Способ утилизации отходов бурения
Владельцы патента RU 2413835:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)
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.%:
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.
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 |
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).
