4.10.3. Очистка промывочной жидкости от газа

В зависимости от концентрации газа в промывочной жидкости, выходящей из скважины, используют одно- или двухступенчатую системы его удаления.

Двухступенчатая система удаления газа из промывочной жидкости осуществляется по следующей схеме: газовый сепаратор (грубая очистка) – дегазатор (тонкая очистка) – вибросито. Двухступенчатую систему используют при большой концентрации газа в промывочной жидкости или в том случае, если газ токсичен (как, например, сероводород).

При небольшой концентрации газа используют одноступенчатую систему его удаления, осуществляемую по следующей схеме: вибросито (частичная дегазация) – дегазатор.

Конструктивно газовый сепаратор представляет собой герметичный баллон объемом до 4 м³ с целым рядом патрубков: входным, газовым, сливным и шламовым. Входной патрубок расположен тангенциально. При тангенциальном вводе загазированной промывочной жидкости в сепаратор резко снижается скорость потока промывочной жидкости и поток приобретает вихревое движение (возникает центробежная сила). В связи с этим газовый сепаратор объединяет в себе два способа разрушения пузырьков газа: экранный, работающий на принципе резкого торможения потока; центробежный, работающий на принципе вращения потока промывочной жидкости. Сочетание этих способов и обеспечивает интенсивное выделение газа из жидкости (действуют силы инерции и гравитации).

В основу работы используемых в бурении дегазаторов положен барометрический способ разрушения газовых пузырьков (изменение давления путем вакуумирования). При всех закрытых клапанах включается вакуум-насос. Как только разряжение достигает заданной величины, приемный клапан открывается и загазированная промывочная жидкость засасывается в камеру, где освобождается от газа, который отсасывается вакуум-насосом. Когда уровень промывочной жидкости в камере достигает максимально допустимой высоты, открывается выпускной (соединяет камеру с атмосферой) и сливной клапаны.

Обычно используют двухкамерные дегазаторы, камеры которых работают последовательно (в одной – слив, в другой – всасывание).

4.11. Основы экологизации и оптимизации качества промывочных жидкостей

Экологизация – деятельность, направленная на предупреждение или предотвращение отрицательного воздействия на окружающую природную среду (ОПС).

Актуальность экологизации промывочных жидкостей:

– промывочная жидкость имеет весьма непродолжительный «жизненный цикл», в конце которого она, как правило, вся превращается в отходы;

– промывочная жидкость – химическая продукция, содержащая широкий ассортимент различных материалов, химических реагентов и добавок, попадание которых в ОПС потенциально таит в себе опасность проявления негативных последствий.

Опасность нанесения ущерба ОПС промывочными жидкостями и отработанными промывочными жидкостями (ОПЖ) связана с высокой вероятностью их попадания в различные объекты ОПС, токсичностью содержащихся в них химических веществ и высокой концентрацией последних.

Пути экологизации промывочных жидкостей:

– минимизация объемов буровых отходов и токсичности той их части, которая подлежит размещению в ОПС;

– применение экологически безопасных промывочных жидкостей.

Для снижения масштабов и степени загрязнения ОПС необходимо:

– исключить утечки промывочных жидкостей из всех элементов наземной циркуляционной системы (НЦС) скважины и из мест сбора образующихся отходов бурения;

– утилизировать (вторично использовать) отходы бурения путем применения в процессе сооружения скважины безамбарной технологии, заключающейся в непрерывной очистке промывочной жидкости от шлама, полном разделении определенной части промывочной жидкости на твердую и жидкую фазы; повторном использовании жидкой фазы на разбавление, приготовление новых порций промывочной жидкости и другие цели, а по окончании бурения – в отверждении обезвоженной твердой фазы с помощью различных вяжущих добавок, в частности, цемента.

Недостатки безамбарной технологии:

– большинство существующих способов обезвреживания буровых отходов, в том числе и их отверждение, являются дорогостоящими, энерго- и трудозатратными и в то же время недостаточно надежными;

– не исключается загрязнение ОПС и, прежде всего, подземных вод, содержащимися в промывочной жидкости вредными веществами из-за неизбежной ее фильтрации в околоствольное пространство скважины и возможного поглощения.

Вывод: более радикальным путем решения экологических проблем в бурении является разработка и использование экологически безопасных промывочных жидкостей.

В основе реализации этого пути лежит возможность:

– контроля токсичности промывочной жидкости на всех этапах ее «жизненного цикла» (от разработки рецептуры до размещения отходов бурения в ОПС);

– сохранения токсичности промывочной жидкости в течение этого цикла в пределах, не превышающих допустимых для ОПС.

В нашей стране основным показателем токсикологического нормирования содержания вредных веществ в компонентах ОПС является предельно допустимая концентрация (ПДК).

О степени опасности для ОПС промывочных жидкостей и их отходов принято судить по кратности превышения содержания в них отдельных компонентов над установленной для каждого из этих компонентов ПДК.

Недостатки оценки экотоксичности промывочных жидкостей по кратности отношения концентрации их ингредиентов к ПДК:

– промывочная жидкость обладает такими свойствами, которых нет и не может быть у составляющих ее частей, поэтому кратность отношения концентрации отдельных компонентов промывочной жидкости к установленной для каждого из них ПДК не может дать интегральной оценки экотоксичности, так как при этом не учитывается способность химических веществ в комбинациях и различных сочетаниях друг с другом усиливать (синергизм) или ослаблять (антагонизм) вредное воздействие на объекты ОПС;

– многие химические реагенты, особенно полимеры, в процессе бурения подвергаются термической, биологической и другим видам деструкции, приводящей к изменению их свойств, в связи с чем установленные для них ПДК не могут оставаться, как это принято сейчас, неизменными.

Наиболее реальным способом преодоления отмеченных выше недостатков является переход на биотестирование непосредственно самих промывочных жидкостей.

Суть биотестирования заключается в определении суммарного синергетического и антагонистического действия содержащихся в тестируемых средах токсических веществ на живые организмы (тест-объекты).

В качестве тест-объектов применяются микроорганизмы (водные бактерии), простейшие (инфузории), губки, кишечно-полостные (гидры), круглые черви (коловратки), кольчатые черви (пиявки), моллюски, членистоногие (дафнии, креветки), червеобразные или щупальцевые (мшанки), хордовые (рыбы) и др.

Показатель токсичности исследуемой среды, называемый тест-функцией, связывают с изменением характеристик тест-объекта в целом или его отдельных частей.

Наиболее распространенные тест-функции: выживаемость (гибель), скорость роста (интенсивность размножения), поведенческие реакции (двигательная активность, затаивание или иммобилизация), частота дыхания, степень плазмолиза (отделения содержимого клетки от клеточных стенок), частота сердцебиения, скорость регенерации (восстановления) отдельных органов, биолюминесценция и др.

Биотесты должны удовлетворять следующим требованиям:

– базироваться на использовании широко распространенных и легко культивируемых тест-объектов, которые, в свою очередь, должны иметь достаточно высокую чувствительность к широкому спектру загрязнителей;

– обеспечивать возможность четкой регистрации реакций тест-объектов на воздействие токсикантов;

– отличаться простотой и экспрессностью;

– обеспечивать высокую точность, воспроизводимость и достоверность результатов.

В нашей стране наиболее распространенным биотестом является «дафниевый тест».

Дафнии (рачки) имеют достаточно крупные размеры, позволяющие вести за ними визуальные наблюдения, легко культивируются в лабораторных условиях и обладают достаточно высокой чувствительностью к различным токсикантам (порог чувствительности 0,001–0,1 мг/л).

Суть «дафниевого теста» заключается в следующем: готовят 5–7 проб исследуемого токсиканта, отличающихся концентрацией; в подготовленные пробы помещают по 10 дафний и фиксируют число погибших рачков в каждой пробе через 1, 6, 24, 48, 78 и 96 часов с момента начала испытаний.

По результатам «дафниевого теста» определяют ЛК₅₀ (LC₅₀) – среднюю летальную концентрацию токсиканта (кратность разбавления тестируемой среды), при которой за 96 часов гибнет 50 % дафний.

В нашей стране массовая оценка экотоксичности промывочных жидкостей ни с помощью узаконенного в 1990 г. «дафниевого теста», ни какого-либо иного биотеста, не проводится.

В США обязательное токсикологическое биотестирование промывочных жидкостей и их компонентов проводится с 1985 года. Стандартным тест-объектом при этом являются мизидовые креветки. Критерием токсичности промывочных жидкостей служит LC₅₀ – концентрация испытуемой среды (средней части отстоявшейся смеси промывочной жидкости с морской водой), при которой за 96 часов испытаний погибает 50 % креветок.

Основные недостатки биотестов с использованием креветок и дафний: высокая трудоемкость, большие затраты времени (96 часов) на получение результата.

Преодолеть эти недостатки можно лишь при инструментальной оценке воздействия токсикантов на биологический объект испытаний.

В нашей стране серийно выпускается прибор «Биотестер-2», в котором в качестве тест-объекта используются инфузории туфельки (Рaramecium сaudatum). Согласно технической характеристике прибор «Биотестер-2» представляет собой специализированный импульсный фотометр, позволяющий определять концентрацию живых движущихся клеток инфузорий в верхней (рабочей) части измерительной кюветы, помещаемой в кюветный модуль прибора.

Осуществляемый с помощью данного прибора стандартный биотест базируется на том, что для нормальной жизнедеятельности инфузориям туфельки необходим молекулярный кислород, который они получают в основном на границе раздела фаз жидкость – воздух. По этой причине инфузории туфельки склонны перемещаться в верхние слои своей среды обитания. При отсутствии каких-либо раздражителей инфузории в этих слоях находятся в постоянном беспорядочном движении, скорость которого при комнатной температуре составляет 2–2,5 мм/с.

Таблица 4.33

Классификация промывочных жидкостей

по уровню токсичности (США)

Категория токсичности	Значение LC50, промилле (частей на миллион или млн-1)
практически нетоксичные	более 100000
слаботоксичные	10000–100000
умеренно токсичные	1000–10000
токсичные	10–1000
сильно токсичные	менее 10

В результате исследований, выполненных в ТПУ с целью создания методики оценки экотоксичности промывочных жидкостей на базе прибора «Биотестер-2», установлено следующее:

– в качестве тест-реакции необходимо использовать не избегание тест-объектом токсичной среды, а его двигательную активность в ней;

– тест-реакцию инфузорий туфельки следует оценивать в таких пределах концентрации токсиканта, которые соответствуют стадии «угнетение», т.е. вызывают снижение двигательной активности клеток;

– в стадии «угнетение» двигательная активность тест-объекта зависит от концентрации токсиканта, причем для самых различных химических веществ эта зависимость имеет явно выраженный линейный характер и выходит из начала координат.

Установленная взаимосвязь между двигательной активностью тест-объекта и концентрацией тестируемого вещества позволяет характеризовать его экотоксичность следующим показателем

К_т = С_т / S_а, (4.118)

где К_т – коэффициент экотоксичности, мг/л (млн^-1) / %; С_т – концентрация токсиканта во взвеси клеток тест-объекта, мг/л (млн^-1); S_а – степень снижения двигательной активности тест-объекта, % .

S_а = (1 - П_т / П_к ) ×100, (4.119)

где П_к – показания прибора для исходной взвеси клеток (контрольные), усл. ед.; П_т – показания прибора при введении в исходную взвесь клеток токсиканта, усл. ед.

Из анализа формулы (4.119) следует, что при П_т = П_к S_а = 0 %, а при П_т = 0 S_а = 100 %, т.е. возможное изменение степени снижения двигательной активности клеток находится в пределах от 0 до 100 %.

Рекомендуется по возможности в максимально идентичных условиях проводить от трех до пяти повторных испытаний одной и той же среды, производя отбраковку резко выделяющихся значений степени снижения двигательной активности тест-объекта известными методами математической статистики. При этом концентрацию токсиканта в испытаниях желательно выбирать такой, чтобы степень снижения двигательной активности тест-объекта (S_а) находилась в пределах 20–80 %. При S_а меньшей 20 % и большей 80 % возможно искажение результатов из-за явлений, обусловленных соответственно стимуляцией двигательной активности и плазмолизом клеток тест-объекта.

Продолжительность одного испытания составляет 30 мин.

Методика биотестирования (патент 2112977 РФ), разработанная в ТПУ, пригодна для оценки экотоксичности как промывочных жидкостей и их компонентов, так и различных отходов бурения. Причем это справедливо не только по отношению к гидросфере, но и по отношению к почве и атмосфере, т.е. по отношению ко всем компонентам ОПС.

Все это делает данную методику действительно незаменимым инструментом для решения экологических проблем в бурении.

Эффективность процесса промывки скважин в значительной степени определяет затраты средств и времени не только на собственно бурение, но и на ликвидацию его негативных для ОПС последствий. Эти последствия связаны, прежде всего, с образованием больших объемов отходов, главными источниками которых являются промывочные жидкости (ПЖ) и загрязняемая им разрушенная горная порода (РГП), а также с содержанием в отходах различных химических реагентов, что обусловливает токсичность отходов по отношению к биологическим объектам ОПС (экотоксичность).

Анализ влияния различных факторов на формирование объема основных отходов бурения свидетельствуют о том, что большинство из этих факторов являются управляемыми.

Об экологичности той или иной технологии можно судить по объемам и экотоксичности отходов, подлежащих размещению в ОПС.

Для оценки достигнутого уровня экотехнологии промывки скважин, сравнения ее возможных альтернативных вариантов и выбора из них наиболее предпочтительного, предлагается руководствоваться следующим критерием

К_эт = argmin (У / V_п^н), (4.120)

где К_эт – критерий, характеризующий уровень экотехнологии промывки скважин, руб./м³; V_п^н – номинальный плановый объем горной породы, разрушаемой в процессе бурения, м³; У – ущерб, причиняемый ОПС основными отходами бурения, руб.

Номинальный плановый объем породы, разрушаемой при сооружении отдельной скважины, может быть определен по формуле

_{m k}

V_п^н = 0,785 [S Dн_i² Lн_i - S Dк_j² Lк_j], (4.121)

^{i=1 j=1}

где m – число интервалов скважины, разбуриваемых породоразрушающим инструментом (ПРИ) разного диаметра; Dн_i – диаметр ПРИ в i-ом интервале бурения, м; Lн_i – длина i - го интервала бурения, м; k – число интервалов отбора керна разного диаметра; Dк_j – диаметр керна на j-ом интервале керноотбора, м; Lк_j – длина j-го интервала керноотбора, м.

Ущерб, наносимый ОПС отходами бурения, предлагается оценивать по следующей формуле

_n

У = П_уд {[S V_i × ЭТ_i (ЭТ_i / ЭТ_н)²]×(V_ф^ОПЖ / V_н^ПЖ)^1,5 × (V_ф^РГП / V_п^н)}, (4.122)

ⁱ⁼¹ где П_уд – плата за размещение в ОПС 1 м³ отходов бурения с соответствующей норме экотоксичностью, руб.; n – число отдельно собранных компонентов отходов бурения, например, отработанная промывочная жидкость (ОПЖ); жидкая фаза ОПЖ; твердая фаза ОПЖ и др.; V_i – фактический объем i-го компонента отходов, м³; ЭТ_i – фактическая экотоксичность i-го компонента отходов бурения, усл. ед.; ЭТ_н – нормируемая начальная экотоксичность исходной промывочной жидкост, усл. ед.; V_ф^ОПЖ – фактический объем отходов отработанной промывочной жидкости, м³; V_н^ПЖ – номинальный потребный объем промывочной жидкости, м³; V_ф^РГП – фактический объем отходов извлеченной из горного массива разрушенной породы, м³.

Анализ показывает, что критерий К_эт (см. 4.120) может быть положен в основу не только оценки уровня технологического менеджмента, касающегося промывки скважин, но и буровых работ в целом, поскольку он прямо или косвенно охватывает практически все составляющие оценки их эффективности.