СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ БУРОВОГО ШЛАМА С ПОЛУЧЕНИЕМ ИЗ НЕГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2010 года по МПК B09B3/00 C04B33/132 C04B33/32 

Способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству гравия, щебня, керамзита, и может быть использован непосредственно на буровых площадках.

Освоение нефтяных и газовых месторождений, рост нефтедобычи в нашей стране привел к образованию больших объемов отходов бурения. Выход отходов бурения составляет 0,2-0,6 м³ на 1 метр проходки. Наибольшую опасность для объектов природной среды представляют производственно-технологические отходы бурения, которые накапливаются и хранятся на территории буровых [1].

Шламовые амбары занимают большие площади, а их содержимое является постоянным источником загрязнения окружающей среды, например, в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) накоплено огромное количество отходов бурения - на 2002 г. свыше 4 млн тонн [2].

С другой стороны, для удаленных нефтегазовых регионов, с учетом имеющегося в них дефицита строительных материалов и дороговизны их дальней транспортировки, актуальна полезная утилизация образовавшихся при бурении эксплуатационных скважин бурового раствора с выбуренной породой - буровых шламов, в материалы, пригодные к применению для рекультивации отработанного карьера, для отсыпки нефтепроводов, для строительных и ремонтных работ и других технических целей.

С учетом этого разработки по технологии обезвреживания и утилизации буровых шламовых отходов чрезвычайно актуальны.

Известен способ обезвреживания бурового шлама по патенту №61162 «Полигон для очистки и обезвреживания выбуренного грунта комбинированным методом» от 2006.09.20, опублик. 2007.02.27, МПК В09В 3/00. Обеззараживают шлам на установке высокотемпературного обжига в печах при температуре 1400С°. После спекания грунта и достижения прочности 10 кг/см² обезвреженную массу используют для рекультивации отработанного карьера, для отсыпки нефтепроводов, для строительных и ремонтных работ и других технических целей. Изобретение относится к устройствам для обезвреживания буровых шламов и может быть использовано на буровых площадках при бурении нефтяных скважин.

Данная технология является сложной, поскольку предусматривает длительное обезвреживание, применение специальных компонентов для отверждения массы и вспучивания, и энергозатратной, так как обезвреживают путем высокотемпературного обжига при температуре 1400С° в течение 1 часа.

Данный способ не обеспечивает обезвреживание патогенных микробов и микроспор на первых этапах технологии, что создает угрозу для работающих с сырьевой смесью.

Известен «Способ очистки донных отложений нефтешламовых накопителей» по патенту №2309128 от 2006.02.26, опублик. 2007.10.27, МПК C02F 11/16, включающий биологическую очистку осадка, смешение с отходами, при этом осадок непосредственно в накопителе смешивают с известковым материалом в соотношении 3:1, затем полученную смесь дополнительно смешивают с глинистым материалом с остаточной влажностью 20-40%, при этом соотношение осадок: известковый материал: глинистый материал составляет 3:1:1; затем смесь из накопителя направляют на осушку в естественных условиях до 30-40% влажности, после частичной осушки смесь подвергают анаэробной биологической обработке в присутствии питательной среды. Изобретение относится к способу очистки донных отложений нефтешламовых накопителей, в частности, на нефтедобывающих предприятиях.

Для осуществления данного способа необходимо завозить на буровые установки многие компоненты в большом объеме, такие как известковый материал, глинистый материал, и располагать большими площадями для осушки смеси в естественных условиях до 30-40% влажности. Далее требуется анаэробная биологическая обработка в присутствии питательной среды. Данный способ также не обеспечивает обезвреживание патогенных микробов и микроспор на первых этапах технологии. При осушке смеси в естественных условиях до 30-40% влажности наличие патогенных микробов и микроспор в смеси создает угрозу для работающих с сырьевой смесью и буровиков.

Наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в техническом решении «Керамическое изделие, сырьевая смесь и способ изготовления керамического изделия» по патенту №2046772 от 1994.05.27, опублик. 1995.10.27, МПК 6 С04В 33/00, С04В 38/06. Данным способом керамическое изделие - кирпич, плитки, керамзит и т.д., выполняют из сырьевой смеси, включающей, мас.: глина 20-79,9; отработанный бентонитовый буровой раствор 20,1-80. При этом отработанный бентонитовый буровой раствор подсушивают до влажности 2-3%, затем смешивают с глиной до получения смеси определенного состава, прессуют или формуют заготовки, сушат и обжигают в туннельной, кольцевой или роликовой печи. В туннельной печи обжиг осуществляется в течение 18-40 ч при температуре 950-1000°С, в кольцевой печи 30-55 ч при 950-1000°С, в роликовой 8-12 ч при 1020-1080°С.

Для осуществления предлагаемого способа требуются значительные временные затраты из-за большого количества технологических переделов и большие энергозатраты в связи с необходимостью сушки шлама до влажности 2-3%, а также обжига в течение 8-12 часов или 18-40 часов, еще необходимо завозить на буровые установки большое количество глинистого материала, что сопоставимо по массе с утилизируемым буровым раствором либо превышает его в 4 раза.

Задачей предлагаемого технического решения является обезвреживание и полезная утилизация буровых шламов в материалы, пригодные к применению для строительных и ремонтных работ и других технических целей, непосредственно на площадке буровой установки, без доставки дополнительных компонентов.

Задача решена за счет способа обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала, включающего термообработку бурового шлама - подсушивание, формование из него полуфабриката и его термообработку - скоростной обжиг, при этом указанное подсушивание осуществляют при температуре 300-500°С в течение 8-20 минут до формовочной влажности 28-32%, после формования полуфабриката - гранул, осуществляют их сушку до влажности 10-15%, а указанный обжиг осуществляют при температуре 950-1200°С в течение 30-50 минут.

Введение в технологию подсушивания при температуре 300-500°С в течение 8-20 минут позволяет, при получении обезвреженного полуфабриката формовочной влажности, значительно меньше, по сравнению с аналогами, тратить времени и энергоресурсов и создавать безвредные условия для работающих с сырьевой смесью и буровиков.

Осуществление после формования полуфабриката - гранул, сушки позволяет довести их влажность до 10-15% и ввести скоростной обжиг в течение 30-50 минут при следующей термообработке, что в свою очередь позволяет, при получении обезвреженной прочной керамической структуры, в разы, по сравнению с аналогами, снизить энергозатраты и ускорить изготовление строительного материала.

Разработанный способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала позволяет решить экологические задачи по обезвреживанию буровых шламовых отходов, а также задачи их полезной утилизации.

Строительные материалы, получаемые предлагаемым способом, могут восполнить существующий дефицит в районах размещения буровых установок и снизить остроту проблемы, покрывая часть этих потребностей.

Помимо экологического аспекта - снижения негативного воздействия на окружающую среду, уменьшения площадей, занятых отходами, следует учитывать и социально-экономический эффект: уменьшение платы за размещение отходов, получение прибыли от реализации продукта, создание дополнительных рабочих мест.

Способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала осуществляют следующим образом.

Первичную термообработку шлама производят кратковременно и интенсивно в сушильном барабане с эффективными теплообменными устройствами при температуре теплоносителя 300-500°С в течение 8-20 мин до формовочной влажности 28-32%, при этом удаляют избыточную влагу и обезвреживают буровые шламы от патогенных микроорганизмов, микроспор, что позволяет получить безвредную формовочную смесь.

При температуре 200°С формовочная влажность W_ф=30% достигается через 23 минуты, а полное высыхание (нулевая влажность) - через 80 мин. С повышением температуры сушки до 300-400°С время термообработки до влажности 30% уменьшается и составляет соответственно 17 и 9 мин. Установлено, что при температуре 300-500°С происходит интенсивная подсушка шлама.

Формование полуфабриката осуществляют на дырчатых вальцах или шнековом прессе, что позволяет получить качественный полуфабрикат с хорошим уплотнением сырцовых гранул, однородного грансостава.

После формования полуфабриката - гранул, осуществляют их сушку до остаточной влажности 10-15%, в результате чего прочность гранул возрастает до R_сд=10,7…11,5 кг/см² (прочность при сдавливании). Отсутствует разрушение при сбрасывании гранул с высоты 1-1,5 м. Такая высокая прочность обеспечивает неразрушаемость гранул полуфабриката при перемещении по технологической линии.

В процессе следующей термообработки, на стадии обжига, завершается процесс обезвреживания буровых шламов, поскольку все их составляющие (в том числе, возможные примеси тяжелых металлов) в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания связываются в прочную керамическую структуру с высокой степенью устойчивости. Об этом свидетельствует проведенные испытания долговечности материалов после обжига.

Подсушенные гранулы подвергают термической обработке в режиме скоростного обжига в течение 30-50 мин. Вторичную термообработку осуществляют во вращающейся печи. Рациональный интервал обжига 1000-1200°С. Температуру обжига выбирают в зависимости от свойств строительного материала, который планируют получить. При Тобж=1050°С из данного сырья получают гравий с наибольшей прочностью 50 кг/см², а при обжиге на грани слипания Т 1100°С - поризованный гравий с минимальной плотностью 0,83 г/см³.

Высокая дисперсность частиц в составе буровых шламов (34,7% - частицы размером менее 0,005 мм, в том числе 18,3% - менее 0,001 мм) оказывает большое влияние на скорость, температуру и полноту протекания физико-химических процессов при обжиге. Известно, чем меньше частицы сырья, тем быстрее и полнее протекают физико-химические процессы твердофазового, а затем смешанного спекания в присутствии жидкой фазы, образующейся при пиропластическом размягчении массы. И именно от этого зависит прочность, которую материал приобретает после обжига, и качество обеззараживания.

Детальное изучение высокотемпературного этапа обжига показало, что активный процесс спекания и обеззараживания протекает в температурном интервале 950-1100°С, о чем свидетельствует возрастающая прочность обжигового материала. Подъем температуры выше 1000°С приводит к пиропластическому размягчению массы и появлению жидкой фазы. При этом наблюдается поризация сердцевины гранул и увеличения объема гранул в результате их вспучивания.

Варьирование технологическими параметрами позволяет получать обезвреженные строительные материалы с разными свойствами в зависимости от желаемой сферы применения; плотный гравий с плотностью γ 1,4 г/см с высокой прочностью R 50 кг/см²; поризованный гравий, который почти вдвое легче - γ 0,8 г/см³.

Проведенные опытные работы показали возможность полного обезвреживания шламовых отходов и получения из них строительного материала в виде гравия с плотностью 830-1400 кг/м³.

Пример осуществления способа

Промышленные испытания проводили с использованием бурового шлама, образовавшегося при бурении эксплуатационных скважин, с влажностью 75-65% следующего химического состава (таблица 1).

Буровой шлам подавали из шламового амбара в сушильный барабан с эффективными теплообменными устройствами, температура теплоносителя составляла 450°С. Термообработку осуществляли в течение 14 минут, в результате была достигнута влажность 30%.

Термообработанную массу направляли в формующий агрегат, с помощью которого были получены гранулы полуфабриката размером 12-14 мм.

Далее гранулы полуфабриката подавали в короткий барабан обкатки и подсушки. В результате прочность гранул возрастала до 11 кг/см², а влажность снижалась до 12%. Подсушка осуществлялась отходящими газами из печи обжига.

С помощью элеватора упрочненные полуфабрикат-гранулы направляли через бункер запаса во вращающуюся печь, где проводили высокотемпературную термообработку в режиме скоростного обжига в течение 40 минут с подъемом температуры до 1050°С.

В результате был получен гравий с плотностью 900-1200 г/см³; фракции 5-10 и 10-20 мм (преимущественно), а также песок - фракция менее 5 мм; прочностью 45-50 кг/см³, пригодный для строительных работ разных видов.

Было проведено биотестирование продукта переработки бурового шлама и установлен V класс опасности.

Получен сертификат соответствия на гравий и песок из отходов бурения.

Полученный материал соответствует требованиям ТУ 5711-001-71589812-2009.

К настоящему времени проведены опытные испытания шлама в заводских условиях, выполнены проектные работы, изготавливается оборудование и ведется строительство цеха по переработке и обезвреживанию буровых шламов с помощью разработанной технологии.

Строительные материалы, получаемые данным способом, характеризуются стабильной долговечной структурой. Долговечность материалов была подтверждена испытаниями по ряду методик, которые применяются для строительных материалов. Были проведены испытания водопоглощения, определения потерь после кипячения, определения коэффициента размягчения, определения морозостойкости. Данные показатели характеризуют устойчивость структуры материала после обжига и его долговечность. Испытания выполняли в соответствии с методиками ГОСТ 9758-80 «Заполнители пористые неорганические для строительных работ. Методы испытаний».

За время испытаний получено 10500 м³ гравия и песка.

Гравий и песок из отходов бурения (буровых шламов), полученный в период испытаний, использовали для устройства оснований дорог, дренажей, укрепления обочин в соответствии с действующими строительными нормами и правилами.

Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору выдала положительное заключение на технологический регламент на линию с мобильной установкой по переработке бурового раствора с выбуренной породой, образовавшегося при бурении эксплуатационных скважин (отходы бурения).

Возможные сферы применения строительного гравия и щебня, получаемых из шламовых отходов буровых установок по разработанной технологии двойной термообработки: дорожное строительство, легкие конструкционные бетоны для промышленного и жилищного строительства.

Получение таких строительных материалов имеет большое значение для удаленных нефтегазовых регионов с учетом имеющегося в них дефицита строительных материалов и дороговизны их дальней транспортировки.

Технический эффект от способа обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала заключается в возможности варьирования технологическими параметрами, что позволяет получать обезвреженные строительные материалы с разными свойствами в зависимости от желаемой сферы применения: плотный гравий с плотностью γ 1,4 г/см³ с высокой прочностью R 50 кг/см²; поризованный гравий, который почти вдвое легче, γ 0,8 г/см³, за счет того, что способ включает термообработку бурового шлама - подсушивание, формование из него полуфабриката и его термообработку - скоростной обжиг, при этом указанное подсушивание осуществляют при температуре 300-500°С в течение 8-20 минут до формовочной влажности 28-32%, после формования полуфабриката - гранул, осуществляют их сушку до влажности 10-15%, а указанный обжиг осуществляют при температуре 950-1200°С в течение 30-50 минут, позволяет решить экологические задачи по обезвреживанию и их полезной утилизации.

Литература

1. Быков Н.Ю., Гуменюк А.С., Литвиненко В.И. Охрана окружающей среды при строительстве скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1985. - 37 с. - (Обзор, информ. Сер. Коррозия и защита окружающей среды в нефтегазовой промышленности).

2. Шевелева Т.Н., Рамзова С.А. Отходы производства // Информационный бюллетень «О состоянии окружающей природной среды Ханты-Мансийского автономного округа». НПЦ «Мониторинг». Ханты-Мансийск, 2003. - С.85

Химико-минералогический состав испытуемого бурового шлама Буровой шлам, влажность 75-65% Содержание оксидов, мас.% SiO₂ Аl₂O₃ Fe₂O₃ TiO₂ CaO MgO SO₃ Na₂O K₂O П.П.П. Орг. в-ва 62,63 11,5 5,65 0,55 5,14 1,15 1,90 1,03 1,99 7,08 2,51

Заявленное изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству гравия, щебня, керамзита, и может быть использовано непосредственно на буровых площадках. Способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала включает термообработку бурового шлама - подсушивание при температуре 300-500°С в течение 8-20 минут до формовочной влажности 28-32%, формование из него полуфабриката - гранул, их сушку до влажности 10-15% и термообработку - скоростной обжиг при температуре 950-1200°С в течение 30-50 минут. Технический результат - обезвреживание и утилизация бурового шлама, возможность получения строительных материалов с разными свойствами - плотных с высокой прочностью или поризованных. 1 табл.

Способ обезвреживания бурового шлама с получением из него строительного материала, включающий термообработку бурового шлама - подсушивание, формование из него полуфабриката и его термообработку - скоростной обжиг, отличающийся тем, что указанное подсушивание осуществляют при температуре 300-500°С в течение 8-20 мин до формовочной влажности 28-32%, после формования полуфабриката -гранул осуществляют их сушку до влажности 10-15%, а указанный обжиг осуществляют при температуре 950-1200°С в течение 30-50 мин.