CC BY
55
УДК 622.244.49
М.Ю.МЕРЗЛЯКОВ, студент, [email protected] М.В.ТУРИЦЫНА, аспирантка, [email protected] А.А.ЯКОВЛЕВ, д-р техн. наук, профессор, [email protected] Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
M.Yu.MERZLYAKOV, student, [email protected] M.V.TURITSYNA,post-graduate student, [email protected] A.A.YAKOVLEV, Dr. in eng. sc.,professor, [email protected] National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ ПРИ ВСКРЫТИИ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ
Рассмотрен метод выбора пенообразующего раствора, обладающего наименьшим вредным воздействием на окружающую среду, с оптимальными технологическими характеристиками. Описаны исследования по определению технологических свойств газожидкостных смесей. Предложенная методика позволяет выбрать наиболее приемлемые газожидкостные смеси для использования их в бурении гидрогеологических скважин.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, предельно допустимая концентрация, газожидкостные смеси.
ECOLOGICAL SAFETY OF APPLYING GAS-LIQUID MIXTURES
IN AQUIFERS DISCLOSURE
Selection method of froth generating solution with minimal harmful environment effect and the best technological characteristics was considered. Determining of gas-liquid mixtures characteristics research was described. Suggested solution allows to select most suitable gas-fluid mixtures for hydrogeological well-boring.
Keywords: surface-active substances, maximum permissible concentration, gas-liquid mixtures.
При бурении скважин на воду эффективно применяются газожидкостные смеси (ГЖС) при вскрытии пористых и трещиноватых пород. Используемые для этой цели поверхностно-активные вещества (ПАВ) должны быть биологически нестойкими и не вызывать загрязнения продуктивного горизонта при последующем эффективном его освоении (ГН 2.1.5.1315-03). При выборе и разработке составов промывочных смесей для вскрытия водоносных горизонтов учитывается экологический фактор, соблюдение которого позволило бы свести к минимуму опасность загрязнения подземных и поверхностных вод.
В качестве одного из показателей, характеризующих экологическую безвредность,
используют оценку биоразлагаемости вещества, в связи с которой все ПАВ разделяются на жесткие (биоразлагаемые до 80 %), промежуточные (биоразлагаемые на 80-90 %, но только до органических соединений) и мягкие (полностью биоразлагаемые). Использование бионеразлагаемых веществ необходимо полностью исключать и применять наименее токсичные для бурового персонала пенообразователи и стабилизаторы с наименьшей их концентрацией в растворе [2].
При учете вредного влияния химических веществ на здоровье человека пользуются характеристикой предельно допустимых концентраций (ПДК). С целью получения экологически чистых газожидкостных смесей были исследованы ПАВ: сульфонол НП-3, линей-103
Санкт-Петербург. 2013
ный алкилбензолсульфат (ЛАБС) натрия, лаурилсульфат натрия, ОП-7. Данные для этих веществ согласно ГН 2.1.5.1315-03 и научной литературе [3] приведены в табл.1.
Таблица 1
Экологические характеристики применяемых ПАВ
Вещество ПДК, мг/л Биоразлагае-мость веществ Класс опасности
Сульфонол НП-3 0,5 Мягкие 3
ЛАБС натрия 0,4 Средние 3
Лаурилсульфат 0,5 Мягкие 4
натрия
ОП-7 0,1 Жесткие 4
Если в воде содержатся два или более веществ, то сумма отношений концентраций
каждого из них (С1, С2 вующим ПДК
... СП) к соответст-
С
С 2
ПДК, ПДК 2
■ +... + -
Сп
ПДК п
■< 1,
(1)
где С\...С„ - концентрации п веществ, обнаруживаемые в воде водного объекта; ПДК1...ПДКп - ПДК тех же веществ.
В рассматриваемых смесях данное неравенство из-за большой концентрации ПАВ для рассматриваемых условий не может быть соблюдено, однако с учетом этого фактора необходимо выбрать наименьшие значения, чтобы снизить риск возможного загрязнения водоносного горизонта в процессе бурения с использованием выбранных веществ:
С,
• + ■
С2
ПДК 1 ПДК
- +... + ■
ПДК
^ min . (2)
Для выбора поверхностно-активных веществ, учитывающих как экологическую безопасность, так и технологические параметры получаемых растворов, были проведены исследования по определению кинетики разрушения газожидкостных смесей. Анализ полученных экспериментальных данных позволил из всех рассматриваемых растворов ПАВ выявить те, которые обладают наибольшей пенообразующей способностью и стабильностью получаемой пены (рис.1).
104
Расчетные и измеренные показатели исследованных растворов поверхностно-активных веществ, обладающих наилучшими технологическими качествами и наименьшими показателями по ПДК, представлены в табл.2.
Для дальнейших исследований с добавлением в состав раствора органических полимеров для увеличения стабильности пены и реагента для повышения структуры смеси и роста ее несущей способности был выбран раствор ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,05 %. Данный раствор обладает хорошей пенообразую-щей способностью, стабильностью получаемой пены, относительно низким значением ПДК и небольшим расходом ПАВ для его приготовления. Чтобы получить стабильные газожидкостные промывочные смеси, в состав пенообразующего раствора необходимо ввести стабилизаторы и струк-турообразователи. Используемые в работе биополимеры (карбоксилметил целлюлоза (КМЦ), карбоксилметилированный крахмал (КМК) и биополимер «КК-Робус») обладают сравнительно небольшим вредным воздействием на окружающую среду и относительно быстро подвергаются биоразложению. То же можно сказать и о реагенте для регулирования вязкости системы, в качестве которого выбран глицерин.
Для растворов на основе раствора ПАВ (вода + ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,05 %), также включающих в свой состав органические полимеры-стабилизаторы и регулятор вязкости, были проведены лабораторные исследования по изучению технологических свойств газожидкостных смесей. В табл.3 представлены показатели смесей, с которыми был проведен весь комплекс планируемых измерений.
Данные, полученные путем экспериментальных исследований по изучению кинетики разрушения ГЖС, показали, что лучшей пенообразующей способностью обладают растворы, содержащие в своем составе биополимер «КК-Робус» различной концентрации. Также была замечена хорошая стабильность пены при увеличении содержания данного полимера в пенообразующем растворе.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.206
а
Й О И
л
300 600 900 1200 Время разрушения, с
б
90
д 70
1500 1800
50
30
300
600
900 1200 Время, с
1500 1800
♦ Лаурилсульфат натрия 0,1 % + сульфонол 0,2 % ■ Сульфонол 0,2 % + ЛАБС 0,1 % ▲ Сульфонол 0,2 % + ЛАБС 0,05 %
X Сульфонол 0,2 % + лаурилсульфат натрия 0,02 % + ЛАБС 0,02 % Д Лаурилсульфат натрия 0,2 %
О ЛАБС натрия 0,1 % + лаурилсульфат натрия 0,1 % Ж ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,1 % □ ЛАБС натрия 0,1 % + лаурилсульфат натрия 0,05 % О ЛАБС натрия 0,2 %
+ ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,05 %
Рис.1. Кинетика разрушения газожидкостных смесей, полученных на пресной воде для растворов, обладающих наилучшей пенообразующей способностью: а - пенообразующая способность растворов;
б - стабильность газожидкостных смесей
Таблица 2
Технологические и экологические характеристики растворов ПАВ
8
7
6
5
0
0
Раствор ПАВ Кратность ГЖС (начальная) Устойчивость ГЖС, с/см3 п с 3 I 4 х 10 "3 I=1ПДК г
Сульфонол 0,05 % + лаурилсульфат 0,02 % + ЛАБС натрия 0,02 % 6,44 12 1,45
ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,05 % 6,52 8 2,25
ЛАБС натрия 0,05 % + лаурилсульфат натрия 0,1% 7,34 2 3,25
Сульфонол 0,1 % + ЛАБС натрия 0,05 % 6,90 6 3,25
ЛАБС натрия 0,1 % + лаурилсульфат натрия 0,05 % 7,30 4 3,50
Таблица 3
Показатели газожидкостных смесей
Состав раствора Плотность раствора, кг/м3 Плотность ГЖС средняя на начало цикла, кг/м3 Плотность ГЖС средняя на конец цикла, кг/м3 Кратность начальная Кратность на конец измерения Газосодержание
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМК (0,5 %) 1010 200 246 9,13 7,24 0,80
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМК (1 %) 1017 214 256 8,53 6,96 0,79
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМК (2 %) 1019 236 274 7,65 6,45 0,77
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМЦ (0,5 %) 1013 214 259 8,50 6,85 0,79
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМЦ (1 %) 1013 233 272 7,75 6,48 0,77
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + КМЦ (2 %) 1018 364 390 4,60 4,23 0,64
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + «КК-Робус» (0,02 %) 1019 191 219 9,70 8,35 0,81
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + «КК-Робус» (0,05 %) 1015 194 212 9,50 8,60 0,81
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + «КК-Робус» (0,1 %) 1020 202 214 9,15 8,55 0,80
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + «КК-Робус» (0,05 %) + КМК (1 %) 1013 220 253 8,25 7,03 0,78
Раствор ПАВ + глицерин (1 %) + «КК-Робус» (0,05 %) + КМЦ (1 %) 1014 286 304 6,10 5,70 0,72
-105
Санкт-Петербург. 2013
10,00
9,00
¡,00
н о о
и &
7,00
6,00
5,00
4,00
200 400 600 800 1000 1200 Время разрушения, с
ф Глицерин (1%) Робус (0,02%)
—•—Глицерин (1%) Робус (0,05%)
—Д—Глицерин (1%) Робус (0,1%)
—I--Глицерин (1%)
КМК (0,5%)
—Д—Глицерин (1%) КМК (1%)
—□—Глицерин (1%) КМК (2%)
1400 1600 1800
—0—Глицерин (1%) Робус (0,05%) КМК (1%)
—Ж — Глицерин (1 %) КМЦ (0,5%)
—■—Глицерин (1%) КМЦ (1%)
—X — Глицерин (1 %) КМЦ (2%)
—О—Глицерин (1%) Робус (0,05%) КМЦ (1%)
Рис.2. Кинетика разрушения ГСЖ на основе водных растворов ПАВ, содержащих биополимеры и реагент,
регулирующий вязкость
0
Газожидкостные смеси с добавлением в них КМК также хорошо вспениваются, но достаточно быстро теряют стабильность. Хуже всех вспениваются растворы, приготовленные с использованием КМЦ, однако при увеличении концентрации биополимера наблюдается рост стабильности ГЖС. При добавлении «КК-Робус» (0,05 %) в состав раствора, в котором присутствует КМК (1 %), практически не отличается изменения пенообразующей способности раствора и стабильности пены. В растворе, содержащем КМЦ (1 %), данный биополимер при той же концентрации способствует снижению вспениваемости и повышению стабильности образуемой пены.
Таким образом, предложенная методика выбора пенообразующих растворов по результатам анализа технологических и экологических характеристик позволяет достаточно быстро и легко выбрать наиболее оптимальные пенообразующие растворы, которые могут быть использованы при бурении скважин на воду. Экспериментальными исследованиями установлено, что растворы, содержащие биополимер «КК-Робус», обладают высокой пенообразующей способностью и стабильностью получаемой пены в сравнении с другими изученными смесями.
Целью дальнейших исследований является разработка экологически чистых и технологически эффективных пенообразующих растворов для бурения и вскрытия водоносных горизонтов с газожидкостными промывочными смесями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бродов Г. С. Бурение и оборудование скважин на воду. СПб, 2006. 156 с.
2. Слюсарев Н.И. Технология и техника бурения геологоразведочных скважин с промывкой пеной / Н.И.Слюсарев, А.Е.Козловский, Ю.Н.Лоскутов. СПб, 1996. 179 с.
3. Шевердяев О.Н. Основы технологии поверхностно-активных веществ и синтетических моющих средств / О.Н.Шевердяев, П.С.Белов, А.М.Шкитов. М., 2001.
REFERENCES
1. Brodov G.S. Drilling of wells and equipment on the water. Saint Petersburg, 2006. 156 p.
2. Slyusarev N.I., Kozlovsky A.E., Loskutov Yu.N. Technology and technique of drilling exploration wells with washing suds. Saint Petersburg, 1996. 179 p.
3. Sheverdyaev O.N., Belov P.S., Shkitov A.M. Basics of surface-active substances and detergents. Moscow, 2001. 204 p.
106 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. T.206
