Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, в частности к способам экологически безопасной утилизации буровых сточных вод при проведении буровых работ на суше.

Известен способ строительства скважины, включающий подготовительные работы по планировке земельного участка, доставку и монтаж бурового оборудования, сооружение земляного амбара-накопителя отходов бурения, бурение скважины, накопление отходов бурения в земляном амбаре, испытание и освоение скважины, демонтаж и вывоз бурового оборудования, частичное удаление из амбара-накопителя жидкой фазы отходов бурения путем естественного испарения, засыпку оставшейся в амбаре загущенной фазы отходов бурения минеральным грунтом (см. Стетюха Е., Лютенко В. Охрана и рекультивация земли буровыми предприятиями Украины // Нефтяник, 1977. - №9. - С.15-16). Однако значительная продолжительность ликвидации амбара-накопителя отходов бурения и рекультивации нарушенных земель, обусловленная необходимостью естественного испарения жидкой фазы отходов бурения и подсыхания содержимого амбаров в течение двух-трех лет, ограничивает возможность реализации известного способа строительства скважины и не удовлетворяет действующему природоохранному законодательству, согласно которому технический этап рекультивации должен быть завершен не позднее одного года после окончания строительства скважины.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ строительства скважины, включающий подготовительные работы по планировке земельного участка, доставку и монтаж бурового оборудования, сооружение земляного амбара-накопителя отходов бурения, бурение скважины, накопление отходов бурения в земляном амбаре на территории буровой площадки, использование буровых сточных вод (БСВ) в оборотном водоснабжении в процессе бурения скважины, сопровождающемся увеличением степени загрязненности с каждым циклом, испытание и освоение скважины, сброс буровых сточных вод на рельеф местности после окончания строительства скважины, демонтаж и вывоз бурового оборудования, ликвидацию земляного амбара-накопителя, рекультивацию нарушенных земель (см. Булатов А.И., Макаренко П.Л., Шеметов В.Ю. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности. - М: Недра, 1997). Этот способ строительства скважины с утилизацией буровых сточных вод считается одним из наиболее перспективных, однако к причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе сброс исходных буровых сточных вод на рельеф местности негативно влияет на рост, развитие и урожайность растений, а также свойства почв на смежной с буровой площадкой территории.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Строительство скважин сопровождается неизбежным образованием отходов бурения, которые, в основном, складируют в земляных амбарах-накопителях, сооруженных непосредственно на территории буровой площадки. Отходы бурения включают выбуренную породу - буровой шлам, отработанный буровой раствор и буровые сточные воды. Общий объем отходов бурения глубоких скважин может достигать 5-7 тыс. м³. Наибольший удельный вес (до 60-75%) среди них составляют буровые сточные воды. Под буровыми сточными водами понимаются воды, нарабатываемые в процессе строительства скважины и эксплуатации оборудования, представляющие собой буровой раствор, разбавленный технической водой и атмосферными осадками.

Земляной амбар-накопитель отходов бурения должен быть ликвидирован не позднее одного года после завершения строительства скважины, а нарушенные земли рекультивированы. Ликвидация земляного амбара-накопителя отходов бурения обычно сводится к удалению жидкой фазы отходов бурения - буровых сточных вод из амбара-накопителя, отверждению оставшейся загущенной фазы отходов бурения с использованием консолидирующих составов и последующей засыпке минеральным грунтом.

При этом возникает проблема удаления из земляного амбара-накопителя буровых сточных вод. Если в процессе углубления скважины буровые сточные воды можно вовлекать в оборотное водоснабжение строительства скважины, то после окончания строительства скважины сточные воды серьезно препятствуют переводу отходов бурения в твердое состояние, так как захоронять отходы бурения в жидком состоянии не допускается санитарными правилами, а отверждать жидкую фазу отходов бурения экономически и экологически нецелесообразно. Ситуация еще более осложняется, когда строительство поисковых и разведочных скважин осуществляется в отдаленных от инфраструктуры нефтегазовой компании местах, на значительном (до 100 и более километров) расстоянии и транспортировка БСВ на централизованный полигон экономически и экологически нецелесообразна.

Использование буровых сточных вод, имеющих высокую щелочность (рН>8,5-12), для ирригации недопустимо, т.к. это негативно влияет на рост, развитие и урожайность растений, а также свойства почв.

Недостаточный объем утилизации БСВ в процессе бурения скважины обусловливает накопление сточных вод в земляном амбаре на территории буровой площадки после строительства скважины. Поэтому проблема утилизации БСВ на этом этапе приобретает особую актуальность в связи с необходимостью своевременного возврата земель землевладельцу.

Для этого сточные воды из амбаров-накопителей могут быть сброшены в водные источники или использованы на земледельческих полях орошения.

В первом случае сточные воды будут загрязнять реки и водоемы нефтепродуктами, минеральными соединениями и другими вредными компонентами, что служит серьезным препятствием для такого сброса.

Более оптимальным и экологически целесообразным решением этой проблемы является сельскохозяйственное использование предварительно подготовленных сточных вод, содержащих органические вещества и биогенные элементы (азот, фосфор, калий), на полях орошения. В результате обеспечиваются интенсивное почвенное обезвреживание стоков и наиболее радикальная защита водных ресурсов от загрязнения, так как окисление биогенных элементов в почве происходит в десятки раз интенсивнее, чем в воде рек и водоемов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в повышении экологической безопасности строительства нефтяных и газовых скважин, сокращении сроков ликвидации земляного амбара-накопителя отходов бурения, своевременной передаче арендованного земельного участка землепользователю, снижении стоимости аренды земельного участка.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе, включающем подготовительные работы по планировке земельного участка, доставку и монтаж бурового оборудования, сооружение земляного амбара-накопителя отходов бурения, бурение скважины, накопление отходов бурения в земляном амбаре на территории буровой площадки, использование буровых сточных вод в оборотном водоснабжении в процессе бурения скважины, сопровождающемся увеличением степени загрязненности с каждым циклом, испытание и освоение скважины, сброс буровых сточных вод на рельеф местности после окончания строительства скважины, демонтаж и вывоз бурового оборудования, ликвидацию земляного амбара-накопителя, рекультивацию нарушенных земель, особенность состоит в том, что предварительно строительству скважин в районе намечаемых буровых работ проводят экспериментальные исследования, на основании которых устанавливают допустимую норму объема утилизации буровых сточных вод и допустимую концентрацию солей для почв данного района, сброс предварительно подготовленных буровых сточных вод производят периодически в несколько циклов в процессе углубления скважины и после окончания бурения, а перед утилизацией буровые сточные воды нормализуют подкислением по рН до 6.0-8.5 и разбавляют свежей водой до ирригационно допустимой концентрации солей (1 г/дм³).

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить отсутствие источника, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлены только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Способ осуществляют следующими последовательными действиями в порядке изложения:

- предварительно строительству скважины в районе намечаемых буровых работ проводят экспериментальные исследования, на основании которых устанавливают допустимую норму объема утилизации буровых сточных вод и допустимую концентрацию солей для почв данного района;

- выполняют подготовительные работы по планировке земельного участка;

- доставляют на буровую площадку и монтируют буровое оборудование;

- сооружают на территории буровой площадки земляной амбар-накопитель отходов бурения;

- бурят скважину;

- накапливают отходы бурения в земляном амбаре на территории буровой площадки;

- используют буровые сточные воды в оборотном водоснабжении в процессе бурения скважины, сопровождающемся увеличением степени загрязненности с каждым циклом;

- предварительно сбросу буровых сточных вод на рельеф местности проводят их нормализацию подкислением по рН до 6,0-8,5;

- предварительно сбросу буровых сточных вод на рельеф местности разбавляют нормализованную буровую сточную воду свежей водой до ирригационно допустимой концентрации солей (1 г/дм³);

- периодически в процессе углубления скважины и после окончания бурения сбрасывают буровые сточные воды в соответствии с экспериментально установленной допустимой нормой объема утилизации буровых сточных вод и допустимой концентрацией солей для почв данного района на рельеф местности;

- испытывают и осваивают скважину;

- демонтируют и вывозят буровое оборудование;

- ликвидируют земляной амбар-накопитель;

- проводят технический этап рекультивации.

В целях определения возможности использования БСВ для орошения кормовых, а также технических культур и древесно-кустарниковых пород на территории лицензионного участка нефтяной компании и оценки их влияния на рост, развитие и урожайность растений, а также на свойства почв проведены специальные исследования.

Эксперименты проводили как в полевых условиях (мелкоделяночный опыт вблизи земляного амбара-накопителя законченной бурением скважины глубиной 5774 м), так и в лабораторно-вегетационных условиях на почвенных монолитах при возделывании кормовых культур (суданская трава и соргосуданковый гибрид). Повторность трехкратная. Режим орошения 75% от наименьшей влагоемкости (НВ).

Исследования проводили по схеме, включающей шесть вариантов полива:

1. Оросительной водой (контроль);

2. Исходной буровой сточной водой;

3. Нормализованной БСВ по концентрации водородных ионов до нейтральной среды;

4. Разбавленной БСВ до 0,5 исходной концентрации солей;

5. БСВ, разбавленной до ирригационно допустимой концентрации солей (1 г/дм³);

6. Без орошения.

Исходная минерализованная буровая сточная вода характеризовалась водородным показателем 8, 9; химическим содержанием кислорода (ХПК) - 3760 мг/дм³. По химическому составу ее можно отнести к группе гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатно-натриевым. Сухой остаток солей в воде 7,9 г/дм³, в том числе массовое содержание ионов, г/дм³: НСО^- - 2,64; Сl^- - 0,91; SO^2- - 2,8; Са²⁺ - 0,2; Mg²⁺ - 0,05; Na⁺ - 2,6. Содержание нефтепродуктов в воде - 0,3 г/дм³.

Исследования проводили на луговых не засоленых почвах тяжелосуглинистого и глинистого механического состава с залеганием пресных подземных вод на глубине 0,8 м.

Макроагрегатный состав почвы был представлен фракциями крупнее 1,0 мм, количество которых составляло более 90%. Макроагрегаты слабоводопроводные, при воздействии воды разрушаются на микроагрегаты и илистые фракции. Коэффициент диспергирования (по Качинскому) 13…20%. Плотность объемной массы почвы 1,3…1,4 г/см³; твердой фазы - 2,7 г/см³. По содержанию доступных питательных веществ такие почвы относятся к среднеобеспеченным по азоту, фосфору и калию.

В процессе исследований поливная вода рассчитывалась на полевых опытах (исходя из наличия влаги в почве для промачивания ее слоя 0,3 м и близкого залегания подземных вод) и составляла 400 м³ БСВ на гектар. В процессе вегетации культур было произведено три полива общей оросительной нормой 1200 м³/га. В результате вместе с поливной водой поступило солей на гектар по вариантам, т: 1-й - 0,6; 2-й - 9,6; 3-й - 9,6; 4-й - 4,8; 5-й - 1,2; 6-й - 0.

В связи с этим прогнозировалось повышение содержания солей в почве по вариантам опыта, %: 1-й на 0,01; 2-й и 3-й на 0,19; 4-й на 0,9; 5-й на 0,02 и 6-й - 0.

Однако данные анализа содержания солей в почве на конец вегетации кормовых культур свидетельствуют о том, что заметного увеличения солей не наблюдается.

В условиях лабораторно-вегетационных исследований, где исключалось подпитывание почвы подземными водами за счет капиллярного подтягивания ее в верхние горизонты, обеспечение растений влагой осуществлялось поливами по мере расхода воды в процессе транспирации и испарения.

За вегетационный период было проведено 18 поливов оросительной нормой 250 м³/га, что обеспечило увлажнение полуметрового слоя почвы до предела наименьшей ее влагоемкости. Общая оросительная норма составила - 4500 м³/га.

В результате вместе с поливной водой поступило солей в почву на гектар по вариантам опыта, т/га: 1-й - 2,2; 2-й и 3-й - 36; 4-й - 18; 5-й - 4,5 и 6-й - 0.

В результате во 2-4-м вариантах опыта (полив исходной БСВ, нормализованной по концентрации водородных ионов, и разбавленной БСВ со снижением концентрации солей в 2 раза) общее содержание солей в почве увеличилось до 0,35…0,40%. В то же время в 1-м, 5-м и 6-м вариантах (полив оросительной водой, буровой сточной водой, нормализованной до ирригационно допустимой, и без орошения) содержание солей в почве оставалось в пределах 0,10…0,15%.

При этом увеличение содержания солей в почве произошло в основном за счет увеличения хлора, сульфат-иона и натрия. Так, массовая доля хлора увеличилась с 0,015…0,020 до 0,035…0,040%, сульфатов с 0,020 до 0,025% и натрия с 0,01 до 0,13%.

При поливе буровой сточной водой как в полевых исследованиях, так и в лабораторно-вегетационных наблюдается осолонцевание почвы, показателем которого является содержание поглощенного натрия. Так, массовая доля его в почве к концу вегетации кормовых культур в вариантах полевых опытов с поливом оросительной водой, буровой сточной водой, разбавленной до ирригационно допустимой концентрации солей, при оросительной норме 1200 м³/га составляла 5…6% от емкости поглощения, а в вариантах полива исходной буровой сточной водой и нормализованной по концентрации водородных ионов (рН=7) - 8…11%.

В лабораторно-вегетационных исследованиях при поливе БСВ оросительной нормой 4500 м³/га процесс осолонцевания усиливается и массовая доля поглощенного натрия в почве (в горизонте 0…60 см) достигает 18…20% от емкости поглощения (таблица 1).

Полив буровой сточной водой почти не отразился на механическом составе почвы как в полевых, так и в лабораторно-вегетационных условиях. Содержание фракций механических элементов почвы менее 0,01 мм наблюдалось в пределах 45…60%, что характеризует суглинок тяжелый.

Заметных изменений в агрегатном составе почвы при орошении оросительной водой и буровой сточной водой не отмечалось.

Наряду с этим пригодность сточных вод для орошения определяется также содержанием в них токсичных веществ.

В связи с комбинированным загрязнением сточных вод не представляется возможным дать оценку токсичности каждого компонента. Поэтому лучшим индикатором на загрязнение является рост, развитие и урожай сельскохозяйственных культур.

Такие исследования были проведены в полевых условиях - на лугово-черноземных почвах вблизи амбара-накопителя отходов бурения скважины на посеве суданской травы и в лабораторно-вегетационных опытах на посеве соргосуданкового гибрида.

Фенологические наблюдения показали некоторое отставание культур в наращивании зеленой массы при поливе буровой сточной водой в сравнении с поливом оросительной водой. В то же время рост и развитие культур при поливе буровой сточной водой значительно опережают аналогичные показатели варианта без полива.

Так, урожай зеленой массы суданской травы (полевой опыт) в варианте с поливом оросительной водой составляет 158 ц/га, а при поливе буровой сточной водой, исходной и нормализованной по концентрации водородных ионов до рН=7, соответственно 123 и 129 ц/га. При поливе буровой сточной водой, нормализованной до ирригационно допустимой концентрации солей (1 г/дм³ солей), получена урожайность 106 ц/га, а в варианте без орошения - 70 ц/га.

Примерно аналогичные показатели по урожайности имели при лабораторно-вегетационных исследованиях на этой же почве и посеве соргосуданкового гибрида. Урожай этой культуры значительно превышает урожай суданской травы. Так, урожай зеленой массы при поливе оросительной буровой сточной водой, нормализованной БСВ по концентрации водородных ионов до рН=7, разбавленной БСВ со снижением концентрации солей в два раза, и БСВ, нормализованной до ирригационно допустимой величины (1 г/дм³ солей), получен урожай соответственно 180,3; 236,7; 314,9; 388,7 ц/га. В варианте без орошения урожайность составила только 13 ц/га (таблица 2).

В результате выполненных исследований сделаны следующие выводы.

1. Использование буровой сточной воды на орошение кормовых культур, нормализованной подкислением и разбавлением оросительной водой, обеспечивает повышение их урожайности.

2. Периодическое орошение кормовых культур малыми поливными нормами (общей оросительной нормой 1200 м³/га в течение только одного года) не вызывает существенного изменения состава и свойств почв.

3. Увеличение оросительной нормы до 4500 м³/га с использованием исходной и нормализованной по рН буровой сточной воды приводит к засолению почвы.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в нефтегазовой отрасли при строительстве скважин на суше и экологически безопасной утилизации буровых сточных вод;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Наиболее эффективно применение предложенного способа при строительстве нефтегазовых скважин на аридных почвах, формирующихся в условиях засушливого климата пустынь, полупустынь и сухих степей, где испаряемость влаги значительно превышает ее поступление с осадками. Периодический в процессе углубления скважины сброс предварительно подготовленных и нормализованных по рН до 6,0-8,5 буровых сточных вод на рельеф местности обеспечивает нормальный полив растений и не создает недопустимого переувлажнения почв.

В результате реализации предлагаемого способа строительства нефтегазовой скважины обеспечивается повышение эффективности охраны окружающей среды при проведении буровых работ путем экологически безопасного сброса нормализованных по рН до 6,0-8,5 буровых сточных вод в соответствии с экспериментально установленной допустимой нормой объема сброса, сокращение сроков ликвидации земляного амбара-накопителя отходов бурения, своевременная передача арендованного земельного участка землепользователю и снижение стоимости аренды земельного участка.