта и флокулянта,

• обезвоживание на центрифуге.

При обработке бурового раствора на БФК применяются следующие хим. реагенты:

• раствор серной/соляной/фосфорной кислоты,

• водный раствор соли железа или алюминия (напр. сернокислый алюминий) или специально подобранный раствор полиэлектролита (лучше растворяется),

• водный раствор высокомолекулярного полимера с большой молекулярной массой.

Эффективнымметодомочистки БСВ являетсяэлектрокоагуляция, обеспечивающаяудалениеизводывзвесей, коллоидов, а такжевеществ в ионном и молекулярномсостоянии. Поддействиемпостоянноготокапроисходитрастворениематериаламеталлическогоанода, в результате в водупереходяткатионыжелезаилиалюминия, которыезатемобразуютгидрооксидыэтихметаллов, являющиесякоагулянтами.

ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В качествебезреагентныхметодовобезвреживаниятвердыхотходовзаслуживаетвниманиятермическийметод. Термическаяобработкашламовыхмассобеспечиваетразрушениеорганическихвеществвсехосновныхклассов, присутствующих в буровомшламе. Помнениюисследователейэтотметоднаиболеедоступен и перспективен. Егопрактическаяреализацияосуще­ствляется в печахспециальнойконструкции, в часности, в ба­рабаннойэлектрическойпечи.Онапозволяетреализоватьнеобходимыетермическиережимыдлядостиженияглубокогообезвреживанияшламовыхмасс с высокимсодержаниемнефти и нефтепродуктов и другихзагрязнителей. Основнымнедо­статкомэтогометода, сдерживающимегоширокуюпрактичес­куюреализацию, являетсязначительныйрасходэлектроэнер­гиинапроведениеобжигашлама.^оС

Шлам доставляется автотранспортом с 4 буровых установок на специально отведенную площадку для приема и переработки БШ. Далее скреперными лебедками шлам подается в сушильную камеру барабана, проходит стадию обжига при Т= 170оС (рис. 1­1а), ссыпается в специально вырытый ров и далее вывозится на строительство внутрипромысловыхавтодорог.(На выходе получают избавленную от органических примесей и нефтесодержащих веществ массу, пригодную для производства битума.)

Биологический метод

Широкое распространение получил микробиологический метод переработки БШ и НЗГ. Он основан на возможности углеводородокисляющих микроорганизмов (УВОМ) использовать компоненты нефти в качестве единственного источника углерода и энергии [12–15]. Эффективность и распространенность метода обусловлена способностью микроорганизмов к стабилизации и деградации нефтепродуктов, тяжелых металлов и других загрязнителей [13–15]. Биоремедиация является экологически чистым, малозатратным и эффективным процессом. С целью создания благоприятных условий для жизнедеятельности микрофлоры корректируют реакцию среды, вносят структураторы почвы. В качестве структураторов обычно используются торф, опилки, стружка. Структураторы не только снижают плотность отходов, увеличивая их аэрацию, но и являются носителями, накопителями макро- и микроэлементов, питательных веществ, поэтому должны обладать развитой поверхностью и сорбционными свойствами [13]. Биоремедиация – это аэробный процесс. Кроме кислорода для окисления веществ, микроорганизмам необходима и вода для растворения и транспорта веществ в клетку. Поэтому в промышленных условиях в процессе биоремедиации необходимо поддерживать доступ кислорода и воды путем агротехнических мероприятий [12, 15].

ДРУГИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ

Повторное использование буровых растворов

Наиболее доступным направлением утилизации ОБР является их повторное использование для бурения новых скважин. В этой области имеется богатый опыт зарубежных и отечественных организаций. Этот подход оправдан не только с экологи­ческой, но и с экономической точки зрения, так как обеспечива­ет значительное сокращение затрат на приготовление буровых растворов. Так, фирмой "Шелл Канада" было пребурено 209 скважин, в результате чего образовалось свыше 30 тыс. м8 отходов бурения, основной объем которых составлял отработанный буровой раствор. Расчеты показали, что экономически целесообразным оказалось их повторное использование для бурения других скважин по сравнению с работами по обезвреживанию таких отходов или безопасному захоронению.

В отечественной практике бурения повторное использование буровых растворов также находит широкое применение, особенно при кустовом бурении и в районах с развитой транспорт­ной сетью. Однако это важное и экологически целесообразное направление утилизации ОБР не везде осуществимо из-за специфических природно-климатических и ландшафтных условий районов ведения буровых работ и при значительной удаленности буровых друг от друга, что экономически невыгодно. Расчеты показывают, что затраты на транспортировку ОБР на расстояние свыше 250 км начинают превышать стоимость раство­ра, приготавливаемого на месте.

Закачивание в затрубное пространство

Технология реинджекшн - закачивание буровых отходов в затрубное пространство или в специально пробуренную скважину, закачивание в скважину после завершения буровых работ. Основные условия для применения реинджекшн - геологическая возможность для закачивания (наличие принимающего пласта, водоупорных пластов над и под принимающим пластом, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод). Компания «Сахалин Энерджи» установила оборудование для обратной закачки бурового шлама и раствора в пласты. При бурении верхних интервалов скважин сбрасывался только буровой раствор на водной основе. Такой практике следуют нефтедобывающие компании на Аляске и в Норвегии. Все отходы бурения и нефтедобычи на Кенайском газовом месторождении (Аляска) компания «Маратон» закачивает под землю. Станция была построена в 1995 году и кроме отходов, поступающих с работающих месторождений, на ней закачивались отходы со старых шламонакопителей. В день на станции можно закачать до 3000 м 3 жидких отходов. Для пластовой воды бурится специальная скважина, в которую закачивается до 200 м 3 в день. Кроме того, пластовая вода закачивается еще и в эксплуатационные скважины для повышения интенсивности газодобычи. Следует отметить, что бурение поглощающих скважин запрещается в зонах санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Получение глинопорошка

Предложен метод утилизации ОБР — регенерации активных компонентов буровых растворов путем получения из него глинопорошка. Показана принципиальная возможность получения из отходов бурения глинопорошка удовлетворительного качества. Однако основной недостаток этого метода утилизации — значительный расход углеводородного топлива на производствоглинопорошка. Причем утилизации подлежит лишь отработан­ный неутяжеленныи глинистый буровой раствор плотностью до 1,17—1,20 г/см8.

Перспективным направлением утилизации ОБР пред­ставляется его использование для крепления скважин. При этом возможны два варианта. По первому варианту ОБР используется в качестве добавок к известным тампонажным материалам, традиционно применяемым в практи­ке цементирования скважин; по второму — в качестве основ­ного тампонажного материала. Так, фирма "ДрессерМэгко-бэр" разработала тампонажный материал, для приготовления которого использован ОБР на водной основе, причем в соста­ве ОБР допускается определенное содержание нефти и нефте­продуктов (дизельного топлива) и утяжелителя. При этом от­мечается, что наличие утяжелителя играет положительную роль, так как он способствует увеличению прочности получен­ного тампонажного камня. К достоинствам такого материала относятся его хорошая совместимость с буровым раствором и отсутствие усадки.

Однако реализация этого способа сдерживается высокой токсичностью применяемых веществ, трудностью регулирования сроков твердения буровых растворов и сложностью технологии обработки раствора на дневной поверх­ности.

Использование в качестве удобряющих компостов

Заслуживающим внимание способом утилизации ОБР является их использование в качестве основы удобряющих компостов и мелиорантов, предназначенных для внесения в почву при рекультивации шламовых амбаров и территории буровой, а также структурообразователяпочвогрунтов. Пригодными для этих целей смогут быть лишь буровые растворы, не содержащие нефти и нефтепродуктов, хроматов и токсичных для почв минеральных солей. Наиболее целесообразно использовать такие компосты и мелиоранты для солонцовых, песчаных и супе­счаных почв, т.е. почв, обедненных глинистыми структурообразующими компонентами.

Удобрения-мелиоранты – это вещества, позволяющие не только вносить «в запас» необходимые элементы питания, но и значительно улучшающиие агрохимические характеристики и плодородие почвы, позволяющие провести ускоренное окульткривание садового участка.