CC BY
242
УДК 622.24
Перспективы развития технологий утилизации буровых отходов в нефтегазодобывающем комплексе
Н.Б. Пыстина1, А.В. Баранов1, Б.О. Будников1*, Е.Э. Куприна2, А. Народицкис3, И.Н. Зинкевич3, А.И. Бабийчук3
1 ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 142717, Российская Федерация, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый проезд № 5537, владение 15, стр. 1
2 НИУ ИТМО, Российская Федерация, 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49
3 ООО «НПО «СПб ЭК», Российская Федерация, 196603, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Парковая, д. 56, лит. А.
* E-mail: [email protected]
Тезисы. В статье содержится анализ преимуществ и недостатков технологий утилизации буровых отходов, применяемых в настоящее время на месторождениях нефти и газа. Указано на необходимость создания новых подходов при малых объемах бурения, в частности, разведочных скважин. Предложены технологии утилизации жидкой фазы отходов бурения электрохимическим методом и производства компактированного бурового шлама, применяемого для дорожного строительства и других целей.
«Генеральная схема обращения с отходами производства и потребления для объектов ПАО «Газпром», расположенных в различных регионах России» определяет приоритетные направления развития деятельности в области обращения с отходами: переход на их максимальное повторное использование, регенерацию и рециклинг.
Реализация поставленных задач в области обращения с отходами привела к тому, что за период 2012-2016 гг. объемы образования отходов в Группе Газпром уменьшились на 937 тыс. т, или на 18 % [1].
Стоит отметить, что по результатам анализа данных по обращению с отходами ПАО «Газпром» по всем видам деятельности существуют реальные возможности для дальнейшего совершенствования системы обращения с отходами и снижения доли отходов, направляемых на захоронение. При этом выбор конкретного варианта обращения с отходами следует осуществлять по результатам эколого-экономической оценки с учетом региональных и технологических особенностей производственных объектов, физико-химических свойств отходов, уровня развития региональной инфраструктуры по переработке и сбыту отходов.
В случае если утилизация отходов в дочерних обществах ПАО «Газпром» невозможна или нецелесообразна, отходы следует передавать специализированным организациям с целью их последующей утилизации. При образовании значительного количества отходов и отсутствии возможности (рынка сбыта) утилизации приоритетным направлением является их обезвреживание с целью уменьшения объема и класса опасности.
Это положение в полной мере относится к отходам бурения. В 2016 г. в обращении находилось 795,05 тыс. т буровых отходов, или 18 % отходов, образующихся в Группе Газпром. Из них специализированным организациям для использования и обезвреживания передан 71 %, использовано и обезврежено на предприятиях 16 %, направлено в объекты захоронения 10 %, в результате на конец отчетного года на предприятиях числилось 3 % отходов [1].
Необходимость разработки и внедрения технологий переработки отходов бурения обусловлена и тем, что в последнее время государство усиливает внимание к соблюдению предприятиями природоохранных требований, штрафы за нарушение которых в ближайшее время планируется поднять в десятки, сотни раз. Кроме того, с 2020 г. будет применяться коэффициент 25 за размещение отходов при превышении
Ключевые слова:
отходы бурения,
буровые
сточные воды,
буровой шлам,
электрохимическая
обработка,
компактирование.
Таблица 1
Варианты обращения с отходами бурения
Технологии Преимущества Недостатки
Закачка минерализованных жидких отходов бурения в поглощающие скважины Отсутствие миграции буровых отходов. Отсутствие наземных сооружений и, соответственно, низкая материалоемкость. Незначительная площадь нарушаемых земель Высокие эксплуатационные затраты при строительстве и оборудовании скважин
Термическое обезвреживание буровых отходов без разделения жидкой и твердой фаз (например, установка УТД-2-800) Отсутствие необходимости разделения твердых и жидких отходов бурения. Обезвреживание отходов бурения, загрязненных углеводородами. Отсутствие отходов. Получение полезного вторичного продукта Высокая потребность в топливе
Термическое обезвреживание отработанных буровых растворов (например, установки КТО) Обезвреживание отходов бурения, загрязненных углеводородами. Отсутствие отходов. Получение полезного вторичного продукта Предварительное разделение твердой и жидкой фаз отходов бурения. Высокая потребность в топливе
Захоронение бурового шлама в картах (амбарах) с последующей рекультивацией Нет Максимальные площади нарушенных земель. Риск загрязнения грунтовых вод и почв
Обезвреживание бурового шлама с использованием сертифицированных гуминовых препаратов Относительно небольшие капитальные расходы и эксплуатационные затраты Высокий риск загрязнения грунтовых вод и почв
Переработка отходов бурения в инертный строительный материал на мобильной установке Кратчайшие сроки строительно-монтажных работ. Малогабаритность и мобильность установки. Минимальные эксплуатационные затраты. Минимальное воздействие на окружающую среду. Возможность регулирования производительности за счет подключения дополнительных модулей. Получение полезного вторичного продукта Нет
объемов либо отсутствии разрешительных документов1.
На государственном уровне реализуется программа по определению мест захоронения отходов, в том числе и за предыдущие годы, с помощью космических исследований. На недропользователей планируется возложить обязанности по ликвидации расположенных на их лицензионных участках захоронений, без привязки к прошлым собственникам отходов.
В настоящее время существует множество технологий обращения с отходами бурения, основанных на различных физико-химических принципах (табл. 1).
Каждая технология имеет определенные преимущества и недостатки. Так, закачка в скважины сопровождается высокими эксплуатационными затратами. Технологии термического обезвреживания (сжигания)
См. Федеральный закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды» (ред. от 29.07.2017).
и захоронения малоперспективны в связи с ужесточением требований природоохранного законодательства. Обезвреживание биологическими методами, например с помощью гуминовых препаратов, не всегда возможно по природно-климатическим условиям и содержит риски вторичного загрязнения. Таким образом, наиболее перспективным следует считать переработку отходов бурения в инертный материал.
При этом направление утилизации отходов бурения в значительной степени определяется объемами и периодичностью их образования, а следовательно, характером буровых работ. При обустройстве месторождений, где ведется строительство десятков и сотен скважин, экономически целесообразно применение крупных специализированных объектов по обращению с буровыми отходами. Например, на Бованенковском НГКМ используется схема, включающая транспортировку отработанных буровых растворов и буровых сточных
вод в цех нейтрализации на обезвреживание. Полученная осветленная вода используется для приготовления нового бурового раствора, излишки которого направляются на канализационные очистные сооружения для закачки в поглощающие скважины. Извлеченная при обезвреживании твердая фаза (пульпа) вывозится спецавтотранспортом на полигон твердых бытовых и промышленных отходов.
Иные подходы требуются при бурении одиночных скважин (например, при разведочном бурении). Такие работы ведет ООО «Газпром геологоразведка» на лицензионных участках в Ямало-Ненецком автономном округе, Республике Саха (Якутия), Красноярском крае, Иркутской области, на шельфе Охотского, Карского и Баренцева морей.
Учитывая небольшие объемы образования отходов, наиболее оптимальным вариантом обезвреживания буровых отходов с экономической точки зрения является технология очистки на мобильной установке, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими.
В настоящее время уже существуют разработки, в которых сделана попытка совместить переработку твердой и жидкой фаз отходов бурения в мобильной установке. В частности, к ним относится установка СУПО-1М (НТЦ «Технологии XXI века») [2]. Однако указанная установка осуществляет совместную обработку (отверждение) твердой и жидкой фаз. В связи с этим технология обладает крайне высоким потреблением материалов на обезвреживание и электроэнергии. Так, на переработку 1,5 тыс. т буровых отходов (среднее количество отходов на одну скважину) требуется такое же количество дизельного топлива или газоконденсата, 200 т высокомарочного цемента, что в условиях удаленного размещения объекта
приводит к резкому росту стоимости строительства скважин.
Исследования показывают, что вышеуказанных недостатков можно избежать, создав установку, предусматривающую разделение твердой и жидкой фаз с целью их дальнейшей обработки. При этом буровые сточные воды очищаются до технологических показателей, позволяющих их повторное использование для приготовления буровых растворов, что ведет к снижению объемов материалов (по приблизительным оценкам, до 80 %) и электроэнергии, необходимых для обработки буровых отходов. Твердая фаза применяется для производства полезного продукта - компактированного шлама, который планируется для применения в дорожном строительстве, отсыпке площадок, благоустройстве территорий и т.п.
При внедрении установки исключен этап размещения буровых отходов на полигонах. Таким образом, переработка отходов бурения, а не их размещение, позволит значительно снизить воздействие на окружающую среду, сократить срок получения разрешительной документации с 225 дней при амбарном способе бурения до 45-90 дней при безамбарном.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1, элементы конструкции - на рис. 2.
Как видно из рисунков, установка должна иметь возможность осуществлять разделение и последующую одновременную утилизацию твердой и жидкой фракций различных по составу буровых отходов наземных и морских нефтегазовых месторождений.
Принципиальная технологическая схема блока электрохимической обработки жидкой фазы приведена на рис. 3.
Предлагаемая схема включает в себя последовательно соединенные электрохимический
Рис. 1. Принципиальная схема мобильной установки переработки отходов бурения
Рис. 2. Элементы конструкции установки утилизации буровых отходов
Рис. 3. Технологическая схема установки очистки буровых растворов и буровых сточных вод электрохимическим способом
флотатор-деструктор каскадной конструкции (электролизер), друк-фильтр и фильтр-пресс.
Данная компоновка позволяет оперативно менять условия очистки и максимально быстро перенастраивать установку применительно к изменяющемуся составу очищаемых вод. Включение в состав установки нанофильтра обеспечивает промывной водой фильтр-пресс, что позволяет получить воду с высокой степенью очистки.
Исходные воды подаются на очистку в электролизер по трубопроводу, на котором установлены диафрагма для контроля расхода и регулирующая расход запорная арматура. Конструкция флотатора-деструктора обеспечивает протекание очищаемого раствора через анодную массу из графитового боя, где происходит окисление нефтепродуктов, достигается флотационный эффект и нарабатывается гипохлорит в количестве, достаточном для подавления сульфат редуцирующих бактерий. Переток в каскаде организован таким образом, чтобы контакт очищаемого раствора
был максимальным для анодного пространства, в котором нарабатывается гипохлорит натрия и происходит деструкция органических соединений.
Электролизер снабжен принудительной вентиляцией для отвода образующихся газов -преимущественно водорода и хлора.
Отходящие из электролизера газы поступают в скруббер, где идет массообменный процесс: хлор поглощается водой, а водород выбрасывается в атмосферу. На выходящем из скруббера трубопроводе установлены датчики хлора и водорода.
Флотатор-деструктор подключен к системе удаления флотационной пены через электромагнитные нормально закрытые клапаны к вакуумному монтежю. По заданной программе (по сигналу от датчика пены или по таймеру) клапаны открываются, и флотационная пена вместе с загрязнениями засасывается в мон-тежю, трубопровод на скруббере при этом одновременно перекрывается. После заполнения монтежю при срабатывании датчика уровня
включается насос, которым раствор выкачивается на фильтрацию в друк-фильтр.
В монтежю поддерживается остаточное давление при помощи подключенного вакуум-насоса, на трубопроводе от монтежю до вакуум-насоса установлен конденсатоотвод-чик для удаления избыточной влаги.
После электролизера вода подается в друк-фильтр, на трубопроводе после электролизера установлены датчики рН и активного хлора. При отклонении от установленных параметров контроллер на щите управления посылает сигнал на исполнительный механизм запорной арматуры на трубопроводе о подаче исходной воды в электролизер или об изменении выходного напряжения на блоке питания электролизера.
Контроль расхода воды после друк-фильтра и фильтр-пресса осуществляется электромагнитными расходомерами. Для увеличения движущей силы процесса фильтрации после фильтров установлены насосы, запуск насосов возможен как по месту, так и со щита управления. Последовательная, трехступенчатая схема фильтрации растворов, прошедших электрохимическую обработку, позволяет эффективно обрабатывать растворы переменного состава. Так, при низком содержании загрязнений финишная фильтрация может завершаться на друк-фильтре. При повышении концентрации мелкодисперсных загрязнений последовательно вводится в процесс финишной обработки фильтр-пресс. Его промывка осуществляется чистой водой, получаемой на нано-фильтре тангенциальной конструкции. Подача промывной воды на фильтр-пресс выполняется насосом, запуск возможен как по месту, так и со щита управления.
Шламы из фильтр-пресса утилизируются вместе с твердыми отходами грубой механической очистки. Фильтрующий материал друк-фильтра также утилизируется с твердыми отходами грубой механической очистки.
Технологическая схема переработки бурового шлама включает следующее оборудование (рис. 4):
• блок приготовления препарата, включающий растариватель «биг бэгов», полиэтиленовых мешков, или бункер/силос объемом не менее 30 т для хранения негашеной извести, транспортеры, дозирующие устройства;
• блок предварительной обработки буровых отходов, в том числе их обезвоживание, очистку и подачу в реактор-смеситель, включающий специальные дренажные и шламовые насосы, экскаватор со сменным оборудованием, бункер-питатель, парогенератор (при необходимости), шламоизмельчитель, шнековый конвейер, магнитный сепаратор для извлечения металлических предметов;
• блок компактирования, включающий реактор-смеситель, бак для воды, дозаторы извести, модификатора, воды, ленточный транспортер для выгрузки готового продукта утилизации буровых отходов на склад.
Опытно-промышленный макет установки успешно прошел межведомственные приемочные испытания.
Для испытаний установки были приготовлены модельные отработанные буровые растворы объемом 1 м3 следующего состава:
• дизельное топливо - 200 мг/л;
• ОП.10 - 3 мг/л;
• №С1 - 50 г/л;
• №2С03 - 2 г/л;
• бентонитовая глина - 1 г/л;
• мраморная крошка - 4 г/л;
• карбоксиметилцеллюлоза - 1 г/л.
Буровой раствор для эмульгирования компонентов готовился в реакторе с мешалкой со скоростью вращения 500 об./мин, после чего он образовывал устойчивую эмульсию. Расход раствора составил 5-7 м3/ч, энергозатраты - 13 коп./м3.
Образцы отработанного бурового раствора до очистки, после электролизера и на выходе
Буровые отходы
Известь Модификатор
Блок предварительной обработки Блок приготовления препарата
1 Буровой раствор Препарат
Буровой ^ Блок
шлам компактирования
Компактированный буровой шлам
Рис. 4. Принципиальная технологическая схема обработки бурового шлама
Таблица 2
Свойства очищенных буровых растворов при различных параметрах работы установки
№ образца Время работы установки (полное), мин Напряжение, В Сила тока, А Удельное энергопотребление, кВтч/м3 рН ЕЙ, мВ Са.х., мг/л Концентрация примесей, мг/л
нефти минералов
1 4 34 900 0,8 12 -200 25 22,0 3,8
2 12 17 800 0,3 12 -210 34 12,0 2,5
установки были направлены на анализ в аккредитованную лабораторию. Свойства образцов и их фотоснимки представлены в табл. 2 и на рис. 5.
Результат свидетельствует о соответствии качества очищенного образца № 2 требованиям к оборудованию по степени очистки.
Испытания блока очистки жидкой фазы буровых отходов установки показали следующие преимущества:
• низкое энергопотребление (0,050,5 кВтч/м3) в зависимости от солености воды, что соответствует лучшим зарубежным аналогам;
• низкая установочная мощность, не более 20 кВт.
• универсальность: установка пригодна как для доочистки отработанных буровых растворов после стадии их грубой очистки, так и для очистки буровых сточных вод;
• мобильность за счет контейнерного варианта исполнения;
• безреагентность (реагенты синтезируются при электролизе, в аналогах используются ПАВ, флокулянты, коагулянты);
• высокая производительность (1 модуль - 10-35 м3/ч). Возможность регулирования производительности путем набора модулей;
• простота эксплуатации и обслуживания, отсутствие расходных материалов
Рис. 5. Образцы отработанного бурового раствора, слева направо: до чистки, после электролизера и на выходе установки
(технологическая остановка на текущий ремонт - один раз в месяц);
• компактность: объем размещения одного модуля опытного образца - не более 5500x2000x2000 мм, соответствующий 20-футовому контейнеру, масса одного модуля -не более 500 кг;
• малокомпонентность: модуль установки состоит из двух электролизеров, фильтров грубой и тонкой очистки, выпрямителя и насосов, пульта управления, датчиков контроля параметров водной и газовой среды;
• дешевизна оборудования;
• простота эксплуатации и обслуживания, отсутствие расходных материалов (технологическая остановка - один раз в месяц);
• отсутствие зависимости от зарубежного рынка.
Таким образом, очищенные данным способом буровые растворы при повторном использовании будут обеспечивать коррозионную устойчивость и устойчивость к солеотложению бурового оборудования и трубопроводов, что исключает необходимость обработки последних ингибиторами коррозии и солеотложений.
В целом предлагаемая авторами установка позволяет создавать передвижные участки переработки, не требующие строительства специальных сооружений. Предполагается ее размещение на автомобильном транспорте, а для морских месторождений - на плавучих буровых установках и стационарных морских платформах.
Особо следует отметить комплексность и универсальность оборудования, позволяющего осуществлять разделение и последующую одновременную утилизацию твердой и жидкой фракций различных по составу буровых отходов наземных и морских нефтегазовых месторождений.
Экономический эффект применения одной мобильной установки достигается за счет:
• увеличения кратности повторного использования воды для приготовления буровых растворов, полученной в результате очистки
отработанных буровых растворов, что приведет к снижению затрат на их утилизацию;
• исключения платы за размещение бурового шлама;
• производства капсулированного материала, применяемого:
- в строительстве внутрипромысловых дорог, площадок для стоянок техники;
- пересыпке и профилировании полигонов твердых бытовых отходов;
- обустройстве кустовых площадок буровых;
- рекультивации шламовых амбаров ранее пробуренных скважин.
При успешной апробации данная технология может быть рекомендована для включения в информационно-технические справочники по наилучшим доступным технологиям в раздел «Перспективные технологии» при их актуализации.
***
Предлагаемая технология основана на комплексном подходе, позволяющем осуществлять разделение и последующую одновременную утилизацию твердой и жидкой фракций различных по составу буровых отходов. При этом обеспечивается повторное использование буровых сточных вод и производство полезного продукта (компактированного бурового шлама). Технология наиболее эффективна при бурении одиночных скважин (например, при разведочном бурении).
Список литературы
1. Внутренняя сила: экологический отчет ПАО «Газпром» за 2016 год. -http://www.gazprom.rU/f/posts/36/607118/ gazprom-ecology-report-2016-ru.pdf
2. Переработка и утилизация буровых шламов и отходов бурения с использованием технологического комплекса СУПО-1М. -http://imm-tech.ru
Outlooks for development of recovery techniques for drilling wastes in oil-gas production
N.B. Pystina1, A.V. Baranov1, B.O. Budnikov1*, Ye.E. Kuprina2, A. Naroditskis3, I.N. Zinkevich3, A.I. Babiychuk3
1 Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd # 5537, Razvilka village, Leninsky district, Moscow Region, 142717, Russian Federation
2 ITMO University, Bld. 49, Kronverkskiy proezd, St. Petersburg, 197101, Russian Federation
3 Saint Petersburg Electrotechnical Company (SPBEC), Bld. 56A, Parkovaya street, Pushkin, St. Petersburg, 196603, Russian Federation
* E-mail: [email protected]
Keywords: wastes of drilling, drilling sewage, drilling mud, electrochemical machining, densing.
Abstract. The paper analyses advantages and disadvantages of drilling waste recovery technologies used nowadays at the oil and gas fields. Necessity of fresh approaches to waste recovery at small amounts of drilling is stressed in particular in regard to drilling of test holes. The electrochemical methods for recovery of the liquid phase of drilling wastes are suggested, as well as techniques of the densed drilling mud production for road building and other purposes.
References
1. GAZPROM PJSC. Internal power [Vnutrennyaya sila]: ecological report for 2016 [online]. Available from: http://www.gazprom.ru/f/posts/13/830510/gazprom-ecology-report-2016-ru.pdf. (Russ.).
2. Reprocessing and recovery of drilling muds and wastes using SUPO-1M technological complex [Pererabotka i utilizatsiya burovykh shlamov i otkhodov bureniya s ispolzovaniyem tekhnologicheskogo kompleksa SUPO-1M] [online]. Available from: http://imm-tech.ru. (Russ.).
