CC BY
117
УДК 504.062.4: 502.37
DOI: 10.24412/1728-323X-2021-3-75-79
ИССЛЕДОВАНИЯ ТОКСИЧНОСТИ БУРОВЫХ ШЛАМОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ УТИЛИЗАЦИИ
С. С. Тарасова, аспирант, ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», [email protected], г. Тюмень, Россия, Е. В. Гаевая, профессор, кандидат биологических наук, ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет», [email protected], г. Тюмень, Россия
В статье представлены результаты исследований способа утилизации буровых шламов при производстве техногенного грунта, не оказывающего острое токсическое действие на тест-объекты (ветвистоусые ракообразные Daphnia magna Straus и одноклеточную зеленую водоросль Chlorella vulgaris Beijer). Исследования химических и токсикологических свойств буровых шламов указывают на высокое содержание водорастворимых солей, в частности хлориды составили 4777 ± 716 мг/кг, что вызывает 100 % гибель гидробионтов. При концентрации нефтепродуктов 1300 мг/кг, буровой шлам относился к умеренному загрязнению (низкому). Содержание валовых форм тяжелых металлов в образцах буровых шламов не превышало ПДК/ОДК для суглинистых и глинистых грунтов. Кратность разведения водной вытяжки из бурового шлама составила до 7,9 раз, что соответствует IV классу опасности для окружающей природной среды. Внесение доломитовой муки и торфа в буровой шлам способствовало снижению концентрации хлорид-ионов, сульфат-ионов и нефтепродуктов. Тяжелые металлы в техногенном грунте распределились в следующем порядке убывания Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Со > As > Cd > Hg. Водная вытяжка утилизированного шлама не оказывала острое токсическое действие по тест-объекту Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer.
The article presents the results of studies of the method of disposal of drilling cuttings in the production of man-made soil that does not have an acute toxic effect on test objects (branched crustaceans Daphnia magna Straus and single-celled green algae Chlorella vulgaris Beijer). Studies of the chemical and toxicological properties of drilling cuttings indicate a high content of water-soluble salts, in particular, chlorides amounted to 4777 ± 716 mg / kg, which causes 100 % death of hydro-bionts. At a concentration of 1300 mg/kg of petroleum products, drilling mud was classified as moderate (low) pollution. The content of gross forms of heavy metals in the samples of drilling cuttings did not exceed the MPC/UEC for loamy and clay soils. The multiplicity of dilution of water extract from drilling mud was up to 7.9 times, which corresponds to the IV class of danger to the environment. The introduction of dolomite flour and peat into the drilling mud contributed to a decrease in the concentration of chloride ions, sulfate ions and petroleum products. Heavy metals in the technogenic soil were distributed in the following descending order Mn > Zn > Ni > Pb > Cu > Co > As > Cd > Hg. The water extract of the recycled sludge did not have an acute toxic effect on the test object Daphnia magna Straus and Chlorella vulgaris Beijer.
Ключевые слова: буровой шлам, токсичность, водорастворимые соли, техногенный грунт.
Keywords: drill cuttings, toxicity, water-soluble salts, technogenic soil.
Введение. Производственная деятельность предприятий нефтяной промышленности неизбежно связана с техногенным воздействием технологических процессов добычи на объекты природной среды, поэтому вопросы охраны окружающей среды для отрасли имеют важное значение. Немалую роль в негативном влиянии на природную среду играют процессы строительства нефтяных скважин [1, 2].
Отличительными особенностями воздействия процессов бурения являются высокая интенсивность и кратковременность формирования значительных нагрузок на объекты гидро-, лито- и биосферы, которые нередко превышают пороговые нагрузки, вызывая нарушения экологического равновесия в районах бурения, а в ряде случаев и дегидратацию отдельных компонентов природной среды [3].
Значительную долю в процессе строительства нефтяных скважин составляют отходы буровых работ — буровые сточные воды, отработанные буровые растворы и буровой шлам, которые могут содержать в своем составе широкий спектр вредных для окружающей среды компонентов [4].
Буровые отходы являются активными источниками загрязнения окружающей природной среды. Твердая фаза — наиболее опасная часть буровых отходов, как с точки зрения агрессивности, так и по длительности воздействия на окружающую среду. К ней относятся выбуренный шлам, обезвоженный остаток буровых сточных вод и взвешенные вещества бурового раствора [5, 6].
Буровые шламы обладают отрицательными физико-химическими, физическими, химическими свойствами: высокое содержание солей, повышенная щелочность, заплы-ваемость, низкая аэрация, слабая фильтрационная способность и др. [7].
Основным фактором токсического действия буровых отходов на объекты природной среды определяются составом исходного бурового раствора и попадающими в него из забойного пространства нефтепродуктами и минеральными водами [8, 9].
В связи с малой изученностью влияния отходов бурения на объекты природной среды возникают сложности в выборе способа их утилизации.
Цель исследований: изучить химические и токсические свойства буровых шламов, разработать способ утилизации отходов с получением материала, не оказывающего острое токсическое действие на тест-объекты Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer.
Задачи исследования: изучить химические свойства буровых шламов, провести оценку токсичности отходов на тест-объектах Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer; определить химико-токсикологические свойства техногенного грунта в процессе утилизации буровых шламов.
Объекты и методы исследования. При оценке токсичности буровых шламов решающую роль играет присутствие углеводородов нефти и токсичных компонентов буровых растворов. Буровые шламы являются основными потенциальными загрязнителями окружающей среды при бурении нефтяных скважин, так как это самый сложный сегмент по своим объемам образования, они имеют различный состав, свойства и класс опасности для окружающей среды.
Для проведения исследования буровые шламы были отобраны на Немчиновском месторождении в пределах Кеумского лицензионного участка Уватского района Тюменской области. Глубина бурения нефтяной скважины на период отбора проб бурового шлама из шнекового конвейера составила 3600—3800 м, тип бурового раствора — солевой на водной основе.
Содержание нефтепродуктов в пробах определялось гравиметрическим методом. Исследование водородного показателя проводилось на комбинированном анализаторе «АНИ0Н-4150». Определение содержания хлорид-ионов и сульфат-ионов — методом капиллярного электрофореза.
Выполнение измерений валовых форм тяжелых металлов в пробах проводилось методами атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии.
Биотестирование водных вытяжек отходов и техногенного грунта определяли по смертности дафний (Daphnia magna Straus) и изменению оптической плотности тест-культур зеленой протококковой водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) в лабораторных условиях с помощью фо-тоэлектроколориметра.
В основу утилизации бурового шлама положен физико-химический способ — внесение смеси компонентов, с получением техногенного грунта, не оказывающего негативного воздействия на окружающую среду. Нормы внесения и виды компонентов смеси представлены в таблице 1.
Результаты и обсуждение. Буровой шлам — выбуренная горная порода, включающая химические соединения, которые используются для приготовления исходных буровых растворов. Его загрязняющее действие в основном обусловлено токсичными компонентами, содержащимися в буровом растворе, пластовых флюидах и в меньшей степени выбуренной породой [10].
Наибольшее токсическое действие на окружающую среду оказывают содержащиеся в отходах хлорид-ионы, сульфат-ионы и нефтепродукты. В настоящее время используемые компоненты буровых растворов имеют преимущественно Ш—1У класс опасности. Результаты химических исследований и валовых форм тяжелых металлов в буровом шламе представлены в таблицах 2 и 3.
Результаты исследований бурового шлама показали, что водородный показатель составил 8,31 ед. рН (слабощелочная среда), значение остаточного содержания нефтепродуктов было 0,13 %
Таблица 1
Компонентный состав техногенного грунта
Наименование Наименование компонента Содержание, объемные доли, %
Техногенный Буровой шлам 40,0
грунт Песок 20,0
Доломитовая мука 10,0
Торф 30,0
Таблица 2 Химический анализ бурового шлама
Наименование определяемого показателя Единица измерений Результат исследования
Водородный показатель ед. рН 8,31 ± 0,10
Нефтепродукты % 0,13 ± 0,06
Сульфат-ион (водорастворимая форма анионов) мг/кг 125 ± 19
Хлорид-ион (водорастворимая форма анионов) мг/кг 4777 ± 716
Таблица 3
Содержание валовых форм тяжелых металлов в буровом шламе
Наименование определяемого показателя Единица измерений Результат исследования
Кадмий мг/кг <1,0
Марганец мг/кг 619 ± 124
Медь мг/кг <20
Мышьяк мг/кг 2,67 ± 0,8
Никель мг/кг <50
Ртуть мг/кг <0,10
Свинец мг/кг 20 ± 6,0
Цинк мг/кг 39 ± 12
Кобальт мг/кг <5
Рис. 1. Содержание валовых форм тяжелых металлов в техногенном грунте
(1300 мг/кг). Содержание хлорид-ионов находилось в количестве 4777 мг/кг, сульфат-ионов — 125 мг/кг.
Содержание тяжелых металлов зависит от свойств выбуренной горной породы и компонентов, входящих в состав бурового раствора. Тяжелые металлы в образцах буровых шламов находятся в труднорастворимой форме, поэтому не могут обладать токсичностью для гидробионтов. Максимальное содержание наблюдалось по марганцу и составило 619 мг/кг.
Оценка токсичности бурового шлама проводи -лась методом биотестирования с помощью тест-объектов Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer (таблица 4). Тестируемая водная вытяжка из бурового шлама оказывает острое токсическое действие на тест-объекты (ветвистоусые ракообразные Daphnia magna Straus и одноклеточную зеленую водоросль Chlorella vulgaris Beijer). Оцен-
ка токсичности производилась по тест-объекту, проявившему наибольшую чувствительность к тестируемой пробе. Кратность разведения водной вытяжки отхода, при которой вредное воздействие на тест-объекты отсутствует до 7,9 раз, что соответствует IV классу опасности для окружающей природной среды.
Утилизация бурового шлама с получением техногенного грунта производилась путем внесения в смесь буровой шлам наполнителя (песок), доломитовой муки и торфа, изменяющих химические свойства отходов за счет протекающих ионообменных реакций и связывания мелкодисперсных ч астиц. Результаты химических исследований техногенного грунта представлены в таблице 5.
Водородный показатель водной вытяжки изучаемого образца составил 7,41 ед. рН. Содержание остаточного содержания нефтепродуктов со-
Таблица 4
Оценка токсического действия бурового шлама на тест-объекты
Тест-объект Показатель токсичности Ед. изм. Результат анализа Кратность разбавления до ликвидации токсического действия на тест-объект, раз Оценка тестируемой пробы
Daphnia magna Straus Безвредная кратность разбавления (БКР) исследуемой воды, вызывающая гибель не более 10 % тест-объектов за 48 часовую экспозицию (БКР 10-48) Количество выживших дафний, шт. 0 7,90 Оказывает острое токсическое действие
Chlorella vulgaris Beijer Индекс отклонения I % 28,85 6,05 Оказывает острое токсическое действие
Таблица 5
Результаты химических показателей техногенного грунта
Наименование определяемого показателя Единица измерений Результат исследования
Водородный показатель Нефтепродукты Сульфат-ион (водорастворимая форма анионов) Хлорид-ион (водорастворимая форма анионов) ед. рН мг/кг мг/кг мг/кг 7,41 ± 0,1 400 ± 100 100 ± 15 1300 ± 195
Таблица 6
Оценка токсического действия техногенного грунта на тест-объекты
Тест-объект Показатель токсичности Ед. изм. Результат анализа Кратность разбавления до ликвидации токсического действия на тест-объект, раз Оценка тестируемой пробы
Daphnia Безвредная кратность разбавле- Количество 0 0 Не оказывает острое
magna Straus ния (БКР) исследуемой воды, выживших токсическое действие
вызывающая гибель не более дафний, шт.
10 % тест-объектов за 48 часо-
вую экспозицию (БКР 10-48)
Chlorella Индекс отклонения I % 15,6 0 Не оказывает острое
vulgaris Beijer токсическое действие
ставило 400 мг/кг. Концентрации сульфат-ион и хлорид-ион составили 100 и 1300 мг/кг соответственно. В процессе утилизации происходит снижение концентрации тяжелых металлов в валовой форме в техногенном грунте за счет применения природного сорбента — торфа. Вместе с тем, необходимо отметить низкий уровень содержания большинства изученных тяжелых металлов по сравнению с кларками (рис. 1).
Тестируемая водная вытяжка из техногенного грунта не оказывает острое токсическое действие на тест-объекты (ветвистоусые ракообразные Daphnia magna Straus и одноклеточную зеленую
водоросль Chlorella vulgaris Beijer). Результаты исследований представлены в таблице 6.
Заключение. Внесение торфа, доломитовой муки и песка способствовало снижению концентрации водорастворимых солей (хлорид-ион, сульфат-ион) и нефтепродуктов в буровом шламе, что влияло на кратность разбавления до ликвидации токсического действия на тест-объект Daphnia magna Straus и Chlorella vulgaris Beijer. При определении статической взаимосвязи полученных данных была выявлена прямая умеренная корреляционная зависимость, коэффициент корреляции составил 0,45.
Библиографический список
1. Заличева И. Н., Волков И. В., Ганина В. С., Шустова Н. К. Зависимость экологической опасности буровых растворов от солености акватории нефтедобычи // Нефтегазовые технологии. — 2001. — № 3. — С. 35—38.
2. Патин С. А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. — Москва: ВНИРО, 1997. — 350 с.
3. Барахнина В. Б., Киреев И. Р., Свинарев В. В. Основы технологии очистки отходов. — Уфа: РИО РУНМЦ МО РБ, 2009. — 242 с.
4. Король В. В. Утилизация отходов бурения скважин // Экология и промышленность России. — 2005. — № 1. — С. 40—42.
5. Семенов В. В. Экологическая идентификация источников загрязнения нефтяными углеводородами // Недра. — 2005. — С. 57—61.
6. Андерсон Б. А., Абдрахманов Р. Г., Шарипов А. У. Экологически чистые смазочные добавки для приготовления буровых растворов. — Москва: ВНИИОЭНГ, 1991. — 71 с.
7. Скипин Л. Н., Скипин Д. Л., Петухова В. С., Кустышева И. Н. Эффективность влияния коагулянтов на физические свойства буровых шламов // Вестник Кемеровского государственного университета. — 2015. — № 4-3 (64). — С. 88—92.
8. Мурзакаев Ф. Г., Максимов Г. Г. Химизация нефтегазодобывающей промышленности и охрана окружающей среды. — Уфа: Башкирское книжное издательство, 1989. — 176 с.
9. Косаревич И. В., Шеметов В. Ю., Гончаренко А. П. Экология бурения. — Минск: Наука и техника, 1994. — 119 с.
10. Чеботаев А. Н. Возможность утилизации бурового шлама Бованенковского месторождения в производстве строительных материалов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. — 2015. — № 9. — С. 26—29.
RESEARCH OF THE TOXICITY OF DRILL SLUDGES AND THE POSSIBILITY OF THEIR DISPOSAL
S. S. Tarasova, postgraduate student, Tyumen Industrial University, [email protected]. Tyumen, Russia, E. V. Gaevaya, Professor, Ph. D. (Biology), Tyumen Industrial University, [email protected] Tyumen, Russia
References
1. Zalicheva I. N., Volkov I. V., Ganina V. S., Shustova N. K. Zavisimost' ekologicheskoj opasnosti burovyh rastvorov ot so-lenosti akvatorii neftedobychi. [Dependence of the environmental hazard of drilling fluids on the salinity of the oil production area]. Neftegazovye tekhnologii, 2001. No. 3. P. 35—38 [in Russian].
2. Patin S. A. Ekologicheskie problemy osvoeniya neftegazovyh resursov morskogo shel'fa. [Ecological problems of development of oil and gas resources of the sea shelf]. Moscow, VNIRO, 1997. 350 p. [in Russian].
3. Barakhnina V. B., Kireev I. R., Svinarev V. V. Osnovy tekhnologii ochistki othodov. [Basics of waste treatment technology]. Ufa, RIO RUNMC MO RB, 2009. 242 p. [in Russian].
4. Korol' V. V. Utilizaciya othodov bureniya skvazhin. [Utilization of drilling waste]. Ekologiya ipromyshlennost' Rossii, 2005. No. 1. P. 40—42 [in Russian].
5. Semenov V. V. Ekologicheskaya identifikaciya istochnikov zagryazneniya neftyanymi uglevodorodami. [Environmental identification of sources of pollution by petroleum hydrocarbons]. Nedra, 2005. P. 57—61 [in Russian].
6. Anderson B. A., Abdrakhmanov R. G., Sharipov A. U. Ekologicheski chistye smazochnye dobavki dlya prigotovleniya burovyh rastvorov. [Environmentally friendly lubricating additives for the preparation of drilling fluids]. Moscow, VNIIOENG, 1991. 71 p. [in Russian].
7. Skipin L. N., Skipin D. L., Petukhova V. S., Kustysheva I. N. Effektivnost' vliyaniya koagulyantov na fizicheskie svojstva burovyh shlamov [Effectiveness of the influence of coagulants on the physical properties of drill cuttings]. Vestnik Kemerovsko-go gosudarstvennogo universiteta, 2015. No. 4-3 (64). P. 88—92 [in Russian].
8. Murzakaev F. G., Maksimov G. G. Himizaciya neftegazodobyvayushchej promyshlennosti i ohrana okruzhayushchej sredy. [Chemicalization of the oil and gas industry and environmental protection]. Ufa, Bashkirskoe knizhnoe izdatel'stvo, 1989. 176 p. [in Russian].
9. Kosarevich I. V., Shemetov V. Yu., Goncharenko A. P. Ekologiya bureniya. [Drilling ecology]. Minsk, Nauka i tekhnika, 1994. 119 p. [in Russian].
10. Chebotaev A. N. Vozmozhnost' utilizacii burovogo shlama Bovanenkovskogo mestorozhdeniya v proizvodstve stroitel'nyh ma-terialov. [The possibility of utilizing drill cuttings from the Bovanenkovskoye field in the production of building materials]. Stroitel'stvo neftyanyh i gazovyh skvazhin na sushe i na more, 2015. No. 9. P. 26—29 [in Russian].
