CC BY
111
УДК 622.244
Д.В. Орешкин, Г.П. Сахаров, А.Н. Чеботаев, А.С. Курбатова*
ФГБОУВПО «МГСУ», *НИиПИ экологии города
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ БУРОВОГО ШЛАМА НА ЯМАЛЕ
Отмечено, что в труднодоступных регионах в сложных геологических и климатических условиях, усугубленных наличием многолетних мерзлых пород, утилизация бурового шлама, образующегося при бурении скважин, представляет большие сложности. В результате предварительных исследований установлено, что буровые растворы скважин полуострова Ямал представляют собой сложные суспензии, содержащие бентонит, барит, каустическую соду; разжижители; полимеры. Установлено, что шлам состоит из кварца, кальцита, доломита, арагонита, магнезита, есть небольшое присутствие полевых шпатов, барита, гипса и ангидрида, слюд, гидрослюд, глинистых минералов. Сделан прогноз о том, что предварительно обезвреженный буровой шлам может использоваться в производстве строительных материалов — кирпича, керамзита, мелкоразмерных строительных изделий и т.п. Обосновывается необходимость исследования его элементного, химического, минерального, микроструктурного, гранулометрического и рентгенофазового состава.
Ключевые слова: гео-экологическая безопасность, буровой шлам, утилизация отвалов шлама.
Нефть и газ являются основными источниками энергии для мировой экономики и экономики России в частности.
Бурение разведочных, нефтяных и газовых скважин производится шарошечными бурами в среде бурового раствора. Буровой раствор требуется для охлаждения, смазки бура, подъема выбуренного шлама и крепления ствола скважины до спуска в него стальной обсадной трубы меньшего диаметра. Пространство между горной породой и обсадной трубой (или между обсадными трубами) последовательно обрабатывается промывочной, буферной жидкостями, которые выдавливаются цементным тампонажным раствором. После твердения цементного раствора в таком пространстве образуется закрепленный участок скважины. По мере углубления скважины обсадные трубы на каждом участке называются направлением, кондуктором, промежуточными и эксплуатационной колоннами. В газовой скважине внутрь последней колонны вставляются лифтовые и компрессорные трубы.
При бурении нефтяных и газовых скважин образуется много бурового шлама. Такой шлам поднимается на поверхность земли вместе с буровым раствором за счет его циркуляции. Затем отделяется буровой раствор. Шлам проходит двойное сито, центрифугируется, вывозится или вываливается в амбарные ямы. Указанные операции могут выполняться в другой последовательности. Отвалы бурового шлама составляют миллионы тонн и занимают огромные территории. Это наносит вред окружающей среде, нарушает экологическое равновесие и мешает устойчивому развитию регионов. Так, например, на Бованенковском газоконденсатном месторождении (полуостров Ямал) утилизация бурового шлама является большой проблемой.
Месторождение нефти и газа находятся в основном в труднодоступных регионах страны: на Севере Западной Сибири, Крайнем Севере и др. В этих регионах наблюдаются сложные геологические и климатические условия. Они усугубляются еще и наличием многолетних мерзлых пород.
Более половины территории России находится в зоне с многолетними мерзлыми породами (ММП) с льдистостью до 80 %.
Экология и охрана земных недр диктуют разработку надежных технологий строительства нефтегазовых скважин и утилизации выбуренной породы. Проводка скважины происходит в разных горных породах. При этом она пересекает различные по несущей
© Орешкин Д.В., Сахаров Г.П, Чеботаев А.Н., Курбатова А.С., 2012
125
способности пласты. Скважина — сложнейшее инженерное сооружение длиной до семи и более километров (например, Тенгизское месторождение в Казахстане). На Севере Западной Сибири, Прикаспийской низменности, Ближнем Востоке, шельфе Северного и Каспийского морей и другие скважины достигают протяженности по глубине до 3000 м. Почти для всех этих месторождений характерны аномально низкие пластовые давления (АНПД), т.е. низкая несущая способность пластов. Грязевые, водяные пласты, плывуны, к примеру, имеют среднюю плотность немногим более 1 г/см3.
Обеспечение качественного строительства и эксплуатации любых инженерно-технических сооружений в районах ММП невозможно без изучения процессов изменения природных экосистем [1—5]. Изменения неизбежно возникают даже при промышленном исследовании природных ресурсов Крайнего Севера. Степень изменения затронутых человеческой деятельностью ландшафтов зависит, главным образом, от устойчивости природной среды к техногенным воздействиям, их интенсивности и величины [1—3].
Большинство северных геосистем характеризуются достаточно неустойчивым равновесием между элементами этих систем и внешней средой даже в естественных условиях. В пределах таких участков даже незначительные техногенные изменения условий природного равновесия могут привести к ослаблению или разрушению внутрисистемных связей и потере устойчивости.
Следует учитывать, что не только инженерные сооружения влияют на состояние природных экосистем, но и наоборот. Реакция ММП проявляется в возникновении различного рода осложнений при строительстве. По мнению авторов [3], тепловое влияние сооружаемой и затем эксплуатируемой скважины на толщу ММП из всего комплекса техногенных факторов является главным. Реакция ММП на техногенные воздействия различна. Причину этого следует искать в природе системы «ММП — конструкция скважины — ММП». К криогенным условиям относятся температура ММП по всему интервалу их распространения (от нуля до -5...-8 °С), типы подземного льда, льдистость, засоленность, относительная осадка при оттаивании и многое другое. Криогенные условия ММП определяют их устойчивость к тепловым нагрузкам при бурении скважин, а, следовательно, определяют характер и интенсивность протекания всех тех процессов в мерзлой толще, которые потенциально могут привести к возникновению различного рода осложнений [3, 5].
Таким образом, основной причиной возникновения осложнений при строительстве и эксплуатации газовых и нефтяных скважин в условиях ММП является несоответствие уровня тепловых нагрузок энергетическому равновесию комплекса ММП. И чем выше степень воздействия, тем меньше устойчивость геосистемы.
Работы по изучению устойчивости конструкции ствола и самой скважины как инженерного сооружения при ее строительстве в условиях ММП проводились в нашей стране с середины 30-х гг. XX в., когда началось освоение газовых месторождений Крайнего Севера. Условие геоэкологической безопасности — сохранение равновесия за счет обеспечения надежной защиты мерзлоты от растепления [1—5].
На полуострове Ямал почти все площадки требуют сохранения пород в замерзшем состоянии. Устойчивость пород в зоне скважины может быть обеспечена техническими средствами, например, посредством применения активной и пассивной теплоизоляции.
Отвалы полужидкого бурового шлама занимают огромные территории вокруг буровых площадок, препятствуют их обустройству, работе буровиков, создают опасные условия труда, нарушают экологическое равновесие региона.
Буровые шламы всегда содержат некоторое количество бурового раствора, используемого при проводке скважин, что необходимо учитывать для экологической оценки и органо-минерального состава шлама. Буровые растворы скважин Бованен-ковского ГКМ представляют собой сложные минерально-органические суспензии, содержащие функционально значащие компоненты: глинопорошок — курганский бентонит, барит, каустическую соду; разжижители; полимеры — СХЛС и НТФ ПАЦ, смазочную добавку СМЭК и др. Раствор имеет рН = 8.10.
126
ЯБН 1997-0935. Уе5Шк MGSU. 2012. № 2
Минеральный состав буровых шламов является сложным. Основную массу шлама составляют частицы кварца. Относительно меньшее содержание в шламе имеют карбонаты в виде кальцита, доломита, арагонита, магнезита, есть небольшое присутствие в шламе полевых шпатов, барита, гипса и ангидрида, слюд и гидрослюд, глинистых минералов в виде каолинита, галлуазита, монтмориллонита.
Средний размер частиц шлама, исходя из данных, приведенных в таблицах и на графике, находится в интервале 20.. .30 мкм. На их долю приходится 50.. .60 % шлама по массе. На первом сите отсеивается шлам, который можно отнести к очень крупному строительному песку водопотребностью около 4 %. Содержание последнего незначительно.
По основному минерально-дисперсному составу и технологической консистенции буровой шлам Бованенковского ГКМ соответствует строительным растворным, матричным и сухим строительным смесям, используемым для различных строительных работ и производства дорожных оснований, тротуарных камней и плиток, стеновых щелевых камней и блоков, в т.ч. ячеистой структуры. Шлам имеет высокодисперсный состав и активность заполнителей, щелочной характер среды и высокую связность смеси за счет коллоидного состояния жидкой фазы. Введение в обезвоженный буровой шлам различных видов вяжущих способно придать ему различные заданные свойства. Однако для успешного использования бурового шлама в строительном производстве необходимо произвести обезвреживание его всеми известными методами, получить заключение санитарно-эпидемиологической службы, произвести технологическое опробование.
Внедрение мероприятий по переработке отходов бурения, несомненно, в первую очередь направлено на снижение негативного воздействия на окружающую среду. Однако, немаловажен и социально-экономический эффект для буровых предприятий: уменьшение платы за размещение отходов; получение прибыли от реализации продуктов утилизации; расширение инфраструктуры рабочих профессий предприятия; создание дополнительных рабочих мест.
Бурение скважин осуществляется большей частью в осадочных отложениях, в которых наиболее распространенными являются глинистые породы. Их доля составляет 65.80 %. Выбуренные частицы глинистых или скрепленных глинистым цементом пород в процессе гидротранспортировки из скважины на поверхность пропитываются фильтратом бурового раствора, буферной, промывочной жидкостями и набухают. Продолжительность нахождения частиц породы в промывочной жидкости с глубиной скважины возрастает и может достигать нескольких часов. Чем дольше они находятся в указанных жидкостях, тем больше их набухание. Происходит адгезионное присоединение к ней частиц твердой фазы преимущественно коллоидных размеров из указанных жидкостей.
На изменение физико-химических свойств частиц выбуренной породы при превращении их в буровой шлам влияет пропитка дисперсионной средой бурового раствора, буферной, промывочной жидкостями. Поры и трещины частиц породы заполняются дисперсионной средой жидкости, поверхность глинистых частиц модифицируется, на внешней и внутренней поверхности частиц выбуренной породы адсорбируются вещества различной природы из дисперсионной среды жидкости.
Минеральный состав бурового шлама определяется литологическим составом разбуриваемых пород и может существенно изменяться по мере углубления скважины. Химический состав бурового шлама зависит как от его минерального состава, так и свойств указанных жидкостей. Гранулометрический состав бурового шлама определяется типом буров и их диаметром, механическими свойствами породы, режимом бурения, свойствами указанных жидкостей и эффективностью ее очистки.
Необходимо обязательное обезвреживание бурового шлама. Загрязненный буровой шлам отмывается от нефтеуглеводородов горячей водой и паром, водным раствором ПАВ на основе этоксилатов. Эффективность отмывки горячей водой — 25 %; водным раствором ПАВ концентрацией 0,5, 1,0 и 2,0 % — соответственно 55, 60 и 73 %. Буровой шлам обезвреживается на центрифуге. Образовавшаяся водная фаза, содержащая нефтеуглеводороды, затем очищается.
Safety of structurai systems. Environmental challenges in building and structures. Geoecology
127
Одним из способов обезвреживания шлама может служить его солидификация. Такая технология позволяет получить на основе обезвреженного отхода достаточно прочный материал. Образовавшаяся при твердении прочная консервирующая матрица предотвращает растворение токсичных веществ под воздействием компонентов окружающей среды, дополнительно связывает их физически и химически, снижает поверхность контакта с окружающей средой. Обезвреживание шлама проводится путем смешения в определенных пропорциях с сорбентом и цементом. В результате такой обработки присутствующие в шламе органические вещества связываются введенными сорбентами. Цемент и сорбент при смешении со шламом в присутствии воды поддерживают в системе высокое значение pH (до 12). При этом катионы тяжелых металлов, содержащиеся в шламе, переходят в состав труднорастворимых гидроксидов. Последующее отверждение обезвреженных отходов, протекающее в результате процессов гидратации введенного в систему цемента, приводит к еще более прочному связыванию нейтрализованных токсичных соединений, а также предотвращению последующего их растворения при воздействии окружающей среды. Полученный в результате обезвреживания продукт может быть использован в строительстве. Возможно обезвреживание нефтезагрязненного бурового шлама микробиологическим способом [6].
Предварительно обезвреженный буровой шлам может использоваться в производстве строительных материалов — кирпича, керамзита, мелкоразмерных строительных изделий и т.п. Для утилизации бурового шлама требуется изучение и исследование его элементного, химического, минерального, микроструктурного, гранулометрического и рентгенофазового состава.
Библиографический список
1. Орешкин Д.В., Первушин Г.Н. Геоэкологические проблемы трещиностойкости и теплопроводности тампонажного камня // Сб. докл. 8-й Международной конф. «Стены. Фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики». М. : НИИСФ, 2003. С. 125—133.
2. Орешкин Д.В., Первушин Г.Н. Геоэкологические проблемы герметичности затрубного пространства // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2004. № 3. С. 28—32.
3. Проблемы устойчивости добывающих скважин месторождений полуострова Ямал / А.И. Березняков, Г.И. Грива, А.Б. Осокин и др. М. : ИРЦ Газпром, 1997. 159 с.
4. Облегченные и сверхлегкие тампонажные растворы / В.И. Вяхирев, В.В. Ипполитов, Д.В. Орешкин и др. М. : Недра, 1999. 180 с.
5. Орешкин Д.В., Фролов A.A., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мерзлых пород. М. : Недра, 2004. 232 с.
6. Использование нефтешламов в строительстве дорожных покрытий и одежд / Т.Н. Боковико-ва, Д.Р. Шпербер, Е.Р. Шпербер, C.C. Волкова // Нефтегазовое дело. 2011. № 2. С. 311—315.
Поступила в редакцию в январе 2012 г.
Об авторах: Орешкин Дмитрий Владимирович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», Москва, Ярославское шоссе, 26, 8(499)183-32-29, dmi-trii_oreshkin@mail.ru;
Сахаров Григорий Петрович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительных материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», Москва, Ярославское шоссе, 26, 8(499)183-32-29, sakharov0502@mail.ru;
Чеботаев Александр Николаевич — аспирант, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», Москва, Ярославское шоссе, 26, инженер, ИНТЭК-СЕРВИС, 8(495)232-53-25, a.chebotaev@mail.ru;
Курбатова Анна Сергеевна — доктор географических наук, профессор, зам. директора, НИиПИ экологии города, 127051, Москва, Большой Сухаревский переулок, д. 19, стр. 1, geolog305@yandex.ru.
Для цитирования: Геоэкологические проблемы утилизации бурового шлама на ямале / Д.В. Орешкин, Г.И. Сахаров, А.Н. Чеботаев, A.C. Курбатова // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 125—129.
128
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 2
D.V. Oreshkin, G.P. Saharov, A.N. Chebotaev
GEO-ECOLOGICAL PROBLEMS OF DRILLING WASTE DISPOSAL IN THE YAMAL PENINSULA
Crude oil and gas fields are located in remote areas known for their severe geological and climatic conditions that are aggravated by the presence of the paleocrystic frozen rock. Borehole drilling causes generation of the substantial amount of drilling waste. The sludge weighs millions of tons. Any rock is to remain frozen at any drilling site in the Yamal peninsula. Semifluid drilling waste occupies extensive areas around drilling sites; they prevent development of the surface infrastructure, they interfere with the work of drilling technicians and contribute to hazardous working conditions, they are a challenge to the local ecology. The above factors produce a negative impact on the environment and prevent sustainable development of the region. For example, disposal of drilling waste at condensed gas fields operated in the Yamal peninsula represents a substantial problem. Drilling waste contains drilling fluid used in the process of borehole drilling. It was discovered in the course of the preliminary research that drilling fluids were composite suspensions that contained bentonite, heavy spar, caustic soda, dilutants, and polymers. It was found out that the sludge was composed of silica, calcite, dolomite, aragonite, magnesite, some feldspars, heavy spar, gypsum and anhydrite, micas, hydromicas, clay minerals. Projections provided in the paper say that pre-neutralized sludge may be used in the manufacturing of building materials, such as bricks, claydite, small-size building units, etc. The authors argue that further research of the sludge elements and microstructure, as well as its chemical, mineral, granulometric and X-ray phase analyses need to be performed.
Key words: geo-ecological safety, drilling waste, sludge, waste disposal, drilling fluid, building materials.
References
1. Oreshkin D.V., Pervushin G.N. Geojekologicheskie problemy treschinostojkosti i teplo-provodnosti tamponazhnogo kamnja [Geoecological Problems of Fracture Strength and Heat Conductivity of Backill Stone]. Steny. Fasady. Aktu-al'nye problemy stroitel'noj teplofiziki [Walls. Facades. Relevant Problems of Thermal Physics in Civil Engineering], 8th International Conference, collected works, Moscow, NIISF, 2003, pp. 125—133.
2. Oreshkin D.V., Pervushin G.N. Geojekologicheskie problemy germetichnosti zatrubnogo pro-stranstva [Geoecological Problems of Leakproofness of Hole Annulus]. Stroitel'stvo neftjanyh i gazovyh skvazhin na sushe i na more, 2004, Issue # 3, pp. 28—32.
3. Bereznjakov A.I., Griva G.I., Osokin A.B. and others. Problemy ustojchivosti dobyvajuschih skvazhin mestorozhdenij poluostrova Jamal [Problems of Sustainability of Producing Wells of the Yamal Peninsula]. Moscow, IRC Gazprom, 1997, 159 p.
4. Vjahirev V.I., Ippolitov V.V., Oreshkin D.V. and others. Oblegchennye i sverhlegkie tamponazh-nye rastvory [Lightweight and Superlight Grouting Mortars]. Moscow, Nedra, 1999, 180 p.
5. Oreshkin D.V., Frolov A.A., Ippolitov V.V. Problemy teploizoljacionnyh tamponazhnyh materialov dlja uslovij mnogoletnih merzlyh porod [Problems of Heat Insulation Backfills Applicable in the Permafrost Environment]. Moscow, Nedra, 2004, 232 p.
6. Bokovikova T.N., Shperber D.R., Shperber E.R., Volkova C.C. Ispol'zovanie nefteshlamov vstroi-tel'stve dorozhnyh pokrytij i odezhd [Use of Oil Slimes in Construction of Road Coverings and Dressings]. Neftegazovoe delo, 2011, Issue # 2, pp. 311—315.
A b o u t t h e a u t h o r s: Oreshkin Dmitrij Vladimirovich — Doctor of Technical Sciences, Head of Department of Construction Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, 8 (499) 183-32-29, dmitrii_oreshkin@mail.ru;
Saharov Grigorij Petrovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Construction Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, 8(499)183-32-29, sakharov0502@mail.ru;
Chebotaev Aleksandr Nikolaevich — engineer, Intek-Service LLC, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 22 Pavla Korchagina st., Moscow, 129626, Russia, 8 (495) 232-53-25, a.chebotaev@mail.ru;
Kurbatova Anna Sergeevna — Doctor of Geographical Sciences, Professor, Deputy Director, Urban Environment Research and Design Institute — UERDI, Building 1, 19 Bol'shoj Suharevskij pereu-lok, 127051, Moscow, Russia, geolog305@yandex.ru.
F o r c i t a t i o n: Oreshkin D.V., Saharov G.P., Chebotaev A.N., Kurbatova A.S. Geojekologicheskie problemy utilizacii burovogo shlama na Jamale [Geo-Ecological Problems of Drilling Waste Disposal in the Yamal Peninsula], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 125—129.
Safety of structural systems. Environmental challenges In building and structures. Geoecology
129
