Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин. Система включает блок приготовления и циркуляции бурового раствора, оборудованный узлами перемешивания, дозирования, узлами грубой - вибросита и пескоотделители - и тонкой очистки - илоотделители, дегазатор, блок очистки жидких буровых стоков, содержащий электрокоагулятор, электрофлотатор, секционную распределительную емкость, узел фильтрации, блок утилизации и хранения бурового шлама, включающий шламовый амбар, состоящий из сборника буровых сточных вод и склада твердых отходов - шламонакопителя. Блок очистки жидких буровых стоков содержит узел отбойных гидроциклонов. Узел гидроциклонов входом соединен с выходом секционной распределительной емкости, а выходом - со входом электрофлотатора. Повышается степень очистки сточных вод, выполняются экологические требования. 5 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении нефтяных и газовых скважин.

Сточные воды, образующиеся при бурении поисково-разведочных и эксплуатационных скважин, являются одним из главных загрязнителей природных вод и почвенной среды. Значительное снижение степени загрязнения окружающей среды при бурении скважин достигается применением замкнутой системы водоснабжения буровых, которая обеспечивает оборотное использование воды и последующий ее возврат в природный кругооборот с допустимыми по содержанию токсичных примесей параметрами.

При применении в системе циркуляции бурового раствора устройства, предназначенного для получения из буровых стоков воды, пригодной для повторного использования, важнейшим фактором является повышение степени ее отбора из буровых отходов, то есть понижение влажности илового осадка.

Известна система замкнутого водоснабжения при бурении скважин по авторскому свидетельству СССР 1571203, кл. 5 Е21В 21/06, опубл. 15.06.90. Бюл. №22, предусматривающая интенсивную промывку осадка после предварительного его отделения от жидкой фазы центрифугированием с последующим его обезвоживанием. Недостатком данной системы является недостаточно высокий уровень разделения твердой фазы от фугата в блоке разделения, а также сомнительная эффективность обезвоживания осадка в блоке отделения твердой фазы.

Известна система замкнутого оборотного водоснабжения буровой скважины по патенту России 2084611, кл. 6 Е21В 21/06, опубл. 20.07.97. Бюл. №20, включающая связанные между собой блок чистой воды, замкнутые контуры приготовления, обработки химреагентами, циркуляции и очистки бурового раствора, сбора, циркуляции и очистки сточных вод, контур отбора шлама и амбар для его захоронения. С целью повышения эффективности охраны окружающей среды она снабжена блоками отмыва шлама и дополнительными узлами первичной и вторичной ступеней очистки с входным, выходным и шламовым патрубками.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин, патент Россия №2201492, кл. Е21В 21/06, опубл. 27.03.2003. Бюл. №9, включающая блок приготовления и контур циркуляции бурового раствора, контур доочистки воды, включенный в контур циркуляции оборотной воды и который содержит последовательно соединенные сборник оборотных и сточных вод, электрокоагулятор, электрофлотатор и секционную распределительную емкость.

Недостатками перечисленных выше систем является недостаточная степень снижения влажности твердого осадка. Система позволяет достигнуть влажности осадка не ниже 35-40%, несмотря на применение в ней электрокоагуляционного компонента.

Интенсифицировать разделительные процессы в данной системе возможно путем использования:

1) химических интенсификаторов коагуляционно-флокуляционных процессов в сточной суспензии;

2) дополнительных гравитационных компонентов, применяя центрифугирование и гидроциклонирование.

Применение центрифуги для сгущения осадка в жидком стоке экономически нецелесообразно. Зато в технологическую схему замкнутого оборотного водоснабжения хорошо вписывается блок гидроциклонов, который является отличительной чертой от прототипа.

Также в вышеперечисленных системах очистки не предусмотрена нейтрализация твердых отходов бурения и использование илов, полученных при очистке жидких буровых отходов в процессах приготовления буровых растворов.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение степени очистки буровых сточных вод и обезвоженности твердых отходов при бурении скважин.

Указанная задача достигается тем, что в системе замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин, включающей блок приготовления и циркуляции бурового раствора, оборудованный узлами перемешивания, дозирования, узлами грубой и тонкой очистки, дегазатором; блок очистки жидких буровых стоков, состоящий из электрокоагулятора, электрофлотатора, секционной распределительной емкости, узла фильтрации и блок утилизации и хранения бурового шлама, включающий шламовый амбар, состоящий из сборника буровых сточных вод и склада твердых отходов - шламонакопителя, согласно предложенному изобретению блок очистки жидких буровых стоков дополнительно содержит узел отбойных гидроциклонов, причем узел гидроциклонов входом соединен с выходом секционной распределительной емкости, а выходом - с входом электрофлотатора; блок очистки жидких буровых стоков соединен с блоком приготовления бурового раствора; блок очистки жидких буровых стоков соединен со складом для хранения сырца или высушенного ила; узел отбойных гидроциклонов соединен с узлом обработки ила стабилизаторами-регуляторами дисперсности, в качестве которых используют поверхностно-активные вещества; в шламонакопителе дополнительно используют адсорбенты-осушители (например, торф, угольную пыль, сажу, в т.ч. газовую и нефтяную, пересушенные обожженные древесные опилки и вспученную глинистую породу).

Согласно предложенному изобретению в электрокоагуляторе в качестве растворяемого электрода используют полиметаллический элемент, содержащий Fe и/или Al, и/или Cu, и/или Zn, массовое соотношение которых в электроде выбирают из условия обеспечения коагуляции и коалесценции взвешенных твердых и жидких компонентов и нейтрализации кислых компонентов: углекислоты и водорастворимых сульфидов.

На прилагаемом чертеже приведена технологическая схема предлагаемой системы очистки с указанием входящих в нее блоков и элементов, а также основных соединительных коллекторов.

Предлагаемая система очистки буровых отходов при бурении скважин включает блок приготовления и циркуляции бурового раствора, блок очистки жидких буровых стоков и блок утилизации и хранения бурового шлама.

Блок приготовления и циркуляции бурового раствора состоит из следующих компонентов. Скважина 1 соединена коллектором отработанного бурового раствора (КОБР) с узлами грубой и тонкой очистки, которые содержат последовательно соединенные вибросита 2, пескоотделители 3 и илоотделители 4, а коллектором бурового раствора (КБР) с насосным узлом 9. В свою очередь насосный узел 9 соединен с узлом приемных емкостей 8, а илоотделитель 4 с дегазатором 5, последовательно соединенным коллектором очищенного бурового раствора (КЧБР) с узлом перемешивания 6 и узлом дозирования 7.

Блок очистки жидких буровых стоков содержит последовательно соединенные между собой электрокоагулятор 10, узел отбойных гидроциклонов 11, электрофлотатор 12, насосную станцию 13, секционную распределительную емкость 14 и узел фильтрации 15. Насосная станция представляет собой совокупность насосов и обеспечивает связь аппаратов блока очистки буровых стоков и связь контура доочистки с контуром циркуляции оборотной воды. Блок гидроциклонов, являющийся отличительной чертой предлагаемой технологической схемы по сравнению с прототипом, обеспечивает дополнительную интенсификацию разделения фаз, образовавшихся в процессе коагуляции, в зависимости от их плотности. Также блок очистки жидких буровых стоков с целью поддержания требуемых структурно-механических свойств бурового раствора включает узел подготовки ила 16, соединенный с узлом отбойных гидроциклонов 11.

Блок утилизации и хранения бурового шлама включает в себя следующие компоненты: шламонакопитель 17, сборник буровых сточных вод 18 и узел подготовки адсорбентов-осушителей 19.

Приготовление бурового раствора осуществляют в узлах дозирования 7 и перемешивания 6, после чего он по коллектору бурового раствора (КБР) через узел приемных емкостей 8 и насосный узел 9 поступает к скважине 1. Подняв из скважины 1 выбуренную породу, отработанный буровой раствор поступает на вибросита 2, где его освобождают от шлама, и далее поступает в пескоотделители 3 и илоотделители 4, где происходит отделение песка и ила из бурового раствора. Отделенную жидкую часть после илоотделителей 4 направляют в дегазатор 5 для очистки от растворимых кислых газов и далее вновь с помощью шламового насоса 21 возвращают в узлы перемешивания 6 и дозирования 7. Шлам, полученный после вибросит 2, пескоотделителя 3 и илоотделителя 4 направляют в шламонакопитель 17, где происходит его отстаивание, при этом отделяемая вода скапливается в сборнике буровых сточных вод 18.

Скапливающиеся буровые сточные воды из сборника буровых сточных вод 18 поступают по коллектору буровых сточных вод (КБСВ) в секцию «А» секционной распределительной емкости 14. Из секции «А» через насосную станцию 13 буровые сточные воды поступают в электрокоагулятор 10, в котором идет выделение растворенных и коллоидных частиц за счет коагулирующей способности соединений алюминия, железа, меди, цинка, которые образуются в результате растворения материала анода. После электрокоагулятора 10 вода поступает в секцию «Б» секционной распределительной емкости 14, а из нее через насосную станцию 13 в узел отбойных гидроциклонов 11. Там происходит интенсификация и повышение глубины сгущения илов. После этого вода самотеком поступает в электрофлотатор 12, где идет окисление органических примесей и выделение их в виде пены, чему способствует выделяющийся на катоде газ, и далее через секцию «В» секционной распределительной емкости 14 и насосную станцию 13 по коллектору оборотной воды 24 при закрытом вентиле 28 и открытом вентиле 27 поступает в узел дозирования реагентов 7.

Отделенная от электофлотатора и электрокоагулятора пена по коллектору пеноотведения 23 поступает для последующей очистки в коллектор отработанного бурового раствора (КОБР). Илы от узла отбойных гидроциклонов 11 с помощью шламового насоса 22 закачивают в узел подготовки ила 16, где их во избежание необратимой коагуляции и старения с целью повторного использования обрабатывают специальными стабилизаторами - регуляторами дисперсности, и далее в виде сырца при закрытом вентиле 30 и открытом вентиле 29 по коллектору отведения ила-сырца 25 поступают в блок дозирования реагентов 7 для использования в процессе приготовления бурового раствора. В случае отсутствия такой необходимости тонкодисперсный ил после узла подготовки ила 16 при закрытом вентиле 29 и открытом вентиле 30 направляют на сушку и далее на склад для дальнейшего использования в качестве товарной продукции.

Если нет необходимости в воде для приготовления бурового раствора или по окончании бурения, вода в целях тонкой очистки из секции «В» емкости 14 через насосную станцию 13 при закрытом вентиле 27 и открытом вентиле 28 поступает в узел фильтрации 15. Отфильтрованная в узле 15 вода поступает самотеком в секцию «Г» емкости 14, откуда через насосную станцию 13 по коллектору 26 поступает в резервуар чистой воды 20. Из резервуара чистой воды вода при открытом вентиле 31 может быть взята для использования на хозяйственно-бытовые или технические нужды либо сброшена на ландшафт.

Для нейтрализации твердых отходов бурения в шламонакопитель 17 добавляют адсорбенты-осушители, приготовленные в узле подготовки адсорбентов-осушителей 19. Количество адсорбентов-осушителей выбирают исходя из условия:

q_а=q_в/а_а,

где q_а, q_в - соответственно количества адсорбента-осушителя и растворенных вредных веществ в единице объема шламохранилища, кг/м³;

а_а - поглощающая (адсорбционная) емкость адсорбента-осушителя, мг-экв/100 г;

причем q_в=q_ш·а_ш+c·w,

где q_ш - количества шлама в единице объема шламохранилища, кг/м³;

а_ш - поглощающая (адсорбционная) емкость шлама, которая колеблется в пределах 1-20 мг-экв/100 г;

с - концентрация вредных компонентов, содержащихся в растворенном состоянии в шламе, колеблется в пределах 10-100 кг/м³;

w - влажность шлама, колеблется от 0,3 до 0,5.

С целью подтверждения возможности использования сточных илов, полученных в ходе очистки буровых стоков, для обработки и приготовления бурового раствора ниже приведены результаты экспериментальных исследований.

Как показывают лабораторные испытания, возврат в буровой раствор илистой, очищенной от песчаного абразива фракции стоков (табл.1) является технологически и экономически оправданной операцией, которая хорошо вписывается в схему замкнутой циркуляции промывочных жидкостей на буровой.

Таблица 1
Исследование влияния сточных илов на свойства буровых растворов
№ п/п	Характеристика ила-сырца	Содержание в растворе, % мас.	Параметры бурового раствора
ρил, кг/м3	W, %	СК, %, мас.	ρp,кг/м3	Т, с	CHC1/10, дПа	В30, см3
1	1180	88,8	7,3	1,0	1060	28	3,6/6,0	10,0
2	1310	80,6	6,0	1,0	1060	30	6,0/9,6	11,0
3	1200	87,5	9,0	1,0	1060	37	12,0/18,0	8,0
4	1200	87,5	9,0	1,0	1060	22	0/4,8	12,0

Примечания.

1. Плотность суспензии определялась пикнометрическим методом.

2. Принятые обозначения:

ρ_ил, ρ_р - соответственно плотности ила-сырца и бурового раствора;

W - влажность, %;

С_К - содержание коллоидной фракции, % мас.

Т - условная вязкость, с;

СНС_1/10 - статическое напряжение сдвига соответственно за 1 и 10 минут, дПа;

В₃₀ - водоотдача бурового раствора за 30 минут.

Для удобства транспортировки на другие буровые площадки ил можно высушивать. При этом качество ила как основы для приготовления буровых растворов сохраняется, если высушивание осуществлять в динамическом режиме, не допускающем спекания илистых частиц и сгорания адсорбируемых и интермицеллярных органических компонентов (табл.2).

Таблица 2
Свойства буровых растворов, приготовленных из высушенного ила
№ п/п	Состав иловой суспензии, кг/м3	Параметры суспензии
ρр, кг/м3	Т, с	CHC1/10, дПа	В30, см3
1	Сухой ил - 70	1060	30	3,6/7,2	13,0
Вода - остальное
2	Суспензия №1 + 0,5 КМЦ	1060	12	6,0/9,6	4,5

Примечание. Ил плотностью 1200 кг/м³ и влажностью 78% мас. высушивался путем порционного впрыскивания его пульверизатором в металлическую колбу, находящуюся в высокотемпературном сушильном шкафу.

Еще более обнадеживающие результаты получены в случае, если илистую суспензию перед высушиванием предварительно обрабатывают небольшими количествами реагентов (стабилизаторами и реагентами, обладающими поверхностно-активными свойствами, в количестве не более 1% мас.), см. табл.3.

Таблица 3
Свойства буровых растворов, приготовленных из высушенного ила, обработанного предварительно реагентами
№ п/п	Состав иловой суспензии, кг/м3	Параметры суспензии
ρр, кг/м3	Т, с	CHC1/10, дПа	В30, см3
1	Сухой ил с полимерным реагентом М-14 - 70
	Вода - остальное	1060	38	9,6/18,0	8,5
2	Сухой реагент с реагентом полигуминовых кислот - 70
	Вода - остальное	1060	35	7,2/12,0	10,0

1. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин, включающая блок приготовления и циркуляции бурового раствора, оборудованный узлами перемешивания, дозирования, узлами грубой - вибросита и пескоотделители - и тонкой очистки - илоотделители, дегазатор, блок очистки жидких буровых стоков, состоящий из электрокоагулятора, электрофлотатора, секционной распределительной емкости, узла фильтрации, блок утилизации и хранения бурового шлама, включающий шламовый амбар, состоящий из сборника буровых сточных вод и склада твердых отходов - шламонакопителя, отличающаяся тем, что блок очистки жидких буровых стоков дополнительно содержит узел отбойных гидроциклонов, причем узел гидроциклонов входом соединен с выходом секционной распределительной емкости, а выходом - со входом электрофлотатора.

2. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин по п.1, отличающаяся тем, что блок очистки жидких буровых стоков соединен с блоком приготовления бурового раствора.

3. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин по п.1, отличающаяся тем, что блок очистки жидких буровых стоков соединен со складом для хранения сырца или высушенного ила.

4. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин по п.1, отличающаяся тем, что узел отбойных гидроциклонов соединен с узлом обработки ила стабилизаторами-регуляторами дисперсности, в качестве которых используют поверхностно-активные вещества.

5. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин по п.1, отличающаяся тем, что в шламонакопителе дополнительно используют адсорбенты-осушители, например, торф, угольную пыль, сажу, в том числе газовую и нефтяную, пересушенные обожженные древесные опилки и вспученную глинистую породу.

6. Система замкнутого оборотного водоснабжения при бурении скважин по п.1, отличающаяся тем, что в электрокоагуляторе в качестве растворяемого электрода используют полиметаллический элемент, содержащий Fe и/или Al, и/или Cu, и/или Zn, массовое соотношение которых в электроде выбирается из условия обеспечения коагуляции и коалесценции взвешенных твердых и жидких компонентов и нейтрализации кислых компонентов: углекислоты и водорастворимых сульфидов.