Эффективное обезвреживание буровых отходов и определение порядка захоронения шламовых амбаров для рационального и экологически безопасного природопользования

Обезвреживание буровых отходов, образующихся при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и ликвидация шламовых амбаров, как объектов размещения таких отходов, направлено на предупреждение возможного загрязнения окружающей среды, сохранение биологического и ландшафтного разнообразия территории. В связи с этим, важной задачей предприятий, осуществляющих буровые работы, является использование в производственном процессе технологий, обеспечивающих минимизацию образования опасных (токсичных) отходов.

Введение

В последние годы нефтедобывающими предприятиями в производство внедряются различные технологические решения, направленные на утилизацию отходов бурения. Однако, унифицированного способа обезвреживания и утилизации буровых отходов не существует.

Законодательство Республики Узбекистан, регулирующее предотвращение загрязнения среды опасными отходами, определяет необходимость разработки программ, предусматривающих снижение их объема, количества и токсичности до такой степени, которую сами производители определили бы, как экономически и практически возможную.

Этот подход включает в себя такую практическую деятельность, в результате которой снижается использование различных, в том числе и вредных материалов, энергии, воды и других ресурсов, обеспечение их сбережение или более эффективное использование.

В соответствии с Законами Республики Узбекистан «Об охране природы» за № 754-XII от 9 декабря 1992 г., «Об отходах» за № 362 – II от 5 апреля 2002 г. и Постановлениями Кабинета Министров Республики Узбекистан «Об утверждении положения о порядке осуществления государственного учета и контроля в области обращения с отходами» за № 295 от 27 октября 2014 г. и «О совершенствовании системы платежей за загрязнение окружающей природной среды и размещение отходов на территории Республики Узбекистан» за № 199 от 1 мая 2003 г. и другими нормативно-правовыми актами Республики Узбекистан все предприятия, независимо от ведомственной принадлежности, форм собственности и организации хозяйственной деятельности, должны в установленном порядке соблюдать экологические нормативы на все виды имеющихся отходов производства.

Направленность правовых актов и документов на предупреждение и устранение негативных видов воздействия на окружающую среду

Данные правовые акты и документы предусматривают условия (ограничения) для осуществления намечаемой деятельности, вытекающие из правового статуса Республики Узбекистан, в том числе исходя из:

● нормативов качества окружающей среды, правил использования, размещения и потребления отходов на предприятиях других отраслей и охраны природных ресурсов, а также режимов осуществления хозяйственной деятельности;

● правил предоставления в пользование земельных площадей, в качестве определения лимита на размещение отходов, их утилизацию, или захоронение;

● порядка осуществления контроля за выполнением требований и условий образования, хранения и утилизации отходов производства на национальном, региональном и местном уровнях.

Природоохранные мероприятия должны быть направлены на сведение к минимуму негативного воздействия процесса строительства скважин, в том числе строительство шламовых амбаров на компоненты окружающей природной среды (атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почвы, растительный и животный мир).

Необходимо предупреждать и устранять следующие виды воздействия на окружающую среду:

● загрязнение атмосферного воздуха углеводородами, сероводородом, диоксидом серы, оксидом углерода, оксидами азота, пылью и другими загрязняющими веществами в процессе строительства, эксплуатации и ликвидации шламовых амбаров работ, при работе двигателей внутреннего сгорания (дизельных силовых установок, спецтехники, автотранспорта и др.);

● загрязнения почвогрунтов, возникающее в результате некачественной гидроизоляции дна и стенок шламовых амбаров или разрушения их обваловки, разлива топлива и отработанных масел при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, при бурении и испытании скважин, сбросах сточных вод и других отходов, просачивании технологических жидкостей и небрежном хранении химреагентов на территории строительства скважин. Такие загрязнения могут иметь место под вышечным, силовым и насосным блоками, циркуляционной системой, блоком приготовления бурового раствора, складом ГСМ и на площадке хранения химреагентов.

В соответствии с Законами Республики Узбекистан «Об охране природы» и «Об отходах», производственные отходы, в том числе токсичные, промышленного происхождения, должны удаляться из производственной сферы путем их повторного использования, обезвреживания, складирования (захоронения) в природной среде, в специализированных сооружениях - «накопителях промышленных отходов».

Закон «Об отходах» регулирует отношения в области обращения с отходами. Основными задачами Закона являются предотвращение вредного воздействия отходов на жизнь и здоровье населения, окружающую среду, сокращение образования отходов и обеспечение их рационального использования в хозяйственной деятельности.

Согласно ст. 22 вышеупомянутого закона «Захоронение отходов в недрах», такие захоронения допускаются в исключительных случаях, по результатам специальных исследований с соблюдением требований по обеспечению безопасности жизни и здоровья граждан, окружающей среды, сохранности природных ресурсов».

Шламовые амбары как потенциальный источник загрязнения окружающей среды

В настоящее время при строительстве скважин для хранения жидких отходов бурения сооружаются земляные амбары, представляющие собой котлованы, которые выкапывают в минеральном грунте на территории буровой и используют в качестве накопителей и отстойников. В зависимости от назначения скважин шламовые амбары могут быть одно-, двух- и трехсекционными. Шламовые амбары со временем могут стать источником загрязнения окружающих почв нефтепродуктами даже при тщательном соблюдении технологии отверждения и захоронения и при наличии противофильтрационных экранов. Это объясняется тем, что под воздействием различных факторов окружающей среды может иметь место частичное разрушение отвержденного бурового шлама и как следствие проникновение в почву нефтепродуктов.

Отходы бурения, содержащиеся в амбарах, представляют собой сложную многокомпонентную систему, которая состоит из взвешенных веществ органического и минерального происхождения (высококонцентрированных дисперсий глин, выбуренных пород), различных растворимых солей и высолившихся осадков, а также нефти, которая находится в эмульгированном или свободном состоянии.

В целях снижения экологических нагрузок на окружающую среду в процессе бурения и закачивания скважин, а также при ликвидации земляных амбаров, необходимо научно-обоснованное прогнозирование количества, состава и физико-химических свойств отходов бурения. Это позволит предусмотреть надежную конструкцию и гидроизоляцию амбаров, а также выбрать рациональную технологию обезвреживания отходов бурения.

Негативное воздействие на окружающую среду содержимого шламовых амбаров буровых, в первую очередь, обусловлено типом бурового раствора и химическими реагентами, используемыми для его создания и регулирования свойств. Применение экологически малоопасных рецептур буровых растворов по всем интервалам бурения снижает негативное воздействие при попадании самого бурового раствора в объекты природной среды, а также токсичность бурового шлама и буровых сточных вод. Наиболее часто в рецептуру буровых растворов, используемых в республике, входят:

● вода с заданными свойствами (pH и минерализацией) – дисперсионная среда буровых растворов;

● глиноматериалы (бентонитовые или естественно наработанные путем «самозамеса» из разбуриваемых пород) - дисперсная фаза буровых растворов.

Глины представляют собой сложные по составу осадочные полидисперсные природные породы, относящиеся к группе слоистых и слоистоленточных алюмосиликатов. Глинистые материалы обладают гидрофильностью, способны к сорбции и ионному обмену. Величина и емкость обмена обуславливают важнейшие свойства самих глин (набухаемость, дисперсность, пластичность и др.) и глинистых дисперсий (упруго-вязкопластичность, коркообразующую способность и др.).

При взаимодействии с водой они переходят в пластическое состояние. Гидратация тонкодисперсных частиц породы (присоединение молекулы воды) приводит к образованию коллоидного раствора, а более крупные частицы формируют суспензию.

Органические полимеры - вещества многоцелевого назначения, образующие в воде коллоидные растворы, используемые для снижения фильтрации, стабилизации глин, флоокулирования выбуренной породы, повышения несущей способности бурового раствора.

Органические полимеры, используемые в буровых растворах, можно классифицировать по происхождению и составу:

● крахмал и гуаровая смола - полисахариды растительного происхождения, пригодны для применения после незначительной обработки;

● ксантановая смола - полисахарид, получаемый путем ферментации продукта брожения углеводов;

● производные крахмалов и эфиры целлюлозы - вещества, получаемые в результате искусственной модификации полисахаридов растительного сырья;

● полиакрилаты, полиакриламиды и полимеры оксида этилена - продукты, получаемые методом химического синтеза.

С целью минимизации влияния на окружающую среду и ускорения процесса осаждения тонкодисперсных частиц в отходах бурения могут применяться легко минерализующиеся биоразлагаемые другие органические полимеры.

Для бурения скважин с аномально высокими пластовыми давлениями применяются разнообразные утяжеляющие материалы - мелкоизмельченные твердые материалы с высокой плотностью, фактически не растворяющиеся в воде и не вступающие в реакцию с другими компонентами бурового раствора: гематит, барит, доломит, кальцит и др.

Смазывающая способность бурового раствора регулируется введением смазывающих добавок, обеспечивающих снижение сил трения и сопротивления движению.

Безопасность хранения бурового шлама как главное условие его размещения

Регулирование свойств бурового раствора производится обработкой (введением) химических реагентов: понизителей вязкости, ингибиторов гидратации глинистых сланцев, пеногасителей, регуляторов щелочности и др.

Буровой шлам, попадающий в шламовый амбар, образуется при размельчении горной породы в недрах с помощью породоразрушающего инструмента (бурового долота). С помощью циркулирующего бурового раствора он поднимается на дневную поверхность буровым раствором, где отделяется от бурового раствора с помощью разнообразных очистных систем и попадает в шламовый амбар. После откачки сточных вод из шламового амбара происходит консолидация и дегидратация бурового шлама.

Как показывают результаты лабораторных исследований, буровой шлам более чем на 80% состоит из выбуренной породы, глин различного происхождения и кремнезёма.

Возможность размещения бурового шлама в шламовых амбарах должна быть обоснована безопасностью буровых шламов для окружающей среды и комплексом природоохранных мероприятий.

В последние годы нефтедобывающими предприятиями в производство внедряются различные технологические решения, направленные на утилизацию отходов бурения. Унифицированного способа обезвреживания и утилизации буровых отходов не существует.

Технологии переработки шламов

Все известные технологии переработки шламов по методам переработки можно разделить на следующие группы:

● термические - сжигание в открытых амбарах, печах различных типов;

● физические - захоронение в специальных могильниках, разделение в центробежном поле, вакуумное фильтрование и фильтрование под давлением;

● химические - экстрагирование с помощью растворителей, отверждение с применением цемента, жидкого стекла, глины) и органических (эпоксидные и полистирольные смолы, полиуретаны и др.) добавок;

● физико-химические - применение специально подобранных реагентов, изменяющих физико-химические свойства, с последующей обработкой на специальном оборудовании;

● биологические - микробиологическое разложение в почве непосредственно в местах хранения, биотермическое разложение.

Среди существующих методов разделения нефтешламов с целью утилизации - центрифугирования, экстракции, гравитационного уплотнения, вакуумфильтрации, фильтрпрессования, замораживания и др. - наиболее перспективным является центрифугирование после обработки флокулянтами. Центрифугированием можно достичь эффекта извлечения нефтепродуктов на 85%, мехпримесей - на 95%. При реагентной обработке нефтешламов изменяются их свойства: повышается водоотдача, облегчается выделение нефтепродуктов.

В качестве наиболее прогрессивных методов, применяемых за рубежом, можно привести некоторые технологии ликвидации шламовых амбаров и утилизации буровых шламов.

Компанией АСS 530 (США) разработана мобильная система обработки и очистки гряземаслонефтяных отходов МТU-530. Установка смонтирована на базе автомобильной платформы, способна разделять нефтешламы на различные фазы - нефть, вода, твердые вещества - за счет центрифугирования, нагретого нефтешлама. Вода пригодна для последующей биологической очистки; отделенная нефть может быть использована в технических целях; обезвоженный осадок - для производства строительных материалов. Установка применялась в России для устранения последствий аварии нефтепровода в Республике Коми. Производительность установки - 10 м3/ч по исходному нефтешламу (при концентрации нефти до 65%).

Компанией KHD HumboldtWedag AG (Германия) предложена технология разделения нефтешламов на фазы с последующим сжиганием шлама. Установка снабжена устройством для забора нефтешлама, виброситом для отделения основной массы твердых частиц, трехфазной центрифугой, сепаратором для доочистки фугата с центрифуги, печью. Производительность установки - до 15 м3/ч по исходному нефтешламу.

В АНК «Башнефть» на нефтешламовых амбарах «Самсык» в НГДУ «Октябрьскнефть» применялась технология, заключающаяся в растворении, нагреве с обработкой химическими реагентами, отстоем воды и механических примесей. Полученная нефть направлялась на дальнейшую переработку.

В НГДУ «Туймазынефть» с 1995 г. внедрена и успешно используется установка фирмы «Татойлгаз», основанная на технологии фирмы «Майкен» (Германия). Технология заключается в нагреве нефтешлама, обработке деэмульгаторами, разрушении эмульсии в декантаторе с предварительным отделением воды и механических примесей. Доведение до требуемого качества товарной нефти осуществляется на второй стадии - в испарителе и трехфазном сепараторе.

Технология «Реинджекшн» предусматривает после завершения буровых работ закачивание буровых отходов в затрубное пространство или в специально пробуренную скважину. Основные условия для применения этой технологии - геологическая возможность для закачивания (наличие поглощающего пласта, водоупорных пластов над и под этим пластом, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод). Компания «Сахалин Энерджи» установила оборудование для обратной закачки бурового шлама и отработанного раствора в пласты. При бурении верхних интервалов скважин сбрасывался только буровой раствор на водной основе. Такой практике следуют нефтедобывающие компании на Аляске и в Норвегии. Все отходы бурения и нефтедобычи на Кенайском газовом месторождении (Аляска) компания «Маратон» закачивает под землю. Станция была построена в 1995 году и, кроме отходов, поступающих с работающих месторождений, на ней закачивались отходы со старых шламонакопителей. В день на станции можно закачать до 3000 м /день жидких отходов. Для пластовой воды бурится специальная скважина, в которую закачивалось до 200 м /день. Кроме того, пластовая вода закачивается еще и в эксплуатационные скважины для повышения интенсивности газодобычи.

Перспективным методом ликвидации буровых отходов можно считать их отверждение с последующим захоронением под слой минерального грунта или использованием в хозяйственной деятельности. Глиноподобная отвердевшая масса служит как строительный материал или, после помола, как удобрение. Для отверждения отходов бурения их обрабатывают активирующими добавками. Цель считается достигнутой, если прочность отвердевшей смеси через 3 суток составляет 0,1 МПа (грунт с такой прочностью выдерживает массу автомашины или трактора).

 

Рис.1. - Схема обращения с отходами бурения

 

В качестве отвердителей применяют любые связующие материалы: полимеры, формальдегидные смолы, гипс, жидкое стекло, цементы и др. Наиболее доступен портландцемент, добавка которого должна составлять не менее 10% по объему от отверждаемой массы. Для ускорения сроков схватывания его содержание увеличивают или вводят полиэлектролиты (поваренная соль, хлористый кальций, кальцинированная сода).

Выбор метода обезвреживания отходов бурения производится в каждом конкретном случае зависит в том числе от возможностей предприятия, проводящего бурения. Объём и виды работ по вывозу, утилизации и обезвреживанию буровых растворов и шлама, а также материалы и технические средства, используемые при вывозе, утилизации и обезвреживании ОБР и шлама определяются в каждом конкретном случае исходя из условий проведения буровых работ на данном промысле.

Эффективным методом ликвидации нефтяных загрязнений почвы является биологический способ деградации, который позволяет осуществить этот процесс с наименьшими экономическими затратами и улучшением экологических параметров.

Технология биодеградации нефтепродуктов в почве основана на активации сообщества нефтеокисляющей микрофлоры при создании оптимальных условий для ее жизнедеятельности. Способность использовать нефть в качестве источника углеводородного питания свойственна обширному классу бактерий и многим низшим грибам. Эти микроорганизмы широко распространены и обнаруживаются практически во всех типах почв нашего региона. Климатические условия нашего региона позволяют обеспечить процессы биодеградации нефтепродуктов до 200-220 дней в году. Создание в почве аэробных условий, оптимальных уровня влажности и поддержания необходимого на достаточном уровне содержания в почве азота, являются факторами эффективного функционирования сообщества нефтеокисляющей микрофлоры. При наличии шламовых амбаров, процесс биодеградации должен проводиться и непосредственно вокруг них. Процесс биодеградации углеводородов нефти в почве является достаточно длительным процессом для любых климатических условий, в том числе и для условий нашего региона. Следует учитывать, что нефтеокисляющая микрофлора относится к медленно растущей микрофлоре и для успешного протекания процесса биодеградации часто необходим дополнительный источник легкоокисляемой органики.

Для формирования благоприятных условий биодеградации и обеспечения процессов жизнедеятельности сообщества нефтеокисляющей микрофлоры, процесс ведут с применением азотосодержащих удобрений, таких как нитраты, мочевина и соединения аммония Внесение удобрений, содержащих фосфаты не требуется, так как почвы региона содержат фосфор в избытке по отношению к азоту.

Для интенсификации процессов биодеградации нефтепродуктов, в качестве мелиоранта, можно использовать различную растительность и, в частности, азиатскую форму гороха – горох нут. Посадка гороха нут ведется ранней весной в возвращенный плодородный слой почвы поверх противофильтрационного экрана шламового амбара. После достижения растениями высоты 20-30см они должны запахиваться в почву. В этом случае, запаханная зеленая масса растений выполняет роль легкоокисляемой органики, и также участвует в структурировании почвы. По окончании запахивания высевается следующая партия семян гороха, а повторно выросшая зеленая масса должна быть запахана в конце мая. Верхний плодородный слой почвы, насыпанный поверх шламового амбара, и почва вокруг шламового амбара должны регулярно рыхлиться между растениями для поддержания аэробных условий, которые необходимы для лучшего функционирования сообщества нефтеокисляющей микрофлоры. Для создания благоприятных условий деградации нефтепродуктов, необходимо поддерживать влажность в почве в пределах 15-25%. Увлажнение почвы можно проводить водами открытых водотоков, если таковые имеются, либо подземными водами из водяных скважин. Воды могут использоваться как слабоминерализованные, так и с содержанием соли до 4 г/л. В осенне-весенний период увлажнение почвы не требуется. В летний период желательно увлажнять почву один раз в полторы или две недели.

Выводы

Таким образом, при подготовке к строительству скважин необходимо заранее предусмотреть ряд обязательных мероприятий, при условии выполнения которых, строительство, эксплуатация шламовых амбаров, а также захоронение их содержимого не будет оказывать негативного воздействия на экологическую ситуацию в районах проведения буровых работ. При этом необходимо безусловное соблюдение всех технико-технологических требований выбранной технологии и требований действующего законодательства в области обращения с отходами.

Литература

1. Санитарные правила и гигиенические требования для нефтяной промышленности 0209-06 от 31.05.2006 г.

2. РД 118.0027714.35-94 «Сборник методик по расчёту выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами», Ленинград, Гидрометеоиздат, 1986 г.

3. РД 118.0027714. 43-95. «Нормативы трудоёмкости и стоимости научно-исследовательских, проектных и наладочных работ, проводимых по охране атмосферного воздуха».

4. «Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». ОНД-86, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987 г.

5. РД 118.0027714.62-97 «Обращение с отходами производства и потребления. Методические указания по определению лимита размещения отходов производства».

6. Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан «Об утверждении типовых положений по осуществлению общественного экологического контроля» за № 287 от 8 октября 2015 г.

7. Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан «Об утверждении нормативно-правовых актов в области экологического контроля» за № 286 от 8 октября 2015 г.

8. Закон Республики Узбекистан «Об охране природы» за № 754-XII от 9 декабря 1992 г.

9. Закон Республики Узбекистан «Об отходах» за № 362 – II от 5 апреля 2002 г.

10. Постановление Кабинета Министров Республики Узбекистан «Об утверждении положения о государственном мониторинге окружающей природной среды в Республике Узбекистан» за № 111 от 03.04.2002 г.

Н.Ш. Арсланова,

инженер сектора геоэкологии, АО «Институт геологии и разведки

нефтяных и газовых месторождений» (ИГИРНИГМ),

г. Ташкент, Узбекистан,

В.С. Рыбальченко,

д.х.н., профессор, кафедра общей и неорганической химии,

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина,

г. Москва,

Ш.С. Арсланов.

профессор, зам. заведующего отделением

«Общей химии и химии нефти и газа»

Филиала РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

в г. Ташкенте, Узбекистан.