CC BY
117
© А.Э. Беляев, Е.И. Крапивский,
Ю.Г. Смирнов, В.Н. Рыжаков, 2003
УАК 622.014.3:502.76
A.Э. Беляев, Е.И. Крапивский, Ю.Г. Смирнов,
B.Н. Рыжаков
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ВОЗЛЕЙСТВИЕ НА ШЛАМЫ ПОВЫШЕННОЙ РАЛИОАКТИВНОСТИ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МЕСТОРОЖЛЕНИЙ
При добыче нефти, газа, конденсата, их переработке вместе с извлекаемыми попутно пластовыми водами извлекаются шламы, удельная активность которых достигает очень больших значений. Шламы отлагаются в нефтеловушках, сепараторах, емкостях-отстойниках и т.п. Радиоактивные соли и шламы отлагаются также на нефтяном и газовом оборудовании (насосы, компрессоры, трубы и т.п.). Потенциальными источниками радиационной опасности являются также угольные шахты и разрезы, нефтяные и газовые промыслы, теплоэлектростанции, золоотвалы теплоэлектростанций, образующиеся при добыче угля терриконы, а также нефтепродуктопроводы и нефтехранилища.
Количество радиоактивных шламов только в США составляет более 10 млн т [17]. Масса радиоактивных шламов пластовых вод месторождений углеводородов в России составляет свыше 50 млн т. Только в ОАО «Рос-нефть-Ставропольнефтегаз» в пруды-отстойники ежегодно сбрасываются сотни тонн шламов, со значительной суммарной активностью [15]. Проблема дезактивации интенсивно обсуждается в последние годы в работах российских и зарубежных исследователей [1-15, 17]. Но только в в работах [1-5, 10-14 и др.] предлагаются практические подходы, позволяющие разработать и внедрить безвредную для окружающей среды технологию дезактивации радиоактивных шламов пластовых вод месторождений углеводородов.
Основным источником загрязнения нефте- и газопромы-слов естественными радионуклидами являются пластовые воды. Поступление радионуклидов в воды связано с процессами растворения и выщелачивания их из горных пород, обусловленных рядом факторов: составом отложений, формой нахождения в них радиоактивных элементов и химическим составом пластовых вод. Распределение естественных радионуклидов в подземных водах подчиняется общей гидрохимической зональности осадочной толщи. Сравнительно легкое выщелачивание радия из пород в воду наблюдается в восстановительных условиях. Увеличение концентрации бария, брома, иода, хлора, натрия и кальция благоприятствует десорбции и диффузии радия из поровых растворов в пластовые воды. Катионы бария, лантана и церия, свинца, фосфора, стронция избирательно усиливают выщелачиваемость радия.
Для пластовых вод Вуктыль-ского газоконденсатного месторождения установлена смешанная природа радиоактивности, обусловленная радием-226 и радием-228 и продуктами их распада. Изучение состава пластовых вод, шламов и почв на газоконденсатном месторождении позволило установить повышенные концентрации в них бария (химического аналога радия), церия, фосфора, стронция и свинца. Концентрации хлора в пластовой жидкости в среднем составляют 60 г/л, калия и натрия - 30 г/л, кальция - 4 г/л. Общая минерализация в среднем составляет 100 г/л. В шламах пластовых вод
трудно извлекаемый в растворы радий содержится в форме радиобарита, радиокальцита, а также находится в кристаллической решетке минералов содержащих железо и марганец.
В Вуктыльском газопромысловом управлении (ВГПУ) эксплуатируются 6 месторождений из которых добывается нефть, газ и конденсат. В 1999-2002 гг. эксплуатировалось 6 установок комплексной подготовки газа и конденсата (УКПГ) и одна установка предварительной подготовки газа (УППГ). За время существования ВГПУ добыто 354 миллиарда кубометров газа, 50 млн т газового конденсата, 161 тыс. т нефти. В настоящее время добыча газового конденсата составляет около 300 тыс. т в год, т.е. менее 1% годовой добычи жидких углеводородов в России. Из скважин поступает смесь газа, конденсата и пластовой воды. В пластовой воде содержится в среднем 240 г/л метанола, который используется для предотвращения гидратообразования. На УКПГ газ и конденсат сепарируются (разделяются) и затем поступают на головные сооружения ВГПУ по межпромысловым трубопроводам. На блоке выветривания головных сооружений ВГПУ происходит разделение конденсата и пластовой воды. Пластовая вода с содержащимся в ней шламом сбрасывается в ре-зервуарный парк, где накапливается в резервуарах объемом от 5000 до 10000 м3. В 2000 г. сброс пластовой воды в резерву-арный парк составил 36 000 м3, а общий сброс составил около 130 000 м3. В резервуарном парке происходит гравитационное разделение конденсата, парафина и пластовой воды (отстаивание). Пластовая вода после отстаивания поступает на установку регенерации метанола. Метанол используется вторично. Горячая пластовая вода с установки регенерации метанола по трубам поступает на очистные сооружения. На очистных сооружениях имеется ряд устройств для очистки пластовой воды («промстоков»), поступающей из резерву -арного парка, установки регенерации метанола, хозяйственно-
Рис. 1. Радиометрическое опробование РВС №3. Радиометр СРП-68-01 (разностный эффект): а) данные
2000 г., б) данные 2001 г., в) данные
2002 г.___________________________
бытовых стоков. Это нефтеловушки, песколовушки, пруды-отстойники, емкости вторичного отстоя, дренажные емкости, колодцы. Стоки после очистных сооружений под давлением закачиваются в скважину на глубину 3700 м в соответствии с имеющейся у ВГПУ лицензией. Два раза в год в эту же скважину для увеличения проницаемости пласта закачивается до 70 т 22% соляной кислоты с антикоррозионными добавками. На головных сооружениях также имеется установка для получения сжиженного пропана.
Такая схема типична для многих объектов нефте и газодобычи.
Определяющий вклад в удельную активность шламов вносит радий-226 и продукты его распада. Вклад радия-228 незначителен и, как правило, не превышает 10%. Основной объект исследования - головные сооружения Вуктыльского газоконденсатного месторождения, на которых раз-делеляются нефть, газ и газового конденсат. Радиометрической съемкой выявлено семь типичных источников радиоактивного загрязнения территории нефте- и газопромыслов.
1. Установки регенерации метанола. Удельная радиоактивность шлама невысокая - до 1-2
кБк/кг. Шлам, как правило, не содержит парафиноподобных веществ.
2. Стальные резервуары для хранения метанольной пластовой воды (РВС). Нефтяной шлам неравномерно отлагается на дне резервуара. После пропарки резервуара перегретым паром этот осадок смешивается с парафиноподобными веществами, количество которых может достигать 50% от объема шлама. Как правило, средняя удельная активность смеси шлама и парафина не превышает 10 кБк/кг (рис. 1).
3. Нефтеловушки очистных сооружений. Радиоактивность шламов может достигать 30 кБк/кг. В шламе практически нет
парафиноподобных веществ. Он содержит в основном трудно растворимые соли радия (радиобарит, радиокальцит). Шлам также накапливается в емкостях вторичного отстоя и песколовке, в прудах-отстойниках, бетонных желобах (рис. 2).
4. Отложения солей на внутренней поверхности трубопроводов и оборудования для добычи нефти и газа. Удельная радиоактивность солей достигает 30 кБк/кг. Лабораторные исследования показали, что это труднорастворимые даже в соляной, серной и уксусной кислоте отложения, содержащие радиобарит и радиокальцит.
5. Ранее сброшенные на зем-
лю шламы с повышенной радиоактивностью (рис. 3). Это один из основных источников экологической опасности на территории нефте- и газопромыслов.
6. Отложения шламов в емкостях для отстаивания газового конденсата.
7. Выходы на поверхность земли пластовых вод с повышенной радиоактивностью (в том числе при бурении).
Исследование радиоактивных загрязнений на объектах добычи и переработки углеводородного сырья проводилось совместно с ВИРГ-РУДГЕОФИЗИКА (г. Санкт-Петербург) комплексом поверхностных и объемных радиометрических методов с использованием спектрометрии гамма-излучения. Изучение радиоактивных загрязнений и удельной активности почв, шламов и пластовых вод проводилось по известным методикам, модернизированным с учетом особенностей распределения радионуклидов. Для исключения радиоактивного фона от посторонних источников опробование технологических емкостей проводилось методом разностного эффекта. Глубинные аномалии (например, ранее закопанные на глубину 1-5 м шламы) исследовались эманаци-онным способом и шпуровой гамма-съемкой. Шлам в нефтеловушках исследовался с помощью герметизированного шпурового прибора. Эти исследования позволили оценить запасы и радиоактивность шламов, накапливающихся в емкостях для хранения
Рис. 4. Принципиальная схема дезактивации шлама углеводородного сырья с повышенным содержанием природных радионуклидов
метанольной воды и в нефтеловушках и выявили их высокую контрастность.
При отложении шламов в стальных вертикальных емкостях ВГПУ для метанольной воды (РВС) и в нефтеловушках также наблюдается значительная контрастность по гамма-излучению. Удельная радиоактивность шламов в различных частях этих сооружений изменяется в десятки раз.
Для уменьшения количества и удельной активности нефтяных шламов в нефтеловушках и РВС разработаны следующие методы:
- создание кислой среды в
Рис.3. Результаты шпуровой съемки на профиле Ш6
нефтеловушках и прудах-отстойниках (с добавками растворимых солей бария и церия) и слабокислой в РВС;
- непрерывный контроль удельной радиоактивности шламов в РВС и своевременная их откачка при достижении заданного уровня удельной радиоактивности (менее 10 кБк/кг) [16]; непрерывный контроль удельной радиоактивности шламов в нефтеловушках; выборочная их откачка по результатам измерений радиоактивности со шпуровым зондом или по данным мониторинга. Это также позволяет предотвратить образование шламов с удельной радиоактивностью более 10 кБк/кг.
Проведена технологическая проверка в условиях опытнопромышленной эксплуатации следующих способов уменьшения уровня радиоактивности шламов, образовавшихся на территории головных сооружений ВГПУ: тепловая обработка; кислотное выщелачивание; высокотемпера-
турная обработка; сорбция; гравитационное разделение; флотация; обработка поверхностноактивными веществами; разбавление; разубоживание; закачка в скважины; складирование (захоронение).
Лабораторные эксперименты с пробами массой 1-15 кг и опытно-промышленные испыта -ния (технологические пробы массой до 3 т) позволили предложить технологию дезактивации радиоактивных шламов, которую условно можно представить в виде последовательности следующих операций (рис. 4):
• исследование радиоактивности шлама в РВС радиометрическим методом по методике разностного эффекта и его выборочное удаление; исследование радиоактивности шлама в нефтеловушке и его выборочное или полное удаление;
• помещение шлама в специальные контейнеры для его временного хранения; определение удельной активности шлама; определение содержания бария, стронция и церия в шламе ренге-норадиометрическим методом; установка контейнера со шламом из в технологическую емкость;
• дифференциальное определение удельной активности шлама в технологической емкости по методике разностного эффекта;
• добавление реагентов (солей натрия, бария, церия) с целью повышения эффективности дезактивации; обработка шлама паром от передвижной или стационарной парогенераторной установки; удаление парафиноподобных веществ и определение их удельной активности по альфа, бета и гамма-излучению; сжигание парафиноподобных веществ;
Рис. 5. Принципиальная схема установки для дезактивации нефтешлама: 1 - печь отжига нефтешлама; 2 - специальный контейнер; 3 - установка для дезактивации шлама; 4 - парафи-ноловушка; 5 - поддон; 6 - пескосме-ситель; 7 - емкость-отстойник; 8 -фильтр; 9 - устройство для сбора шлама; 10 - емкость для пластовой воды; 11 - емкость для хранения кислоты; 12 - мерник кислоты; 13 - гря-зевый насос; 14 - газовая горелка
• слив радиоактивной жидкости в промежуточную емкость, определение ее удельной активности; разбавление технологической жидкости в промежуточной емкости до уровня удельной активности менее 0,1 кБк/л; принудительная фильтрация радиоактивной жидкости через песчаный или цеолитовый фильтр; определение удельной активности фильтра;
• удаление технологической воды в очистные сооружения, ее разбавление до уровня менее 0,1 кБк/л; определение удельной радиоактивности жидкости в очистных сооружениях, и ее закачка в скважины на глубину 3400 м; контроль удельной радиоактивности пласта в скважине по данным гамма-каротажа;
• добавление к шламу, оставшемуся после пропарки, кислоты для выщелачивания и растворения радия и его солей; контроль удельной радиоактивности шлама и раствора;
• повторная пропарка шлама с кислотой и реагентами для уменьшения загрязнения поверхности технологического оборудования; контроль удельной радиоактивности шлама и технологического раствора по альфа, бета и гамма-излучению, определение концентрации бария, церия и свинца в шламе рентгенорадиометрическим методом; контроль удельной радиоактивности кислотосодержащего раствора и его предварительное разбавление до уровня менее 0,1 кБк/л;
• промывка шлама горячей водой (паром) с реагентами до получения нейтральной или слабокислой реакции; контроль удельной радиоактивности шлама;
• перемещение шлама к газовой печи для отжига парафиноподобных веществ; сжигание шлама вместе с парафином и коксом для перевода нерастворимых соединений радия в растворимые и деэманирования;
• повторная обработка отожженного шлама кислотой и паром, его промывка; контроль удельной радиоактивности отожженного шлама по альфа, бета и гамма-излучению;
• разбавление шлама нерадиоактивным песком или суглинком до уровня удельной радиоактивности менее 1,5 кБк/кг; складирование или утилизация данного шлама; мониторинг радиоэкологической обстановки по всем объектам складирования и использования разбавленного шлама и его перемещения.
Для оценки возможности флотации труднорастворимого в соляной кислоте радиобарита использовалась стандартная технологическая схема.
Для шламов из нефтеловушки операции аналогичны. Операция сжигания и прокаливания по возможности должна предшествовать другим технологическим операциям. Всем перечисленным выше операциям должны предшествовать поверхностные и объемные радиометрические методы обследования. Процесс дезактивации сопровождается непрерывным контролем уровня радиоактивности жидких и твердых продуктов. Комплекс оборудования и устройств для дезактивации включает: передвижную парогенераторную установку; автомобильный кран или тельфер-ное устройство (кран-балку); контейнеры для временного хранения и дезактивации шламов с
900000
800000
700000
600000
500000
400000
300000
200000
100000
0
□ (1) - Активность пробы, до КО (через 2 нед. после герметизации), Бк
□ (2) - Активность пробы, (через 2 нед. после КО), Бк
□ (3) - Активность, кислоты (через 2 нед.), Бк
□ (2 + 3) - Суммарная активность ,
Бк
повышенной радиоактивностью объемом 2,0 м3; технологическую емкость для операции пропарки, флотации, гравитационного разделения и кислотного выщелачивания; емкости для предварительного разбавления кислотосодержащего раствора; емкости для отстаивания радийсодержащих растворов; перемешивающее устройство и устройство для бетонирования; фильтрующее устройство; печь для высокотемпературной обработки шламов, а также контрольно-измерительную и дозиметрическую аппаратуру.
На основе проведенных исследований, на территории Вук-тыльского газопромыслового управления, изготовлена опытнопромышленная экологически безопасная установка дезактивации нефтешлама (рис. 5) с с расчетной производительностью 2000 т в год, на которой уже пе-
реработано свыше 80 тонн шламов. Обоснован состав реагентов для дезактивации радиоактивных шламов, созданы технические средства для контроля радиоактивности и проведены опытно-промышленные испытания технологии. Показано, что в результате дезактивации шламов твердый нерастворимый конечный продукт может иметь удельную активность не более 1,5 кБк, а жидкий конечный продукт - менее 5 Бк/л. Фактические затраты на дезактивацию тонны шлама составили около 150-300 $.
В настоящее время активно продолжаются опыты по совершенствованию технологии дезактивации радиоактивных шламов, целью которых является определение оптимальных параметров дезактивации радиоактивных шламов: температуры отжига,
времени отжига, концентрации соляной кислоты, времени тер-
Рис.6. Изменение удельной активности пробы (зола шлама с повышенным содержанием парафина) до и после кислотной обработки.
мохимической обработки, подбор подходящего сорбционного материала и других.
В частности, проводились опыты по оптимизации параметров кислотной обработки золы нефтешлама. Измерялась удельная активность золы. Далее проба подвергалась кислотной обработке. После завершения обработки кислота и проба золы разделялись и вновь измерялась их удельная активность. После обработки в кислоте оставалась мелкодисперсная взвесь, частично сорбировавшая нерастворимые соли радия. Затем все это герметизировалось для установления радиоактивного равновесия, а через две недели проводилось повторное измерение удельной активности. Для примера на рис. 6 приведена гистограмма изменения удельной активности пробы (зола шлама с повышенным содержанием парафина) до и после кислотной обработки (КО). Видно, что суммарная удельная активность золы после кислотной обработки и кислоты, равна удельной активности золы до обработки в пределах погрешности измерения.
Определение оптимальных параметров дезактивации шламов позволит повысить эффективность разрабатываемой технологии дезактивации как с экологической, так и с экономической точки зрения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альбанова Е.В., Беляев А.Э. Исследование возможности дезактивации радиоактивных шламов и загрязненных территорий нефтегазовых месторождений/ Нефтегазовые и химические технологии. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции ученых и студентов/Самарский государственный технический университет. - Самара, 2001 г. - С. 143-144.
2. Альбанова ЕВ, Беляев А.Э. Исследование подходов к проблеме дезактивации радиоактивных шламов и за-
грязненных естественными радионуклидами территорий месторождений/ Тезисы докладов Нефть и Газ - 2001. 55ая юбилейная межвузовая студенческая научная конфе-ренция./Российский государственный университет нефти и газа им. Губкина. - М., 2001 г. - С. 5.
3. Альбанова ЕВ, Беляев А.Э. Исследование подходов к проблеме дезактивации радиоактивных шламов и загрязненных территорий нефтегазовых месторождений/Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Сборник докладов участников конференции/Московский государственный горный университет. - М., 2001 г. - С. 254-255.
4. Беляев А.Э, Канев А.В. О путях решения проблемы дезактивации радиоактивных шламов на примере Вук-тыльского месторождения/ Тезисы докладов практического семинара молодых специалистов ООО «Севергазпром» по проблемам газовой промышленности. - Ухта, 2001 г. - С. 18.
5. Беляев А.Э. Эффект аномального повышения природными радионуклидами радиационного фона насосов установки получения пропана. Методика утилизации шла-мов/Сборник тезисов и статей научной конференции «ЭК0БАЛТ-2002»
6. Белюсенко Н.А., Соловьянов А.А. Принципы программного обеспечения радиационно-экологической безопасности на объектах ТЭК России. Безопасность труда в промышленности. № 1, 1996. - С. 30-34.
7. Бродер Д.Р. Соловьянов А.А, Зимин А.В. Проблемы радиационной безопасности на предприятиях топливноэнергетического комплекса России. Безопасность труда в промышленности. № 5, 1993. - С. 59-62.
8. Гигиенические аспекты радиационной безопасно-
сти персонала и радиационно-экологической безопасности в газовой промышленности/А.А. Горский, В.С. Степанов, О.Е. Тутельян, С.И. Кувшинников. Материалы научнопрактической конференции «Актуальные проблемы ограничения облучения населения от природных источников ионизирующего излучения. Радон - 2000», Санкт-
Петербург, 2000. - С. 55-57.
9. Захарчук С.А., Крампит И.А., Мильчаков В.И. Радиоактивное загрязнение окружающей среды при нефтедобыче. АНРИ, № 4, 1998. - С. 18-21.
10. Крапивский Е.И., Смирнов Ю.Г., Рыжаков В.Н. Дезактивация радиоактивных почв и нефтяных шламов при добыче, транспортировке и переработке нефти, газа и конденсата. Материалы научно-технического семинара «Современные методы и средства защиты и диагностики трубопроводных систем и оборудования. Испания, Барселона, 7-14 октября 2000. - С.71-75.
11. Крапивский E.H, Смирнов Ю.Г., Рыжаков B.H. Дезактивации радиоактивных почв и нефтяных шламов на основе радиометрической сортировки и управления технологическим процессом. Российский геофизический журнал, № 21-22. 2001. - С. 96-10S.
12. Крапивский E.H, Смирнов Ю.Г., Рыжаков B.H. Технология санации радиоактивных шламов нефтяных и газовых месторождений с использованием радиометрического контроля и управления. Тезисы доклада на Международной геофизической конференции. - Санкт-Петербург, 2000. - C.666-66B.
13. Крапивский E.H, Смирнов Ю.Г., Рыжаков B.H. Радиометрические исследования экологии радиевого промысла в Республике Коми. Тезисы доклада на Международной геофизической конференции. - Санкт-Петербург, 2000. - С.бб4-ббб.
14. Крапивский E.H, Смирнов Ю.Г., Рыжаков B.H. Исследование радиоэкологической обстановки на нефте-газопромыслах России. Материалы научно-технического семинара «Современные методы и средства защиты и диагностики трубопроводных систем и оборудования. Испания, Барселона, 7-14 октября 2000. - С.б7-70
15. Никифоров ЮЛ. Радиоактивное загрязнение окружающей среды при нефтедобыче на примере Ставропольских месторождений. Российский геофизический журнал, №3, 1994. - С. B1-B4.
16. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). СП 2.6.1.7SB-99. Минздрав России, 1999. - 11S с.
17. Gray, P.R. NORM Contamination in the Petroleum Industry/Journal of Petroleum Technology.- l993.Vol.4S, □ 1.-P. 12-1б.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------------------------------------
Беляев А.Э, Крапивский ЕИ, Смирнов Ю.Г. - Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта. Рыжаков В.Н. - Вуктыльское газопромысловое управление ООО «Севергазпром», г Вуктыл.
© O.C. Галушко, 2003
УЛK 65
O.C. Галушко
3''EKT»BHblE ФOPMbl COБCTBEHHOCTИ И УПPABЛEHИЯ B ГOPHOЛOБЫBAЮШИX OTPA-ЛЯХ ПPOMЫШЛEHHOCTИ
Эффективность производства, использования природных ресурсов во многом зависит от формы собственности на средства производства. В настоящее время в горнодобывающих отраслях промышленности в основном используется акционерная (коллективная) и государственная формы собственности. При этом, при использовании кол-
лективной формы собственности большая часть акций (51% и более), как правило, принадлежит государству. Вместе с тем имеются объекты, полностью принадлежащие частным инвесторам. Анализ работы как приватизированных, так и государственных горнодобывающих предприятий показал, что уровень их рентабельности крайне низок, а использование природных ресурсов не достаточно эффективно и этот факт практически не зависит от того, кто владеет данными предприятиями. Неодиночными являются случаи, когда инвесторы (акционеры), вкладывая средства в то или иное предприятие, не получают ожидаемого эффекта, а предприятие, испытывая недостаток в финансовых ресурсах, необходимых не только для
