2809

Бурение нефтяных и газовых скважин оказывает негативное влияние на окружающую природную среду (ОПС). Некоторые возможные воздействия: изъятие земель из хозяйственного оборота, образование отходов в виде отработанных буровых растворов, буровых шламов и нефтезагрязненных грунтов, загрязнение атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, почв токсикантами.

Пермский край входит в число крупнейших нефтедобывающих районов России. Ежегодный объем добычи углеводородного сырья составляет около 14 млн т при ежегодном приросте добычи на 5 % в год. Каждый год в Пермском крае образуется около 140 тыс. т отходов от добычи и переработки углеводородов. Основную часть (до 75 %, что примерно равно 100 тыс. т) от общего объема таких отходов составляют отходы бурения [1]. Доля ОБР от объема отходов бурения может дости-

гать 50–60 %.

Процесс бурения (сооружения нефтяных и газовых скважин) сопряжен с разрушением горных пород на забое, удалением продуктов разрушения. Оптимизировать процесс, обеспечить удаление продуктов разрушения призваны буровые промывочные жидкости (буровые растворы).

Свойства буровых растворов. Существуют буровые растворы разных типов и с различными свойствами. Рецептура приготовления и свойства БР обусловлены в значительной мере минеральным составом разбуриваемых пород и условиями бурения.

Буровые растворы – это полидисперсные гетерогенные системы. В них содержатся как грубодисперсные, так и коллоидные частицы. По составу дисперсионной среды и дисперсной фазы они разделяются на:

растворы на водной основе (глинистые, карбонатные, сульфатные);

растворы на неводной (углеводородной) основе. Необходимые свойства БР достигаются использованием разно-

образных химреагентов. В состав буровых растворов могут входить:

частицы глины;

утяжелители: карбонатные (известняк, доломит, сидерит); баритовые, железистые (гематит, магнетит, ильменит); свинцовые (галенит) и др.;

121

неорганические реагенты: каустическая сода NaOH, кальци-

нированная сода Na3CО3, известь Са(ОН)2, хлористый кальций СаС12, гипс CaSО4, соль NaCI, хлористый калий KCI и др.;

органические реагенты: нитролигнин, окзил, сульфитспиртовая барда (ССБ), конденсированная сульфитспиртовая барда (КССБ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), углещелочной реагент (УЩР), крахмал, гипан, полиакриламид (ПАА) и др.;

поверхностно-активные вещества (ПАВ): УФ38, ОП-10, сульфонол, НП-1, дисолван;

смазочные материалы: СМАД-1, нефть, графит;

модифицированные лигносульфатноакриловые реагенты [2]. Основными компонентами ОБР, способными оказывать нега-

тивное воздействие на ОПС, являются нефтепродукты, минеральные соли (особенно хлориды), ПАВ, разнообразные химические реагенты, тяжелые металлы и др. Тяжелые металлы содержатся в ОБР как в связанной, так и в подвижной формах. Их присутствие в ОБР обусловлено поступлением из выбуренной породы.

Согласно исследованиям в области токсикологических оценок отходов бурения установлено наличие в образцах ОБР высоких содержаний таких элементов I и II классов опасности, как Pb, Hg, P, As, Cd, Zn, Аl, а также Fe и Na, которые во много раз превышают ПДК в воде. Установлено, что ОБР являются поликомпонентными отходами, относятся к III и/или IV классам опасности [3].

Наиболее распространенными являются глинистые буровые растворы на водной основе. Некоторые возможные компонентные составы ОБР представлены в табл. 1.

Таблица 1 Возможные компонентные составы ОБР, %

122

Образование и утилизация отработанных буровых раство-

ров. Предназначение буровых растворов – вынос выбуренной породы из зоны забоя. Поднимающаяся на поверхность смесь промывочной жидкости и породы подвергается разделению на твердую и жидкую фазы. БР регенерируют для повторного использования, но количество циклов регенерации ограничено. Когда регенерация БР более не представляется возможной, образуются отработанные буровые растворы, которые размещаются в амбарах (при амбарном бурении), либо накапливаются в специальных лотках (мульдах, при безамбарном способе бурения). Далее ОБР направляется на утилизацию.

Существует разнообразие способов утилизации ОБР. Некоторые из них – закачка в пласт для поддержания пластового давления, очистка и дальнейшее использование для приготовления новых БР, очистка до нормативных показателей и сброс в водные источники.

ОБР представляют агрегативно-устойчивую коллоидную систему, стабилизированную реагентами, что значительно осложняет их осветление и очистку. Существуют различные физико-химические методы обезвреживания ОБР: отстаивание, фильтрация, центрифугирование, электродиализ, ионный обмен, реагентная обработка коагулянтами и флокулянтами и др.

Добиться деградации устойчивых коллоидных систем, таких как ОБР, позволяет метод коагуляции – флокуляция. Метод характеризуется эффективностью осветления при сравнительно небольшом расходе реагентов. Он позволяет эффективно извлекать растворенные в суспензии коллоидные частицы.

Под коагуляцией понимают процесс нарушения агрегативной устойчивости дисперсной системы вследствие слипания частиц дис-

123

персной фазы под действием молекулярных сил притяжения и выпадения их в осадок.

Молекулярные силы притяжения незначительны на больших расстояниях, но все же больше сил отталкивания. Силы отталкивания начинают преобладать и быстро возрастают до максимального значения при сближении частиц до границ их ионных атмосфер. Возникает энергетический барьер, препятствующий сближению частиц. По физическому смыслу этот энергетический барьер соответствует расклинивающему давлению. Когда силы сцепления превысят энергетический барьер, т.е. расклинивающее давление, происходят агрегирование частиц и коагуляция бурового раствора.

На коагуляцию ОБР оказывают влияние некоторые факторы: изменение концентрации дисперсной фазы, изменение температуры, старение системы, воздействие электролитов. Наиболее важное теоретическое и практическое значение имеет коагуляция электролитами.

При попадании электролита в ОБР силы отталкивания между частицами постепенно ослабевают и при концентрации электролита, вызывающую быструю коагуляцию, исчезают. Происходит коагуляция бурового раствора. Дальнейшее увеличение концентрации электролита не изменяет скорость коагуляции.

Такая зависимость связана с тем, что малое количество электролита недостаточно для снижения энергетического барьера до уровня, при котором частицы, сталкиваясь друг с другом, слипаются.

Минимальная концентрация электролита, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Эта минимальная концентрация соответствует сжатию двойного электрического слоя до той степени, когда он перестает служить энергетическим барьером, предохраняющим частицы от слипания [4].

В качестве коагулянтов обычно используют сульфат алюминия (Al2(SО4)3), оксихлорид алюминия, сульфат железа (II) или (III), хлорид железа (III), а также карбонат кальция, гидроксид магния, фосфат кальция и др.

Цели работы – исследование процессов коагуляции отработанного бурового раствора, влияния дозы реагента на эффективность процесса, построение коагуляционной кривой и определение оптимальной дозы реагента.

Результаты и обсуждения. Были установлены физико-

химические свойства глинистого отработанного бурового раствора на водной основе, образованного на территории Пермского края (табл. 2).

124

В качестве коагулянта использовали раствор Al2(SO4)3 концен-

трацией 10 г/л по Al3+; 63,3 г/л по Al2(SO4)3.

Исходный ОБР давал осадок грубодисперсной фракции после отстаивания в течение 1 часа в объеме ≈10 % (рис. 1). Коагуляции подвергался отработанный буровой раствор, прошедший отстаивание и отделение осадка (рис. 2). Пять образцов ОБР помещали в градуированные цилиндры объемом 100 мл. Доза раствора коагулянта для каждого образца составляла 8, 10, 12, 14, 16 мл соответственно. В качестве вспомогательного вещества использовался флокулянт. Доза флокулянта не изменялась по образцам и составляла 3 мл, 3 % раствора полиакриламида марки «Аккофлок». Температура окружающей среды составляла ≈20 °С. После добавления реагентов содержимое цилиндров тщательно перемешивалось, проводились наблюдения за реакцией коагуляции.

Спустя 10 минут после внесения реагентов во всех образцах наблюдалось активное хлопьеобразование, расслоение суспензии и осаждение геля. Была зафиксирована незначительная интенсивность осветления раствора в образцах № 1 и 2. В образцах № 3–5 наблюдалось более интенсивное осветление (рис. 3).

Во всех образцах значительное изменение раствора прекратилось спустя 20 минут после внесения реагентов. Были зафиксированы осадок геля различного объема, разная степень осветления воды (рис. 4). В табл. 3 приведены характеристики образцов ОБР после проведения процесса коагуляции.

125

126

Рис. 3. ОБР через 10 минут после внесения реагентов

126

Таблица 3

Характеристики образцов ОБР спустя 20 минут после внесения реагентов

Исходя из полученных данных, была построена коагуляционная кривая и определен порог коагуляции (рис. 5).

Рис. 5. Коагуляционная кривая

Исследование образцов показало, что наибольший объем осадка и приемлемая степень осветления воды достигаются уже при дозе коагулянта 1,07 г/л по Al3+ (образец № 3). Увеличение дозы коагулянта в образцах № 4 и 5 не произвело значительного изменения степени осветления воды и увеличения объема осадка. Таким образом, был найден баланс между дозировкой реагента и степенью осветления ОБР.

В результате эксперимента была определена оптимальная доза коагулянта, которая составила 1,07 г/л по Al3+.

127

Список литературы

1.Тагилова О.А., Тропман Я.Л. Повышение эффективности управления нефтесодержащими отходами // Экология производства. – 2013. – № 9. – С. 60–65.

2.Хаустов А.П., Редина М.М. Охрана окружающей среды при добыче нефти. – М.: Дело, 2006. – 551 с.

3.Балаба В.И., Колесов А.И., Коновалов Е.А. Проблемы экологической безопасности использования веществ и материалов в бурении. – М.: ИРЦ Газпром, 2001.

4.Ермолаева Л.В. Механика буровых растворов. – Самара: Изд-во Самар. гос. техн. ун-та, 2012. – 47 с.

Об авторах

Жуков Тимур Николаевич – магистрант кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский поли-

технический университет, e-mail: z.timur.89@gmail.com.

Глушанкова Ирина Самуиловна – доктор технических наук,

профессор кафедры охраны окружающей среды, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, e-mail: irina_chem@mail.ru.

128

УДК 504.064.47

Ю.В. Завизион, Н.Н. Слюсарь

АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКИХ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ В МАССИВЕ ИХ ЗАХОРОНЕНИЯ

Представлены результаты оценки стабильности отходов старых свалок Пермского края с использованием термического и спектрального анализов. По спектральным диаграммам было определено, что с увеличением возраста отходов более высокая интенсивность поглощения неорганических соединений, таких как карбонаты и глинистые материалы. С увеличением срока захоронения отходов при термическом анализе выявлено смещение пиков начала горения образцов в более высокую область температур, а также снижение интенсивности тепловых потоков.

Ключевые слова: твердые коммунальные отходы (ТКО), полигон, свалка, инфракрасная Фурье-спектроскопия, дифференциальная сканирующая калориметрия, термогравиметрия.

Yu.V. Zavizion, N.N. Slyusar

ANALYSIS OF THERMAL AND SPECTRAL CHARACTERISTICS

OF MSW IN AN ARRAY OF WASTE DISPOSAL

In article presents the results of assessment waste stability the old dumps of Perm Krai by using thermal and spectral analysis. By spectral diagrams it has been determined that with increasing age waste revealed higher intensity of the absorption of inorganic compounds such as carbonates and clay materials. With the increase in period of waste disposal by thermal analysis identified peaks the displacement start of combustion the samples in a higher temperature range, and reduced intensity heat flows.

Keywords: MSW, landfill, dump, FTIR spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetry.

Долгосрочное поведение закрытого полигона захоронения отходов является важным вопросом с точки зрения оценки потенциала эмиссий. В результате процессов разложения отходов происходит об-

129

разование газообразных и жидких эмиссий на полигоне. Актуальной проблемой в настоящее время является оценка состояния свалочных тел и связанных с этим эмиссий загрязняющих веществ на заключительных этапах жизненного цикла полигона.

«Стабильным» полигоном ТКО является полигон, где масса захороненных отходов находиться в стабильном состоянии, т.е. эмиссии загрязняющих веществ не превышают экологически приемлемый уровень и не оказывают негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека [1]. Стабильность отходов в массиве полигона зависит от ряда взаимозависимых факторов: морфологический состав отходов, физико-химический состав отходов и фильтрата, возраст

иклиматические условия участка размещения полигона, интенсивность процессов деструкции отходов и т.д.

Для закрытых свалок и полигонов ТКО необходимо проведение исследований по оценке стабильности отходов в свалочном теле. Для оценки степени стабильности захороненных отходов используются методы определения физико-химических, биохимических параметров в твердом веществе и фильтрате. Применение данных стандартных параметров для оценки состояния объектов захоронения ТКО является достаточно трудоемким и длительным.

ВИнституте управления отходами Австрийского университета природных ресурсов и прикладных естественных наук (Institute of Waste Management, ABF-BOKU, Вена) в качестве альтернативных методов быстрой оценки стабильности отходов предложены методы термического и спектрального анализов.

Инфракрасная Фурье-спектроскопия используется для идентификации входящих в состав отходов химических веществ на основании инфракрасного спектра поглощения материала.

Метод синхронного термического анализа (СТА) основан на одновременной непрерывной регистрации изменений соответствующих характеристик образца в зависимости от времени или температуры при нагревании в соответствии с выбранной температурной программой

изаданной газовой атмосфере [2].

СТА включает термогравиметрию (ТГ) и дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК). ДСК предоставляет информацию о температурах и теплоте фазовых переходов, кинетике химических реакций, химическом составе, термической и окислительной стабильности образцов отходов.

130