СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БУРОВОГО ШЛАМА Российский патент 2014 года по МПК E21B21/06 C04B18/04 B09B3/00 

Изобретение относится к области переработки отходов бурения, в частности к утилизации буровых шламов с получением из них строительных материалов и техногенных почвогрунтов.

Промышленные отходы от строительства скважин, которые обычно накапливаются и хранятся непосредственно на территории буровой - в шламовых амбарах, состоят из буровых сточных вод (БСВ), отработанных буровых растворов (ОБР) и буровых шламов (БШ). В составе отходов бурения могут присутствовать нефть и нефтепродукты, химические реагенты различной степени токсичности, растворимые минеральные соли и другие опасные вещества, которые представляют серьезную опасность для окружающей природной среды. Поэтому особую значимость приобретают вопросы охраны окружающей среды, а именно своевременная ликвидация шламовых амбаров с БСВ, ОБР и БШ либо утилизация отходов бурения без складирования в амбарах.

Существует большое количество схем переработки буровых отходов с получением полезных продуктов. Анализ существующих схем достаточно подробно описан в статье Ягафаровой Г.Г., Барахниной В.Б. «Утилизация экологически опасных буровых отходов». Нефтегазовое дело, 2006 (http://www.ogbus.ru/authors/Yagafarova/Yagafarova_2.pdf).

Известен способ утилизации отходов бурения скважин, согласно которому буровой шлам, отработанный технологический раствор и сточные буровые воды смешивают с минеральными добавками - суглинком и/или песком или песчано-глинистой фракцией до получения однородной массы, которую наносят на внутреннюю поверхность амбара газофакельной установки - ГФУ. В амбаре ГФУ в дальнейшем сжигают отработанный газ. В пламени ГФУ производят термический обжиг и спекание упомянутой однородной массы, нанесенной на внутреннюю поверхность амбара ГФУ, до получения готового инертного и прочного строительного материала в виде керамики, сбалансированного по составу из отходов, загрязняющих окружающую среду (RU 2425815, 10.08.2011).

Материал, полученный согласно известному способу, можно использовать при обустройстве кустовых площадок, скважин и внутрипромысловых дорог. Однако он является довольно дорогим.

Известен способ утилизации бурового шлама, включающий отверждение отработанных буровых растворов, реализуемое с помощью специальных составов или добавок. Обезвреживающий эффект достигается за счет превращения отработанных буровых растворов или бурового шлама в инертную консолидированную массу, в структуру которой связываются основные загрязнители. В качестве консолидантов применяют вещества и составы, содержащие компоненты удобрений и питательных биогенных элементов (Булатов А.И. и др. Актуальные проблемы охраны окружающей среды при бурении скважин. Нефтяное хозяйство, 1988, №6, с.5-8).

Однако разработка данной технологии связана с определенными трудностями из-за отсутствия специальной техники.

Наиболее близким по технической сущности является способ переработки бурового шлама, в котором буровой шлам очищают, отжимают на четырехступенчатой системе очистки, размещают в траншее, сооруженной в теле насыпи площадки скважин. После очистки и сушки до влажности 30% буровой шлам разрешен к применению в качестве грунта при строительстве тела насыпи площадки скважин, для устройства противофильтрационных экранов. Смесь шлама с песком в соотношении 1:4 или 1:5 предложена в качестве супеси для строительства самонесущих конструкций (RU 2439098, 10.01.2012).

Однако способ характеризуется достаточно высоким расходом воды на очистку шлама, а полученная продукция малопригодна для использования в качестве строительного материала.

Задачей настоящего изобретения является разработка простого и экономичного способа утилизации бурового шлама, обеспечивающего получение полезной продукции, пригодной для использования в качестве инертного строительного материала и техногенного почвогрунта, в том числе в условиях Крайнего Севера.

Поставленная задача решается описываемым способом, который включает смешивание бурового шлама с песком в массовом соотношении 1:(0,75-5), перемешивание компонентов и сушку с получением материала, при этом на смешивание дополнительно подают соляную кислоту в количестве 0,02-2,246 моль на 1 кг шлама, с обеспечением pH смеси от 5 до 8.

Предпочтительно предварительно в буровом шламе определяют количество глинистых примесей и при их содержании ниже 14% масс. смешивание шлама с песком производят в массовом соотношении 1:5, а при содержании глинистых примесей выше 16% масс. смешивание шлама с песком производят предпочтительно в массовом соотношении 1:4.

Способ предусматривает, что на смешивание подают буровой шлам с влажностью 60-90% масс. и кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм.

Операцию сушки проводят до получения материала, имеющего влажность не более 15-18% масс. при пределе текучести 10-15% масс. и плотность 1,70-1,83 г/см.

Полученный в объеме вышеизложенной совокупности признаков материал используют при строительстве и укреплении дорог, кустовых площадок, обваловок, оснований полигонов бытовых и промышленных отходов, иных промышленных объектов или в качестве техногенного почвогрунта.

В объеме признаков независимого пункта формулы достигается технический результат, заключающийся в разработке простого и дешевого способа утилизации шлама с получением полезной продукции.

Для выяснения возможности применения полученных смесей в качестве строительного материала либо техногенного почвогрунта были проведены лабораторные исследования образцов смесей: определение содержания глинистых частиц в буровом шламе - методом набухания, определение предела текучести - по ГОСТ 5180-84, определение содержания сухого остатка - по ГОСТ 18164-72, определение влажности - по ГОСТ 5180-84, определение максимальной плотности - по ГОСТ 5180-84, определение модуля крупности - ГОСТ 12536-79.

В результате испытаний экспериментально определены количественные соотношения смешиваемых компонентов, от которых зависят физико-механические характеристики целевого продукта.

Результаты исследований приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование Компоненты Продукция Отходы бурения, (масс. часть) Песок, (масс. часть) Соляная кислота, (моль/кг шлама) Техногрунт-S Марка-1 1 0,75-1 0.02-2.246 Техногенный почвогрунт Техногрунт-S Марка-2 1 1-4 0.02-2.246 Техногенный почвогрунт Техногрунт-S Марка-3 1 4 0.02-2.246 Строительный материал Техногрунт-S Марка-4 1 5 0.02-2.246 Строительный материал

Следует отметить, что предварительное определение глинистых примесей и уровня pH в исходном сырье позволяет обеспечить более точную рецептуру смеси, приводящую к получению качественной продукции. Проведение этих операций позволяет в дальнейшем получить четыре разновидности целевого продукта, две из которых могут использоваться в качестве инертного строительного материала, используемого при строительстве и укреплении дорог, кустовых площадок, обваловок, факельных каре, оснований полигонов бытовых и промышленных отходов, иных промышленных объектов, а две оставшиеся - для рекультивации нарушенных земель, отработанных карьеров, оврагов, карстовых и других пустот и т.п. с учетом местных условий.

Введение соляной кислоты в заявленных пределах обеспечивает PH смеси, необходимый для получения целевого продукта с наилучшими физико-механическими характеристиками.

Материалу, полученному из шлама с содержанием глинистых примесей менее 15%, имеющему влажность не более 15% масс. при пределе текучести 12-15% масс. и максимальную плотность 1,79 г/см, присвоена марка Техногрунт-S Марка-3, а материалу, полученному из шлама с содержанием глинистых примесей более 15%, имеющему влажностью не менее 12% масс. при пределе текучести 10-12% масс. и максимальную плотность 1,83 г/см, присвоена марка Техногрунт-S Марка-4.

Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения.

Пример 1

Из шламового амбара отбирают буровой шлам, представляющий собой водную суспензию (количество воды 60-90%), твердые частицы которой представлены продуктами разрушения горных пород забоя и стенок скважины, продуктами истирания бурового снаряда и обсадных труб и глинистыми минералами.

А) Определение содержания глинистых частиц в буровом шламе методом набухания. Сущность метода заключается в определении величины приращения объема глинистых частиц в течение не менее 24 часов с момента отстаивания и расчета содержания глинистых частиц по средней величине приращения объема.

Из средней пробы шлама массой 1 кг, высушенной до постоянной массы при температуре (105±5)°С, отбирают навеску массой 200 г. Шлам просеивают через сито с сеткой №063. Определяют содержание зерен размером менее 0,63 мм Г₀₆₃. Шлам, прошедший через сито, равными порциями засыпают через воронку в два стеклянных мерных цилиндра при постукивании по цилиндрам до тех пор, пока объем шлама в уплотненном состоянии не достигнет отметки 10 мл. Затем шлам в каждом цилиндре разрыхляют, вливают по 30-50 мл дистиллированной воды, тщательно перемешивают стеклянной палочкой с резиновым наконечником до полного исчезновения мазков глины на стенках цилиндра. После этого в каждый цилиндр в качестве коагулянта вливают по 5 мл 5%-ного раствора хлористого кальция, тщательно перемешивают и доливают по стеклянной палочке (чтобы смыть с нее глину) дистиллированную воду до отметки 50 или 100 мл. После отстаивания в течение не менее 24 ч, но не более 30 ч, измеряют объем, занимаемый песком.

Приращение объема K при набухании глинистых частиц на каждый 1 мл первоначального объема вычисляют с точностью до второго десятичного знака по формуле:

$$K=\frac{V-V_0}{V_0},(1)$$

где

V₀ - исходный объем шлама, мл;

V - объем шлама после набухания, мл.

Приращение объема при набухании определяют как среднеарифметическое значение двух результатов.

По значению K (табл.2) определяют содержание глинистых частиц в шламе.

Содержание глинистых частиц в шламе вычисляют по формуле:

где

A_0,63 - содержание глинистых частиц в зернах шлама размером менее 0,63 мм, % по массе;

- содержание в шламе зерен размером менее 0,63 мм, % по массе.

Таблица 2 Приращение объема K Содержание глинистых частиц в зернах крупностью менее 0,63 мм, % 1,50 17,0 1,45 16,43 1,40 15,87 1,35 15,35 1,30 14,74 1,25 14,17 1,20 13,85 1,15 13,03 1,10 12,46 1,05 11,90 1,00 11,33 0,95 10,76 0,90 10,20 0,85 9,63 0,80 9,06

Результаты анализа показали, что исследованная партия шлама имеет содержание глинистых частиц 10% масс.

Б) 250 кг шлама из данной партии смешивают с 750 кг кварцевого песка с размером частиц 3-5 мм исходной влажностью 18-20%. В полученную смесь вводят соляную кислоту из расчета 2,0 моль на 1 кг шлама, обеспечивая pH смеси, равный 5. После перемешивания полученную смесь сушат в естественных условиях до достижения заданного показателя влажности.

Полученный продукт имеет следующие показатели: влажность 13% масс., плотность 1,78, содержание глины 2,9% масс.

Пример 2

Способ осуществляют таким же образом, как в примере 1. Однако анализ данной пробы шлама показал содержание глинистых частиц, равное 17 масс.%. Смешивают 200 кг бурового шлама с 800 кг кварцевого песка с влажностью 12-15% и на смешение подают соляную кислоту из расчета 0,02 моль на 1 кг шлама. Обеспечивают pH перемешенной смеси, равный 8. Полученный продукт имеет следующие показатели: влажность 10% масс., плотность 1,83 г/см, содержание глины 4,5% масс.

Пример 3

Способ осуществляют, как описано выше. Анализ данной пробы шлама показал содержание глинистых частиц, равное 15 масс.%. Исходные компоненты смешивают из расчета 200 кг шлама, 1000 кг песка с влажностью 20-22% и 73 кг HCl (1,0 моль соляной кислоты на 1 кг шлама). Полученную смесь с рН 7,0 перемешивают и подвергают сушке. Материал имеет следующие показатели: влажность 15% масс., плотность 1,8 г/см, содержание глины 5,7%.

Пример 4.

Способ осуществляют, как в примере 1, но без предварительного определения глинистых примесей в шламе, при этом смешивают 100 кг шлама с 75 кг песка, после чего вводят соляную кислоту до pН 6. Полученный материал используют в качестве техногенного почвогрунта.

Аналогично были проведены испытания заявленного способа для переработки шламов с различных буровых установок. Результаты испытаний показали, что заявленным способом может быть осуществлена переработка буровых шламов разного состава.

Полученные продукты рекомендованы к использованию в качестве инертного строительного материала или техногенного почвогрунта.

Изобретение относится к области утилизации отходов, а именно к переработке буровых шламов. Буровой шлам смешивают с песком в массовом соотношении 1:(0,75-5), вводят соляную кислоту в количестве 0,02-2,246 моль на 1 кг шлама, обеспечивая pH смеси от 5 до 8, осуществляют перемешивание компонентов и сушку. В результате из отходов получают инертный строительный материал либо техногенный почвогрунт. Для подбора более точной рецептуры буровой шлам предварительно подвергают анализу на содержание в нем глинистых частиц и уровня pH. Изобретение обеспечивает утилизацию шлама простым и надежным способом. 5 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ переработки бурового шлама, включающий смешивание бурового шлама с песком, перемешивание компонентов и сушку с получением материала, отличающийся тем, что на смешивание дополнительно подают соляную кислоту в количестве 0,02-2,246 моль на 1 кг шлама, с обеспечением pH смеси от 5 до 8, при этом смешивание шлама с песком осуществляют в массовом соотношении 1:(0,75-5).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно в буровом шламе определяют количество глинистых примесей и при их содержании ниже 14% масс. смешивание шлама с песком производят в массовом соотношении 1:5.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно в буровом шламе определяют количество глинистых примесей и при содержании глинистых примесей выше 16% масс. смешивание шлама с песком производят предпочтительно в массовом соотношении 1:4.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на смешивание подают шлам с влажностью 60-90% масс.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что на смешивание подают кварцевый песок с размером частиц не более 5 мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку осуществляют до получения материала, имеющего влажность не более 15% масс. при пределе текучести 10-15% масс. и плотность 1,70-1,83 г/см.