Экспериментальные работы по переводу загрязненного рассола в подземных емкостях в гелеобразное состояние Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© А.А. Лапиикий, 2003

УЛ К 541.1

А.А. Лапиикий

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО ПЕРЕВОЛУ ЗАГРЯЗНЕННОГО РАССОЛА В ПОЛЗЕМНЫХ ЕМКОСТЯХ В ГЕЛЕОБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ

Настоящая работа является составной частью комплексной темы, связанной с ликвидацией подземных емкостей (ПЕ) в каменной соли на Астраханском ГКМ, созданных с использованием специальных методов и заполненных загрязненным рассолом.

Поэтому, основной целью экспериментальных работ было установление возможности связывания или отверждения рассолов в подземных емкостях путем цементирования или перевода его в гелеобразное состояние и разработка рекомендаций для корректировки проектов закрытия подземных емкостей объекта «Вега» Астраханской области.

Все исследования проводились экспериментальным методом в лабораторных условиях по уже отработанной методике отверждения рассола [1]. За основу принят способ, который предполагает в натурных условиях на поверхности затворение на рассоле или на дизельном топливе цемента или другого материала и закачка полученного раствора в емкость, а также подача в подземную емкость цемента или другого материала при обеспечении необходимой подвижности смеси для прокачки насосами.

Для исследований были выбраны нефелиновый концентрат, обрабатываемый серной кислотой; магнезиальный шлам, представляющий собой отходы магниевого производства карналлитовых хлораторов, обладающий хорошими вяжущими свойствами; и традиционный тампонажный портландцемент, принятый в качестве отверждающего материала по проекту ВНИИПромтехнологии.

Нами были проведены опыты по совершенствованию отверждения РО с применением гель-технологии. С этой целью были проведены исследования по изучению водоотдачи, статического напряжения сдвига (СНС) и динамической вязкости гелей и нарастанию ее во времени до состояния полного загустевания и потери подвижности, что дает возможность исключить утечки связанного таким образом рассола из подземной емкости. Получены следующие результаты: водоотдача гелей, определенная на приборе ВМ-6, составила 51-95 см3/30 мин (рис. 1); статическое напряжение сдвига достигает 366-499 дПа; динамическая вязкость достигает 1500-2800 мПа-с (рис. 2, 3).

Связывание рассола в подземных емкостях с использованием гель-технологии возможно по двум вариантам: 1-й - выдача порции рассола на поверхность для приготовления нефелиновой смеси с последующей закачкой ее в емкость и 2-й - приготовление нефелиновой смеси на дизельном топливе на поверхности и подача ее в емкость с последующим

отбором части топлива с поверхности рассола и повторным использованием.

При этом стоимость 1 м3 серной кислоты составляет 1000 руб., а 1 т нефелинового концентрата - 790 руб.(по состоянию на 01.06.2001 г.).

Предлагаемый состав при подаче на рассоле: на 1000 м3 - 75 т нефелина и 31 м3 кислоты; а при подаче на дизельном топливе: на 1000 м3 рассола - 150 т нефелина и 75 м3 кислоты.

В связи с требованиями Госатомнадзора проводились эксперименты и по отверждению рассолов до камневидного состояния. С портландцементом там-понажным ПЦТ работы можно осуществлять по двум вариантам: 1-й - затворение цемента рассолом, отбираемом из той же емкости, на поверхности и закачка цементного раствора обратно в емкость, 2-й -подача сухого цемента на дизтопливе в емкость. При первом варианте обеспечивается отверждение рассола с образованием прочного цементного камня, устойчивого во времени. Максимальное количество рассола связываемого и отверждаемого портландцементом марки ПЦТ Д-20-50 может составлять при жидко-твердом отношении (ж/т) 0,5 на 100 мл рассола 200 г портландцемента, а с добавками ПАВ в пределах 0,1-0.2% связывание рассола повышается до ж/т 0,6-0,8.

При втором варианте подача предварительно гидратированного (до 20% рассола) цемента на дизельном топливе в емкость производится при ж/т 0,67 и обязательном барботировании поданной смеси в емкость. Как показали исследования, при таком способе цементирования происходит образование цементного камня с суспензией, состоящей из цемента + рассол + дизтопливо. Недостатком этого метода является необходимость утилизации суспензии и необходимость барботирования. По данным ВНИИПромтехнологии, для цементирования емкости объемом 1000 м3 потребуется 860 т портландцемента ПЦТ-50 и 160 м3 дизельного топлива.

Для отверждения радиоактивного рассола нами был найден и предлагается материал на основе шлама - отхода магниевого производства.

Проведенные исследования по связыванию насыщенного рассола ИаС1 шламом при ж/т 2,2 показали следующие результаты:

растекаемость раствора по конусу АзНИИ, мм 260 плотность раствора, кг/м3 1390

начало и конец схватывания, сут. 3-10

прочность при изгибе в возрасте 10 суток, кг/см2

10-15

прочность при сжатии в возрасте 28 суток, кг/см2

15-20

рН раствора 8,3

Максимальное связывание рассола возможно при ж/т 2,3-2,4. По истечении 5-10 дней после затворе-ния шлама рассолом образуется твердый камень-монолит.

В соответствии с проведенными лабораторными работами по связыванию и отверждению 1000 м3 рассола потребуется 400 т шлама при ж/т 2,5.

Достоинства данного способа:

• отверждение большого объема рассола;

• твердение в условиях большого избытка рассола;

• медленное твердение и образование камневидного материала;

• устойчивость и долговечность;

• низкая стоимость материала.

• Недостатками данного способа являются:

• необходимость выдачи рассола из подземной емкости и проведение всех операций по за-творению шлама рассолом на поверхности;

• в случае использования дизтоплива возникают те же трудности, что и для ПЦТ.

Исследования по подаче (транспорту) и распределению отверждающих материалов в подземную емкость проводились в направлениях:

• подбор транспортного носителя,

• распределение смесей по объему емкости

Для механизированного приготовления отверждающих жидкостей применяются цементосмесительные машины и агрегаты типа 2СМН-20 и УС6-30. Для нагнетания приготовленных смесей в подземные емкости используют цементировочные агрегаты ЦА-320, которые благодаря наличию специального насоса с двигателем могут подавать жидкость для затворения в смесительное устройство для приготовления отверждающих смесей. При подаче в емкость отверждающей смеси на устье скважины устанавливают цементировочные головки, предназначенные для соединения нагнетательных линий агрегатов с внутритрубным пространством скважины. При применение в качестве транспортирующей жидкости рассола, отобранного из емкости, проблем с доставкой отверждающих материалов не возникало, т.к. при за-творении материалов рассолом на поверхности все затворенные

смеси обладали хорошей регулируемой текучестью (при максимальном ж/т) и со временем образовывали устойчивую композицию.

При использовании дизельного топлива в качестве носителя реагентов, подаваемых в емкость, заполненную насыщенным рассолом не возникает проблем при подаче, но возникла проблема его отбора и повторного использования. Дело в том, что после попадания в емкость смеси дизтоплива и отверждающего материала через некоторое время часть дизтоплива всплывает. Эта часть дизтоплива представляет собой двухфазную систему, представляющую собой сверху -чистый слой дизтоплива (до 80%) и снизу - загрязненное дизтопливо, которое содержит [2]: механические примеси,

взвешенные кристаллы соли, ПАВ и рассол, который, в свою очередь, приводит к загрязнению этой части дизельного топлива. В процессе работ по ликвидации подземных емкостей для повторного использования пригоден только незагрязненный слой дизельного топлива, составляющий порядка 80% первоначального объема. В случае отбора дизельного топлива в количестве больше 80% от первоначального и использовании его в приготовлении смеси с нефелином в наших опытах образовывались вязкие не текучие смеси, что затрудняло их прокачку в скважину.

При использовании дизтоплива в качестве транспортирующей жидкости для тампонажного портландцемента и магнезиального шлама возникают дополнительные проблемы, связанные с отбором из емкости дизтоплива и суспензии, образующейся при барботаже.

При подаче нескольких порций нефелинового состава на дизельном топливе наблюдалось равномерное истечение смеси из трубки до дна емкости и распределение состава по всему объему рассола, т.е. загеливание всего объема рассола и образование через трое суток густого гелеобразного вещества. При этом большая часть дизельное топли-

Таблица 1

№ п/п Наименование параметров Ед. изм. Кол- во

1. Объем образующегося камня м3 1000

2. Объем закачиваемой смеси м3 824

3. Объем вытесняемого рассола м3 370

4. Объем связываемого рассола м3 630

5. Объем раствора на одну порцию м3 28

6. Количество операций цикл 30

7. Количестве дизтоплива, отделившегося после закачки раствора м3 16

8. Время проведения операций час 24

9. Объем образующего камня после одной операции м3 33,6

Таблица 2

№ п/п Наименование параметров Едиз м. Кол- во

1. Объем образующегося камня м3 1000

2. Объем закачиваемой смеси м3 986

3. Объем вытесняемого рассола м3 60

4. Объем связываемого рассола м3 940

5. Объем раствора на одну порцию м3 29

6. Количество операций цикл 34

7. Время проведения операций час 24

8. Объем образующего камня после одной операции м3 30

Таблица 3

№ п/п Наименование параметров Ед. изм. Коли* 1 вариант ество 2 вариант

1 Объем подземной емкости м3 1000 1000

2 Объем вытесняемого рассола м3 90 90

3 Объем связываемого рассола м3 910 910

4 Количество нефелина т 75 150

5 Количество кислоты м3 31 75

6 Объем смеси на одну порцию м3 30 30

7 Количество операций цикл 15 30

8 Время проведения операций час 40 40

Таблица 4

Наименование Ед. изм. Кол-во, т Стоим. ед., руб Всего, руб. (в ценах на 01.06.2001 г)

1. П рименение портландцемента

Цемент тампонажный т 878 1239180

Дизельное топливо т 131 7500 982500

Всего 2221680

2. Применение магнезиального шлама

Шлам магнезиальный т 400 800 320000

3. Применение гель-технологии

а. На рассоле

Нефелин т 75 790 59250

Кислота серная м3 31 1000 31000

Всего 90250

б. На дизельном топливе

Нефелин т 150 790 120000

Кислота серная м3 75 1000 75000

Дизтопливо м3 60 7500 450000

ва (до 80%) всплывает и может быть повторно использована при закачке.

Все способы отверждения радиоактивных рассолов в подземных емкостях можно разделить на 3 группы:

• выдача части рассола на поверхность и за-творение на ней нефелина и подача смеси в емкость;

• связывание рассола в гелеобразное состояние непосредственно в емкости при подаче отверждающего материала на дизельном топливе с предварительной выдачей незначительного количества рассола на поверхность;

• комбинированный способ, включающий цементирование части емкости с последующим переводом оставшейся части рассола в гелеобразное состояние.

Связывание и отверждение рассола можно производить следующими материалами.

Портландцемент

Цементирование подземных емкостей, в свою очередь, можно осуществлять по двум вариантам. При первом (традиционном) цементировании - цемент вместе с дизтопливом подается в емкость. Для цементирования емкости, вмещающей рассол 1000 м3 потребуется 860 т цемента марки ПЦТ -50 и 160

3

м дизтоплива, при этом количество отверждаемого рассола составляет 630 м3, а количество вытесняемого рассола на поверхность - 370 м3 , ж/т в этом случае составляет 0,73 (табл. 1).

Достоинством этого способа является возможность отверждения рассола в емкости за счет транспортировки туда цементного раствора с помощью дизтоплива.

Однако, как показали проведенные нами исследования, отверждение рассола соляро-цементным раствором, без предварительной гидратации цемента, не происходит. При проведении предварительной гидратации цемента рассолом, затем смешением его с дизтопливом и последующим тщательным перемешиванием этой смеси с рассолом через 24-48 часов образуется цементный камень объемом 2/3 от объема закачиваемой смеси, при этом на поверхности цементного камня образуется не застывшая смесь цемента с дизтопливом, далее над ней выделившаяся часть дизтоплива.

В данном случае, кроме выдачи выделившейся части дизтоплива на поверхность, необходимо решать вопрос о выдаче на поверхность из емкости и незатвердевшей суспензии дизтоплива с цементом и сбросом его в емкость-отстойник.

Шлам

Для отверждения радиоактивного рассола нами предлагается материал на основе шлама-отхода магниевого производства.

Проведенные исследования в лабораторных условиях по связыванию рассола в подземных резервуарах показали, что 1 т шлама карналлитовых хлораторов может связывать в подземной емкости 2,2-2 ,5 тыс.м3 рассола и твердеть при большом избытке рассола через 7-10 суток.

Стоимость 1 т шлама по состоянию на 1.06.2001г. составляет ~ 800 руб.

В соответствии с проведенными лабораторными работами по связыванию и отверждению рассола в подземной емкости на 1000 м3 рассола потребуется 400 т шлама при ж/т 2,5.

Приведенные в табл. 2 показатели, характеризующие процесс отверждения рассола в подземной емкости: объемы связываемого и выдаваемого рассола, объем образующегося камня, могут уточняться при проведении опытно-экспериментальных работ непосредственно на объекте.

Достоинства данного способа:

• отверждение большого объема рассола;

• твердение в условиях большого избытка рассола;

• медленное твердение и образование камневидного материала;

• устойчивость и долговечность;

• низкая стоимость материала.

• Недостатками данного способа являются:

• необходимость выдачи рассола из подземной емкости;

• проведение всех операций по затворению шлама рассолом на поверхности.

Для разработки других решений по технологии подачи данного материала в емкость для отверждению рассола непосредственно в емкости необходимо проведение дальнейших исследований.

Гель-технология

Связывания рассола в подземных емкостях с использованием гель-технологии возможно по двум вариантам: 1-й - выдача порции рассола на поверхность для приготовления нефелиновой смеси с последующей закачкой ее в емкость и 2-й - приготовление нефелиновой смеси на дизельном топливе на поверхности и подача ее в емкость с последующим отбором части дизтоплива с поверхности рассола и повторным использованием.

Стоимость 1 м3 серной кислоты составляет 1000 руб., а 1 т нефелинового концентрата - 790 руб.(по состоянию на 01.06.2001 г.).

В табл. 3 представлены технологические параметры отверждения рассола в пересчете на 1000 м3.

Достоинства данного способа :

• подача нефелиновой смеси на дизтопливе в емкость и связывание рассола в самой емкости;

• низкая стоимость.

• Недостатками данного способа являются:

• необходимость работы с серной кислотой, что требует строжайшего соблюдения правил техники безопасности,

• выдача загрязненного рассола на поверхность для проведения смешивания компонентов;

• отсутствие данных по стабильности гелей на рассолах во времени (по данным «ИКИМСО» отмечена устойчивость гелей на промстоках в течение 15 лет).

В связи с тем, что затраты на доставку оборудования и материалов для ликвидации подземных емкостей, заполненных загрязненным рассолом для всех рассмотренных вариантов будут примерно одинаковыми, нами рассматривается только стоимость применяемых для этих целей материалов (портланд-

цемента, шлама и нефелинового концентрата с серной кислотой). Все сравниваемые варианты приведены в табл. 4.

При расчете учтены коэффициенты на материалы: 84 г - 1,57; 91 г - 26,44.

В заключении следует указать, что экспериментальными работами установлено:

• при применении нефелинового концентрата с серной кислотой возможно связывать рассолы в большом объеме, установлены соотношения компонентов для получения оптимальных составов;

• в качестве транспортного носителя возможно использовать дизельное топливо. Исследования показали, что при использовании дизельного топлива часть кислоты тратится на взаимодействие с топливом, что ведет к некоторому увеличению нефелина и кислоты для отверждения рассола;

• несколько числовых зависимостей свойств полученных гелей;

• что предварительная гидратация портландцемента, подаваемого на дизтопливе, обеспечивает отверждение рассола;

• найден, испытан и предложен новый материал - шлам карналлитовых хлораторов, определены свойства шламового камня, которые близки к требованиям, предъявляемым Госатомнадзором;

• что самым дешевым является способ ликвидации подземной емкости с применением гель-технологии. Если отверждающий материал подается на дизельном топливе, то происходит незначительное удорожание.

Однако, в связи с неясностью обстановки внутри емкости, окончательное решение по применению какого-либо варианта отверждения может быть принято лишь после проведения геофизических работ (рис. 4).

Нами проведены исследования по определению возможности применения технологии послойного отверждения рассола в емкости типа «слоеного пирога» различными материалами и последующего применения ее для ликвидации больших объемов загрязненных рассолов на объекте. Установлено, что:

• наилучший эффект по послойному отверждению рассола был достигнут при использовании

Принципиальная схема связывания рассола в емкости с использованием нефелиновой смеси ( гель-технология)

1. Подземная емкость

2. Расплав

3. ■

4. Подвесная колонна

5. Обрушившаяся каменная соль

6. Загрязненный рассол

7. Пакер

8. Фонтанная арматура

9. Склад нефелинового концентрата

10. Шнековый смеситель

11. Цементировочный агрегат

12. Емкость с серной кислотой

13. Автоналивник

14. Емкость для избытка рассола

системы «цемент-гель-цемент» или «шлам-гель-шлам», позволяющим получить стабильную композицию связывания рассола во времени, максимальное связывание рассола и закладку материалов до потолочины емкости;

применение послойного отверждения емкости нуждается в дополнительных исследованиях, особенно в части определения взаимовлияния материалов

1. Коенов Е.К., Лаппцкпй

А.А. и др. Гель-технология для отверждения рассола в подземных емкостях. Газовая промышленность, 2001, □ 8, с.62-64

2. Зыбпнов И.И, Романьков

Ю.И, Золотарев И.В. Очистка топлив от мехпримесей при долговременном хранении в подземных емкостях. ЦНИИТЭнефтехим, Транспорт и хра-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

нение н/продуктов и углеводородного сырья. Июль, № 7, 1977.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лапицкий А.А. - ООО «Подземгазпром»

Файл:

Каталог:

Шаблон:

Ш

Заголовок:

Содержание:

Автор:

Ключевые слова: Заметки:

Дата создания: Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:

ЛАП_2НОВ

G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB6_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.do

© А

G_Operator_1

23.05.2003 15:53:00 9

08.11.2008 22:15:00 Таня

Полное время правки: 16 мин.

Дата печати: 08.11.2008 22:36:00

При последней печати страниц: 5

слов: 2 627 (прибл.)

знаков: 14 975 (прибл.)