CC BY
472
УДК 622.32 (571.12)
Е.В. Голубев, ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет» директор Технопарка, канд. географ. наук;
А.В. Соромотин, ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет» директор НИИ экологии и рационального использования природных ресурсов, доктор биол. наук; Н.А Вепренцева, ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет» заместитель директора Технопарк; Н.Б. Микушина, ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет», Менеджер Бизнес-инкубатора Технопарка, г. Тюмень, E-mail: [email protected]
СОСТАВ И СВОЙСТВА БУРОВЫХ ОТХОДОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В работе приведены результаты исследований буровых отходов. Получены данные о составе и свойствах буровых отходов, на основании которых возможна теоретическая и практическая разработка технологий переработки этих отходов.
Ключевые слова: буровые отходы, буровой раствор, шламовый амбар, утилизация.
ГОУ ВПО «Тюменский государственный университет» совместно с ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» при государственной поддержке (работы выполнены за счет средств Минобрнауки России) в рамках реализации 218 Постановления Правительства РФ в сентябре 2010 года начал работу по созданию высокотехнологичного производства «Создание технологии и мобильного комплекса оборудования по переработке отходов нефтегазодобычи».
Основанием выбора данного направления послужили многолетние исследования ученых ТюмГУ в области образования и накопления отходов нефтедобычи.
В результате освоения нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири образовалось большое количество отходов нефтегазодобывающего комплекса. Только в ХМАО за 2006-2007 гг. накоплено более 10 млн. тонн отходов. Однако нефтедобывающие компании в значительной мере занижают объемы образования опасных отходов бурения и нефтедобычи, по данным отчётности показано менее 4,5 млн. тонн [1].
Поэтому насущной проблемой является разработка эффективных технологий переработки отходов нефтедобычи, а также внедрение этих технологий в производство. Для решения этой задачи необходимы исходные данные о составах и физико-химических характеристиках буровых отходов.
В процессе бурения в скважину подается буровой раствор, который смазывает и охлаждает инструмент, выводит на поверхность выбуренную породу, компенсирует давление пластов и укрепляет стенки скважины. В результате на поверхности образуются сточные буровые воды, отработанный буровой раствор и загрязненная выбуренная порода (буровой шлам). Все эти три составляющие буровых отходов в различных пропорциях содержат воду, породу и раствор.
Буровой раствор, поднимаемый на поверхность, очищается от загрязнений и используется повторно.
Для условий Западной Сибири на один метр проходки образуется от 0,2 до 0,6 м3 отходов бурения. Меньший показатель приходится на технологии с большой степенью возврата раствора после очистки. Для скважин глубиной 2000 м объем буровых отходов в среднем для Западной Сибири составляет 500 м3.
Буровые отходы в общем случае состоят на 40-50% (весовых) из выбуренной породы; 30-40% бурового раствора и 20% возможных технологических сбросов, подземных вод и нефти.
Буровые растворы, в свою очередь, состоят из воды на 8589%, бентонитовых глинопорошков - 10-11%. В оставшиеся 1-5% могут входить различные смазывающие, антисептические, пеногасительные, антнфильтрационные и гидрофобизи-рующие жидкости. Наиболее распространены гидрофобизи-рованная кремнийорганическая жидкость, натриевая соль карбометилцеллюлозы, полиакриамид, гепан, графитовая смазка, каустическая сода, едкий калий, кальцинированная сода.
В настоящее время различные отечественные и иностранные компании принимают также полимерные буровые растворы с добавками, имеющими различные товарные назначе-
ния. Распространены добавки на основе синтетических углеводородов, используются присадки типа сайпана, сайдрила и ДК-дрила и другие.
В ходе бурения каждой конкретной скважины составляется карта использования растворов с перечнем используемых компонентов на соответствующей глубине. Работа по составлению буровых растворов очень ответственная, требует большого опыта и высокой квалификации.
Большое разнообразие применяемых компонентов приводит к тому, что состав и свойства буровых отходов даже в рядом расположенных шламовых амбарах сильно отличаются. Имеются данные об отличиях на 5 единиц показателя РН в разных местах одного шламового амбара.
Общими для большинства буровых отходов являются свойства, связанные с предназначением и требованиями, предъявляемыми к буровым растворам. Так, требование к высокой текучести буровых растворов обуславливает отсутствие прочности у бурового шлама. Для подавления микроорганизмов используются буровые растворы с высоким показателем РН (911). Такая добавка, как карбометилцеллюлоза, усложняет седиментацию жидкой и твердой фазы буровых отходов и очистку воды. Буровые отходы сложно закачивать насосом как жидкости и перемещать дорожно-строительной техникой, как это делается с твердыми и сыпучими материалами.
Физические свойства буровых отходов
Буровые отходы представляют собой текучую пастообразную массу темно-серого с металлическим оттенком цвета, маслянистую на ощупь и имеющую запах нефти.
Плотность буровых отходов определяется плотностью бурового раствора и выбуренной породы. Для Западной Сибири это средняя величина между плотностью сырого песка и раствора 1,3-1,6 т/м3.
Вязкость (обратное свойство текучести) буровых отходов составляет 0,1-4,5 Па*с. Текучесть повышается с увеличением содержания воды и при слабой очистке раствора. Обезвоженные буровые отходы теряют текучесть и легко размалываются в порошок.
Исследования гранулометрического состава показали, что размеры частиц буровых отходов - от 10 до 500 мкм, причем более крупные соответствуют выбуренным породам, а мелкие
- бентонитам. Кривая распределения частиц по размерам имеет два максимума. Один максимум приходятся на частицы размером 20-30 мкм, другой на 200-300 мкм. Очевидно, этим объясняются низкие гидроизолирующие свойства буровых отходов, когда мелкие частицы бентонита под действием гидравлического напора проходят между крупными частицами породы.
Температура замерзания составляет минус 10-14°С, температура кипения 120-140°С. Увеличение содержания воды сужает данный диапазон.
Диэлектрическая проницаемость обезвоженных буровых отходов составляет 35-40, магнитная проницаемость близка к единице (на стотысячные доли выше единицы).
С практической точки зрения наиболее важной электрической величиной является удельное электрическое сопротивление. Его величина для тока промышленной частоты составляет 3-20 Ом*м. Меньшие значения соответствуют буровым отходам с большим содержанием влаги, большие - с меньшим. С увеличением температуры электропроводность буровых отходов возрастает, а сопротивление падает. Значение температурного коэффициента для электрического сопротивления - 0,016-0,021 К-1. Указанные электрические характеристики позволяют использовать простые электродные электро-емкостные нагреватели для переработки буровых отходов.
Напряженность электрического поля, при котором происходит пробой объема буровых отходов, составляет 79*106 В/м.
Теплоемкость буровых отходов составляет 0,81,85 кДж/(кг*К). Коэффициент теплопроводности буровых отходов 0,5-0,81 Вт/(м*К). Нижняя граница показателей теплоемкости и теплопроводности соответствует буровым отходам с содержанием воды 20%. Верхняя граница этих показателей принадлежит буровым отходам с содержанием воды 50%.
Проведенные замеры эффективной активности естественных радионуклидов 40 К, 232 Тп, 226 Ra показали, что их уровень для буровых отходов ниже допустимого в 10-15 раз.
Химический состав буровых отходов
Буровые отходы представляют собой коллоидный раствор частиц глины, песка, химических реагентов и нефти в воде. Показатель РН, как правило, соответствует щелочной среде и составляет 8,5-10,5.
Среди химических элементов преобладают кислород, водород, алюминий, кремний, углерод, железо, кальций, магний, марганец, натрий, калий, хлор, бром, йод. В меньших количествах встречаются кадмий, свинец, цинк, медь, кобальт, ртуть, мышьяк, бор, барий, фосфор, титан, хром, никель, вольфрам и другие.
Среди химических соединений буровые отходы содержат воду (20-50%), оксиды: кремния (40-60%), алюминия (1020%), углерода (7-9%), железа (5-8%), кальция (2-5%), магния (1,5-3%), натрия (0,5-1%), калия (0,4-2%),бора (0,3-0,5%), фосфора (0,03-0,05%),марганца (0,03-0,1%) и других выше-
Bibliography
указанных элементов, их сульфаты и хлориды. В составе буровых отходов содержание нефти и нефтепродуктов достигает 5%, поверхностно-активных веществ - 0,5%. Обычные показатели для углеводородов 50-100 мг/кг, поверхностноактивных веществ - 1-10 мг/кг.
Изменение свойств буровых отходов во времени
После окончания бурения буровые отходы находятся в шламовых амбарах в течение длительного времени - годы и десятилетия.
В летний период в течение первого месяца после слива происходит седиментация буровых отходов. На поверхности амбара скапливается нефть и вода. Слой нефти может составлять 0,5-10 см, а слой воды - 0,3-1,0 м. Эго жидкая фаза буровых отходов.
На дне амбара скапливается гелеобразный осадок буровых отходов глубиной 2-2,5 м. Обычно этот осадок называют твердой фазой. В твердой фазе буровых отходов содержание воды снижается до 10-15%. Под действием солнечных лучей возможно полное испарение воды на поверхности амбара и подсушивание верхнего слоя твердой фазы буровых отходов. В результате происходит образование затвердевшей корки, которая при дальнейшем высушивании растрескивается. Полностью обезвоженные буровые отходы представляют собой сыпучий мелкодисперсный материал низкой твердости.
В зимнее время при температурах ниже минус 10°С седиментация практически не происходит. Замороженные послойно буровые отходы могут оставаться в таком виде на дне амбара весь летний период. Известны случаи, когда шламовые амбары зарастали растительностью в течение двух десятков лет. На их месте образовались небольшие водоемы. Подобное происходит при низких концентрациях токсических веществ в буровых отходах.
Выводы
Полученная информация является основой для разработки и модернизации технологий по переработке буровых отходов и рекультивации шламовых амбаров.
В то же время показано, что в каждом конкретном случае имеются особенности, которые необходимо учитывать при разработке технологий по переработке буровых отходов.
1. Ramzova, SA Wastes from the production and consumption. Newsletter on the environment of the Khanty-Mansi Autonomous Okrug
- Ugra for 2006-2007 ". - Khanty-Mansiysk: RPC "Monitoring", 2008.
Article Submitted 07.12.10
