Влияние буровых шламов на окружающую среду и способы их утилизации



Буровой шлам, образующийся в процессе бурения скважин буровым агентом на углеводородной основе, имеет вид мягкой пастообразной массы черного цвета с отчетливым запахом нефтепродуктов. Буровой шлам на нефтяной основе имеет повышенное содержание масел и хлорид-ионов, выявлено превышение концентрации хрома в 2,67 раза. По степени накопления тяжелых металлов они распределились в следующем порядке: Mn > Zn > Cu > Cr > Pb > Co > As > Hg > Cd. Результаты гранулометрического состава указывают на значительную долю физической глины, пики которой соответствуют фракции ила — 63,60 %. При исследовании отработанного бурового раствора было установлено, что в его состав входят нефтепродукты, достигшие уровня 9000 мг/кг, при этом водородный индекс относится к нейтральной среде — pH 6,5. Оценка токсического действия отходов бурения по результатам испытаний оказывает острое токсическое воздействие на окружающую среду (IV класс опасности). Исследование указывает на актуальность экологической оценки отходов бурения для оптимального выбора их последующего захоронения.

Ключевые слова: буровой шлам, нефтепродукты, промышленные отходы, углеводородный раствор, токсичность, обезвреживание.

ВВЕДЕНИЕ

Нефтяная промышленность характеризуется интенсивным воздействием на окружающую среду, что неизбежно вызывает ее изменение. В процессе производства полностью или частично нарушается существующее экологическое состояние на территориях промышленных объектов. Эти изменения проявляются в различных сочетаниях негативных явлений, важнейшими из которых являются: удаление пастбищных угодий; истощение и загрязнение подземных и поверхностных вод; затопление и заболачивание обработанных площадей; обезвоживание и засоление почв; загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами и химическими элементами; неблагоприятные для локальных экологических систем гидрогеологические и геохимические изменения [1].

Нефть и нефтепродукты, как загрязнители недр земли и окружающей среды, поэтому оцениваются в основном степень токсичности и геохимическая устойчивость. Попадая в почву, эти нефтепродукты под действием гравитационных сил впитываются в землю и распространяются под действием поверхностных и капиллярных сил. Скорость движения нефти зависит от ее свойств, свойств почвы и соотношения нефти, воздуха и воды в многофазной движущейся системе. Попадание нефти в почву вызывает значительные, а иногда и необратимые изменения: образование битумов и солей, гидрогенизацию, цементацию и др. [2; 3].

В процессе бурения нефтяных скважин происходит последовательное разрушение горных пород, в основном бурового инструмента, с последующим удалением продуктов разрушения буровым раствором. Однако удаление выбуренной породы (бурового шлама) не единственное назначение бурового раствора. В связи с этим используются разные решения, разный состав, свойства и сфера применения.

В настоящее время расширяется практика бурения растворами на углеводородной основе, которые применяются при бурении скважин сложного профиля, обеспечивающие стабилизацию неустойчивых, набухающих или расширяющихся пород в водной среде, а также низкую аварийность при бурении.

Основным техническим сооружением для накопления этих видов отходов является амбар для навозной жижи. Шламовый амбар представляет собой конструкцию в виде емкости, предназначенная для централизованного сбора отходов бурения нефтяных скважин (бурового раствора, отработанного бурового раствора и буровых сточных вод) с целью предотвращения попадания вредных веществ в окружающую среду. Шламовые амбары занимают площадь до 2500 м ² с одной буровой установкой и имеют разный объем в зависимости от количества скважин на кусте, глубины и продолжительности бурения [4; 5].

Основными видами воздействия на объекты окружающей среды при накоплении и размещении бурового шлама в навозных амбарах являются: прямое воздействие, связанное с «отчуждением» земель; проникновение жидкой фазы буровых отходов в грунт, при плохой гидроизоляции шламовых амбаров или протекании жидкой фазы бурения через кровлю насыпи; изменение рельефа и нарушение компонентного состава ландшафтов, связанное с прокладкой навозных амбаров; нарушение микрорельефа, поверхностный сток; деформация почвенно-растительного покрова; разрушение растительного покрова; загрязнение подземных вод; изменения существующих гидрологических условий из-за дренажа [6].

На сегодняшний день одним из методов утилизации буровых растворов на углеводородной основе является нейтрализация с использованием таких установок, как УЗГ-1М или их аналогов. Этот метод заключается в термической утилизации осадка при температуре 800–900 ˚C с получением вторичных продуктов. Нейтрализующий эффект при утилизации буровых растворов достигается за счет испарения (выгорания) нефтепродуктов; горит пары нефтепродуктов и выделяются негорючие инертные материалы (компоненты) в виде песка, грунта. Песок, нейтрализованный грунт в качестве строительного материала используется в мелиоративных и строительных работах.

Недостатками метода являются: дополнительное удаление территории для размещения растений на обезвреживание; загрязнение воздуха выхлопными газами; дополнительное внесение чистого грунта в отходы бурения с целью обеспечения его большей плотности и улучшения работы установки.

Повторное использование загрязненной почвы в качестве материалов для гражданского строительства рассматривается как один из эффективных альтернативных методов утилизации загрязненной почвы. Тем не менее, это является предметом сдерживания агента загрязнения в почве или эффективная реабилитация загрязненной почвы, геомеханическое и геотехническое поведение нефти. Поэтому загрязненная почва проверяется на предмет возможного повторного использования в качестве инженерного материала [7, 8].

В качестве перспективных методов утилизации отходов добычи и транспортировки нефти — нефтешлама, загрязненного нефтью грунта предложены использование их в качестве материалов в строительстве грунтовой дороги 9; 10.

В данной статье представлен анализ отходов бурения с месторождения «Кырык мылтык» Атырауской области. Изучены жидкая фаза (отходы бурового раствора) и твердая фаза (буровой раствор) с применением бурового раствора на углеводородной основе. Жидкие отходы — это коллоидная система на основе углеводородов, в которой взвешены твердые частицы пробуренной породы и другие органические соединения, входящие в состав буровых растворов. Буровой шлам, образующийся в процессе бурения скважин с использованием бурового раствора на углеводородной основе, представляет собой мягкую пастообразную массу черного цвета с отчетливым запахом нефтепродуктов [11].

Буровой шлам имеет отрицательные водно-физические свойства: полная бесструктурность, низкая аэрация, слабая фильтрующая способность и др. [12; 13]. Это направление в области обращения с отходами бурения на углеводородной основе мало изучено, в связи с чем возникает вопрос о выборе методов обращения с этими видами отходов.

В связи с этим целью исследования стала экологическая оценка отходов бурения на углеводородной основе для разработки природосберегающей технологии, направленной на минимизацию негативного воздействия на окружающую среду.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводились на базе аккредитованной испытательной лаборатории инженерного профиля «Нефтехимия» НАО «Атырауский университет нефти и газа им. С. Утебаева» по методикам, включенным в государственный реестр методы количественного химического анализа (аттестат аккредитации № KZ.T.06.1425 от 12.08.2020 г. на соответствие требованиям ГОСТ ISO/IEC 17025–2019).

Соответствие образцов нефтебуровых отходов определены лазерным анализатором «Analysette 222» Micro Tec Plus.

Концентрация тяжелых металлов в образцах нефтебуровых отходов определяли с помощью атомно-абсорбционного спектрометра PerkinElmerAAnalyst 400, анализатора Флюорат -02 и гамма -бета спектрометра СКС-99 Спутник.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Значительная доля физической глины приходится на иловую фракцию — 63,60 %, высокое содержание иловой фракции (диаметр частиц менее 0.001 мм) характерны для аллювиального горизонта. Содержание агента во фракции бурового раствора в буровом шламе связано с пробуренной породой и используемым буровым агентом на углеводородной основе.

В составе бурового шлама на масляной основе определено повышенное содержание хрома в 2,67 раза по сравнению с ПДК для глинистых групп почв. Как известно, химическое загрязнение почв тяжелыми металлами является наиболее опасным видом деградации почвенного покрова, поскольку самоочищающаяся способность почв от тяжелых металлов минимальна, почвы их прочно накапливают. Таким образом, почва становится одним из важнейших геохимических барьеров для большинства токсикантов на пути их миграции из атмосферы в почву и поверхностные воды. В этом аспекте хром самый яркий представитель этой группы химических элементов, миграционные характеристики которых, способность к биоаккумуляции и биоусилению являются не только основой характеристик ксенобиотического профиля биогеоценоза, но и определяют картину хронических и острых токсичных эффектов.

Содержание Cd находилось на уровне ПДК и соответствовало 5 мг/кг. Максимальное значение наблюдалось для марганца и составило 332 мг/кг, что не превышало ПДК для этого элемента. Содержание других тяжелых металлов было ниже установленных норм. По степени накопления тяжелые металлы в порядке убывания распределились в следующей последовательности: Mg > Zn > Cu > Cr > Pb > Co > As > Hg > Cd (таблица 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в образцах бурового шлама

Индикатор	Единица измерения	Результаты опыта, мг/кг	ПДК, мг/кг
Кадмий	мг/кг	<0,10	2,00
Кобальт	мг/кг	<5,00	5,00
Магний	мг/кг	332,00	1500,00
Медь	мг/кг	23,00	132,00
Мышьяк	мг/кг	2,87	10,00
Никель	мг/кг	<50,00	80,00
Ртуть	мг/кг	0,24	2,10
Свиней	мг/кг	<10,00	130,00
Хром	мг/кг	16,00	6,00
Цинк	мг/кг	29,00	220,00

При изучении влияния буровых растворов на углеводородные компоненты природной среды были проведены химико-аналитические испытания для характеристики возможного негативного воздействия на окружающую среду. Содержание валовых форм тяжелых металлов в пробе бурового раствора представлено в таблице 2.

Таблица 2

Содержание валовых форм тяжелых металлов в пробе бурового раствора

Индикатор	Единица измерения	Результаты опыта
Кадмий	мг/кг	<0.1
Кобальт	мг/кг	<5.0
Магний	мг/кг	<200
Медь	мг/кг	<20
Мышьяк	мг/кг	1.90
Никель	мг/кг	<50
Ртуть	мг/кг	<0.10
Свиней	мг/кг	<10
Хром	мг/кг	22
Цинк	мг/кг	35

Концентрация тяжелых металлов в большинстве вариантов была ниже предела обнаружения существующих методов. Средние значения мышьяка составили 1,9 мг/кг, хрома — 22 мг/кг и цинка — 35 мг/кг. Не существует нормативного документа для определения ПДК этого вида отходов бурения и, следовательно, невозможно оценить уровень загрязнения тяжелыми металлами.

При определении химического состава минерализации отходов бурения по анионному составу выявлено, что это хлоридные минералы. Содержание нефтепродуктов в буровом шламе и буровом растворе составляет 1800 и 9000 мг/кг соответственно. Значение pH относится к нейтральной среде и составила 7,31 и 6,5 единиц соответственно (таблица 3).

Таблица 3

Химический анализ отходов бурения

Индикатор	Единица измерения	Объект исследования
		Буровой шлам	Буровой раствор
Нефтяные продукты	мг/кг	1800	9000
Сульфат-ион (водорастворимая форма анионов)	мг/кг	140	25
Фосфат-ион (водорастворимая форма анионов)	мг/кг	<3.0	4.10
Хлорид-ион (водорастворимая форма анионов)	мг/кг	4049	1734
Водородный показатель	рН	7.31	6.5

Степень токсического воздействия отходов бурения на компоненты окружающей среды из-за высокого содержания нефтепродуктов и солей приводится в таблице 4.

Таблица 4

Оценка токсического действия образцов бурового шлама и бурового раствора, нанесенных на тест-объекты

Объект исследования	Тест-объекты	Фактор разбавления	Оценка тестового образца	Класс опасности для окружающей среды
Буровой шлам	Daphnia magna Straus	6.30 (Безвредный фактор разведения) 1,00 (Средний летальный коэффициент разбавления)	Острый токсичный эффект	IV
	Chlorella vulgaris Beijer	12.53
Отходы бурового агента	Daphnia magna Straus	31.60 (Безвредный фактор разведения) 2,40 (Средняя летальность коэффициент разбавления)	Острый токсичный эффект	IV
	Chlorella vulgaris Beijer	15.49

ВЫВОДЫ

В настоящее время стоит вопрос о разработке безотходных и малоотходных, экологически чистых технологий утилизации отходов бурения (бурового шлама) на основе физико-химических методов путем введения природных минеральных компонентов (сорбентов) с высокой сорбционной способностью по отношению к нефтепродуктам и тяжелым металлам.

Результаты исследований отходов бурения на углеводородной основе свидетельствуют о повышенном содержании нефтепродуктов и хлорид-ионов, что относятся к IV классу опасности и обладают острым токсическим воздействием на окружающую среду. Значимость этих исследований показывает актуальность экологической оценки отходов бурения для оптимального выбора их последующего захоронения.

Литература:

1. Тимофеева С. С. Техносферная безопасность Байкальского региона: состояние и проблемы. XXI век // Техносферная безопасность. 2018. Т. 3, № 4 (12), С. 75–90.
2. Рязанов А. Ю. Энциклопедия по буровым растворам. Летопись, Оренбург. 2015. 664 с.
3. Голубев Е. В., Соромотин А. В. Состав и свойства отходов бурения Западной Сибири // Мир науки, культуры, образования. 2010. № 6 (25), С. 319–320.
4. Гаевая Е. В., Богайчук Я. Э., Тарасова С. С., Захарова Е. В. Возможности утилизации отходов бурения при формировании почвоподобной среды // Изв. ВУЗ. Нефть и газ. 2017. № 2. С. 82–89.
5. Скипин Л. Н., Галямов А. А., Гаевая Е. В., Захарова Е. В. Техногенное воздействие шламовых амбаров на окружающую среду полуострова Ямал // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2014. № 11. С. 146–150.
6. Скипин Л. Н., Кустышева И. Н., Ваганов Ю. В., Суслов С. Л. Рекультивация нарушенных земель под нефтегазовыми объектами // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2015. № 4. С. 27–31.
7. Oluremi J. R., Osuolale O. M. Oil Contaminated Soil as Potential Applicable Material in Civil Engineering Construction // Journal of Environment and Earth Science. 2014. Vol. 4. no.10. pp. 87–100.
8. Oluremi J. R., Adewuyi A. P., Sanni A. A. Compaction Characteristics of Oil Contaminated Residual Soil // Journal of Engineering and Technology 2015. Vol. 6. no. 2. pp. 75–87.
9. Гилажов Е. Г., Сагинаев А. Т., Уразгалиева М. Д., Аронова А. А., Изгалиев С. А. Новый подход к утилизации нефтезагрязненной почвы // Теоретическая и прикладная экология. 2020. № 4. С. 185–191.
10. Вязовцева В. В., Сагинаев А. Т. Утилизация отходов бурения. Молодой Ученый, 2021, № 19 (361), С. 65–71.
11. Тарасова С. С., Быцко А. А., Друз Ю. П. Характеристика бурового раствора на углеводородной основе и ее влияние на свойства шлама // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе». 2018. С. 326–329.
12. Гаевая Е. В., Богайчук Ю. Е., Тарасова С. С., Скипин Л. Н., Захарова Е. В. Утилизация бурового шлама с выемкой грунта для рекультивации нарушенных почв // IOP Conf.: серия Науки о Земле и окружающей среде. 2017. 87, 042003.
13. Скипин Л. Н., Петухова В. С., Еремин Д. И. Влияние мелиорантов на гранулометрический состав бурового раствора // Сборник докладов XVIII Международной научно-практической конференции: в 3-х томах, 2016. С. 154–160.