4.5. Утилизации отработанных буровых растворов и шлама

Одной из сложных проблем является проблема утилизации отрабо­танных буровых растворов (ОБР) и шлама (БШ) и нейтрализации их вред­ного воздействия на объекты природной среды. В ее решении важная роль отводится разработке методов, специальной технике и технологии утили­зации и обезвреживания указанных отходов бурения.

Наиболее доступным направлением утилизации ОБР является их повторное использование для бурения новых скважин. В этой области имеется богатый опыт зарубежных фирм, а также отечественной практики бурения. Этот подход оправдан не только с экологической, но и с эконо­мической точки зрения, так как он обеспечивает значительное сокращение затрат на приготовление буровых растворов.

В отечественной практике бурения повторное использование буро­вых растворов находит широкое применение, особенно при кустовом бу­рении и в районах с развитой транспортной сетью. Однако это важное и

257

экологически целесообразное направление утилизации ОБР не везде осуществимо из-за специфических природно-климатических и ландшафтных условий районов ведения буровых работ, значительной удаленности бу­ровых друг от друга, что делает его экономически невыгодным мероприя­тием. Например, расчеты показывают, что затраты на транспортировку ОБР на расстояние свыше 250 км начинают превышать стоимость раство­ра, приготавливаемого на месте.

Перспективным направлением утилизации ОБР представляется его использование для крепления скважин. При этом возможны два варианта. По первому варианту ОБР используется в качестве добавок к известным тампонажным материалам, традиционно применяемым в практике цемен­тирования скважин, по второму - ОБР используется в качестве основного тампонажного материала. Так, фирма «DresserMagcobar» (США) разрабо­тала тампонажный материал, для приготовления которого использован ОБР на водной основе. Причем в составе ОБР допускается определенное содержание нефти и нефтепродуктов (дизтоплива) и утяжелителя. При этом отмечается, что наличие утяжелителя играет положительную роль, так как он способствует увеличению прочности полученного тампонаж­ного камня. Достоинством такого материала является его хорошая со­вместимость с буровым раствором, что приводит к повышению качества сцепления тампонажного камня с породами интервала цементирования и обсадной колонной в затрубном пространстве, а также отсутствие усадки.

В числе других преимуществ можно выделить значительное сни­жение расхода тампонажных спеццементов, простоту приготовления та­ких растворов, использование оборудования буровой для их приготовле­ния, легкость контроля сроков схватывания путем использования замед­лителей и достаточно высокую прочность тампонажного камня. Испыта­ния тампонажного материала с добавкой ОБР на нескольких скважинах прошли успешно.

В отечественной практике к таким работам относятся работы по использованию ОБР для крепления скважин. С этой целью разработаны специальные отверждающие глинистые растворы (ОГР), выполняющие функции тампонажного камня при креплении скважин. Для этого предла­гается в качестве отвердителя использовать алкил-резорцины с формали­ном. Такой материал пригоден для крепления скважин в интервале темпе­ратур 20-50 °С. Однако реализация этого способа сдерживается высокой токсичностью применяемых веществ, трудностью регулирования сроков твердения буровых растворов и сложностью технологии обработки рас­твора на дневной поверхности.

Необходимо также отметить, что, несмотря на простоту и очевид­ную доступность этого метода утилизации отходов, он широкого распро­странения не получил из-за ограничений, связанных с геологическими ус­ловиями проводки скважин.

258

Заслуживающим внимания способом утилизации ОБР является их использование в качестве основы удобряющих компостов и мелиорантов, предназначенных для внесения в почву при рекультивации шламовых ам­баров и территории буровой, а также структурообразователя почвогрун-тов. Пригодными для этих целей смогут быть лишь буровые растворы, не содержащие нефти и нефтепродуктов, хроматов и токсичных для почв минеральных солей. Наиболее целесообразно использовать такие компо-сты и мелиоранты для солонцовых, песчаных и супесчаных почв, т.е. почв, обедненных глинистыми структурообразующими компонентами. Предпосылкой такой постановки вопроса является механизм мелиорации, заключающийся в связывании глинистым коллоидным комплексом раз­розненных механических элементов указанных почв в единую морфоло­гически и агрономически ценную структуру. Так, исследованиями пока­зано, что глинистые ОБР, обрабатываемые в процессе бурения гуматными реагентами, не содержащими нефти, и имеющие в своем составе менее 2 % минеральных солей, являются хорошим структурообразующим агентом для почв указанных типов. Наиболее ярко мелиорирующий эффект ОБР проявляется при его совместном использовании с фосфогипсом-дигидратом. Эффективность такого мелиоранта обусловлена содержанием в его составе структурообразующего глинистого коллоидного комплекса, рационального количества питательных для почв компонентов (гуматов калия, кальция, разлагающейся органики и др.), носителем которых слу­жит ОБР, а также кальция, фосфора и ряда других микроэлементов, прив­носимых фосфогипсом-дигидратом.

Внесение в почву предложенного мелиоранта приводит к заметно­му улучшению ее структуры и агрономических свойств. Так, рН почвы становится близким к нейтральному. Гуматы, привносимые в почву ме­лиорантом, находятся в устойчивой кальциевой форме в отличие от пре­имущественно натриевых гуматов, содержащихся в почвенной среде. Это способствует закреплению органического вещества в почве и улучшению тем самым почвенной структуры и пищевого режима. Улучшение водно-физических и агрохимических свойств почвы в значительной мере проис­ходит в результате структурообразования коллоидной фракции глины ОБР в присутствии фосфогипса-дигидрата, а также в результате насыще­ния почвенного поглощающего комплекса фосфогипсом и внесения с ме­лиорантом ценных питательных биогенных элементов - фосфора, калия и др. Единственным ограничивающим условием применимости этого безус­ловно прогрессивного и практически доступного метода утилизации по­лужидких отходов бурения является состав ОБР, который не должен со­держать вредных и токсичных для почв и экологической цепи в целом компонентов.

Наиболее прогрессивным направлением утилизации ОБР является их использование в качестве исходного сырья для получения изделий гру­бой строительной керамики, в частности, в производстве керамзита и гли-

259

нистого кирпича. Предпосылкой этого служит компонентный состав ОБР, основу которого составляет глина, являющаяся главным компонентом бу­рового раствора и находящаяся в высокодисперсном состоянии. Причем глинистая фракция ОБР представлена в подавляющем большинстве слу­чаев глиной высокого качества (бентопорошок), что придает такому сы­рью хорошие технологические свойства. Кроме того, в составе ОБР со­держится значительное количество органики и нефти. Наличие органики и нефти обеспечивает высокий эффект вспучивания глинистой массы при обжиге. Исследованиями показана не только принципиальная возмож­ность получения из ОБР керамзита, но и реальность осуществления его производства на действующих заводах без изменения существующей тех­нологии.

Весьма интересные результаты получены при оценке возможности использования ОБР для производства строительного кирпича. Исследова­ния проводили по стандартной методике, принятой для изделий грубой строительной керамики. Для этого в исходную глинистую сырьевую смесь вводили различные количества ОБР и определяли реологические свойства шихты и свойства керамического изделия. Результаты экспери­ментов показывают, что введение в традиционную сырьевую смесь для производства глиняного кирпича ОБР в количестве до 25 % не только не ухудшает показатели качества получаемого керамического изделия, но и существенно улучшает реологические свойства исходной шихты. При этом повышается формовочная влажность массы, ее пластическая вяз­кость, а показатель предельного напряжения сдвига находится в опти­мальном диапазоне. Такое действие добавок ОБР повышает формовочную способность состава и облегчает выполнение технологических операций по переработке сырья в керамическую массу. Получаемый кирпич облада­ет высокими потребительскими свойствами - он характеризуется мини­мальной усадкой, незначительным водопоглощением и высокими прочно­стными показателями. Уменьшение усадки кирпича происходит за счет слабовспучивающего эффекта ОБР при обжиге такой сырьевой смеси. Уменьшение водопоглощения кирпича обусловлено в первую очередь структурой вводимого ОБР и наличием в его составе высококоллоидаль­ной глинистой фракции и структуроообразующей органики, придающей сырью и готовому изделию определенные гидрофобные свойства. Ис­пользование глинистой массы с большим содержанием высококоллои­дальных глинистых частиц придает сырьевой смеси однородную структу­ру, что в конечном счете ведет к получению керамического изделия с бо­лее мелкими и однородными по размеру порами. В результате этого водопоглощение кирпича заметно уменьшается. Повышение прочности кир­пича обусловлено также наличием в составе ОБР высококоллоидальной глинистой фракции, что при обжиге позволяет получить высокопрочную структуру изделия.

260

Результаты промышленного испытания данного метода утилиза­ции ОБР показали, что на практике все подготовительные и основные операции производства глинистого строительного кирпича с использова­нием отработанных буровых растворов в качестве добавок к исходной глинистой шихте осуществляются в рамках традиционно применяемой технологии и не требуют их корректировки или создания специального дополнительного оборудования.

Указанное направление утилизации отходов бурения является наи­более эффективным способом решения не только проблемы охраны ок­ружающей среды, но и проблемы ресурсосбережения, так как позволяет вовлечь в активное использование вторичные ресурсы. Такое природо­охранное мероприятие обеспечивает не только экологический, но и эко­номический эффект за счет придания отходам бурения новых потреби­тельских свойств и возможности их использования для различных нужд. Этому направлению утилизации отходов должен быть отдан приоритет перед другими областями утилизации ввиду очевидной важности решае­мых при этом задач. Успешное же решение этой проблемы во многом бу­дет зависеть от организации специальных производств, максимально при­ближенных к районам массового бурения скважин, что сделает экономи­чески целесообразным и рентабельным реализацию на практике этого важного природоохранного и ресурсосберегающего мероприятия.

Одним из интересных направлений утилизации ОБР и БШ являет­ся их использование в дорожном строительстве. Однако перспективность этого метода и его экономическая состоятельность еще не доказаны, так как рекомендуется использовать ОБР, содержащий в своем составе, судя по анализу полученных данных, как безвредные, так и токсичные компо­ненты. Только после проведения всесторонних исследований в этой об-ласти может быть сделан окончательный вывод о практической полезно- сти и экологической чистоте этого метода.

Несмотря на очевидные преимущества утилизации отходов буре­ния, самым доступным является их ликвидация путем захоронения. При этом практикуется захоронение ОБР и БШ в специально отведенных мес-тах, в глубокозалегающих подземных горизонтах, в земляных амбарах непосредственно на территории буровой.

Захоронение отходов бурения в специально отведенных местах предусматривает использование для этих целей шламохранилищ, бросо-вых земель или оставшихся после разработки карьеров. Такое захороне-ние сопряжено со значительными транспортными расходами и поэтому экономически невыгодно. Вместе с тем захоронение отходов по этому способу является единственно возможным вариантом решения природо-охранной проблемы, например, при морском бурении, бурении в курорт-ных и прибрежных водоохранных зонах, а также в экологически уязвимой местности.

261

Недостаточно распространен и метод захоронения жидких отхо­дов, преимущественно ОБР, в глубокозалегающие подземные горизонты. Он может быть реализован только при наличии в разрезе разбуриваемого месторождения соответствующих геологических условий, обеспечиваю­щих безопасное захоронение таких отходов. Необходимым и обязатель­ным условием при этом является наличие хорошо экранированных водо­непроницаемых пластов с высокими емкостными свойствами, не имею­щих гидродинамической связи с другими горизонтами. Кроме того, эко­номически целесообразно захоронение лишь в случае больших объемов закачки отходов, например, при кустовом бурении.

В настоящее время в большинстве случаев практикуется захороне­ние полужидкой массы и нетекучего осадка непосредственно в шламовых амбарах на территории буровой после предварительного подсыхания их содержимого. Однако такое захоронение не предотвращает загрязнения природной среды, так как содержащиеся в отходах загрязнители вследст­вие подвижности и высокой проникающей способности мигрируют в поч-во-грунты, вызывая в них негативные процессы.

Представляется неэкономичным и способ захоронения ОБР и БШ в специально отведенных местах. В качестве шламохранилищ могут ис­пользоваться бросовые земли, исключенные из землепользования, карье­ры после прекращения их разработки, а также специально сооружаемые и оборудуемые хранилища. Существенным недостатком указанного метода являются значительные транспортные расходы на вывоз ОБР со скважин, так как такие места захоронения находятся зачастую на большом удале­нии от буровых. К тому же не всегда удается выбрать подходящее место, отвечающее требованиям безопасного захоронения указанных отходов.

В американской практике бурения известен и практикуется метод захоронения ОБР в земляных амбарах, стенки которых изолируются пленкой из полиэтилена или поливинилхлорида и бентонитом. После за­полнения амбара буровым раствором его засыпают минеральным грун­том, смешанным с бентонитом, наносят слой плодородной почвы и ре­культивируют. Однако у нас в стране такой метод не получил должного распространения, хотя и заслуживает внимания.

Известен и нашел частичное применение в зарубежной практике и метод разбрызгивания ОБР на пахотные земли после предварительной его нейтрализации. Однако использование указанного метода ограничивается типом и системой обработки бурового раствора. Этот метод не приемлем для минерализованных буровых растворов, т.е. растворов с высоким со­держанием хлоридов и других токсичных солевых компонентов. Но от­сутствие в литературе сведений о нейтрализующих агентах не позволяет дать объективную оценку возможностей метода, а также практической и экономической целесообразности его применения.

Анализ данной проблемы свидетельствует о том, что захоронение отходов бурения не решает полностью задачи защиты окружающей среды

262

от загрязнения. Этот доступный и практически повсеместно используе­мый метод локализации отходов бурения является экологически оправ­данным лишь при условии обезвреживания захороняемой массы.

Обезвреживание отработанных буровых растворов и шлама

Основные направления работ в области обезвреживания отходов бурения концентрируются на физико-химической нейтрализации и от­верждении ОБР и БШ. Физико-химическая нейтрализация содержимого шламовых амбаров представляется привлекательным методом предот­вращения загрязнения объектов природной среды отходами бурения. Один из них предусматривает разделение ОБР на жидкую и твердые фазы с последующей утилизацией жидкой части и нейтрализацией осадка. С этой целью в США предложен способ разделения фаз ОБР. Для обработки используют флокулирующие добавки. Такие добавки вызывают коагуля­цию и флокуляцию жидкой части отходов и осаждение твердой фазы в осадок. После удаления из амбара осветленной воды оставшаяся масса вновь обрабатывается флокулянтом, и так продолжается до тех пор, пока вся основная часть воды не будет удалена из жидких отходов.

Наиболее перспективным представляется использование пере­движных блочных установок для обработки отходов бурения. Они состоят из блока двигателя, приемной емкости с мешалкой для хранения бурового раствора, погружного насоса, электроприводного устройства для перекач­ки дегидратированного бурового раствора и, в случае необходимости, до­полнительного узла для физико-химической обработки воды. Производи­тельность установки составляет до 10 м /ч. Имеются и другие разработки, обеспечивающие глубокое обезвреживание отходов бурения.

Одним из эффективных методов обезвреживания бурового шлама является окисление и гидрофобизация его поверхности. Значительный объем работ в этом направлении выполнен Т.И. Гусейновым, А.А. Мов-сумовым и другими специалистами. Ими изучены закономерности и осо­бенности процессов окисления и гидрофобизации поверхности бурового шлама и установлены наиболее целесообразные границы применимости данных методов в соответствии с уровнем загрязненности таких отходов бурения. Как показали исследования, метод окисления органических за­грязнителей, содержащихся в буровом шламе, обладает гораздо меньшей эффективностью по сравнению с гидрофобизацией. Это одна из основных причин, не позволяющая рекомендовать метод окисления в практику обезвреживания буровых шламов. Более перспективным, по мнению ис­следователей, является обезвреживание шлама методом гидрофобизации его поверхности с помощью органических или растворимых высокомоле­кулярных соединений с последующим действием электролитов. За счет высаливания полимера частицы породы покрываются пленкой, препятст-

263

вующей растворению в воде токсичных и загрязняющих веществ. Из из­вестных растворов полимеров наибольшей эффективностью обладает со­полимер малеинового ангидрида с акриламидом, который позволяет по­лучать высокую степень гидрофобизации поверхности бурового шлама и, как следствие, обеспечивает необходимую глубину обезвреживания. Этот метод рекомендован в основном для обезвреживания шлама при морском бурении, так как эффект гидрофобизации поверхности усиливается при попадании обработанного таким полимером БШ в морскую среду. Однако из-за значительных расходов гидрофобизующего агента и его дефицитно­сти этот метод широкого распространения в практике буровых работ не получил.

В качестве безреагентных методов обезвреживания твердых отхо­дов заслуживает внимания термический метод. Термическая обработка шламовых масс обеспечивает разрушение органики всех основных клас­сов, присутствующих в буровом шламе. По мнению ряда исследователей, этот метод является наиболее доступным и перспективным. Его практиче­ская реализация осуществляется в печах специальной конструкции, из ко­торых заслуживает внимания барабанная электрическая печь, разработан­ная в ГИПРОморнефти под руководством Т.И. Гусейнова. Она позволяет реализовать необходимые термические режимы для достижения глубоко­го обезвреживания шламовых масс с высоким содержанием нефти и неф­тепродуктов и других загрязнителей органической природы. Основным недостатком этого метода, сдерживающим его широкую практическую реализацию, является значительный расход электроэнергии на проведение обжига шлама.

Эффективным и практически доступным методом частичного обезвреживания бурового шлама может стать отмывка его от загрязняю­щей органики (в том числе нефти и нефтепродуктов).

Приоритетным направлением обезвреживания отходов бурения является их отверждение. Обезвреживающий эффект при этом достигает­ся за счет превращения указанных отходов бурения в инертную консоли­дированную массу и связывания в ее структуре загрязняющих веществ, что практически исключает миграцию их за пределы отвержденного бу­рового раствора.

За рубежом в качестве отверждающих составов предлагаются ми­неральные вяжущие с активными добавками, такими как окись алюминия, жидкое стекло, хлорид железа. Эти составы в большинстве случаев мно­гокомпонентны, расход их при добавлении в ОБР относительно высок, к тому же практически отсутствуют данные об их промысловой реализации.

Японскими специалистами для отверждения бурового шлама предложен состав, состоящий из портландцемента, безводного гипса и добавок порошкообразного материала некоторых солей. Фирма «ChemfixCrossfordPollutionServices» (Великобритания) рекомендует обрабатывать

264

буровой шлам некоторыми растворами силикатов в присутствии коагу­лянтов. Получаемый при этом твердый материал может быть утилизиро­ван, т.е. использован для покрытия автостоянок или же безвредно сбро­шен на поверхность почвы.

Все разрабатываемые отверждающие составы имели одну единст­венную цель - придать отвержденной массе ОБР и БШ прочностные ха­рактеристики. Однако оценка экологичности отвержденных масс в целом не проводилась. Для этого были проведены исследования, результатом которых явились установление закономерностей и особенностей процес­са, а также разработка подхода к выбору типа и состава консолиданта.

265