CC BY
286
УДК 665.667
И. В. Мельник, И. И. Чиник
ДЕТОКСИКАЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И БУРОВЫХ ШЛАМОВ
Исключить воздействие нефтедобывающей отрасли на окружающую среду в настоящее время не представляется возможным. В связи с этим возникает необходимость разработки новых и усовершенствования существующих технологий восстановления нефтезагрязненных и нарушенных земель.
Одним из самых опасных источников загрязнения в нефтедобывающей промышленности являются шламовые амбары. Шламовые амбары - это копаные ямы в теле буровых площадок или примыкающие к ним, заполненные отходами бурения - буровыми растворами, горной породой, глиной, цементом, водой и пр. Отходы бурения относят к IV классу токсичности, по этой причине они подлежат захоронению, которое заключается в засыпке привозными грунтами.
Одним из перспективных направлений рекультивации нефтезагрязненных земель является использование гуминовых веществ (ГВ) или сорбентов на их основе. Это обусловлено тем, что ГВ проявляют свойства мелиорантов (благотворно влияют на физические и химические свойства почв путем их структурирования, увеличения влагоемкости, улучшения газообмена и т. д.), сорбентов (связывают гидрофобные органические соединения по механизму физической сорбции, а ионы металлов - по механизму ионного обмена), антидотов (вступают в химические реакции с широким спектром как органических, так и неорганических соединений). Кроме того, почвы, обогащенные ГВ, могут выдерживать гораздо более высокие техногенные нагрузки [1].
Детоксикация средне- и высокоминерализованных отработанных буровых растворов (ОБР) и буровых шламов (БШ) в наших исследованиях проводилась с использованием гумино-минеральных концентратов (ГМК), получаемых из достаточно распространенных и дешевых буровых углей. Рассматриваемая технология характеризуется двуединой природоохранной направленностью. С одной стороны, обработка либо ОБР, либо БШ их смешением с ГМК обеспечивает решение задач трансформации этих отходов бурения скважин нефте- и газодобывающих предприятий в менее опасные для биосферы материалы, использование которых в качестве ГМК, с другой стороны, позволяет реализацию не менее экологически важных задач рекультивации почв.
Гуминоминеральный концентрат, используемый в рассматриваемой технологии, представляет собой гелеобразную массу черного цвета (рН 6,5-7,5), содержащую не менее 15 % (от массы сухого вещества) гуминовых кислот, получаемых из бурых низкозольных углей. Этот продукт предназначен для формирования почв из грунтов естественного и искусственного происхождения, восстановления свойств и плодородия деградированных почв, связывания тяжелых металлов, сорбции и интенсификации разложения органических загрязнений (в частности, углеводородов нефти и нефтепродуктов). Входящие в состав ГМК соединения имеют ряд функциональных групп, обеспечивающих возможность реакций с различными веществами, что способствует эффективной детоксикации ОБР. Гуминовые кислоты препарата, в частности, взаимодействуют с металлами с образованием нерастворимых в воде гуматов тяжелых металлов, а с органическими загрязнениями образуют химические ассоциаты [2].
В состав буровых растворов, приготовляемых с использованием воды, обычно входят бентонитовая глина, гидроксид натрия (агент диспергирования бентонита), органический стабилизатор раствора (лигнит, лигносульфонат кальция, полиакрилат натрия), утяжелитель, увеличивающий плотность раствора с целью облегчить вынос им частиц породы (обычно барит), и другие вещества, обеспечивающие цементирование пористых слоев, нейтрализацию действия грибов и бактерий и т. п. В этой связи ОБР, как и буровые шламы, образуемые в основном выбуренными породами, представляют собой опасные для биосферы отходы, аккумулируемые на территориях буровых в специально оборудованных земляных амбарах-хранилищах.
Для рекультивации нарушенных земель используются два варианта технологических схем приготовления ГМК. Первый из них ориентирован на использование ОБР из циркуляционной системы скважины и имеющейся на буровой смесительной установки механической мешалки. Второй вариант связан с использованием ОБР, находящегося в земляном амбаре, и миксера-
бетононосителя. При хранении, вследствие расслаивания, ОБР может образовывать жидкую и твердую фазы, что обусловливает потерю подвижности последней. В таком случае для придания ОБР консистенции, обеспечивающей необходимую для его перекачивания подвижность, осуществляют операцию «разбивки». Необходимым условием успешной реализации процесса утилизации ОБР и БШ является их качественная подготовка и обработка отверждающим составом, обеспечивающая однородность смешения и соблюдение требуемых условий протекания реакций структурообразования в обработанной массе. В связи с этим представляется рациональным рассматривать обработку подвижных полужидких отходов бурения как продолжение технологической схемы основного процесса бурения. Для этого в технологическую схему системы циркуляции бурового раствора, реализуемой с помощью оборудования и механизмов циркуляционной системы буровых установок, должны быть вмонтированы модуль-блоки, обеспечивающие указанные выше процессы.
Принципиальными составными элементами таких модулей являются:
- узел сбора и подготовки ОБР к разделению на жидкую и твердую фазы;
- узел подачи твердой фазы после разделения ОБР и бурового шлама;
- узел обработки подаваемой массы отверждающим составом;
- узел транспорта обработанной массы на пресс;
- прессование и выгрузка на рельеф местности (почвы) или загрузка в транспорт для вывоза к месту утилизации подготовленных отходов;
- элементы контроля и автоматики за указанным технологическим процессом.
Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 1. Твердая фаза, выделенная из центрифуги 1, и шлам, поступающий из всех элементов 3, 4, 5 очистки бурового раствора, транспортером 2 подается в бункер приема шлама. Одновременно со шламом в бункер поступает дозированное количество отверждающего состава из бункера 7. При наполнении бункера 6 весовым автоматом открывается люк в днище, и смесь поступает в лопастный смеситель 8. В смесителе шлам и обезвреживающий состав перемешиваются, и порциями смесь подается ленточным транспортером 9 в пресс-автомат 10. Из пресса сформированные отходы бурения транспортером 11 подают к месту захоронения отходов в пределах буровой площадки или загружаются в автомобиль для последующей утилизации.
Рис. 1. Технологическая схема:
1 - высокоскоростная центрифуга очистки бурового раствора и обезвоживания ОБР;
2 - транспортер подачи шлама на обезвреживание; 3 — илоотделитель; 4 - пескоотделитель; 5 - вибросита;
6 - бункер приема дозированной порции шлама; 7 - бункер с обезвреживающим составом; 8 - смеситель; 9 - транспортер выгрузки обезвреженного шлама; 10 - установка для сухого прессования;
11 — отходы бурения, подготовленные к утилизации
Дозу (О) внесения ГМК в нарушенные земли и почвы в т/га в общем случае определяют по формуле
D = 300 ■ рН,
где 300 - экспериментально устанавливаемый коэффициент; р - плотность грунта в т/м3; Н - глубина корнеобитаемого слоя, м. Она составляет 3,7-7 кг по сухому веществу на одну тонну сухого вещества почвы или 30-30,7 кг на 1 т почвы по исходному ГМК.
Вносимая доза может быть скорректирована в соответствии с местными условиями. Рекомендуемое однократное внесение обоснованной таким образом дозы ГМК не оказывает негативного влияния на объекты и способствует восстановлению утраченных в результате хозяйственной деятельности свойств почвы и ее растительного покрова.
Оптимальное отношение ГМК:ОБР при получении ГМК составляет от 1:1,85 до 1:2,5 (по сухому веществу). С учетом содержания сухого вещества в ОБР (25-33 %) это отношение выполняется при массовых отношениях геля ГМК и раствора ОБР от 1:1 до 1:1,05, т. е. практически 1:1. Простая технология получения ГМК не требует организации автоматического контроля. Гуминоминеральные концентраты готовят непосредственно на буровой скважине и используют на месте сразу после получения. Этот продукт не хранят, при отсутствии условий для использования по прямому назначению его складируют в глиняные (шламовые) амбары. Места и процессы детоксикации ОБР и БШ предполагают экологический мониторинг путем контроля состава приземного воздуха, почв (грунтов) и водных объектов.
Испытание технологии детоксикации ОБР их обработкой ГМК осуществлялось на предприятии «Дочернее общество с ограниченной ответсвенностью «Бургаз» (скважина Девонская № 1 в Астраханской области). На территории буровой был выбран участок, выровнен и размечен согласно схеме опыта (рис. 2).
2 1 3
1 3 2
3 2 1
Рис. 2. Схема опыта: 1 - абсолютный контроль; 2 - вариант с внесением БШ; 3 - вариант с внесением мелиоранта
Делянки разместили в виде квадратов размерами 1/1 м2, между делянками оставили разделительные полосы шириной 20 см. Почвенные пробы отбирали с каждой делянки методом «конверта» из слоя 0-20 см для проведения агрохимического анализа, определения структурного состава и т. д.
В результате испытаний был выявлен ряд преимуществ исследуемой технологии по сравнению с известными способами очистки и обезвреживания отходов бурения. Помимо относительной простоты ее реализации, гуминовые кислоты, вводимые в почву в составе ГМК, способствовали накоплению важнейших элементов питания растений, в частности, в виде мало-и нерастворимых соединений с катионами металлов, ускоряя протекание биогеохимических процессов. Результатом этих процессов является нейтрализация большого количество токсикантов неорганической и органической природы, улучшается структура почвы, увеличивается ее влагоемкость, что стимулирует рост растений.
Вместе с тем в исследуемой технологии отмечается и ряд недостатков. Так, например, в Астраханской области увеличение дозы внесения ГМК до 300 т/га подавляет всхожесть некоторых зерновых культур. Это обстоятельство позволяет предполагать возможное проявление в различных геологических условиях свойств фитотоксичности с увеличением дозы внесения ГМК. Кроме того, данные разовых трехнедельных вегетационных испытаний, особенно при отсутствии каких-либо сведений о почвах, можно рассматривать лишь как первичную информацию, требующую обстоятельной проверки.
Известно также, что растения вокруг своих корней создают кислую среду с рН около 4,8. В этой связи внесение в почву ГМК, обладающего величиной рН не менее 8 и содержащего мало- и нерастворимые металлы, может обусловливать растворение (подвижность) многих токсичных металлов ГМК и, как следствие, их усвоение растениями с дальнейшими негативными последствиями для соответствующих трофических цепей [3].
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Глебова Г. И. Гиматомелановые кислоты и их место в системе гумусовых веществ: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - М., 1999. - 23 с.
2. Приходько Л. А., Горовая А. И., Глоба М. П., Кулик А. Ф. Эффективность гуминовых и минеральных удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур на фоне повышенных доз атразина // Гу-миновые удобрения. Теория и практика их применения. - Днепропетровск, 2000. - Т. 7. - С. 265-271.
3. Биорекультивация нефтезагрязненных почв гуминовыми препаратами / К. М. Салем, И. В. Перминова,
Н. Ю. Гречищева и др. // Экология и промышленность России. - Астрахань, 2003. - С. 19-21.
Статья поступила в редакцию 25.03.2008
DETOXICATION OF THE USED DRILLING AGENT AND THE DRILLING CUTTINGS
I. V. Melnik, 1.1. Chinik
Detoxication of the middle and highly mineralized used drilling agents and drilling cuttings was carried out with the help of the humic mineral concentrates, received from the widespread and cheap drilling coals. The advantages of the investigated technology are the following: besides the relative simplicity of its realization the humic acids, entered into the ground in the structure of humic mineral concentrates, promote the accumulation of the major elements of the plants food in the form of little- and insoluble compounds with metal cations, speeding up the course of biogeochemical processes; the result of these processes is neutralization of the big quantity of the inorganic and organic toxic substances, the improvement of the ground structure, the increase of its moisture. A number of the disadvantages was also mentioned, it gives an opportunity to guess some possible displays in various geological conditions of phytotoxicity with the increase in humic mineral concentrate doze entering.
Key words: detoxication, drilling agents, drilling cuttings, humic mineral concentrates, toxic substances, ground, structure, dozes, phytotoxicity.
