СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ БУРОВОГО ШЛАМА Российский патент 2021 года по МПК B09C1/00 B09B3/00 

Изобретение относится к охране окружающей природной среды при строительстве нефтегазовых скважин на суше, в частности к способам утилизации бурового шлама с получением экологически безопасного грунта.

Сущность предлагаемой новой технологии заключается в перемешивании бурового шлама с компонентами, улучшающими его химические, физические и механические свойства, в результате чего образуется экологически безопасный продукт – техногенный грунт (грунтоподобный материал), процесс производства (образования) и применение которого не приводит к негативному воздействию на компоненты природной среды.

Известен «Способ утилизации бурового шлама с получением экологически чистого грунта» RU 2661831 [1], включающий смешивание бурового шлама и песка, в буровой шлам вводят гипсовый камень (фракцией 0-60 мм) в количестве 5%, диатомит - 5%, глауконит - 5%, песок - 15%, с дальнейшим механическим перемешиванием компонентов. В качестве примера перемешивание производится при помощи экскаватора.

Недостатком известного способа является низкая равномерность размешивания, приводящая к нестабильности результата нейтрализации бурового шлама, низкой эффективности способа.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Способ ликвидации земляного амбара-накопителя отходов бурения» RU 22162918 [2], включающий загрузку бурового шлама на технологическую площадку, внесение реагентов, песка, перемешивание реагентов, песка и бурового шлама. Описано изготовление модельных смесей и их контроль.

Недостатком известного способа является применение специального устройства лопастного смесителя и необходимость в синхронном движении двух тракторов, приводящая к повышению трудозатрат и нестабильности результата смешивания бурового шлама в объеме. Недостатком также является низкая эффективность нейтрализации всего объема отходов, приводящая к невозможности дальнейшего использования грунта, например, в дорожном строительстве и рекультивации земель.

Технический результат состоит в повышении экологической безопасности строительства нефтегазовых скважин на суше вследствие эффективной нейтрализации всего объема утилизируемых отходов бурения. Это позволит улучшить экологическую обстановку в районах размещения различных промышленных предприятий.

Технический результат достигается тем, что способ утилизации бурового шлама, включающий загрузку бурового шлама на технологическую площадку, внесение реагентов, песка, перемешивание реагентов, песка и бурового шлама, характеризуется тем, что последовательно проводят следующие операции: размещают буровой шлам в производственных картах при помощи экскаватора и самосвала в объеме, при утилизации которого суммарный объем шлама и вносимых компонентов не превышает 95 % объема карты, производят равномерное распределение ковшом экскаватора по поверхности бурового шлама реагентов (извести, гипса, гидрофобизаторов) и половины расчетного объема песка, предварительное перемешивание и выравнивание смеси при помощи экскаватора (например, из расчета 0,5-1 мин на 3 м³ исходных компонентов), равномерно распределяют по поверхности вяжущих (цемента) и второй половины расчетного объема песка ковшом экскаватора, гомогенизация смеси при помощи экскаватора до однородного состояния круговыми, возвратно-поступательными движениями, подъемом и сбросом материалов со смещением стрелы на расстояние, обеспечивающее возможность захвата не перемешанного объема материала (например, из расчета 3-4 мин на 3 м³ исходных компонентов), перемещение смеси и формирование в штабель временного хранения при помощи экскаватора и бульдозера и выдерживание техногенного грунта, например в течение 12 ч.

Временные интервалы указаны для нормальных условий (температура реагентов и бурового шлама около 20С) и может как увеличиваться при снижении температуры, так и снижаться при увеличении температуры.

Осуществление изобретения:

При производстве техногенного грунта непосредственно в выемке шламового амбара или накопителя их поверхность разбивается на секции разрезающими грунтовыми отсыпками (полосами) для перемещения техники. Полосы устраиваются на максимальном расстоянии от края накопителя, но с учетом обеспечения возможности производства работ - перемешивания по всей площади и объему накопителя, что определяется параметрами экскаватора - длиной вылета стрелы и глубиной копания. Полосы обустраиваются поочередно.

Работы по утилизации буровых шламов производятся при температурах окружающего воздуха от 0 до +40°С в период с июня по октябрь. Перевозка и использование ТГ производится при температурах от -60 до +40°С. Работы по смешению компонентов со смерзшимся буровым шламом не проводятся. В случае проведения работ на технологической площадке на карту смешения компонентов направляется верхний, оттаявший слой бурового шлама с поверхности шламового амбара. При проведении работ непосредственно в накопителе наличие смерзшегося бурового шлама контролируется путем выемки шлама из 6-10 точек площади предполагаемой к отсечению секции шламонакопителя (контролируемые точки располагают в центре и по краям). При этом предварительно проводится геодезическая съемка для установления отметки поверхности шлама и изучение проектной документации на объект для установления отметки низа. На стреле экскаватора наносится измеренная толщина слоя бурового шлама (средняя толщина слоя бурового шлама в накопителях составляет порядка 1,5 м) и производится выемка до дна накопителя с контролем наличия смерзшегося шлама. При наличии смерзшегося шлама ускорение его оттаивания может производиться разработкой и его перемещением в основную часть накопителя. После оттаивания шлама и отсечения секции она используется для переработки не смерзшегося шлама с основной части накопителя.

Компонентами, улучшающими химические, физические, механические и токсикологические свойства бурового шлама, являются песок по ГОСТ 8736-93, цемент по ГОСТ 10178-85, известь по ГОСТ 9179-77, гипс по ГОСТ 125-79.

Снижение токсичности бурового шлама происходит за счет:

- гидратации вяжущими минеральной природы: цементом, известью, гипсом;

- укрупнению тонкодисперсных частиц с одновременной сорбцией подвижных соединений в их структуре;

- повышением гранулометрического состава и уплотнением.

Производство техногенного грунта на основе бурового шлама заключается в их смешении с вяжущими, гидратирующими и структурообразующими добавками (цемент, известь, гипс, песок). Общим механизмом снижения токсичности при внесении известковых материалов в отход является образование с катионами тяжелых металлов труднорастворимых солей:

ТМⁿ⁺ nOH→ТМ(OH)_n↓,

ТМⁿ⁺ СаСО₃ → ТМСО₃↓ +Са²⁺, а поступающий в результате добавления извести кальций улучшает физические свойства грунтов, способствуя коагуляции коллоидов и укрепляя структуру. Также кальций и другие катионы, содержащиеся в известковых материалах, являются антагонистами катионов тяжелых металлов при поступлении в растения. Кроме химического связывания и физического улучшения структуры вяжущие материалы (цемент, известь, гипс) при гидратации механически связывают загрязнители в нерастворимой кристаллической решетке, что делает получаемый грунт безопасным для окружающей природной среды.

Технологическая последовательность работ и операций при производстве техногенного грунта

Общие технологические операции производства техногенного грунта на основе буровых шламов:

1. Обследование объекта с определением объема и свойств БШ: КХА, влажности. Анализ проектной документации на сооружение объекта и бурение скважин, сопоставление проектных и фактических объемов буровых шламов. Определение фактических объемов выполняется промерами уровня бурового шлама в накопителе и замером отметок по краям относительно дамбы обвалования. Отбор и анализ бурового шлама производится для установления его соответствия ТУ 08.12.13 -001 - 01644509 - 2017. При отборе шламов площадку опробования делят на 4 равные части и отбирают пробы из центра каждого квадрата послойно с глубины 0 - 5 см, 5 - 20 см и до конечной глубины (но не более 1 м), массой не менее 200 г каждая. Точечная проба должна представлять собой часть шлама, типичного для обследуемых сооружений. Точечные пробы шламов отбирают в зависимости от условий:

- совком из прикопок (для проб малой влажности);

- щупом с продольной щелью и поворотным устройством (для проб высокой влажности);

- винтообразным щупом (для пастообразных проб).

Точечные пробы шламов малой влажности тщательно перемешивают и квартуют 3-4 раза (разравнивают на бумаге в виде квадрата, делят на четыре части, две противоположные части отбрасывают, две оставшиеся части перемешивают). Оставшуюся после квартования пробу делят на 6 - 9 квадратов, из центра каждого отбирают примерно одинаковые количества пробы, обеспечивая захват всей толщины слоя. Масса объединенной пробы должна быть не менее 1 кг.

Точечные пробы шламов высокой влажности сливают в отдельную емкость и тщательно перемешивают. Для анализа отбирают объединенную пробу объемом не менее 2 дм³.

Пробы хранят в холодильнике в стеклянной банке с притертой или плотно завинченной крышкой. Пробы в воздушно-сухом состоянии хранят в закрытой таре из химически нейтрального материала. Пробы шламов не консервируют. Количество и способ взятия проб определяются применяемой методикой отбора и могут быть скорректированы.

2. Подбор состава техногенного грунта в соответствии с п. 4.1.6 Регламента.

Обязательным условием является лабораторное подтверждение достижения характеристик готового продукта требованиям ТУ 08.12.13-001 - 01644509 - 2017.

3. Производство техногенного грунта производится в картах, шламовых амбарах или накопителях.

Операции при производстве техногенных грунтов на технологической площадке:

1. Размещение бурового шлама в производственных картах при помощи экскаватора и самосвала в объеме, при утилизации которого суммарный объем шлама и вносимых компонентов не будет превышать 90-95% объема карты.

2. Равномерное распределение ковшом экскаватора по поверхности бурового шлама реагентов (извести, гипса, гидрофобизаторов) и половины расчетного объема песка. Объем рассчитывается исходя из исходного объема бурового шлама, размещенного в карте аналогично и. 4.1.13.

3. Предварительное перемешивание и выравнивание смеси при помощи экскаватора из расчета 0,5-1 мин на 3 м³ исходных компонентов.

4. Равномерное распределение по поверхности секции вяжущих (цемента) и второй половины расчетного объема песка ковшом экскаватора.

5. Гомогенизация смеси при помощи экскаватора до однородного состояния круговыми, возвратно-поступательными движениями, подъемом и сбросом материалов со смещением стрелы на расстояние, обеспечивающее возможность захвата не перемешанного объема материала из расчета 3-4 мин на 3 м³ исходных компонентов.

6. Перемещение смеси и формирование в штабель временного хранения при помощи экскаватора и бульдозера и выдерживание техногенного грунта в течение 12 часов.

7. Отбор проб техногенного грунта для исследований на соответствие требованиям ТУ 08.12.13 - 001 - 01644509 - 2017 (п.5 ТУ).

Отбор проб проводят по ГОСТ 8736-2014. Число точечных проб, отбираемых для контрольной проверки качества песков в каждой проверяемой партии в зависимости от объема партии, должно быть не менее:

при объеме партии

350 м³ - 10 шт.;

св. 350 м³ до 700 м -15 шт.;

св. 700 м³ - 20 шт.

Из точечных проб получают объединенную пробу, характеризующую контролируемую партию. Объединенную пробу перемешивают и перед отправкой в лабораторию сокращают методом квартования или при помощи желобчатого делителя для получения лабораторной пробы.

Для квартования пробы (после ее перемешивания) конус материала разравнивают и делят взаимно перпендикулярными линиями, проходящими через центр, на четыре части. Две любые противоположные четверти берут в пробу. Последовательным квартованием сокращают пробу в два, четыре раза и т.д. до получения пробы массой не менее 5 кг. Дополнительные требования по отбору, хранению и транспортировке устанавливаются лабораториями, проводящими исследования с учетом методик по ТУ 08.12.13 - 001 - 01644509 - 2017 (л. 7) либо методик - аналогов.

В случае несоответствия партии техногенного грунта ТУ 08.12.13-001-01644509-2017 производятся лабораторные исследования пробы техногенного грунта с дополнительным внесением песка и реагентов в пределах установленной рецептуры на 1 м3 исходного бурового шлама. После внесения песка, реагентов и гомогенизации смеси производится контроль на соответствие ТУ 08.12.13-001-01644509-2017. При достижении соответствия производится последующее внесение рассчитанного количества реагентов в партию, и повторная гомогенизация и производится контроль на соответствие ТУ 08.12.13-001-01644509-2017. При не достижении соответствия партия подлежит выбраковке и временному накоплению в освободившемся пространстве шламового амбара (накопителя) или временной технологической площадке до выяснения и устранения причин несоответствия. При необходимости проводится корректировка технологических решений с последующим прохождением государственной экологической экспертизы.

При наличии неиспользуемого (неизвлекаемого) бурового шлама в выемке накопителя, шламового амбара или карте технологической площадки необходимо произвести зачистку поверхности при помощи бульдозера с последующей утилизацией бурового шлама.

Равномерность распределения компонентов смеси по поверхности бурового шлама производится путем равномерного распределения точек высыпания компонентов из ковша по площади поверхности производственной карты или секции накопителя. После формирования буртов в равномерно распределенных точках производится их разравнивание ковшом экскаватора с формированием равномерного слоя по поверхности.

Использование техногенных грунтов:

В общем виде, получаемый при утилизации буровых шламов продукт, согласно ГОСТ 25100 «Грунты. Классификация» классифицируется, как дисперсный техногенный антропогенно образованный грунт.

Ограничением использования техногенного грунта для целей производства бетонов для строительства сооружений может являться содержание пылевидных и глинистых частиц (не более 10% ГОСТ 8736-2014). При этом в случае использования техногенного грунта для обработки неорганическими вяжущими материалами применяют все виды пылевидных и глинистых грунтов по ГОСТ 25100 (ГОСТ 23558-94).

Одним из основных путей применения ТГ на основе БШ, наряду с отсыпкой дорог и площадных объектов, является его использование для рекультивации нарушенных земель на техническом этапе работ.

При рекультивации шламовых амбаров и накопителей с производством техногенного грунта не требуются дополнительная перегрузка и транспортировка БШ на значительные расстояния, в том числе за пределы ВОЗ и устраняется риск загрязнения ОПС отходами при их потерях при перевозке.

Не допускается накопление отходов бурения, утилизация буровых шламов на территории населенных пунктов, в особо охраняемых природных территориях и в прибрежных защитных полосах. Участки утилизации БШ с производством ТГ следует размещать непосредственно на территории существующих промышленных площадках - кустовых площадках и накопителях отходов нефтяных скважин вне водоохранных зон и затопляемых пойм водоемов и водотоков. При размещении объектов в водоохранных зонах следует обеспечивать меры по недопущению загрязнения компонентами отходов окружающей природной среды.

Утилизация буровых шламов с производством ТГ предполагается на оборудованном участке непосредственно на кустовой площадке или в выемке шламового амбара или накопителя без дополнительного земельного отвода.

В каждом конкретном случае утилизации выполняется подбор рецептуры и определение соответствия требованиям ТУ. Работы допускается проводить во время проведения буровых работ, в том числе разведочных, что обеспечивается секционированием шламовых амбаров и возможностью проведения работ в заполненных секциях амбаров, так и чеках накопителя при эксплуатации других секций без остановки основных работ.

Промышленное применение. Изобретение опробовано на территории Ванкорского месторождения. В качестве площадки использовалась площадка с бетонным основанием, выполняющим роль гидроизоляции. Размер технологической площадки составлял 3,5х2,5х1,5 м. При помощи экскаватора в карту загружали буровой шлам, песок, известь и цемент в соотношении в соответствии с предлагаемым способом и рецептурой (1717515/216Д/370/15-2019-ТР). Все технологические операции по доставке и смешению компонентов проводились при помощи экскаватора HYUNDAY R180NLC-9S с объемом ковша 0.76 м3. В результате испытаний получен продукт – техногенный грунт. Исследования объединенной пробы полученного продукта – техногенного грунта, полученного в результате промышленной апробации, показало сходство химического состава с образцами, наработанными в лабораторных условиях. Исследования экологического состояния техногенного грунта подтвердили его соответствие техническим условиям и требованиям экологической безопасности.

Изобретение относится к охране окружающей природной среды при строительстве нефтегазовых скважин на суше, в частности к способам утилизации бурового шлама с получением экологически безопасного грунта. Сущность предлагаемой новой технологии заключается в перемешивании бурового шлама с компонентами, улучшающими его химические, физические и механические свойства, в результате чего образуется экологически безопасный продукт – техногенный грунт (грунтоподобный материал), процесс производства (образования) и применение которого не приводит к негативному воздействию на компоненты природной среды. Способ утилизации бурового шлама включает загрузку бурового шлама на технологическую площадку, внесение реагентов, песка, перемешивание реагентов, песка и бурового шлама, при этом последовательно проводят следующие операции: размещают буровой шлам в производственных картах при помощи экскаватора и самосвала в объеме, при утилизации которого суммарный объем шлама и вносимых компонентов не превышает 95% объема карты, производят равномерное распределение ковшом экскаватора по поверхности бурового шлама реагентов (извести, гипса, гидрофобизаторов) и половины расчетного объема песка, предварительное перемешивание и выравнивание смеси при помощи экскаватора, например, из расчета 0,5-1 минута на 3 м³ исходных компонентов, равномерно распределяют по поверхности вяжущие (цемент) и вторую половину расчетного объема песка ковшом экскаватора, гомогенизация смеси при помощи экскаватора до однородного состояния круговыми, возвратно-поступательными движениями, подъемом и сбросом материалов со смещением стрелы на расстояние, обеспечивающее возможность захвата не перемешанного объема материала, например, из расчета 3-4 минуты на 3 м³ исходных компонентов, перемещение смеси и формирование в штабель временного хранения при помощи экскаватора и бульдозера и выдерживание техногенного грунта, например в течение 12 часов. Временные интервалы указаны для нормальных условий (температура реагентов и бурового шлама около 20°С) и могут как увеличиваться при снижении температуры, так и снижаться при увеличении температуры. Технический результат состоит в повышении экологической безопасности строительства нефтегазовых скважин на суше вследствие эффективной нейтрализации всего объема утилизируемых отходов бурения. Это позволит улучшить экологическую обстановку в районах размещения различных промышленных предприятий. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ утилизации бурового шлама, включающий загрузку бурового шлама на технологическую площадку, внесение реагентов, песка, перемешивание реагентов, песка и бурового шлама, отличающийся тем, что последовательно проводят следующие операции: размещают буровой шлам в производственных картах при помощи экскаватора и самосвала в объеме, при утилизации которого суммарный объем шлама и вносимых компонентов не превышает 95% объема карты, производят равномерное распределение ковшом экскаватора по поверхности бурового шлама реагентов и половины расчетного объема песка, предварительное перемешивание и выравнивание смеси при помощи экскаватора, равномерно распределяют по поверхности вяжущие и вторую половину расчетного объема песка ковшом экскаватора, гомогенизация смеси при помощи экскаватора до однородного состояния круговыми, возвратно-поступательными движениями, подъемом и сбросом материалов со смещением стрелы на расстояние, обеспечивающее возможность захвата не перемешанного объема материала, перемещение смеси и формирование в штабель временного хранения при помощи экскаватора и бульдозера и выдерживание техногенного грунта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительное перемешивание производят из расчета 0,5-1 минута на 3 м³ исходных компонентов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гомогенизацию смеси проводят из расчета 3-4 минуты на 3 м³ исходных компонентов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдерживание грунта производят в течение 12 часов.