CC BY
46Утилизация буровых шламов с использованием минеральных сорбентов
со см о см
<0
о ш т
X
3
<
т О X X
Картушина Юлия Николаевна
кандидат геолого-минералогических наук, доцент, кафедра "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности", Волгоградский государственный технический университет, [email protected]
Кваша Ксения Андреевна
студент магистр, кафедра "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности", Волгоградский государственный технический университет, [email protected]
Аракчеева Алина Николаевна
студент магистр, кафедра "Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности", Волгоградский государственный технический университет, [email protected]
Утилизация буровых шламов является важной проблемой в нефтегазовой отрасли, требующей эффективных методов обработки и утилизации отходов. В данной исследовательской работе исследуется потенциал использования минеральных сорбентов в процессе утилизации буровых шламов. Авторы проводят эксперименты с использованием различных типов минеральных сорбентов, таких как активированный уголь, глины и оксиды металлов, для адсорбции и фильтрации вредных веществ из буровых шламов. Они оценивают эффективность сорбентов в удалении различных загрязнений, включая нефтепродукты, тяжелые металлы и органические соединения. Результаты исследования показывают, что минеральные сорбенты обладают высокой адсорбционной емкостью и эффективно удаляют загрязняющие вещества из буровых шламов. Они способствуют снижению содержания вредных компонентов в отходах, что способствует сокращению экологического воздействия и обеспечивает возможность их безопасной утилизации. Данная исследовательская работа имеет практическое значение для нефтегазовых компаний и экологических организаций, занимающихся проблемой утилизации буровых шламов. Она предоставляет новые научные данные и рекомендации по использованию минеральных сорбентов в процессе очистки и утилизации отходов, способствуя устойчивому развитию нефтегазовой промышленности.
Ключевые слова: утилизация, буровые шламы, минеральные сорбенты, адсорбция, экологическая очистка.
Нефтепродукты являются основным источником энергии для промышленности и повседневной жизни. Утечки и случайные разливы происходят регулярно во время разведки, добычи, транспортировки и хранения нефти и нефтепродуктов [1]. Углеводороды, попавшие в окружающую среду случайно или в результате деятельности человека, являются одной из основных причин загрязнения воды и почвы [2]. Одним из основных аспектов проведения работ по добыче углеводородов является максимальное сохранение состояния окружающей среды. Все буровые площадки можно считать объектами повышенной экологической опасности. Следовательно, воздействие на окружающую природную среду во время сооружения скважин наблюдается не только в результате аварийных ситуаций, а также и при нормальных условиях прохождения производственного процесса [3].
Одним из важнейших аспектов более совершенной технологии является инновационное улучшение процессов, происходящих на всех стадиях извлечения углеводородов [4]. В случае бурения и испытания скважин с углеводородной продукцией основными источниками выделения загрязняющих веществ являются: буровая установка (работа силовых дизельных агрегатов, использование буровых растворов, хозяйственные стоки, углеводороды продуктивных горизонтов и уплотни-тельные материалы резьбовых соединений обсадных колонн и т.п.) и сами скважины (выбросы загрязняющих веществ в атмосферу происходят при их испытании и работе) [5].
Буровой шлам - водная суспензия, твердая часть которого состоит из продуктов разрушения горных пород забоя и стенок скважины, продуктов истирания бурового снаряда и обсадных труб, глинистых минералов (при промывке глинистым раствором) [6]. Отработанный буровой раствор - это раствор, который был исключен из технологических процессов бурения скважин и который подлежит утилизации или захоронению [7]. Буровые сточные воды - это совокупность жидких отходов, образующихся при проведении различных технологических операций при бурении скважины:
- частичный сброс отработанного бурового раствора;
- очистка сеток вибросит;
- охлаждение штоков насосов;
- хозяйственные стоки.
БСВ является многокомпонентной системой, основными составляющими элементами загрязнения БСВ являются взвешенные вещества органические вещества и нефтепродукты. По внешнему виду буровые сточные воды представляют собой смесь коричневого или темно-коричневого цвета, которая является практически непрозрачной с легким запахом нефтепродуктов [8]. Характеристика бурового шлама, который возникает во время бурения нефтегазовой скважины, свидетельствует о наличии в нем примесей (табл. 1).
По мере заглубления скважины на ее забое образуется выбуренная порода, которая поднимается на поверхность вместе с циркулирующим буровым раствором (промывочной жидкостью) [5]. Эти отходы бурения на поверхности проходят систему очистки и далее направляются в шламовые амбары.
Таблица 1
Сравнительная характеристика бурового шлама, возникшего на двух разных объектах нефтедобычи
Показатели исследования / партия, БШ1 БШ2
вид ухода
нефтепродукты, г / кг 0,3 0,4
влажность, % 53 47
сухой остаток, г / кг 63,8 56,6
рН 7,2-7,6 10,8-11,0
Си-, г / кг 18,1 7,7
Са+, Mg+, г-экв / л 0,025 0,07
Рисунок 1. Компонентный состав отходов бурения [8]
Термический метод переработки бурового шлама. Этот метод довольно распространен, он обычно реализуется в открытых амбрах, печах различных конструкций (вращающихся барабанных печах, топках с барботажными горелками и т.д.). Также к этому методу относится сушка в сушилках, которые имеют различные конструкции, пиролиз, термодесорбция, электроогневая обработка, термолиз, термообработка.
При сжигании бурового шлама в вращающейся барабанной печи твердая фаза смешивается с суглинком (30-60% массы. и 40-70% масс. соответственно) и гранулируется. Жидкая фаза применяется во второй раз для приготовления бурового раствора. Недостаток этого метода - высокая себестоимость [9]. Пиролиз - это процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода и с образованием побочных продуктов обезвреживания, таких как пирогаз и пиролизная смола. Также выделяются твердая фаза и тепло отходящих газов, подлежащих утилизации [10].
Термодесорбция бурового шлама-термический нагрев отходов с последующей конденсацией и улавливанием углеводородной фазы. Метод связан с большими энергетическими затратами и имеет малую экономическую эффективность.
Электроогневое сжигание буровых шламов характеризуется созданием практически идеальных условий экологически чистого горения любых токсичных отходов [9]. В случае термообработки буровых шламов практическое полное обезвреживание буровых шламов происходит при температуре 800-850 °с вследствие химического преобразования соединений [11]. Недостаток высокотемпературного сжигания - дорогостоящие спецоборудования и энергетические ресурсы.
Метод термической обработки БШ является в целом дорогостоящим процессом, при котором безвозвратно уничтожается ценная углеводородная составная часть БШ [12]. Во время термолиза буровых шламов образуются таки вещества:
- вода (40% Масс.);
- твердый углеродный остаток (21% масс.);
- углеводородный дистиллят (30% масс.);
- углеводородный газ (9% масс.) [13].
Термический метод переработки буровых шламов универсален, буровые шламы не требуют предварительной подготовки (очистка от мусора, камней, нефтепродуктов). При этом объем переработанного продукта в десятки раз меньше первоначального объема бурового шлама. Но во время сжигания в атмосферу выделяется большое количество опасных и вредных газов. Чтобы предупредить это негативное воздействие, необходимо проводить очистку выбросов. Это требует привлечения дополнительных материальных, финансовых, финансовых и энергетических ресурсов. Экономическая эффективность термических методов уменьшает необходимость осушки бурового шлама с высокой влажностью [9].
Химические методы утилизации отходов бурения. Метод химической утилизации буровых отходов на основе реагент-ного капсулирования сейчас учеными считается эффективным направлением переработки отходов бурения [14; 15]. Во время его внедрения происходит физико-механические превращения БВ в нейтральный для окружающей природной среды материал. Каждая частица этого материала покрыта гидрофобной оболочкой из карбоната кальция, которая образуется при гашении извести в присутствии воды и углекислого газа: СаО + Н2О = Са(ОН)2, АН= - 65,26 кДж/моль Са(ОН)2 + СО2 = СаСО3 + Н2О [9].
Во время тушения извести происходит экзотермическая реакция (выделение тепловой энергии), затем испарение лишней влаги и гибель микроорганизмов. Гранулы, которые образуются при этом, после вызревания в течение 24 часов обладают высокой прочностью, а скорость выделения опасных веществ в окружающую природную среду снижается в сотни раз.
Биохимические (биологические) методы переработки буровых отходов. Используют биологические вещества (бактерии, культуры грибов, растений). Метод основан на способности микроорганизмов перерабатывать углеводороды. При этом проходят биохимические реакции, во время которых происходят расщепление, минерализация и частичная гумификация загрязненного почвенного слоя [9].
В качестве микроорганизмов-деструкторов используют Rhodococcus erythropolis AC 1339д [9], ведь в результате испытаний он проявляет наибольшую деструктивную активность к нефти и нефтепродуктам по сравнению с известными нефтео-кисляющими микро мицетами, например Fusarium sp. № 56.
В качестве биодобавок используются высокомолеклярные кислоты (ВМК), полученные путем окисления керогена сланцев в водно-щелочной среде. Для активации нефтеокисляю-щих микроорганизмов достаточно 0,001-0,002% масс. ВМК, также в качестве биодобавки используют биотрин [2].
Можно использовать биологический препарат Деворойл, который предназначен для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почвы, природных водоемов, акваторий, стоков промышленных предприятий и реабилитации загрязненных территорий. Препарат представляет собой тщательно подобранный союз углеродистых бактерий и дрожжей, успешно работающих в различных природных и антропогенных экосистемах. Эти микроорганизмы адаптированы к среде с соленостью до 150 г/л, то есть одинаково хорошо работают как в пресной, так и в морской воде, а также способны к комплексному разложению как растворимых, так и нерастворимых в воде компонентов нефти (при внедрении утолщенной нефтяной пленки) [1 ;22].
Последнее свойство препарата существенно сокращает время, необходимое для нейтрализации загрязнения, и предотвращает вымывание микроорганизмов от вымывания их из нефти паводковыми водами и ливневыми дождями. Препарат прост в использовании. На загрязненную почву или по-
I I
О DD А J=
со см о см
<0
о ш т
X
3
<
т О X X
верхность водоемов и рек наносят рабочую суспензию препарата (готовят непосредственно перед использованием) путем дождевания или распыления с помощью любых предназначенных для этого машин и агрегатов (при температуре почвы или воды от +5°С до +45°с). Расход препарата зависит от степени загрязненности почвы, водной поверхности [3]. Недостатки биохимического (биологического) метода:
- длительный процесс, требует большого количества средств на приобретение биопрепаратов;
- область применения ограничена селективным действием используемых бактерий;
- бактерии, как правило, обладают высокой чувствительностью к составу бурового раствора и изменению факторов среды (температуры, влажности, рН и т.д.), что препятствует получению желаемого результата.
Биологический метод является оптимальным в комплексе с другими способами утилизации БВ. Степень очистки БШ при этом повышается до 91% после предварительной экстракции нефтепродуктов из шлама ксилолом и обработкой подобранного консорциума необходимых микроорганизмов [9]. Утилизация Нижнего (донного) слоя шламовых амбаров могут осуществлять методом биодеструкции в полевых условиях [5]. Успех биологической очистки нефти зависит от способности устанавливать и поддерживать условия, которые способствуют повышению уровня биодеградации нефти на загрязненной территории [6].
Почва, загрязненная углеводородами, вызывает серьезное повреждение местной окружающей природной системы, поскольку накопление загрязняющих веществ в животных и тканях растений может привести к смерти или мутациям [3]. Таким образом, биологические методы переработки БВ применяют в основном на одном из этапов комплексных мероприятий по обращению с БВ, которые содержат нефтепродукты. Поскольку содержание нефтепродуктов в БШ сравнительно невелико, этот способ не является оправданным в технически-экологическом и экономическом плане.
Буровой шлам целесообразно использовать в качестве добавки для производства строительных материалов, учитывая соответствие состава шлама составу сырья для строительных материалов [3; 4]. Утилизация предварительно обезвреженного бурового шлама может использоваться в производстве таких строительных материалов, как кирпич, керамзит, малоразмерные строительные изделия [7].
Физический метод утилизации буровых отходов. Такой метод основан на изменении физических свойств бурового шлама под влиянием различных силовых факторов. Физический метод переработки БШ условно разделяют на:
- гравитационное отстаивание;
- разделение в центробежном поле;
- разделение фильтрованием;
- замораживание [5].
Наиболее распространенными аппаратами для разделения и последующей переработки нефтяных отходов являются центрифуги, фильтры, гидроциклоны и сепараторы [6]. Для обезвоживания таких буровых отходов, как нефтешлами, используют фильтры - отстойники [7; 8].
Преимуществом гравитационного отстаивания является отсутствие больших капитальных и эксплуатационных расходов, а к недостаткам можно отнести долговременность процесса отстаивания и малая эффективность разделения нефтяных остатков и других примесей [9].
Разделение в центробежном поле буровых шламов происходит в декантере. Принцип его действия основан на действии центробежных сил. В декантере нефтешлами в смеси с подогретой свежей нефтью подаются на трехфазные декандры, где происходит деление на три фазы: углеводородную, водную и
механические примеси. Выделенные углеводороды направляют на вторичную переработку, воду - на очистку, механические же примеси, которые обогащены углеводородами и содержат воду, являются новым отходом, количество которого значительно меньше по сравнению с количеством первичного нефтешлама, но все еще значительное [4].
К преимуществам этой разновидности переработки БШ относятся возможность уменьшения количества отходов, а также повторное использование части воды, которая отделяется от нефтепродуктов. К недостаткам относится необходимое специальное оборудование, такое как гидроциклоны, сепараторы, центрифуги [4].
Способ фильтрования через пресс только отделяет водную часть отходов от тяжелых примесей, этот процесс характеризуется достаточно низкой пропускной способностью. При этом фильтровании остается нерешенной проблема утилизации отфильтрованного материала и отделения воды. Этот метод не решает вопрос полной утилизации нефтяных отходов [2; 3].
Определено влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламовой эмульсии, ее структуру, численность и дыхательную активность микрофлоры шлама, токсикологические характеристики водной фазы шлама. Было обнаружено, что замораживание и оттаивание вызывают дестабилизацию структуры шлама, которая проявляется в ускорении его обезвоживания во время центрифугирования [4].
За 20 минут центрифугирования от исходного шлама отделяется вода в количестве 28% по массе, тогда как от шлама после замораживания и оттаивания - более 39%. Таким образом, замораживание и оттаивание дестабилизируют структуру шлама и способствуют повышению эффективности его обезвоживания в модельных условиях центрифугирования. Этот метод в большей степени подходит к смесям, которые состоят из синтетических органических веществ [5].
Физико-химические методы переработки отходов бурения. Основой этого метода является применение специальных поверхностно-активных веществ (ПАВ), изменяющих физико-химические свойства, с последующей обработкой на специальном оборудовании. В качестве пАв используют смачиватели, диспергаторы, деэмульгаторы и растворители. Также в физико-химическом методе переработки БШ используются вспомогательные вещества, такие как коагулянты и флокулянты, которые влияют на размер и структуру взвешенных частиц в нефтяной и водной фазах.
Коагуляция - это процесс слипания частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц (увеличением размера и массы агрегатов) и уменьшением их числа в объеме дисперсионной среды - жидкости. Флокуляция - вид коагуляции, при которой мелкие частицы, которые во взвешенном состоянии в жидкой среде образуют рыхлые скопления, то есть флокулы. Флокуляция в жидких дисперсных системах происходит под воздействием специально добавляемых веществ - флокулян-тов [6; 7]. Общим недостатком всех известных коагулянтов является невозможность их регенерации и возврата товарного продукта. Также к недостаткам метода относится то, что во время изменения химического состава бурового шлама процесс осаждения частиц может стать нерегулируемым.
Среди имеющихся методов утилизации БШ более перспективным является комбинированный метод, то есть центрифугирование с применением флокулянтов и коагулянтов [8; 9].
При этом методе извлечения нефтепродуктов из БШ достигает 85%, а механических примесей - 95%. Чтобы ускорить процесс осаждения частиц, используют коагулянт АЬ^Оф (сульфат алюминия), а для улучшения процесса химического осаждения - флокулянт полиакрила - МИД (ПАА), который способствует увеличению размеров хлопьев при коагуляции.
В современной литературе недостаточно описаны факторы, которые влияют на выбор того или иного метода переработки и утилизации отходов бурения нефтегазовых скважин. В зависимости от состава отходов бурения и определенных экспериментальным методом оптимальных технологических параметров их переработки и утилизации, осуществляется выбор того или иного способа переработки и утилизации отходов бурения нефтегазовых скважин.
Литература
1. Зиновьева О.А., Зубенко М.А., Попова М.А. (2018). Использование минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности, 18(3), 300-307.
2. Виноградов А.Ю., Силаев Д.В., Казачков В.И., Амосов А.В. (2017). Применение минеральных сорбентов для утилизации буровых отходов. Международный научно-исследовательский журнал, 5(61), 120-124.
3. Ковалев А.А., Гребенникова И.В., Суворова О.В. (2016). Экологические аспекты утилизации буровых шламов с использованием минеральных сорбентов. Материалы Всероссийской научно-практической конференции "Экологическая безопасность и природопользование", 129-134.
4. Ломова Е.С., Коробов Д.С., Беляев В.А. (2015). Использование минеральных сорбентов при обработке буровых шла-мов. Молодежный научный вестник, 6(3), 53-56.
5. Жукова М.В., Мельникова Т.И., Турина И.В. (2014). Эффективность использования минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Научный вестник БелГУ, 16(15), 141145.
6. Кондратьев И.В., Баранова Е.В., Кравченко О.А. (2013). Очистка буровых шламов с использованием минеральных сорбентов. Вестник Воронежского государственного технического университета, 9(1), 189-195.
7. Горбачева И.А., Перов А.В., Давыдова Ю.В. (2012). Очистка буровых шламов с использованием минеральных сорбентов. Материалы XIX Международной конференции "Перспективы развития нефтегазового комплекса России", 3-6.
8. Нечепуренко В.А., Чубарькова И.Ю., Шулика А.В. (2011). Очистка буровых шламов с использованием минеральных сорбентов. Энергосбережение, энергетика, энергоаудит, 7, 71-75.
9. Саранцев В.А., Булгаков А.А., Поляков М.В. (2010). Использование минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Экологический вестник научных центров Черноземья, 2(5), 156-160.
10. Левшина Н.Б., Быстрова Е.А. (2009). Возможности использования минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Вестник ЮУрГУ, 1(4), 17-22.
11. Карпова Н.С., Поливанова Е.Ю., Макаренко Е.В. (2008). Использование минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Вестник Вятского государственного университета, 4(1), 81-86.
12. Земцов В.А., Земцова О.Ю., Лебедева Е.А. (2007). Утилизация буровых отходов с использованием минеральных сорбентов. Техническая химия, 7(2), 15-18.
13. Потапова Е.А., Лукьянов С.П., Тулькина Т.Н. (2006). Использование минеральных сорбентов для очистки буровых шламов. Наука и инновации в нефтегазовом комплексе, 4(1), 55-60.
14. Крупин Н.В., Коновалова Л.И., Шадрина Г.А. (2005). Очистка буровых шламов с использованием минеральных сорбентов. Промышленная экология, 1, 68-72.
15. Гусев А.Е., Корнилов А.Г., Косинов В.А. (2004). Использование минеральных сорбентов для утилизации буровых отходов. Технология нефти и газа, 2, 49-52.
Disposal of drilling sludge using mineral sorbents Kartushina Yu.N., Kvasha K.A., Arakcheeva A.N.
Volgograd State Technical University
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90
Disposal of drilling sludge is an important problem in the oil and gas industry, requiring effective methods of waste treatment and disposal. In this research paper, the potential of using mineral sorbents in the process of disposal of drilling sludge is investigated. The authors conduct experiments using various types of mineral sorbents, such as activated carbon, clays and metal oxides, for adsorption and filtration of harmful substances from drilling mud. They evaluate the effectiveness of sorbents in removing various contaminants, including petroleum products, heavy metals and organic compounds. The results of the study show that mineral sorbents have a high adsorption capacity and effectively remove pollutants from drilling mud. They contribute to reducing the content of harmful components in waste, which helps to reduce the environmental impact and provides the possibility of their safe disposal. This research work is of practical importance for oil and gas companies and environmental organizations dealing with the problem of disposal of drilling sludge. It provides new scientific data and recommendations on the use of mineral sorbents in the process of waste treatment and disposal, contributing to the sustainable development of the oil and gas industry. Keywords: Disposal, drilling sludge, mineral sorbents, adsorption, environmental
cleaning. References
1. Zinovieva O.A., Zubenko M.A., Popova M.A. (2018). The use of mineral sorbents
for cleaning drilling cuttings. Bulletin of the South Ural State University. Series: Ecology and Life Safety, 18(3), 300-307.
2. Vinogradov A.Yu., Silaev D.V., Kazachkov V.I., Amosov A.V. (2017). The use of
mineral sorbents for the disposal of drilling waste. International Research Journal, 5(61), 120-124.
3. Kovalev A.A., Grebennikova I.V., Suvorova O.V. (2016). Ecological aspects of
drilling cuttings disposal using mineral sorbents. Materials of the All-Russian scientific-practical conference "Ecological safety and nature management", 129134.
4. Lomova E.S., Korobov D.S., Belyaev V.A. (2015). The use of mineral sorbents in
the processing of drill cuttings. Youth Scientific Bulletin, 6(3), 53-56.
5. Zhukova M.V., Melnikova T.I., Turina I.V. (2014). Efficiency of using mineral
sorbents for drilling cuttings cleaning. Scientific Bulletin of BelSU, 16(15), 141145.
6. Kondratiev I.V., Baranova E.V., Kravchenko O.A. (2013). Purification of drill cuttings
using mineral sorbents. Bulletin of the Voronezh State Technical University, 9(1), 189-195.
7. Gorbacheva I.A., Perov A.V., Davydova Yu.V. (2012). Purification of drill cuttings
using mineral sorbents. Proceedings of the XIX International Conference "Prospects for the development of the oil and gas complex of Russia", 3-6.
8. Nechepurenko V.A., Chubarkova I.Yu., Shulika A.V. (2011). Purification of drill
cuttings using mineral sorbents. Energy saving, energy, energy audit, 7, 71-75.
9. Sarantsev V.A., Bulgakov A.A., Polyakov M.V. (2010). The use of mineral sorbents
for cleaning drilling cuttings. Ecological Bulletin of Scientific Centers of the Chernozem Region, 2(5), 156-160.
10. Levshina N.B., Bystrova E.A. (2009). Possibilities of using mineral sorbents for
cleaning drill cuttings. Bulletin of SUSU, 1(4), 17-22.
11. Karpova N.S., Polivanova E.Yu., Makarenko E.V. (2008). The use of mineral sorbents for cleaning drilling cuttings. Bulletin of the Vyatka State University, 4(1), 81-86.
12. Zemtsov V.A., Zemtsova O.Yu., Lebedeva E.A. (2007). Utilization of drilling waste
using mineral sorbents. Technical Chemistry, 7(2), 15-18.
13. Potapova E.A., Lukyanov S.P., Tulkina T.N. (2006). The use of mineral sorbents
for cleaning drilling cuttings. Science and innovation in the oil and gas industry, 4(1), 55-60.
14. Krupin N.V., Konovalova L.I., Shadrina G.A. (2005). Purification of drill cuttings
using mineral sorbents. Industrial Ecology, 1, 68-72.
15. Gusev A.E., Kornilov A.G., Kosinov V.A. (2004). The use of mineral sorbents for
the disposal of drilling waste. Oil and Gas Technology, 2, 49-52.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м
CJ
