1 Экологическое влияние на окружающую среду
1.1 Анализ влияния бурильного шлама на окружающую природную среду
При бурении нефтяных скважин в окружающую среду поступает большое количество загрязняющих веществ различной степени токсичности, которые оказывают значительный вред всем компонентам окружающей среды. Очаги загрязнения можно разделить на постоянные и временные (рис. 1). К постоянным причисляются фильтрация и утечки жидких отходов бурения из шламовых амбаров. Временными называют источники временного воздействия - всасывание бурового раствора при бурении; выбросы пластового флюида на дневную поверхность; нарушение герметичности зацементированного заколонного пространства, приводящее к межпластовым перетокам и заколонным проявлениям; затопление территории буровой вследствие паводка в пору весеннего половодья или сильного таяния снегов и пролив при этом содержимое шламовых амбаров.
Серьёзная проблема для объектов природной среды представляют производственно-технологические отходы бурения, которые копятся и держатся прямо на территории буровой. В своем составе они содержат широкий спектр загрязнителей минеральной и органической природы, представленных материалами и хим. реагентами, используемыми для приготовления и обработки буровых растворов (например, полиакриламидом, конденсированной сульфитспиртовой бардой, карбоксиметилцеллюлозой. На 1 м3 отходов приходится до 68 кг загрязняющей органики, не считая нефти и нефтепродуктов, и загрязнителей минеральной природы.
Рисунок 1 - Схема источников засорения при бурении скважин
На рис. 1 показано, что очаги загрязнения веществ от объектов нефтедобычи в окружающую среду довольно многообразны. Стабильной основой загрязнения атмосферы, почвы, подземных и поверхностных вод есть шламовые амбары, которые показаны в виде природоохранных сооружений, предначертанных для сбора, обезвреживания и захоронения токсичных аграрных отходов бурения нефтяных скважин.
При строительстве амбаров срубаются деревья, кустарники, уничтожается надпочвенный покров, совершается отчуждение земель. Шламовые амбары с токсичным буровым шламом исключают из оборота существенные площади земель. Все объемы отходов зависят от применяемого метода бурения, глубины и длительности постройки скважины, систем водоснабжения и водоотведения, природно-климатических факторов и т. д.
Проанализируем влияние бурового шлама на окружающую природную среду. Так как в составе бурового шлама присутствует порода (60–80 %), органическое вещество (8–10 %), водорастворимые соли (6 %), нефть, разнообразные реагенты и т. п., то основное воздействие на окружающую среду будет состоять в загрязнении объектов природной среды хим. реагентами, мин. солями и нефтепродуктами. Действие бурового шлама на атмосферу совершается за счет испарения легких фракций нефтепродуктов с поверхности шламового амбара, а также при таянии снега на загрязненной шламом территории. Влияние бурового шлама на подземные и поверхностные воды определено, во многом, ненормативным обустройством шламового склада (нарушение или недоступность гидроизоляции склада, неимение обваловок, водоотводных рвов и т. п.), а также при контакте бурового шлама, размещённого на территории буровой за шламовым складом, с атмосферными осадками, подтоплении территории буровой в период сильного снеготаяния. Если нарушить гидроизоляции шламового склада плодотворность почвенного покрова уменьшается, совершается загрязнение подземных водоносных кругозоров и, как результат, мазюкание подземных и поверхностных вод. В итоге атмосферных осадков и снеготаяния совершается переход растворимых солей из бурового шлама в водные растворы с миграцией этих веществ в водоносные горизонты. В следствии загрязнения подземных и поверхностных вод нефтепродуктами случается притеснение и усмирение нормальной органической жизни, изменение состава биоценозов, заморы рыбы и смерть нерестилищ.
Влияние бурового шлама на почву, растительный и животный мир в главном переключается к загрязнению нефтепродуктами. При загрязнении почв нефтепродуктами случается нарушение воздушного режима и водных свойств почв. В итоге воздействия на почвенный покров нефтепродуктов замечается изменение живущих в почве живых микроорганизмов: убавляется численность целлюлозоразлагакщих микроорганизмов и бактерий, усваивающих соединения азота. Происходит угнетение окислительно-восстановительных ферментативных действий, что в конечном счете понижает биологическую энергичность и плодородие почв. Буровые шламы в многих моментах имеют щелочную реакцию, что оказывать содействие на легкорастворимых гуматов, которые вымываются из поверхностного слоя почв, уменьшая среднее содержание гумуса.
Флора на местах загрязнения буровыми шламами гибнет полностью. При ширине слоя шлама 5–10 см ущерб, наносимый лесу, сравним с нефтяным загрязнением высокого уровня. Мы выполнили расчет экологического вреда по ухудшению и разрушению почв и земель под влиянием антропогенных (техногенных) нагрузок по способу при размещении отходов бурения в шламовом амбаре объемом 1100 м3.
Показано, что суммарный экологический убыток составляет 8236800 рублей, а вред от размещения 1м3 бурового шлама — 7488 рублей. Таким образом, месположение бурового шлама в шламовом амбаре или на территории буровой может причинять значительный урон окружающей среде, в связи с чем переработка его с получением экологически безопасного для окружающей среды материала является одной из важнейших задач.
1.2 Анализ размеров остатков бурения в Западной Сибири
Развитие мирового общественного производства идет все убыстряющимися темпами, и размеры вреда, причиняемого окружающей среде, усиливаются так, что их уже невыполнимо одолеть натуральным путем, без применения глубоко обдуманного комплекса законодательных и технологических мероприятий, касающихся все сферы производственной деятельности человека. Около 15% территории России, на которой размещена существенная часть жителей и производства, относится к ареалам, экологическое состояние которых не очень хорошее и экологическая безопасность не гарантирована. Работа предприятий нефтегазовой отрасли неминуемо приводит к техногенному влиянию на окружающую среду. Это проявляется, прежде всего, в загрязнении атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, приповерхностных отложений нефтепродуктами и токсичными веществами, содержащимися в буровых растворах, а также сероводородом, содержащимся в нефти и газе, деградации почв и ландшафтов, вырубке лесов и др. Поэтому одной из главных задач при работе с нефтеотходами будет выбор приемлемой системы их переработки или обезвреживания.
Добыча углеводородов для Российской Федерации является крайне значимой областью экономики. Нефтегазодобыча в свою очередь неразрывно связана с бурением новых скважин для добычи ресурсов. Так, в 2011 году по оценкам, в районе ХМАО-Югры, где размещаются 70% всех нефтедобывающих скважин Российской Федерации, в использование было внедрено 3976 новых нефтяных скважин. При этом проходимость в эксплуатационном бурении собрала 12,9407 млн. м. Соответственно для ситуации в Западной Сибири на 1 м проходимости в среднем образуется 0,4 м3 отходов бурения. Поэтому, по оценкам в 2011 году в раойне ХМАО-Югры в общем накопилось 5 млн м3 отходов бурения.
Из года в год повышается число новых внедряемых в действие скважин и растет проходка в эксплуатационном бурении (табл.1), но ход к понижению количества шламовых складов не наблюдается. Многие нефтедобывающие кампании Западной Сибири совершают переработку отходов бурения по отработанному методу, предполагающему наиболее легкий и дешевый способ – создание и рекультивацию шламовых складов, а количество нерекультивированных шламовых складов нередко зависит от выделения материальных средств нефтедобывающими кампаниями на эти природоохранные мероприятия.
?
Таблица 1 - Процесс изменения технологических и природоохранных характеристик
Показатели Эксплуатационное бурение, тыс. м Ввод новых скважин, шт. Количество рекультиви-рованных шламовых амбаров, шт. Количество нерекульти- вированных шламовых амбаров, шт.
2004 г. 5800.0 2006 722 1938
2005 г. 7386,2 2423 308 1637
2006 г. 8754,9 2902 513 1909
2007 г. 10178,1 3311 243 1694
2008 г. 10676,5 3488 214 1831
2009 г. 10869,5 3456 187 1842
2010 г. 12035,4 3769 314 1673
2011 г. 12940,7 3976 359 1630
?
2 Переработка и утилизация бурового шлама
2.1 Оценка отходов бурения
При строительстве нефтяных скважин из недр земли с различных геологических формаций вынимается огромное число выбуренных горных пород, либо бурильных шламов. Одной из основных проблем является оберегание природной среды от жидких и жестких бурильных остатков (БО), возникающих в ходе применения бурильного оснащения. Они заключаются в бурильных сточных водах (БСВ), отработанного бурового раствора (БР) и бурового шлама, в цепи случаев, смешанных в шламовых складах.
Главные факторы воздействия БО на окружающие элементы биоценоза обусловливаются составом БР и поступающими в него из забойного пространства нефтепродуктами и минерализованными водами.
Буровые отходы в большинстве своем состоят на 30–45 % из выбуренной породы (частицы глины и песка), 30–45 % – это БР и 10–20 % – возможные технологические сбросы подземные воды и нефть. БР в свой черед состоит из воды (85–89 %), бентонитовых глинопорошков (10–11 %), в оставшиеся 1–5 % могут помещаться разнообразные смазывающие, антисептические, пеногасительные, антифильтрационные и гидрофобизирующие жидкости. Очень сильно распространены гидрофобизированная кремнийорганическая жидкость, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, рыбожировая смазка, полиакриламид, гепан, графитовая смазка, каустическая сода, едкий калий, кальцинированная сода. Существенными объектами загрязнения при бурении месторождений являются геологическая среда (подземные воды), гидро- и литосфера (открытые водоемы, дно акваторий, почвенно-растительный покров).
Произведенный анализ способов переработки представляет, что утилизация буровых отходов совершается в шламовых складах, в особых установках и комбинированно: часть операций делается в складах, часть в специально отдаленных местах. Предпочтение варианта зависит: от составов буровых отходов; транспортной схемы; наличия водоохранных и прочих специальных зон в областях геологической разведки и нефтегазодобычи; размеров шламовых складах. При этом необходимо учесть проблемы с транспортировкой не переработанных буровых отходов – их значительную текучесть и опасность.
В процессе эксплуатации амбары наполняются буровыми и тампонажными растворами, буровыми сточными водами и шламом, пластовыми водами, продуктами испытания скважин, материалами для приготовления и хим. обработки буровых и тампонажных растворов, ГСМ, хозяйственно-бытовыми сточными водами и твердыми бытовыми отходами, ливневыми сточными водами. Процентное соотношение между этими компонентами может быть самое разнообразное в зависимости от геологических ситуаций, технического состояния оборудования, культуры производства и т.д.
Так, по данным ОАО "Когалымнефтегаз", при бурении скважины глубиной 2600 м в амбаре находится около 65% воды, 30% шлама (выбуренной породы), 5,5% нефти, 0,5% бентонита и 0,5% различных присадок, обеспечивающих оптимальную работу буровой установки (табл. 2)
Таблица 2
Компоненты отходов Состав при бурении 1-ой скважины (2600 м), т Состав при бурении остальных скважин, т
Вода 314.0 314.0
Шлам 150.0 150.0
Нефть 29.64 26.64
Бентонит 2.8 1.4
ПАВ-неонол 0.073 0.073
КМЦ 0.364 0.182
ТПФН 0.052 0.052
ГКЖ 0.080 0.080
Сода кальцинированная 0.042 0.042
Сода каустическая 0.150 0.150
КССБ 0.161 0.161
Графит 0.150 0.150
Барит 0.096 0.096
Цемент 0.722 0.722
Гипан 0.172 0.086
НТФ 0.045 0.045
«Нитрон» – отходы 0.170 0.170
Смазочная добавка ИКБ-4ТМ 0.520 0.520
По подсчетам хим. анализа амбарных шламов ОАО "Когалымнефтегаз", нефтепродукты в шламе колеблются в границах от 2000 до 13870 мг/кг. Нефтяная часть шлама изображена в основном парафинонафтеновыми углеводородами - 41,8% масс., из них 20% масс. - твердые парафины. Асфальтены - 5,6% масс.; смолы - 19,2% масс., полициклические ароматические углеводороды - 20,1 % масс. В образцах асфальто-смолистых парафиновых отложений, взятых из складов нефтепромыслов Западной Сибири, содержание парафино-церезиновых компонентов с температурами плавления 66-84 оС составляет 40-70% масс.; содержание органической части - 72-90% масс. Нефтяная часть отходов разделяется в шламовом амбаре следующим образом: 7-10% нефтеуглеводородов сорбируется на шламе, 5-10% находится в эмульгированном и растворенном состоянии, другие углеводороды размещаются на поверхности амбара в виде пленки.
Неорганическую часть составляют в основном окислы кремния и железа (песок, продукты коррозии), небольшие количества (менее 1%) соединений алюминия, натрия, цинка и других металлов.
2.1.1 Типология остатков бурения
1. Отходы, появляющиеся при бурения нефтяных и газовых скважин:
? буровые шламы;
? буровые сточные воды;
? избыточный буровой раствор;
? отработанные масла;
? хозяйственно-фекальные сточные воды;
? мусор.
2. Отходы, образующиеся при нефтегазодобычи:
? пластовый песок;
? пластовые воды;
? отработанные масла;
? хозяйственно-фекальные сточные воды;
? мусор.
3. Отходы, образующиеся при опробования нефтяных и газовых скважин:
? буровой раствор;
? продукция опробования (нефть, газ, пластовый песок, пластовые воды).
2.2 Главные способы переработки бурового шлама
В последние годы нефтедобывающими кампаниями в производство вводятся всевозможные технологические решения, устремленные на переработку отходов бурения. Тем не менее, унифицированного способа утилизации нефтешламов с целью обезвреживания и переработки не существует.
Все известные технологии утилизации нефтешламов можно разделить на следующие группы:
? термические - суть метода состоит в том, что отходы сгорают в специальных печах с большой температурой горения или в открытых амбарах. При их сжигании появляются битумные остатки;
? физические - в этом методе использованные при бурении растворы будут поделены на техническую воду и шлам, помогут в этом флокулянты и коагулянты. Утилизация бурового шлама путем центрифугирования и фокуляции на сегодняшний день оптимальный способ избавиться от опасных отходов;
? химические - применяется способ экстрагирования, при котором используются растворители, идет отвердение с применением, например, глины, цемента, жидкого стекла. Также есть вариант с применением органических добавок, например, такие, как эпоксидная смола, полиуретаны и некоторые другие компоненты;
? физико-химические - этот способ основан на применении реагентов, которые специально разработаны и подобраны для этого процесса. При их применении меняются физико-химические свойства отходов, и после этих изменений все обрабатывается на специальном оборудовании;
? биологические - в этом способе широко применяется метод, при котором материал разлагается при помощи особых микроорганизмов и под воздействием определенной температуры. После такого воздействия на отходы остается вещество, которое впоследствии можно захоронить, не нанося вред окружающей среде. Можно проводить мероприятия непосредственно в месте захоронения, там, где происходит биотермическое разложение.
Среди существующих методов разделения нефтешламов с целью утилизации - центрифугирования, экстракции, гравитационного уплотнения, вакуум-фильтрации, фильтр-прессования, замораживания и др. - наиболее перспективным является центрифугирование с использованием флокулянтов. Центрифугированием можно достичь эффекта извлечения нефтепродуктов на 85%, мех-примесей - на 95%. При реагентной обработке нефтешламов изменяются их свойства: повышается водоотдача, облегчается выделение нефтепродуктов.
?
3 Комплексные методы утилизации бурового шлама
Схема утилизации буровых отходов показана на рисунке 2. Процесс устранения амбара с дальнейшей переработкой бурового шлама можно условно поделить на технологические стадии:
? сбор нефтяной пленки с поверхности амбара;
? очистка жидкой фазы от эмульгированной нефти;
? доочистка жидкой фазы (уровень очистки зависит прямого назначение очищенной воды);
? обезвоживание и обезвреживание бурового шлама;
? утилизация бурового шлама;
? очистка нефтезагрязненного грунта.
В общем, технологический процесс по ликвидации шламового амбара проходит поэтапно:
1. очистка и обезвреживание внутри самого амбара.
2. устранение бурового шлама.
На первом этапе проверяют состав мусора в шламовом амбаре.
Рисунок 2 - Наглядная схема по переработки отходов бурения
А. Очистка амбаров с большим содержанием нефти на поверхности
Предварительный сбор пленки с поверхности амбарной жидкости (установки типа УСН-2, УСН-300, СМ-5; см. табл. 3).
Таблица 3 - Технические характеристики установок
Наименование показателя УСН-2 УСН- 300 М-5
Производительность по
нефтепродуктам, м3/час 0.2 3.0 5.0
Минимальная допустимая толщина слоя нефтепродуктов, мм 0.01 0.1 1.0
Эффективность сбора
нефтепродуктов, % 99.5 99.5 90.0
Содержание воды в собранных
нефтепродуктах, % 2 5 2–1
Добавление растворов органических флокулянтов ФТ-410, ПТ-506, неорганических флокулирующих сорбентов СФ-А1 с дальнейшим перемешиванием и отстаиванием в течение 1-2 суток. Пока растворы отстаиваются происходит разрушение эмульсии; вторичный сбор нефтепродуктов с поверхности амбара. Остатки воды с низким содержанием нефтепродуктов прокачивается через установку НЗУ-100 - горизонтальный отстойник для задерживания главной массы нефтепродуктов и взвешенных веществ и камера из двухступенчатых безнапорных фильтров с загрузкой сорбентом (ГС; емкость поглощения 6-8 г нефтепродуктов на 1 г сорбента, степень очистки воды - 95-99%). Рентабельно использовать ультрадисперсных порошкообразных сорбентов на основе оксидно-гидроксидных фаз алюминия (УДП). Адсорбент снабжает быструю коагуляцию нефтяной микроэмульсии в достаточно большие фрагменты. Когда воду очистили она используется в технических целях или ее сливают в водные сооружения. После того как удалили сточные воды шлам очищают от углеводородов.
Б. Очистка амбаров с высоким содержанием эмульгированных и отсутствием пленочных нефтеуглеводородов.
Жидкая фаза амбарных отходов с большим содержанием эмульгированных нефтепродуктов (более 0,5 г/л) проходит через установку типа УСФ-0.5 (табл. 4). Технология образована на применении процессов седиментации и флотации из водных растворов органических реагентов. В качестве деэмульгатора и флокулянта реагентов ПТ-506 и ФСт-407. Обрабатывая эмульсию не требуется ее нагрев или изменение рН. Установка включает в себя: насос, смеситель, бак - отстойник, флотатор, диспергирующее и дозирующее устройства, емкости для реагентов.
Таблица 4 - Технические характеристики установки
Производительность 200–500 л/час
Количество нефтепродуктов в исходной эмульсии 1–20 г/л
Количество нефтепродуктов в жидкой фазе после очистки 0.002–0.1 г/л
Дозы реагентов 0.2–1 г/л
Степень очистки 98–99 %
Углеводороды, которые отделили складывают в емкость и используют в качестве горючего. Водная фаза доочищается в установке типа НЗУ-100 и может применяться в технических целях, или сливаться в водоем. Оставшийся шлам готовят для очистки от нефтеуглеводородов.
Отходы (буровой шлам), которые обезвредили, можно применять в производстве строительных материалов – кирпича, керамзита и т.п.
?
3.1 Обезвреживание бурового шлама
Загрязненный буровой шлам вымывается от нефтеуглеводородов горячей водой и паром, водным раствором ПАВ (поверхностно-активные вещества) на основе этоксилатов. Эффективность отмывки горячей водой - 25%; водным раствором ПАВ концентрацией 0,5, 1,0 и 2,0% - соответственно 55, 60 и 73%. Буровой шлам обезвреживается на центрифуге.
