Результат интеллектуальной деятельности: Способ переработки отходов бурения

Изобретение относится к области переработки отходов бурения и производства искусственных грунтовых смесей на основе бурового шлама, образующегося в результате бурения нефтегазовых скважин.

Известен способ переработки бурового шлама путем его смешивания с добавкой, в качестве которой используют предварительно измельченный карбамидный пенопласт в количестве 5-20% от массы бурового шлама. Способ позволяет проводить процесс непосредственно на месторождении без создания накопительных амбаров. Полученный материал может быть использован для рекультивации нефтезагрязненных участков земли и водоемов, для укрепления откосов дорог и буровых площадок (RU 2298567, МПК C08J 11/00, В09В 3/00, С04В 18/04, опубл. 10.05.2007 г.).

Способ характеризуется следующими недостатками:

- карбамидный пенопласт не связывает тяжелые металлы, которые есть в составе бурового шлама, поэтому они проникают в окружающие их грунтовые воды и почвы, и это приводит к токсическим воздействиям на окружающую среду;

- в карбамидном пенопласте содержится формальдегид (химическое соединение, относящееся к 1 классу опасности);

- образующийся грунт практически непроницаем для воды (коэффициент фильтрации равен 1⋅10^-7 м/сут);

- высокое содержание (12-42%) многочисленных тонкодисперсных компонентов в образующемся грунте в диапазоне от 0.1 до 10 мкм, которые имеют удельную поверхность порядка 500-600 м²/г, определяющей, в соответствии с фундаментальным уравнением для молекулярной составляющей расклинивающего давления, высокие давления набухания и способность увеличивать свой объем, что препятствует применению в качестве грунта при создании земляного полотна.

Ввиду перечисленного сельскохозяйственные земли не восстанавливаются в полной мере, чтобы они были готовы к использованию в этих целях.

Известен способ восстановления земель, занятых шламовыми амбарами, при котором в отходы нефтегазодобычи вносят загуститель, а загуститель размешивают по всему объему жидких отходов до гомогенного состояния содержимого амбара. В качестве загустителя используют бентонитовую глину объемом из расчета 50% от объема отходов, содержащихся в амбаре. После завершения процесса загущения отходов при перемешивании в амбар засыпают торфо-песчаную смесь до выравнивания площади амбара с прилегающим рельефом местности, после чего на эту площадь насыпают второй слой торфо-песчаной смеси, предварительно перемешанной с селитрой аммиачной в количестве 180-220 кг/га и солью калийной в количестве 130-170 кг/га. Осуществляют посев семян многолетних культур из расчета 120-150 кг/га (патент RU 2479364, МПК В09С 1/08, В09В 3/00, опубл. 20.04.2013 г.).

Способ характеризуется следующими недостатками:

- бентонитовая глина не связывает тяжелые металлы, которые находятся в составе бурового шлама, поэтому они проникают в окружающие их грунтовые воды и почвы, и это приводит к токсическим воздействиям на окружающую среду;

- не происходит микробиологическое разложение нефтепродуктов и органических соединений, входящих в состав буровых растворов и представляющих экологическую угрозу для природы;

- образующийся грунт практически непроницаем для воды (бентонитовая глина - природный глинистый минерал, обладающий свойством разбухать при гидратации (в 14-16 раз). В ограниченном пространстве при свободном разбухании в присутствии воды образуется плотный гель, препятствующий дальнейшему проникновению влаги);

- высокое содержание (12-42%) многочисленных тонкодисперсных компонентов в образующемся грунте в диапазоне от 0.1 до 10 мкм, которые имеют удельную поверхность порядка 500-600 м²/г, определяющей, в соответствии с фундаментальным уравнением для молекулярной составляющей расклинивающего давления, высокие давления набухания и способность увеличивать свой объем, что препятствует применению в качестве грунта при создании земляного полотна.

Ввиду перечисленного сельскохозяйственные земли не восстанавливаются в полной мере, чтобы они были готовы к использованию в этих целях.

Известен способ переработки бурового шлама, при котором в буровой шлам вносят в качестве добавки углеродный сорбент в количестве от 1,5 до 3% сорбента от единицы бурового шлама. В качестве углеродного сорбента используют углерод-кремнеземный композит, содержащий оксид кремния, углерод и микроэлементы (калий, натрий, кальций, магний, железо и алюминий) при следующем соотношении компонентов, мас. %: SiO2 - 25÷85, С - 15÷75, Сu 2,5-3,6, Аl 1,0-2,0, Fe 0,5-1, K 0,5-0,8, Mg 0,3-1, S 0,3-1, Са 0,2-0,9. Сорбент вносят в винтовой шнековый конвейер или транспортер непосредственно в процессе бурения при транспортировке бурового шлама от скважины до мест временного складирования буровых отходов. Одновременно с углеродным сорбентом или после попадания буровых отходов в места временного складирования вносят био- и/или инертные добавки в количестве от 25 до 50% от единицы образованной смеси сорбента и бурового шлама вносят строительный песок или песчано-глинистую фракцию при следующем соотношении компонентов, мас. %: углеродный сорбент 1,5-3; строительный песок или песчано-глинистая фракция 25-50; буровой шлам 47-72. После попадания буровых отходов в места временного складирования наносят поверхностный слой почвы до выравнивания площадки рекультивации с прилегающим рельефом (патент RU 2656379, МПК В09С 1/08, опубл. 05.06.2018 г.).

Способ характеризуется следующими недостатками:

- возможно использовать отходы бурения с содержанием нефтепродуктов не более 3%;

- низкая водопроницаемость образующегося грунта;

- высокое содержание (10-28%) многочисленных тонко дисперсных компонентов в образующемся грунте в диапазоне от 0.1 до 10 мкм, которые имеют удельную поверхность порядка 500-600 м²/г, определяющей, в соответствии с фундаментальным уравнением для молекулярной составляющей расклинивающего давления, высокие давления набухания и способность увеличивать свой объем.

Известен способ рекультивации земель, занятых шламовыми амбарами, при котором в отходы бурения вносят добавку из расчета 50% от их объема, после чего производят ее размешивание по всему объему отходов. Далее в амбар засыпают выравнивающие слои, обеспечивающие выравнивание площади амбара с прилегающим рельефом местности, и осуществляют посев семян многолетних культур. В качестве добавки используют углеродный сорбент-деструктор, фосфогипс, строительный песок или песчано-глинистую фракцию при следующем соотношении компонентов, мас. %: углеродный сорбент - деструктор 1-3; фосфогипс 1-5; строительный песок 25-48; отходы бурения 50-70. В качестве сорбента-деструктора используют соединение окиси кремния и углерода, при следующем соотношении компонентов, мас. %: окись кремния 10-55; углерод 45-90 (патент RU 2564839, МПК В09С 1/08, опубл. 10.10.2015 г.).

Получаемый грунт не в полной мере соответствует характеристикам почвообразующей породы ввиду отсутствия в составе добавки веществ, которые составляют основу почвенного гумуса и определяют плодородие почв, выполняют аккумулирующие функции, накапливая в почве важнейшие элементы питания почвенной биоты и растений, способствуют биодеструкции нефти, образуют устойчивые водонерастворимые соединения с ионами тяжелых металлов и многими другими опасными загрязнителями окружающей среды.

Исходя из анализа недостатков приведенных выше аналогов, можно сделать вывод о несоответствии получаемых в результате осуществления указанных способов грунтов характеристикам почвообразующей породы, а именно, показателям водопроницаемости получаемого грунта, допустимому классу опасности (4-5), водопоглощению (согласно следующим нормативным документам: ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация (с поправками)»; СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги»; ГОСТ 33063-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Классификация типов местности и грунтов»; П4-06 М-0075 «Методические указания компании. Проектирование автомобильных дорог на месторождениях компании», ПАО «НК «Роснефть», «21» сентября 2018 г.).

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение эффективности переработки буровых отходов, в том числе содержимого буровых амбаров.

Технический результат - получение грунта, выполняющего функцию почвообразующей породы, за счет приведения показателей получаемого в результате осуществления способа грунта, а именно, водопроницаемости, увеличения размерности его частиц, допустимого класса опасности и водопоглощения к показателям, соответствующим почвообразующей породе (согласно нормативным документам: ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация (с поправками)»; СанПиН 34.13330.2012 «Автомобильные дороги»; ГОСТ 33063-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Классификация типов местности и грунтов»; П4-06 М-0075 «Методические указания компании. Проектирование автомобильных дорог на месторождениях компании», ПАО «НК «Роснефть», «21» сентября 2018 г.).

Проблема решается, а технический результат достигается способом переработки отходов бурения, при котором в отходы бурения вносят фосфогипс или технический гипс, оксид кальция, сульфат алюминия и песчаную фракцию, а также сорбент, включающий в мас. %: оксид кремния 25-80, углерод 15-75 и гуминовые кислоты 5-10, после чего производят размешивание компонентов по объему отходов, при этом используют следующие соотношения указанных компонентов и отходов бурения, мас. %:

Согласно изобретению:

- в качестве песчаной фракции используют природный песок или суглинок, или песчано-глинистую фракцию, или смесь песка с природным грунтом (ПГ), образующимся при строительстве бурового амбара, при соответствии его супесям или суглинкам согласно ГОСТ 25100-2011, причем грунт используют в количестве 5-7 мас. % от количества смеси;

- в качестве оксида кальция используют негашеную известь молотую или дробленую;

- в случае переработки отходов шламового амбара после смешивания с добавкой отходов бурения их засыпают глиной, наносят слой почвы до выравнивания площади амбара с прилегающим рельефом и осуществляют посев семян многолетних культур.

Технический результат достигается заявляемой совокупностью действий в сочетании с применяемыми компонентами в заявленных соотношениях. Количественное соотношение компонентов определялось экспериментально для целей достижения заявленного технического результата.

Для улучшения водопроницаемости техногенного грунта и увеличения размерности его частиц используют оксид кальция СаО. Сульфат алюминия A1₂(SO₄)₃ применяют для коагуляции, что обеспечивает нейтрализацию щелочного рН, улучшение водопроницаемости техногенного грунта и увеличение размерности его частиц. В таблице 1 показано влияние оксида кальция и сульфата алюминия на размерность частиц бурового шлама, рН и водопроницаемость.

Во время перемешивания утилизируемых буровых отходов с заявляемыми компонентами происходят физико-химические процессы модифицирования грунта - стабилизация рН, ионный обмен, коагуляция коллоидных частиц бурового шлама, адсорбция нефтепродуктов и других загрязнителей, стабилизация влажности в техногенном грунте.

Применяемый в числе компонентов сорбент обладает высокими емкостными характеристиками по отношению к нефти (4,2 г/г) и тяжелым металлам (свинец 20 мг/г, кадмий 5,0 мг/г, ртуть 7,0 мг/г, мышьяк 8 мг/г) (Таблица 2). Результаты по десорбции показывают прочную фиксацию солей тяжелых металлов сорбентом. В десорбирующем растворе, представляющем собой природную воду, в течение месяца контакта с насыщенным по нефти и тяжелым металлам сорбентом не обнаружено загрязнения. Применение сорбента, обладающего высокой сорбционной емкостью по отношению к нефтепродуктам, поверхностно - активным веществам, тяжелым металлам и радионуклидам, приводит к снижению содержания поллютантов в получаемом продукте. Сорбент - небактериальный препарат. Не токсичен для человека и теплокровных животных. Устойчив к химическому загрязнению воды и почвы, активен в кислородной среде. Обладает устойчивостью к резким колебаниям температуры и водородного показателя рН среды, активностью при значительном химическом загрязнении среды, адаптирован к средам с повышенным содержанием минеральных солей. В состав сорбента входят гуминовые кислоты, которые составляют основу почвенного гумуса и определяют плодородие почв, выполняют аккумулирующие функции, накапливая в почве важнейшие элементы питания почвенной биоты и растений, способствуют биодеструкции нефти (микробиологическому разложению нефтепродуктов и органических соединений), образуют устойчивые водонерастворимые соединения с ионами тяжелых металлов и многими другими опасными загрязнителями окружающей среды. В таблице 2 приведены сорбционные характеристики сорбента.

Способ обеспечивает рекультивацию бурового шлама без его дополнительного обезвоживания, что обеспечивает экономию энергоресурсов и трудозатрат, обеспечивает обезвреживание шлама за счет хемосорбции содержащихся в нем тяжелых металлов и радионуклидов. При этом утилизированный буровой шлам также служит питательной средой для бактерий, поглощающих органические соединения.

В ходе осуществления способа образуется экологически безопасный искусственный грунт, выполняющий функции почвообразующей породы - компонента природной среды, имеющего повышенные качественные характеристики за счет оптимизации как качественного, так и количественного содержания используемых ингредиентов в проводимых операциях по рекультивации бурового шлама. Превращение бурового шлама в экологически безопасный техногенный грунт не требует устройства специально оборудованных полигонов для экологически вредных веществ, а территории всех грунтовых выработок для размещения обезвреживаемых продуктов бурения возвращают в земельный оборот.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Из бурового шлама, III-IV класса опасности, удаляют крупные посторонние предметы из железа, дерева, пластмасс и другие отходы. После чего вносят сорбент (включающий оксид кремния SiO₂, углерод С и гуминовые кислоты), фосфогипс или гипс технический, оксид кальция СаО, сульфат алюминия Al₂ (SO₄)₃ и песчаную фракцию. После того как в буровой шлам добавили указанные компоненты в необходимом количестве, осуществляют процесс перемешивания содержимого, результатом которого является полученный грунт.

По окончании перемешивания при необходимости место переработки засыпают глиной и слоем почвы до выравнивания с прилегающим рельефом и осуществляют посев семян многолетних культур.

Эффективность предлагаемого способа определялась по результатам опытно-промышленных испытаний и экспериментально лабораторными испытаниями. Лабораторные испытания проводились при стандартных условиях: атмосферное давление 760 мм. рт. ст., температура воздуха 20°С. Результаты лабораторных экспериментов характеризовались наилучшими значениями при смешивании бурового шлама с песком, сорбентом, фосфогипсом, оксидом кальция, сульфатом алюминия в следующих соотношениях (мас. %) 63:31,32:1,42:2,84:0,57:0,85.

Предложенный способ иллюстрируются примерами конкретного выполнения, не ограничивающими его применение (опыты 1-10), сведенными в таблицу 3, в которой показаны конкретные соотношения компонентов и характеристики полученного грунта (последние три столбца).

Из таблицы видно, что характеристики получаемого грунта соответствуют характеристикам почвообразующей породы согласно указанным выше нормативным документам.

Таким образом, получаемый описываемым способом грунт имеет характеристики почвообразующей породы, не оказывает негативного воздействия на компоненты природной среды, не препятствует протеканию процессов почвообразования, а также заселению и произрастанию растительности, имеет достаточную несущую способность. Предотвращается образование токсичных отходов, подлежащих захоронению, повышается экологическая безопасность завершающего этапа цикла кустового строительства скважин.

Полученный материал может быть использован для рекультивации шламовых амбаров, нефтезагрязненных участков земли, для укрепления откосов дорог и буровых площадок.