ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПО УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ

Отходы бурения при добычи нефти и газа в настоящее время являются актуальной и наиболее значимой проблемой, решение которой требует постоянного контроля и больших денежных средств. Утилизация буровых отходов – это задача, которая должна решаться в кротчайшие сроки, а самое главное с эффективностью для благоприятного состояния окружающей среды.

Существует множество технологий по утилизации и/или обезвреживанию отходов бурения, которые направлены на нейтрализацию рН, устранение или уменьшение из объема отходов бурения содержания нефтепродуктов, ликвидацию текучести отхода.

Выбор технологии по утилизации шламов при добычи нефти и газа происходит с учетом множества факторов, при этом рассматриваются: метод добычи нефти и газа, оборудование и его техническое состояние на кустовой площадке, климатогеографические характеристики района, наличие и удаленность карьеров добычи сухоройного песка, сапропеля, торфяных залежей, ближайшие промышленные комплексы, наличие электроэнергии и топлива, конструкция шламонакопителя, требования контролирующих природоохранных органов.

В производство внедряются новые методы утилизации отходов бурения нефти и газа, совершенствуются и улучшаются старые, проверенные способы. Все чаще в регионах Российской Федерации регистрируются юридические лица в целях научно-исследовательских и проектных работ по разработке технологических регламентов по утилизации и/или обезвреживанию отходов бурения, которые также готовы помочь пройти государственную экологическую экспертизу и получить остальную разрешительную документацию.

Комплексное применение различных способов позволяет добиться максимальной эффективности утилизации буровых отходов. Каждый из способов утилизации и/или обезвреживания требует комплексного изучения с исследованиями закономерностей технологических процессов и лабораторным контролем получаемой готовой строительной смеси.

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

– термические – сжигание нефтезагрязнённого грунта в открытых шламовых амбарах, в термических печах различной производительностью и мощностью;

– физические – захоронение в специальных могильниках, разделение в установках с центрифугой, фильтрование буровых отходов вакуумом и давлением;

– химические – экстрагирование отходов различными растворителями, отверждение с применением гипса, цемента, суглинок и других, как органических, так и неорганических добавок;

– физико-химические – применение сорбирующих реагентов и добавок, которые изменяют физико-химические свойства, класс опасности и других характеристик буровых отходов;

– биологические – добавление в отходы бурения микробиологических препаратов и организмов, в целях их дальнейшего разложение в почве [4].

Так или иначе, все вышеперечисленные способы направлены на уменьшение негативного влияния на окружающею среду посредством снижения риска миграции загрязняющих веществ.

Обычно в составе буровых отходов содержится вода (20-50%), оксиды, такие как кремний (40-60%), алюминий (10-20%), углерод (7-9%), железо (5-8%), кальций (2-5%), магний (1,5-3%), натрий (0,5-1%), калий (0,4-2%), бор (0,3-0,5%), фосфор (0,03-0,05%), марганец (0,03-0,1%), а также их сульфаты и хлориды. Содержание нефти и нефтепродуктов составляет около 5%, поверхностно-активных веществ до 0,5%.

Так как в составе бурового шлама присутствует порода (60–80 %), органическое вещество (8-10 %), водорастворимые соли (6 %), нефть, разнообразные реагенты и т. п. [3], то самое главное воздействие на окружающую среду заключается в загрязнении объектов природной среды химическими компонентами, минеральными соединениями солей и нефтепродуктами.

Суммарный объем образующихся выбуренных пород на одной скважине составляет около 419,2 м²[4]. Помимо бурового шлама в отходах бурения присутствуют сточные буровые воды (код по ФККО: 2 91 130 11 32 4) и буровые растворы (см. табл. 1).

Таблица 1.

Перечень отходов буровых растворов I - IV класса опасности

Существуют методы разделения отходов бурения на твердую и жидкую фазу. При этом, жидкую фазу используют для закачки в скважину для поддержания пластового давления, а твердую фазу (буровой шлам) используют в целях получения строительного материала, который в дальнейшем может быть использован для отсыпки отраслевых дорог, кустовых обваловок или для проведения технической рекультивации нарушенных земель.

Перспективным технологическим решением по утилизации шламовых отходов можно считать их отверждение (солидификацию) с дальнейшим захоронением под слоем минерализованного грунта или применением в хозяйствуюшей отрасли. Глинообразная отвердевшая смесь служит как строительный материал или, после измельчения, как удобрение. Для отверждения шламов их обрабатывают активирующими компонентами. В качестве отвердителей используют материалы-крепители, такие как полимерные добавки, карбамидные смолы, гипс, цемент, жидкое стекло и др. Для ускорения сроков схватывания его содержание увеличивают или вводят полиэлектролиты (поваренная соль, хлористый кальций, кальцинированная сода).

Проведено большое количество опытно-промышленных испытаний по отверждению шламовых отходов нефти и газа с добавлением портландцемента, карбамидно-формальдегидных смол и полимерного реагента, представляющего собой раствор полиуретановых предполимеров с концевыми изоциануратными группами. При этом добавки бария и минеральных солей увеличивают скорость отверждение отходов бурения и увеличивают прочность образцов, а полимерные и органические реагенты (буровые марки КМЦ, УЩР, КССБ) замедляют отверждение и снижают прочность отвержденного материала [5].

В качестве вяжущего исследовали карбамидную смолу марки КФЖ с добавкой двойного суперфосфата в качестве отвердителя. Наибольшая прочность утвержденного материала отмечена через 21 сутки при содержании корбамидной композиции (отношение смолы к отвердителю 1:1) в количестве 5-6%. Отвержденная смесь устойчива по отношению к воде.

В практике утилизации отходов бурения известен «Композиционный строительный материал», который включает буровой отход, песок и добавки (Патент РФ №2503635, C04B 11/26, 28/04, B09B 3/00, опубл. 10.01.2014 г., прототип) [2]. Недостатком указанного «Композиционного строительного материала» является отсутствие в составе композиции сорбентов, необходимых для нейтрализации органических загрязнителей, содержащихся в буровых шламах (в первую очередь, углеводородов нефти), что влияет на токсичность материала – отмечается недостаточное снижение токсичности.

В целях разработки новой технологии по утилизации буровых отходов, нами были проведены опытно-промышленные испытания на 3-х экспериментальных площадках Западной Сибири. Все пробы различались по содержанию нефтепродуктов, основных компонентов, pH, влажностью, количеством радионуклидов. Основными компонентами получения строительного материала при утилизации отходов бурения являлся: гипс, песок, сорбент «Green Sorb», удобрение и торф.

Строительный гипс используют в качестве отвердителя. Гипс позволяет использовать его в интервале температур от минус 40°C до плюс 40°C, который приводит к загущению смеси, связыванию компонентов буровых отходов, тем самым предотвращая растворение токсичных веществ под воздействием компонентов окружающей среды и снижая поверхность контакта буровых отходов с окружающей средой.

Песок природного и искусственного происхождения используют в качестве минерального наполнителя смеси с размером частиц от 2,7 мм до 3,1 мм. Использование песка позволяет повысить рыхлость смеси и прочностные качества материала.

Сорбент «Green Sorb» ТУ 2164-001-20625357-2014, обладающий большой пористостью, способностью породы к адсорбции и высокой кислотостойкостью, представляет собой рыхлый, слабо сцементированный, пылеватый и мелкодисперсный сорбент. Внесение в заданном количестве сорбента обеспечивает песку дополнительный сорбционный эффект, увеличивая его поглотительную емкость, повышая связывающую и капсулизирующую способность смеси, тем самым повышая эффективность нейтрализации токсичных компонентов буровых отходов (в первую очередь, нефти).

Применение гипса, песка и сорбента в заданных количествах и в заданной последовательности позволяет повысить качество полученной смеси и, как следствие, повышение эксплуатационных возможностей заявленного материала. При этом заявленный Строительный материал приобретает повышенные эксплуатационные возможности и повышенные прочностные характеристики в короткие сроки.

Результатами лабораторно-аналитических исследований подтверждено качество и эффективность использования данной технологии.

Рисунок 1.  Динамика снижения содержания нефтепродуктов (г/кг)

При определении содержания нефтепродуктов в отходах бурения и после их утилизации в целях получения строительного материала, отмечалось снижение содержание нефтепродуктов в 92,6 раза для буровых шламов опытной площадки №1, в 89,4 раза - для опытной площадки №2 и в 74,5 для опытной площадки №3.

Правительством Ханты-Мансийского автономного округа-Югры и Ямало-Ненецкого автономного округа были утверждены региональные нормативы «Допустимое остаточное содержание нефти и нефтепродуктов в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ», в которых нормативной величиной остаточного содержания нефтепродуктов принято значение 5 г/кг. Концентрация нефтепродуктов в почвах после утилизации отходов бурения во всех экспериментальных пробах не превышала допустимое нормативное значение (рис. 1).

Рисунок 2. Содержание хлорид ионов в экспериментальных пробах (мг/кг)

Содержание хлорид-ионов в процессе переработки (использования) отходов бурения уменьшилось в 2,4 раза для экспериментальной площадки №1,2, а для площадки №3 в 2,7 раза (рис. 2).

В процессе экспериментального опробования рецептуры получения строительного материала при утилизации отходов бурения, отмечалось снижение радиологической нагрузки. Удельная активность Ra-226 снизилась в среднем в 1,5 раза, Th-232 в 1,4 раза. Удельная активность K-40 в среднем снизилась в 2,3 раза (рис. 3).

Рисунок 3.  Радиологические исследования экспериментальных проб (Бк/кг)

Все пробы по радиологическим показателям соответствовали требованиям СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиологической безопасности НРБ-99/2009», СанПиН 2.6.1.2800-10 «Гигиенические требования по ограничению облучения населения за счет природных источников ионизирующего излучения». Данные материалы по эффективной удельной активности природных радионуклидов относятся к первому классу и могут использоваться без ограничения по радиационному фактору.

В соответствие с ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов» и критериям для организации контроля и принятия решений (№5789-91 от 10.06.91г.) все пробы относятся к I-му классу материала с областью применения во всех видах строительства, включая дорожное строительство в пределах населенных пунктах и зон перспективной застройки.

Таким образом, по результатам опытно-промышленных испытаний нами была разработана и согласована техническая документация на новую технологию утилизации отходов бурения на основе эффективного природного сорбента, были получены сертификат соответствия по системе сертификации ГОСТ Р и техническое условие 5711-001-36421504-2016, что позволяет значительно расширить спектр промышленных методов переработки отходов нефтедобычи.

Список литературы:

1. Король, В.В. Утилизация отходов бурения скважин / В.В. Король, Г.Н. Позднышев, В.Н. Манырин // Экология и промышленность России. – 2005. – №1. – С. 40-42.
2. Патент РФ №2503635, 10.01.2014.
3. Тетельмин В. В., Язев В. А. Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – Долгопрудный. Издательский дом «Интелект», 2009. – 352 с.
4. Техника и технология поэтапного удаления и переработки амбарных шламов / В.В. Баширов [и др.]. – М.,1992.
5. Яманина Н.С., Фролова Е.А., Филиппова О.П., и др. Утилизация отходов машиностроительных и нефтеперерабатывающих предприятий //Экология и промышленность России, октябрь 2001. С. 13-15.