СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ БУРЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК E21B21/06 

Изобретение относится к охране окружающей природной среды при строительстве нефтяных скважин на суше, в частности к способам обезвреживания отходов бурения.

Известен способ обезвреживания отработанного бурового раствора и шлама методом отверждения, включающий складирование в земляном шламовом амбаре отработанного бурового раствора, смешение с портландцементом и последующее захоронение (см. Шишов В.А., Шеметов В.Ю. Об отверждении буровых растворов и шлама портландцементом. - Труды ВНИИКРнефть. - Техника и технологии промывки и крепления скважин. Краснодар. - 1982. - С.28-35).

К недостаткам известного способа относится использование в качестве консолидирующего материала портландцемента - дорогостоящего строительного материала.

Метод реагентного капсулирования является близким способом того же назначения по способу получения реагента. Метод реагентного капсулирования основан на способности оксида кальция образовывать в результате химических реакций капсулы с загрязненными материалами, изолирующие токсичные компоненты от окружающей среды (см. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук Логуновой Ю.В. «Совершенствование технологии и оборудования для обезвреживания нефтезагрязненных материалов методом реагентного капсулирования», 2009 г.). Данный способ включает приготовление гидрофобного реагента и смешение его с загрязненным материалом.

Гидрофобный реагент поглощает на первом этапе гидрофобную органическую фазу и после этого реагирует с присутствующей водой, образуя порошкообразный материал. В процессе капсулирования образуется твердый диспергированный материал, обладающий ярко выраженными гидрофобными свойствами. Полученный материал пригоден для использования в строительстве резервуаров, в качестве их подушек.

В описании прототипа говорится об использовании в качестве гидрофобизатора реагента капсулирования битума нефтяного строительного марки БН 70/30. Недостатками способа являются низкая эффективность, высокие энергозатраты (нагревание битума свыше 200°С) и дороговизна из-за использования битума. Кроме того, в известном способе в последующем возможно разрушение оболочек из-за негативного воздействия факторов окружающей среды. Кроме того, данный метод не предусматривает утилизацию многотоннажного отхода бурения-нефтешлама.

Техническая задача заключается в повышении эффективности утилизации отходов бурения с одновременной экономией трудовых и материальных затрат, утилизации местных многотоннажных промышленных порошкообразных отходов других отраслей промышленности (в частности цементное производство), обладающих вредными пылеобразующими свойствами, перевода отходов производства из категории загрязнителей объектов природной среды в материал для ее защиты, с одновременной утилизацией нефтешлама при бурении нефтяных скважин.

Поставленная задача решается тем, что в способе утилизации отходов бурения методом реагентного капсулирования, включающем смешение консолидирующего материла, состоящего из реагента капсулирования на основе оксида кальция и гидрофобизатора, с отходами бурения, согласно изобретению дополнительно используют отход цементной промышленности в виде цементной пыли при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Реагент капсулирования 20-30 Цементная пыль 15-30 Отход бурения Остальное

В состав реагента капсулирования входит оксид кальция СаО и нефтешлам при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид кальция 70-80 Нефтешлам 20-30

Кроме того, для дополнительной защиты капсул от негативного воздействия факторов окружающей среды в консолидированный материал при постоянном перемешивании добавляют полимерную добавку в количестве 1-2 мас.%. В качестве полимерной добавки используют полимер водный всесезонный (ПВВ) по ТУ 2216-002-75821482-2006.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В цилиндрическом реакторе с мешалкой при нормальных условиях смешиваются негашеная известь СаО и нефтешлам до образования однородного гидрофобного порошка-реагента капсулирования. Полученный реагент капсулирования извлекается из реактора и загружается в амбар-накопитель, где смешивается с отходами бурения. При достижении однородной массы в полученную смесь реагента капсулирования и бурового отхода добавляется цементная пыль и полимерная добавка. После перемешивания всей массы образуется консолидированный материал, который извлекается из амбара и отгружается потребителю.

Для установления оптимального соотношения СаО и нефтешлама в реагенте капсулирования был поставлен следующий опыт. Негашеную известь СаО смешивали с нефтешламом (содержание нефти и нефтепродуктов не менее 15%) в количестве 50-60, 70-80, 80-90 мас.% до получения гидрофобизированного порошка. Как видно из таблицы 1, наиболее оптимальным для реагента капсулирования является следующее содержание СаО 70-80%. При этом образуется порошок светло-коричневого цвета. Данный образец позволяет провести реагентное капсулирование.

С целью проведения консолидации бурового отхода с помощью реагента капсулирования был проведен следующий опыт. Буровой отход смешивали с реагентом капсулирования при комнатной температуре в следующих количествах 40-60, 60-70, 70-80 мас.%.

Оценку эффективности предложенного консолидирующего состава проводили в лабораторных условиях на сертифицированном приборе Игла Вика (ИВ по ТУ 25-08255075 1978 г.) на кафедре бурения УГНТУ.

Сущность метода заключается в определении степени погружения иглы в консолидированный материал. Приготовленный образец помещают в кольцо, расположенное на полированной стальной пластинке-донышке и опускают иглу. Степень отверждения оценивается высотой слоя материала, непробиваемого иглой. Для жидких, аморфных и сыпучих материалов данная высота h=0 мм, то есть твердость материала отсутствует. При наборе твердости материала игла поднимается выше. Твердость материала измеряется в пределах от 0 до 40 мм. Максимальная твердость достигается при h=40 мм. Если игла останавливалась на расстояние выше 1 мм, то это говорит об эффективной консолидации бурового отхода, если менее 1 мм, то о низкой степени консолидации. Как видно из таблицы 2, оптимальным рецептом для получения отвержденного сыпучего материала является смешение реагента капсулирования с буровым отходом в количестве 40-60%, при этом образуется консолидированный порошкообразный реагент, но данный образец не обладает достаточной твердостью. Испытания на приборе Вика также показали h=0,5 мм.

Для увеличения эффективности отвердевания бурового отхода было предложено использовать цементную пыль. Для определения оптимального рецепта консолидированного материала был поставлен следующий опыт.

Реагент капсулирования смешивали с цементной пылью и отходами бурения. Цементную пыль добавляли в следующих количествах 0-15, 15-30, 30-40 мас.%. О степени консолидации судили по известной методике «Испытание иглой Вика». Как видно из таблицы 3, оптимальный консолидированный материал получается при содержании реагента капсулирования 20-30 мас.% и цементной пыли 15-30 мас.%. Испытание иглой Вика в данном случае показывает h=1,5 мм.

С целью определения рецепта консолидированного материала с дополнительной защитой от негативного воздействия факторов окружающей среды был поставлен следующий опыт. За основу консолидированного материала был принят образец на основе реагента капсулирования и цементной пыли, рассмотренный выше, со следующим содержанием компонентов мас.%:

Отход цементной промышленности в виде   Цементной пыли 15-30 Реагент капсулирования 20-30 Отходы бурения Остальное

Полученный консолидированный отход обрабатывали полимерным материалом ПВВ (по ТУ 2216-002-75821482-2006) в количествах 0-1, 1-2, 2-5 мас.%.

Как видно из таблицы 4, оптимальным является содержание ПВВ 1-2 мас.%. В данном случае образуется дополнительная равномерная пленка на всей поверхности капсул. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.

Для изучения влияния негативных факторов окружающей среды, в частности кислотных дождей, на консолидированный материал был поставлен следующий опыт. В лабораторных условиях была приготовлена кислая среда на основе 0,1 н HCl. Далее в эту среду на 24 часа погрузили консолидированный материал и материал, обработанный ПВВ. Как видно из таблицы 5, консолидированный материал закисляется в среде 0,1 н HCl (рН снижается с 11 до 6,5), при этом снижается твердость материала от h=1,5 мм до h=1,0 мм.

Консолидированный материал, предварительно обработанный ПВВ, закисляется незначительно в среде 0,1 н HCl (рН снижается с 11 до 10), при этом твердость материала снижается от h=1,5 мм до h=1,4 мм. В результате проведения экспериментов (таблицы 1-5) определено наиболее эффективное соотношение выбранных компонентов, мас.%:

Отход цементной промышленности в виде   Цементной пыли 15-30 Реагент капсулирования 20-30 Полимерный материал ПВВ 1-2 Отходы бурения Остальное

Таблица 1
Состав и характеристика реагента капсулирования Компонент Состав, мас.%   Характеристика   Состав реагента капсулирования:       1. СаО 50-60 70-80 80-90 2. нефтешлам >40 20-30 <10-20 При подготовке реагента выделяется значительное количество тепла, масса густеет при перемешивании и не образует порошка. Оптимальное соотношение, образуется порошок светло-коричневого цвета. Данный образец позволяет провести реагентное капсулирование. Данное соотношение, ввиду малого содержания нефтешлама не обеспечивает гидрофобизации реагента капсулирования.

Таблица 2
Состав и характеристика консолидированного материала Консолидирующий материал: Состав, % масс. 1. Реагент капсулирования   Характеристика   <20 20-30 >30 2. Буровой отход >80 40-60 <70 Процесса капсулирования не происходит из-за недостаточного количества реагента капсулирования. Испытание иглой Вика показывает h=0. Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой. Испытание иглой Вика показывает h=0,5. Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса. Испытание иглой Вика показывает h=0.

Таблица 3
Состав и характеристика консолидированного материала при добавлении цементной пыли Консолидирующий материал: Состав, мас.% 1. Реагент капсулирования   Характеристика   <20 20-30 >30 2. Цементная пыль 0-15 15-30 30-40 Образуется гелеобразная масса, не позволяющая консолидировать отходы. Оптимальное соотношение, так как происходит равномерное распределение по всему объему. Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси. 3. Буровой отход <40 40-60 >60 Нецелесообразное использование, увеличение себестоимости утилизации. Испытание иглой Вика показывает h=1 мм. Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм. Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса. Испытание иглой Вика показывает h=1 мм.

Таблица 4
Состав и характеристика консолидированного материала (при добавлении ПВВ) Консолидирующий материал: Состав, мас.% 1. Реагент капсулирования   Характеристика   <20 20-30 >30 Недостаточное количество реагента для отверждения. Оптимальное соотношение, происходит отверждение массы бурового отхода, образуются капсулы. Не происходит полного гашения извести, капсулирование проходит неравномерно по всему объему. 2. Цементная пыль <15 15-30 >30 Образуется гелеобразная масса, не позволяющая консолидировать отходы. Оптимальное соотношение, так как происходит равномерное распределение по всему объему. Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси. 3. Буровой отход <40 40-60 >60   Нецелесообразное использование, увеличение себестоимости утилизации. Оптимальное соотношение. Образуется консолидированный реагент с прочной оболочкой. Процесса капсулирования не происходит, образуется густая неоднородная масса. 4. Полимер водный всесезонный 0-1 1-2 2-5 Недостаточное количество для образования полимерной пленки. Оптимальное соотношение, образуется дополнительная равномерная пленка на поверхности капсул. Затрудняет перемешивание ингредиентов и сопровождается образованием неоднородной смеси, существенно увеличивает себестоимость утилизации единицы бурового отхода. Испытание иглой Вика показывает h=1 мм. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм. Испытание иглой Вика показывает h=1,5 мм.

Таблица 5
Характеристика консолидированного материала, обработанного HCl и ПВВ Реагент Значение рН Испытание иглой Вика, мм Начальное Конечное Начальное Конечное Консолидированный материал 11 11 1,5 1,5 Соляная кислота 0,1 н HCl 0,5 0,5 - - Консолидированный материал +0,1 н HCl 11 6,5 1,5 1,0 Консолидированный материал, обработанный ПВВ+0,1 н HCl 11 10 1,5 1,4

Изобретение относится к охране окружающей природной среды при строительстве нефтяных скважин на суше, в частности к способам обезвреживания отходов бурения. В способе утилизации отходов бурения методом реагентного капсулирования консолидирующего материала с отходами бурения согласно изобретению в качестве консолидирующего материала используют смесь реагента капсулирования, многотоннажного отхода цементной промышленности в виде цементной пыли при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Реагент капсулирования 20-30 Цементная пыль 15-30 Отход бурения Остальное

Обеспечивает повышение эффективности утилизации отходов бурения с одновременной экономией трудовых и материальных затрат, утилизации местных многотоннажных промышленных порошкообразных отходов других отраслей промышленности (в частности цементное производство), с одновременной утилизацией нефтешлама при бурении нефтяных скважин. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ утилизации отходов бурения методом реагентного капсулирования, включающий смешение консолидирующего материала, состоящего из реагента капсулирования на основе оксида кальция и гидрофобизатора с отходами бурения, отличающийся тем, что дополнительно используют отход цементной промышленности в виде цементной пыли при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Реагент капсулирования 20-30 Цементная пыль 15-30 Отход бурения остальное

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в составе реагента капсулирования в качестве гидрофобизатора используют нефтешлам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Оксид кальция 70-80 Нефтешлам 20-30

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для дополнительной защиты капсул от негативного воздействия факторов окружающей среды в консолидированный материал при постоянном перемешивании добавляют полимерную добавку в количестве 1-2 мас.%.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве полимерной добавки используют полимер водный всесезонный (ПВВ).