ГУМИНОМИНЕРАЛЬНЫЙ МЕЛИОРАНТ, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ПОЧВ И ЗЕМЕЛЬ С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК C09K17/40 A01B79/02 

Изобретение относится к области охраны и восстановления окружающей природной среды на нефте- и газодобывающих предприятиях и может быть использовано в практике работы геологоразведочных предприятий при бурении на воду и твердые полезные ископаемые, а также в сельском хозяйстве и в практике работы землеустроительных организаций.

В практике бурения скважин на нефть, газ, воду и твердые полезные ископаемые наиболее широко применяются водные глинистые растворы. Важнейшим компонентом таких растворов являются бентонитовые глины (для слабоминерализованных пластовых вод) или палыгорскит (для минерализованных пластовых вод). Для регулирования свойств в буровые растворы вводят щелочь, соли, соду, хромпик или его производные, известь, углещелочной реагент, синтетические поверхностные вещества (ПАВ), утяжелитель (барит), лигносульфонат, КМЦ и др. При этом все добавки и компоненты бурового раствора должны иметь класс опасности не ниже 4. В редких случаях добавляют в малых дозах реагенты с классом опасности 3.

В процессе бурения в буровые растворы из пластов переходят соли и флюиды углеводородов, а также часть разбуриваемых горных пород в виде тонкодисперсных минеральных частиц.

Со временем буровые растворы теряют свои технологические полезные свойства и в значительной степени меняют свой состав. Отработанные буровые растворы (ОБР) как отход производства, с одной стороны, содержат ценные агрохимические глинистые и тонкодисперсные минеральные частицы и биогенные элементы (калий, фосфор, микроэлементы), а, с другой стороны, содержат токсичные вещества. К их числу относятся хромсодержащие соединения, флюиды углеводородов, соли, специальные химические добавки. Особо высокой токсичностью по отношению к растениям и почвенной микрофлоре обладают средне- и высокоминерализованные ОБР.

Известен состав химической мелиорации солонцовых почв, содержащих слабоминерализованный отработанный глинистый буровой раствор, содержащий 20-50% глины и фосфогипс 50-80% (Авт.свид. СССР 1288196, кл. С 09 К 17/00, 1985).

Известен также способ рекультивации почв, включающий внесение известного состава для химической мелиорации в почву в количестве 2,4-12 т/га (Авт. свид. СССР 1288196, кл. С 09 К 17/00, 1985).

Недостатки данного изобретения заключаются в том, что фосфогипс не обеспечивает детоксикации содержащихся в ОБР токсичных компонентов, и поэтому известный состав обладает выраженными токсичными свойствами и не может применяться для рекультивации нарушенных и деградированных почв и земель. Раздельное или совместное внесение фосфогипса и ОБР в почву дает примерно одинаковый эффект, что указывает на преимущественное разбавление засоленных почв минеральными компонентами данного состава и промывку почвы водой. Кроме этого, присутствие в ОБР гуматов кальция, несомненно оказывающих положительное влияние на создание водонерастворимых почвенных агрегатов, имеет гипотетический характер и ставит под сомнение саму возможность применения данного изобретения. Присутствие в некоторых типах ОБР углещелочного реагента, представляющего собой смесь бурого угля с натриевой щелочью, повышает общую токсичность ОБР за счет наличия натрия и высокой щелочности.

Известен также состав для рекультивации почв, который содержит отработанный буровой раствор (27,8-31,3%), гидролизный лигнин (40,6-45,3%) и воду (остальное) (Патент РФ 2020144, кл. С 09 К 17/00, 1990).

Известен способ приготовления указанного состава путем смешивания ОБР с высоким содержанием едкого натра и, следовательно, высокой щелочностью с гидролизованным лигнином в условиях превращения части лигнина как природного водонерастворимого полимера в растворимые в воде питательные для растений вещества (Патент РФ 2020144, кл. С 09 К 17/00, 1990).

Известен также способ рекультивации почв, включающий внесение указанного состава не ранее чем через сутки после его приготовления в пахотный слой почвы на глубину не менее 20 см при дозе 1,5-2,0 т/га (Патент РФ 2020144, кл. С 09 К 17/00, 1990).

Недостатки данного изобретения заключаются в том, что лигнин является сам по себе токсичным для почв, растений и микроорганизмов веществом, и его смешивание с токсичными отработанными буровыми растворами не только не снимает, но и даже усиливает общую токсичность приготовляемого состава для рекультивации почв. Это обстоятельство создает угрозу загрязнения обрабатываемых почв устойчивыми к разложению этоксикантами. Кроме того, возможности приготовления указанного состава ограничены ОБР с высоким содержанием натриевой щелочи, так как гидролизный лигнин содержит серную кислоту, которую необходимо нейтрализовать для дальнейшей частичной щелочной деструкции лигнина и образования питательных для растений веществ. Однако главный недостаток указанного изобретения заключается в том, что при дозе внесения 1,5-2,0 т/га не решается проблема утилизации крупнотоннажных отходов, а именно лигнина и ОБР, объемы которых исчисляются сотнями и десятками тысяч тонн в год. При этом финансовые затраты на перевозку и внесение в почву указанного состава абсолютно несопоставимы с ожидаемым положительным эффектом - повышением содержания водопрочных агрегатов и снижением коэффициента фильтрации почв.

Таким образом, актуальная проблема защиты предотвращения загрязнения и восстановления окружающей природной среды, особенно в части рекультивации нарушенных и деградированных почв и земель в местах ведения буровых работ на нефть, газ, воду и твердые полезные ископаемые, связанных с образованием больших объемов отработанных буровых растворов, особенно средне- и высокоминерализованных, не находит своего положительного решения из-за отсутствия возможности детоксикации и утилизации ОБР.

Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении возможности утилизации как можно большего количества ОБР, проведении детоксикации отработанных водных глинистых буровых растворов, особенно средне- и высокоминерализованных в условиях действующих буровых установок, рекультивации нарушенных в процессе производственной деятельности почв и земель с восстановлением их свойств, функций и плодородия.

Для решения поставленной задачи предлагается гуминоминеральный мелиорант (ГММ), полученный из отработанных буровых растворов и содержащий в качестве добавки гуминоминеральный концентрат (ГМК), в состав которого входят гуминовые кислоты.

Согласно данному изобретению компоненты в состав гуминоминерального мелиоранта входят в следующих весовых соотношениях, мас.%: твердая фаза бурового раствора (ОБР) 12-16, гуминоминеральный концентрат 6-7, жидкая фаза 77-82.

При смешивании ОБР с ГМК одновременно протекают процессы ионного обмена, адсорбции и абсорбции, сокоагуляции и окклюзии, приводящие к образованию вещества, качественно отличающегося от ОБР и ГМК. Состав и свойства этого вещества позволяют применять его в качестве мелиоранта для рекультивации нарушенных почв и земель, то есть в качестве гуминоминерального мелиоранта (ГММ).

Высокая сорбционная способность и наличие большого количества различных функциональных групп молекул гуминовых кислот, входящих в состав ГМК, взаимодействуя с различными веществами, позволяют осуществлять эффективную детоксикацию ОБР.

Внесение ГММ в почву улучшает гумусное состояние, повышает ее поглотительные способности, предотвращает миграцию экотоксикантов в сопредельные среды.

Поставленная задача утилизации ОБР решается тем, что гуминоминеральный мелиорант получают из ОБР путем смешивания отработанных буровых растворов (ОБР) с гуминоминеральным концентратом (ГМК). Смешивание отработанного бурового раствора с гуминоминеральным концентратом (ГМК), взятых в экспериментально установленном соотношении, осуществляется с использованием любого перемешивающего устройства, например импеллерного, рамного или лопастного смесителей.

В процессе смешивания получают однородную вязкотекучую темно-коричневую жидкость. При внесении ГММ в почву иногда возникают неудобства, связанные с малой скоростью течения вязкотекучей жидкости. Для устранения этого недостатка предлагается, как вариант приготовления гуминоминерального мелиоранта, добавлять в полученную вязкотекучую темно-коричневую жидкую массу воду до получения однородной текучей жидкости.

Поставленная задача рекультивации нарушенных почв и земель решается внесением гуминоминерального мелиоранта в нарушенные почвы и земли путем полива с предварительным (перед поливом) и последующим (после полива) их рыхлением. Характеристики компонентов гуминоминерального мелиоранта.

1. Гуминоминеральный концентрат (ГМК). Гуминоминеральный концентрат (ГМК) производится в соответствии с ТУ 2189-004-52388344-00. ГМК содержит свободные гуминовые кислоты, соли гуминовых кислот, высокодисперсные гуминоминеральные частицы и комплексы. Содержание сухого вещества в пастообразном (гелеобразном) продукте составляет менее 13,0%. Значения рН находятся в пределах 6,5-7,5. ГМК хорошо растворим в воде.

2. Отработанный буровой раствор. Состав глинистого бурового раствора на водной основе, приготовляемого на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении представлен ниже (см. табл. А).

После использования бурового раствора образуется отработанный буровой раствор, состав которого может отличаться от исходного.

Состав по данному изобретению основан на двух типах ОБР, образующихся на Оренбургском нефтегазоконденсатном месторождении, характеристики которых приведены ниже (см. табл.Б).

По содержанию солей ОБР1 и ОБР2 относятся к категории сильноминерализованных растворов. При этом главным токсичным компонентом ОБР является соль, поступающая вместе с минерализованными пластовыми водами за счет растворения части солевых пластов и пропластков при проходке скважин. Однако высокая сорбционная способность и наличие большого количества различных функциональных групп в составе молекул гуминовых кислот ГМК, взаимодействующих с различными веществами, обеспечивает эффективную детоксикацию ОБР.

Экспериментальное обоснование оптимальных соотношений "ОБР:ГМК" и доз внесения ГММ в почву определялось методом биотестирования с определением влияния различных соотношений данных компонентов на развитие растений при трехкратном повторении опытов. В качестве тестовой культуры был взят редис сорта "Вюрцбургский", почва дерново-подзолистая с рН 6,2. Определялось изменение средней высоты растений на стадиях двух настоящих листьев и учитывалось количество выпавших (погибших) растений (табл.5).

Проведенные исследования показали, что оптимальное соотношение "ОБР1: ГМК" составляет 1,85:1,00 (ГММ 1), что соответствует в мас.% 0,37% ОБР 1 на 0,20% ГМК, а оптимальное соотношение "ОБР 2: ГМК" (ГММ 2) составляет 2,5:1, что соответствует в мас. % 0,50% ОБР 2 на 0,20% ГМК.

Экспериментально установлено, что оптимальное соотношение ОБР (по исходному веществу) и ГМК (по гелю) составляет 1:1,05, то есть на одну тонну ОБР приходится 1,05 т ГМК.

Проведенными исследованиями установлено, что оптимальному отношению "ОБР 1: ГМК" - 1,85:1 соответствует доза внесения ГММ1, равная 5,7 кг на одну тонну почвы, в том числе 3,7 кг ОБР1 по сухому веществу и 2 кг ГМК (с учетом жидкой фазы).

В общем случае количество вносимого в нарушенные земли ГММ1 по сухому веществу может быть рассчитано по формуле
Q_т=5,7ρHS(1),
где Q_т - количество ГММ (по сухому веществу), 5,7 - эмпирический коэффициент; ρ- плотность земли; Н - глубина обработки почвы; S - площадь обработки.

Количество вносимого в нарушенные земли ГММ1 по исходному веществу (с учетом жидкой фазы) Q_ж рассчитывается по формуле
Q_ж=30ρНS (2),
где Q_ж - количество ГММ1; 30 - эмпирический коэффициент, ρ- плотность земли, Н - глубина обработки почвы, S - площадь обработки.

Так, согласно формулам 1 и 2, при глубине почвенного слоя 0,2 м и средней плотности нарушенной земли 1,2 т/м³, доза внесения ГММ1 составляет 13,68 т/га по сухому веществу и исходному ГММ1 (с учетом жидкой фазы) - 72 т/га.

Оптимальному отношению ОБР2:ГМК=2,5:1 соответствует доза внесения ГММ2, равная 7 кг на одну тонну почвы, в том числе 5 кг ОБР2 по сухому веществу и 2 кг ГМК по сухому веществу. По исходному ГММ2 (с учетом жидкой фазы) эта доза составляет 30,7 кг на одну тонну почвы.

Количество вносимого в нарушенные земли ГММ2 по сухому веществу Q_т в этом случае рассчитывается по формуле
Q_т=7ρHS (3),
количество вносимого исходного ГММ (с учетом жидкой фазы) Q_ж составляет
Q_ж=30,7ρН8 (4),
где ρ - плотность земли; Н - глубина обработки почвы; S - площадь обработки; 7 и 30,7 - эмпирические коэффициенты.

Так, например, при глубине почвенного слоя 0,2 м и средней плотности нарушенной почвы 1,2 т/м³, доза внесения ГММ2 по сухому веществу (формула 3) составляет 16,8 т/га, а доза внесения исходного ГММ2 (с учетом жидкой фазы) составляет 73,5 т/га (формула 4).

Рекультивацию нарушенных почв и земель осуществляют путем полива жидким гуминоминеральным мелиорантом (ГММ1 или ГММ2), взятым в количестве от 5,7 до 7 кг по сухому веществу на тонну почвы, предварительно взрыхленной на глубину корнеобитаемого слоя (5-20 см) почвы с последующим ее перемешиванием с нанесенным на поверхность почвы (земли) ГММ1 или ГММ2. При глубине корнеобитаемого слоя 0,2 м и плотности нарушенной почвы (земли) 1,2 т/м³ количество вносимого ГММ (с учетом жидкой фазы) равно 72-73,5 т/га.

Применение ГММ восстанавливает характерную почвенную структуру, повышает влагоемкость и увеличивает устойчивость почвы к водной и ветровой эрозии. Наибольший положительный результат от применения ГММ достигается на почвах легкого гранулометрического состава: улучшаются водно-физические свойства почв - повышается капиллярная и полевая влагоемкость, улучшается структура, увеличивается водопрочность агрегатов, значительно улучшаются условия для роста и развития растений. На кислых почвах происходит нормализация значения рН.

В табл.1 приведены примеры составов гуминоминерального мелиоранта (ГММ), предлагаемого по данному изобретению.

В табл.2 и 3 приведены данные о влиянии ГММ на улучшение свойств почвы, в которую ГММ был внесен.

Как видно из данных табл.2, внесение ГММ в почву приводит к незначительному (менее 15%) снижению активности фермента, что указывает на нормальную деятельность микрофлоры. Из данных табл.3 следует, что внесение в почву ГММ значительно увеличивает ее влагоемкость.

С целью изучения эффективности детоксикации ОБР, приготовления ГММ и его применения, проводились экспериментальные исследования, результаты которых представлены в следующих примерах.

Пример 1. Оценка эффективности снижения токсичности солей в почве гуминоминеральным концентратом. Оценка эффективности снижения токсичности солей проводилось на модельном опыте с трехкратной повторностью, где в образцы дерново-подзолистой почвы с рН 6,2 вносились характерные для буровых растворов соли NACl и Nа₂СО₃ в количестве 0,1:0,25 и 0,5% от массы почвы. В аналогичные образцы засоленной почвы вносился ГМК в количестве 0,5% от массы почвы по сухому веществу. В качестве тестовой культуры использовался ячмень. Показателем эффективности являлась высота растений. Результаты исследований представлены в табл.4.

Как видно из данных табл.4, внесение ГМК в почву резко снижает токсичность солей, что подтверждает эффективность его присутствия в составе ГММ.

Результаты восстановления свойств почвы (земель), полученные путем их рекультивации предлагаемым в настоящем изобретении способом, представлены в табл.4, 5, 6, 7.

Для определения влияния ГММ на продуктивность растений был проведен модельный опыт с использованием мелиоранта ГММ1 в дозе 13,68 т/га и мелиоранта ГММ2 в дозе 16,8 т/га (по сухому веществу), приготовленные путем смешивания ОБР и ГМК. взятых в отношении 1,85:1 для ГММ1 и 2,5:1 для ГММ2 (по сухому веществу). В качестве тестовой культуры выбран ячмень сорт "Дина": почва дерново-подзолистая супесчаная. рН 6,2. В сосуды помещалась почва массой 300 г (в пересчете на абсолютную сухую почву), предварительно смешанная с мелиорантом (ГММ 1 или ГММ 2) или ГМК (табл.4, 5, 6), затем в каждый сосуд высевались семена ячменя по 20 шт. на сосуд (повторность трехкратная).

В условиях модельного опыта были оценены такие показатели, как всхожесть семян ячменя (табл.6), биометрические параметры: продуктивность растений (по нарастанию биомассы). Продолжительность модельного опыта составила 4 недели до стадии второго листа. По истечении данного времени были проведены биометрические исследования, определена средняя высота растений (табл.5), а также произведен учет сырой и сухой биомассы (табл.7).

Данные биометрических исследований показывают, что при использовании ГММ1 наблюдается значительное увеличение показателей по отношению к контролю, в то же время при использовании ГММ2 отмечается несущественное снижение средней высоты растений. Однако разница между контрольным вариантом и вариантом с использованием ГММ2 не превышает НСР, что свидетельствует об отсутствии отрицательного эффекта от действия мелиоранта.

Визуально установлено, что растения при использовании ГММ1 и ГММ2 имеют более интенсивную зеленую окраску, что свидетельствует о лучших условиях питания по сравнению с контрольным вариантом с ГМК. Очевидно, что входящие в состав мелиоранта отработанные буровые растворы являются источником биофильных элементов, в то время как гуминоминеральный концентрат не содержит достаточного количества элементов питания.

Основным агрохимическим показателем действия испытуемых препаратов и доз на растения является показатель продуктивности. Для оценки продуктивности ячменя в условиях модельного опыта произведен учет сырой и сухой биомассы растений (табл.7).

Полученные результаты по учету сырой и сухой биомассы наглядно показывают положительное влияние мелиоранта на продуктивность растений. Увеличение продуктивности на всех вариантах с использованием мелиорантов является достоверным и положительным. Сопоставляя данные по биомассе с данными по всхожести, можно сказать, что, если растения на вариантах с использованием мелиоранта и испытывали незначительный стресс на начальном этапе своего развития, то по прошествии времени не только опередили в развитии растения контрольного варианта, но и показали большую продуктивность.

Изобретение относится к охране и восстановлению окружающей природной среды на нефте- и газодобывающих предприятиях и может быть использовано для утилизации отработанных буровых растворов, их детоксикации, а также в сельском хозяйстве при рекультивации нарушенных почв и земель. В нарушенные почвы вносят гуминоминеральный мелиорант, получаемый из отработанных буровых растворов с добавлением в него гуминоминерального концентрата, содержащего гуминовые кислоты. В состав мелиоранта компоненты входят в следующих соотношениях, мас.%: отработанный буровой раствор 12-16, гуминоминеральный концентрат 6-7, жидкая фаза остальное. Почву перед внесением мелиоранта предварительно рыхлят на глубину корнеобитаемого слоя. Количество вносимого мелиоранта рассчитывают по предложенным в изобретении формулам. Изобретение позволяет обеспечить более полное использование отработанных буровых растворов, их детоксикацию и восстановить плодородие почв. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 9 табл.

1. Гуминоминеральный мелиорант для рекультивации нарушенных почв и земель, содержащий отработанный буровой раствор и добавку, отличающийся тем, что в качестве добавки он содержит гуминоминеральный концентрат, в состав которого входят гуминовые кислоты. 2. Гуминоминеральный мелиорант для рекультивации нарушенных почв и земель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит гуминоминеральный концентрат, в состав которого входят гуминовые кислоты, при следующем содержании компонентов, мас. % по сухому веществу:
Отработанный буровой раствор - 12-16
Гуминоминеральный концентрат - 6-7
Жидкая фаза - Остальное
3. Способ получения гуминоминерального мелиоранта для рекультивации нарушенных почв и земель, отличающийся тем, что отработанный буровой раствор смешивают с гуминоминеральным концентратом, в состав которого входят гуминовые кислоты. 4. Способ получения гуминоминерального мелиоранта для рекультивации нарушенных земель и почв по п. 3, отличающийся тем, что отработанный буровой раствор (ОБР) смешивают с гуминоминеральным концентратом (ГМК) до получения однородной вязкотекучей жидкости при отношении ОБР: ГМК в пределах от 1: 1 до 1: 1,05. 5. Способ получения гуминоминерального мелиоранта для рекультивации нарушенных почв и земель по п. 4, отличающийся тем, что в однородную вязкотекучую жидкость добавляют воду до получения однородной текучей жидкости. 6. Способ рекультивации нарушенных почв и земель, включающий внесение мелиоранта в нарушенные почвы и земли, отличающийся тем, что в них вносят гуминоминеральный мелиорант, содержащий отработанный буровой раствор и в качестве добавки гуминоминеральный концентрат, в состав которого входят гуминовые кислоты. 7. Способ рекультивации нарушенных почв и земель по п. 6, отличающийся тем, что перед внесением гуминоминерального мелиоранта почву (землю) предварительно рыхлят на глубину корнеобитаемого слоя, затем равномерно поливают гуминоминеральным мелиорантом, после чего почву (землю) с нанесенным на ее поверхность гуминоминеральным мелиорантом перемешивают. 8. Способ рекультивации нарушенных почв и земель по п. 7, отличающийся тем, что гуминоминеральный мелиорант вносят в количестве, рассчитываемом по следующим формулам
Q_т= (5,7÷7,0)p H S (1)
при расчете по сухому веществу и
Q_ж= (30,0÷30,7)o Н S (2)
с учетом жидкой фазы,
где Q_т, Q_ж - количество вносимого ГММ соответственно при расчете по сухому веществу и с учетом жидкой фазы; (5,7-7,0) и (30,0-30,7) и эмпирические коэффициенты; р - плотность земли; Н - глубина обработки почвы (земли); S - площадь обработки.