способ сооружения и ликвидации земляных амбаров-накопителей отходов бурения

Формула изобретения

Способ сооружения и ликвидации земляных амбаров-накопителей отходов бурения, включающий отрывку котлована в минеральном грунте, возведение по дну и стенкам котлована водоизолирующего экрана, заполнение амбара-накопителя отходами бурения, расслоение отходов бурения отстаиванием на загущенную и жидкую фазы, откачку жидкой фазы, испарение воды из нее, засыпку загущенной фазы минеральным грунтом, отличающийся тем, что производят обвалование котлована измельченным минеральным грунтом, осуществляют возведение водоизолирующего экрана гидрофобизацией грунта дна и стенок котлована путем его пропитки на глубину 5-15 см 0,1-1,0%-ной микроэмульсией, самопроизвольно образующейся при добавлении в воду реагента РДН-1 - концентрата асфальто-смолистых и парафиновых компонентов нефти в легколетучем углеводородном растворителе, с последующими уплотнением и выдержкой, после откачки жидкую фазу распыляют над выровненным участком земли, отведенным под строительство скважины, на который предварительно наносят 25-30 см минерального грунта из обвалования котлована, после испарения воды из нее производят гидрофобизацию грунта с подсохшими отходами бурения путем распыления указанной выше микроэмульсии при ее расходе 5-10 л на м² поверхности грунта, затем указанный грунт удаляют и в полном объеме используют для засыпки в амбаре-накопителе загущенной фазы отходов бурения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей природной среды, в частности к способам сооружения земляных амбаров-накопителей отходов бурения и их ликвидации при завершении строительства нефтегазовых скважин.

Известны способы сооружения земляных амбаров-накопителей отходов бурения и их ликвидации после окончания строительства скважин, включающие отрывку котлована в минеральном грунте, использование извлеченного грунта для обвалования котлована, гидроизоляцию полости котлована слоем глины, заполнение котлована отходами бурения, расслоение отходов бурения на загущенную и жидкую фазы, удаление воды из жидкой фазы путем ее испарения, засыпку загущенных отходов бурения минеральным грунтом (Стетюха Е., Лютенко В. - Охрана и рекультивация земли буровыми предприятиями Украины. Жур. Нефтяник, 1997, №9, с.15-16). Недостаток, гидроизоляционные свойства глинистого экрана не обеспечивают необходимую защиту грунтовых вод от токсичных химических веществ, используемых для приготовления буровых растворов и вымываемых из захороненных отходов бурения талыми и ливневыми водами. Кроме того, испарение воды из амбара-накопителя происходит крайне медленно (2-3 года), что не отвечает требованиям природоохранного законодательства, согласно которому техническая рекультивация участка земли, отведенного под строительство скважины, должна быть завершена не позднее одного года после окончания строительства скважины.

Известен способ ликвидации буровых отходов, включающий обработку жидкой фазы флокулянтом-полиакриламидом (ПАА) и коагулянтом - сернокислым алюминием с последующим осаждением в амбарах взвешенных частиц, вывозом и закачкой осветленной жидкой фазы в специальные депонирующие скважины или в поглощающие горизонты и засыпкой минеральным грунтом амбара с загущенными отходами бурения (Временный регламент по охране окружающей среды при строительстве скважин. - ОАО «ПермНИПИнефть», Пермь, 1992). Недостаток - высокие затраты на очистку и утилизацию осветленных буровых растворов. Кроме того, данным регламентом при сооружении амбаров-накопителей отходов бурения в качестве водоизолирующего экрана предусмотрено нанесение по дну и периметру котлована слоя глинистой пасты, что не обеспечивает надлежащую защиту подземных вод от их загрязнения токсичными веществам, содержащимися в буровых отходах.

Известен способ сооружения и эксплуатации комплекса земляных амбаров-накопителей отходов бурения и пластового флюида, включающий отрывку котлованов в минеральном грунте, гидроизоляцию их на альтернативной основе металлическими листами, или синтетической пленкой, или железобетонными плитами, или деревянными щитами с битумным покрытием, или композициями на основе глины, извести, цемента и последующее их заполнение (Инструкция по охране окружающей природной среды при строительстве скважин на нефть и газ на суше. РД 39-133-94, М., НПО «Буровая техника», 1994 г.). Недостаток - использование для гидроизоляции котлованов дорогостоящих строительных материалов и метизов, которые впоследствии будут захоронены в котлованах вместе с загущенными или обезвреженными буровыми отходами.

Известен способ ликвидации земляного амбара-накопителя с предварительным обезвреживанием содержащихся в нем отходов бурения путем их смешения с портландцементом (Шишов В.А., Шеметов В.Ю. Об отверждении буровых растворов и шлама портландцементом. Труды ВНИИКРнефти, 1982, с 28-35), или консолидирующим материалом, представляющим собой отход цементной промышленности (RU 2162918, 2001.02.10). Недостаток - высокий удельный расход указанных пылевидных консолидирующих материалов. Кроме того, перемешивание в амбарах-накопителях отходов бурения с пылевидным консолидирующим материалом с помощью тяговых устройств и лопастного смесителя неэффективно, что не обеспечивает необходимой степени обезвреживанния буровых отходов.

Наиболее близким к заявляемому относится способ сооружения и эксплуатации земляных амбаров-накопителей отходов бурения, включающий отрывку котлованов в минеральном грунте, гидроизоляцию их полости слоем глины, отличающийся тем, что из амбара-накопителя отработанный буровой раствор откачивают в порожний амбар-накопитель с одновременной его обработкой коагулянтом, флокулянтом и добавлением консолидирующего материала. После заполнения порожнего амбара жидкой фазой на глубину 0,1-0,3 м откачку отработанного бурового раствора прекращают и амбар выдерживают до полного испарения воды и образования на дне порожнего амбара, в дополнение к водоизоляционному экрану из глины, противофильтрационного слоя из коагулированных частиц отходов бурения и цементной пыли. Откачку и испарение жидких отработанных буровых растворов в порожнем амбаре-накопителе повторяют несколько раз, прекращая ее за 15-20 суток до бурения интервалов, в которых прогнозируется нефтегазопроявление. Подготовленный таким образом амбар-накопитель используют для складирования пластовых флюидов (RU 2138612 С1, 1999.09.27). Недостаток такого способа - необходимость сооружения на территории земельного отвода земляных амбаров-накопителей для отработанных буровых растворов и пластовых флюидов, что ведет к увеличению затрат на сооружение, эксплуатацию и ликвидацию земляных амбаров после завершения строительства скважины. Кроме того, эффективность использования данного способа зависит от продолжительности периода, когда объем испарения воды из порожнего амбара превышает объем выпадения атмосферных осадков. Чаще всего таким способом образуют противофильтрационный слой только на дне амбара-накопителя пластовых флюидов, что не решает проблему обезвоживания жидких буровых отходов перед их засыпкой минеральным грунтом и не обеспечивает надлежащую защиту грунтовых вод от загрязнения, т.к. вероятность вымывания токсичных веществ из отходов бурения талыми или ливневыми водами через боковые стенки амбара-накопителя сохраняется.

Задачей предлагаемого изобретения является способ сооружения земляных амбаров-накопителей с возведением по их периметру эффективного водоизолирующего экрана и испарения за короткий промежуток времени воды из жидких буровых отходов, при ликвидации земляных амбаров после завершения строительства скважины, при одновременном снижении материальных затрат на реализацию предлагаемого способа.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе сооружения земляного амбара-накопителя отходов бурения, включающим отрывку котлована, использование для обвалования котлована извлеченного минерального грунта, возведение по дну и стенкам котлована водоизолирующего экрана, заполнение амбара отходами бурения, их разделение при отстаивании на жидкую и загущенную фазы, испарение жидкой фазы, и засыпку загущенной фазы минеральным грунтом, в качестве водоизолирующего экрана используют слой гидрофобизованного грунта толщиной, достаточной для исключения капиллярного подъема водной фазы. Гидрофобизацию грунта осуществляют путем его пропитки микроэмульсией, самопроизвольно образующейся при растворении в воде реагента РДН-1 (ТУ 2458-001-21166006-97), представляющего собой концентрат асфальто-смолистых и парафиновых компонентов нефти в легколетучем углеводородном растворителе. Для приготовления микроэмульсии реагент РДН-1 добавляют в воду в пределах 0,1-1,0 мас.%. Для образования в котловане гидрофобизованного слоя грунта, исключающего капиллярный подъем водной фазы, производят обработку дна и боковой поверхности котлована микроэмульсией с таким расчетом, чтобы глубина впитывания микроэмульсии в слой грунта колебалась в пределах 5-15 см. После впитывания микроэмульсии обработанную поверхность грунта уплотняют, и после его выдерживания в течение 24 ч для испарения воды и углеводородного растворителя амбар-накопитель готов для заполнения его отходами бурения. При таком способе формирования гидрофобного слоя грунта толщиной 5-15 см при сооружении амбара-накопителя объемом 2000 м³ потребуется около 60 м³ воды и около 600 кг (3 бочки) реагента РДН-1. Ориентировочная стоимость 1 т реагента РДН-1 составляет около 10000 руб.

После окончания строительства скважины из отстоявшихся в амбаре буровых отходов в наиболее подходящий для испарения воды период времени года производят откачку и распыление жидких буровых отходов над выравненным участком почвы, отведенном под строительство скважины, на который предварительно наносят слой минерального грунта толщиной 25-30 см, используя для этой цели грунт из обвалования амбара-накопителя. При этом жидкие буровые отходы, распыляемые над слоем минерального грунта на выравненном участке должны впитываться в слой грунта не более чем на 5-15 см. Испарение воды из жидких буровых отходов при таком способе нанесения их на слой минерального грунта происходит в течение 2-3 суток. После испарения воды слой грунта с подсохшими отходами бурения с целью их обезвреживания (предотвращения перехода из них вредных веществ в воду) производят их гидрофобизацию, для чего поверхность грунта обрабатывают 0,1-1,0 мас.% микроэмульсией реагента РДН-1 из расчета 5-10 л микроэмульсии на квадратный метр поверхности грунта. Затем после испарения воды и углеводородного растворителя подсохший гидрофобизированный грунт с помощью бульдозера удаляют с выровненного участка почвы и в полном объеме используют для засыпки амбара-накопителя с оставшимися в нем загущенными отходами бурения, при этом одновременно происходит и их перемешивание с засыпаемым в амбар гидрофобизованным минеральным грунтом. Засыпка амбара таким грунтом и его последующая утрамбовка полностью исключает вынос дождевыми и талыми водами из ликвидированного амбара токсичных веществ, что позволяет при нанесении на уплотненную поверхность грунта 25-30 см слоя плодородной почвы, провести полную рекультивацию данного участка.

Пример 1. Определение высоты капиллярного подъема жидкости в грунте до и после его гидрофобизации.

Пробы испытуемого грунта доводили до воздушно-сухого состояния загружали в стеклянные колонки высотой 40 см, диаметром 13 мм, подвергали уплотнению путем легкого постукивания по стенке колонки до тех пор пока не достигали постоянного значения высоты слоя грунта, затем для каждого слоя грунта определяли высоту капиллярного подъема жидкости (воды) после выдерживания в вертикальном положении стеклянной колонки с грунтом в течение 24 ч, при этом нижний конец стеклянной колонки с грунтом все время был в контакте с водной фазой. В качестве грунта был взят образец тонкозернистого кремнистого песка, плотностью 2550 кг/м³, пористостью 2,5% и водопоглощением 5,0%. Разную степень гидрофобизации песка получали путем его насыщения микроэмульсией, содержащей 0,05%, 0,1%, 0,5%, 1,0% и 5,0% (мас.) реагента РДН-1, после чего каждую из систем помещали в чашку Петри, где при периодическом перемешивании систему доводили до воздушно-сухого состояния. В контрольном опыте песок в стеклянную колонку загружали без гидроизоляционного экрана.

В остальных опытах после загрузки в колонку слоя (10 см) песка без гидрофобизации загружали слой гидрофобизованного песка (5 см), затем снова слой песка без гидрофобизации до верха стеклянной колонки (40 см). Для сравнения со способом-прототипом в стеклянную колонку, после загрузки (10 см) слоя песка без гидрофобизации загружали слой (5 см) глины и далее до верха стеклянной колонки слой песка без гидрофобизации. На фиг.1 представлен график зависимости высоты капиллярного подъема пресной воды в грунте (песке) без гидроизолирующего экрана (опыт 1), с гидроизолирующим экраном, представленным 5 см слоем грунта различной степени гидрофобизации (опыты 2-6), и гидроизолирующим экраном, представленным 5 см слоем глины (опыт 7).

Как следует из фиг.1, слой гидрофобизованного грунта толщиной в 5 см, полученный при обработке грунта 0,05% микроэмульсией реагента РДН-1, снижает высоту капиллярного подъема воды с 35 см (высота капиллярного подъема воды в контрольном опыте 1) до 18 см (опыт 2), т.е. снижает фильтрационные свойства грунта почти в 2 раза. Аналогичный по толщине слой гидрофобизованного грунта, полученный при обработке 0,5% микроэмульсией реагента РДН-1 снижает высоту капиллярного подъема воды до 10 см (опыт 3). Повышение концентрации реагента РДН-1 в микроэмульсии до 1,0% позволяет получить гидрофобизованный грунт, снижающий высоту капиллярного подъема воды до 1-2 см (опыт 4), а при обработке грунта 5,0% микроэмульсией РДН-1 полученный гидрофобизированный слой грунта толщиной 5 см практически полностью исключает капиллярный подъем водной фазы. Использование в качестве гидроизоляционного экрана 5 см слоя глины (опыт 6) обеспечил снижение высоты капиллярного подъема воды с 35 см до 5-6 см, что соответствует выводам о недостаточной эффективности использования на практике таких гидроизоляционных экранов.

Таким образом, из фиг.1 следует, что для создания 5 см слоя гидрофобизованного грунта, исключающего капиллярный подъем водной фазы, содержание реагента РДН-1 в микроэмульсии должно быть не ниже 1,0 мас.%. Использование для данной цели микроэмульсии с большей концентрацией реагента РДН-1 не рационально, т.к. при обработке грунта микроэмульсией глубина ее проникновения в грунт может достигать 10-15 см и более, что способствует образованию гидрофобизованных слоев толщиной более 5 см, что существенно увеличит их гидроизоляционные свойства. Подтверждением тому служат результаты, приведенные на фиг.2, показывающие зависимость высоты капиллярного подъема воды в зависимости от толщины слоя грунта при различной степени его гидрофобизации, из которых следует, что при формировании гидрофобизованного слоя грунта толщиной 10-15 см, исключающего капиллярный подъем водной фазы, содержание реагента РДН-1 в микроэмульсии должно быть в пределах 0,1-1,0 мас.%.

Пример 2. Кинетика испарения жидких буровых отходов в исходном состоянии и при нанесении равномерным слоем на поверхность грунта.

Для испытания предложенного способа были использованы жидкие буровые отходы с содержанием 15,6 мас.% сухого остатка. Определение кинетики испарения воды из жидких буровых отходов осуществляли на воздухе при температуре 20°С по изменению (снижению) массы (100 г) бурового отхода, помещенного в чашку Петри с площадью испарения 0,03 м² (опыт 1) и той же массы жидкого бурового раствора по каплям нанесенного на 2 см слой грунта (песка), равномерно распределенного на поверхности стекла площадью 0,25 м² (опыт 2).

Из взаимного расположения кривых, приведенных на фиг.3 следует, что испарение воды из жидких буровых растворов, нанесенных по каплям на 2 см слой грунта, практически полностью завершается за 2-3 суток, в то время как из жидких буровых растворов, находящихся в чашке Петри, за это время испарилось не более 3-5 мас.% воды. Последнее объясняется не только тем, что в опыте 2 площадь испарения жидких буровых растворов почти на порядок превышала площадь испарения жидких буровых отходов чем в опыте 1, но и тем, что в опыте 2 жидкие буровые отходы, впитываясь в грунт, распределялись тонким слоем на поверхности частиц твердой фазы, что дополнительно на несколько порядков увеличивала суммарную площадь испарения водной фазы.

Таким образом, использование при сооружении земляных амбаров-накопителей буровых отходов предлагаемого способа позволяет повысить не только эффективность защиты грунтовых вод от вредных веществ содержащихся в отходах бурения, но с меньшими затратами и в более короткие сроки, после завершения строительства скважин, ликвидировать данные источники загрязнения окружающей природной среды.