Переработка и утилизация бурового шлама

Процесс образования буровых растворов и сточных вод

Рациональное природопользование и устойчивое развитие при освоении и разработке месторождений нефти и газа должны базироваться на современных малоотходных технологиях переработки, особенно на территориях с ограниченным режимом природопользования. Традиционно переработка отходов бурения предполагает решение задачи их утилизации после окончания процесса бурения скважин, когда на территории бурения накоплен максимальный объем отходов. В итоге в накопителях формируется крупнотоннажный промышленный отход — буровой шлам.

В ходе добычи нефти и газа шламонакопители наполняются буровыми растворами, сточной водой и нефтешламом, пластовыми водами, отработанными растворами химических реагентов, ГСМ, ливневыми стоками и ТБО, требующими переработки. По открытой информации АО «Когалымнефтегаз» в ходе бурении скважины глубиной 2550 м в накопителе шлама формируется порядка 64% сточных вод, 31% бурового шлама, 5,4% нефтепродуктов, 0,55% бентонита и 0,55% химических добавок, необходимых для эффективной работы установки бурения.

Буровые шламы причиняют значительный вред окружающей среде. Размывая обваловки накопителей шлама, они выносят на рельеф нефтепродукты, образуя нефтяные разливы, и, впитываясь в грунт, поступают в источники водоснабжения, вызывая близлежащей территории солевые загрязнения.

Отработанные буровые растворы включают в себя органические и неорганические соединения, имеющие высокий класс опасности, что не позволяет сбрасывать их в водные объекты без переработки либо повторно использовать в технологическом процессе. Жидкая фаза буровых шламов включает выработанную породу, бентонит, диспергированные нефтепродукты, высокомолекулярные вещества (ВМС), парафинонафтеновые углеводороды, асфальтены, смолы, ароматические углеводороды, растворы солей.

Качественный и количественный состав буровых шламов не постоянен, зависит от технологии бурения скважин и их глубины. Что характеризует физико-химические свойства отходов бурения. Согласно СанПиН 2.1.3684-21 «Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению» не разрешаются к сбросу в водоемы и на рельеф местности жидкие и твердые отходы бурения, формирующиеся на буровых площадках. Сточную воду разрешается сбрасывать в водоемы после переработки на очистных сооружений согласно требованиями СанПиН и региональных ПДК загрязняющих веществ в воде.

Сточные воды нефтепромыслов сегодня не имеют достаточно эффективной и нормативно закрепленной технологии переработки и утилизации. Очистка сточных вод нефтепромыслов сводится к частичному удалению нефтепродуктов и дисперсных веществ с дальнейшей закачкой в подземные пласты с целью создания равновесного давления в горизонтах. Внедрение данной технологии переработки имеет ограничения по горно-геологическим и организационно-техническим обстоятельствам. Повторное использование технической воды, получаемой при очистке буровых растворов в ходе их переработки, несколько уменьшает объемы сброса, но не решает проблему окончательно.

Большие объемы грубоочищенных сточных вод сбрасываются на рельеф и поступают в водные объекты. Особенно тяжелая ситуация с буровыми отходами складывается на Крайнем Севере, поскольку естественные окислительные процессы в экосистеме затруднены из-за слабого насыщения водоемов кислородом воздуха. Практика переработки буровых отходов включает технологии механической фильтрации, химического окисления, физико-химическиой и биологической очистки — практически все НДТ утилизации буровых шламов. Задача осложняется большим разнообразием состава и свойств буровых шламов и условий природно-климатического и ландшафтного характера.

Технологии утилизации буровых сточных вод

Основная задача по уменьшению негативного воздействия нефтепромысловой отрасли на акваторию России — максимальное снижение водопотребления на основе внедрения замкнутого водооборота с повторным использованием очищенной воды: минимизируется забор природной воды для обеспечения технологических нужд предприятия и практически полностью исключается сброс сточных вод, не соответствующих требованиям ПДК.

Технологии утилизации и переработки буровых шламов развивается по следующим направлениям:

• Применение вакуум-выпарных установок с дальнейшим перекачивание очищенной воды в пласт. Выпаривание крупнотоннажных объемов бурового шлама является крайне энергозатратным и экономически неэффективным.

• Реагентная коагуляция с последующим фильтрованием или центрифугированием, после чего очищенная вода закачивается в скважины, используется для приготовления буровых растворов, сбрасывается на поверхность. В настоящее время это основной способ комплексной переработки жидкой фазы, при этом частично извлекаются нефть и взвешенные вещества. В очищенных таким способом водах содержание растворимых солей достигает 20-25 г/дм³, также высокие остаточные концентрации нефтепродуктов, тяжелых металлов, взвешенных и поверхностно-активных веществ.

Традиционная технология оборотного водоснабжения на буровых площадках, когда в состав очистных сооружений по переработке буровых сточных вод входит блок гидроциклонов, электрофлотатор, реактор с перемешивающими устройствами и осветлительные фильтры ФОВ. Осветленная вода возвращается в блок заготовки буровых растворов. Недостаток технологии — не обеспечивается различный солевой состава очищенной воды для различных рецептур буровых растворов и разных глубин бурения. Соответственно на приготовление свежего бурового раствора поступает лишь часть очищенной воды, а остальная вода поступает на сброс.

Представленные выше комбинирования методов очистки сточных вод не дают достичь высокой эффективности переработки буровых шламов. Поэтому сегодня мы имеем дело с крайне низкоэффективными и неэкономичными процессами переработки бурового раствора, несущими значительный экологический ущерб.

Видео.1. Работа пилотной установки — электрофлотатор и реактор с дозированием коагулянта и флокулянта на очистных сооружениях полигона ТБО

В ходе проектирования комбинированной технологии переработки бурового шлама решены следующие главные вопросы:

• Значительное уменьшения площади под захоронение отходов;

• Очистка жидкой фазы до уровня требований, ПДКрх;

• Концентрирование выделенных загрязняющих соединений;

• Увеличение рентабельности очистных сооружений очистки буровых сточных вод.

Инженерами ГК «Транснациональный Экологический Проект» была предложена схема переработки бурового раствора на базе обратноосмотического обессоливания. Полученная в результате обессоливания чистая вода может как направляться на сброс в поверхностный водоем, так и использоваться в технических целях. Образующийся обратноосмотический концентрат, с целью уменьшения объема, подается на вакуум-выпарную установку. Упаренный концентрат представляет собой твердый промышленный отход бурового шлама.

Объектом пилотных испытаний служила жидкая фаза бурового шлама, образовавшегося при эксплуатации нефтедобывающих скважин в Тюменской области. Сточные воды подвергались осветлению по технологии на основе коагуляции и электрофлотации, которая представляет собой последовательность следующих операций:

• Всплытие дисперсных веществ и извлечение эмульгированных нефтепродуктов с поверхности водного зеркала.

• Удаление нефтешлама с поверхности жидкой фракции бурового раствора.

• Коагуляция с использованием сульфата алюминия.

• Образовавшийся флотошлам подается на обезвреживание на камерный фильтр-пресс для дальнейшего захоронения с твердой фракцией бурового шлама.

Состав бурового раствора после осветлительных фильтров ФОВ

Показатель	Значение показателя
	Буровой раствор после осветлительных фильтров ФОВ	Фильтрат установки микрофильтрации	Пермеат ОО	Ретентат ОО	Выпаренный концентрат
pH	3,6-4,5	3,6-4,5	3,3-3,6 (7,4-7,6*)	4,1-4,6	3,8-4,3
Электропроводность, мСм/см	18-28	18-28	0,2-0,4	75,4-83,2	112-114
Общая минерализация, мг/л	11000	11000	220-325	48500	76400
Мутность, NTU	3,1-6,1	0,05-0,1	—	—	—
Нефтепродукты, мг/л	1,2	≤0,05	—	0,2	0,06
Сульфаты	800	800	8	4000	6400
Хлориды	4500	4500	97,5	19000	31000
Кальций	220	220	1,4	31	55

        * — после кондиционирования

Блочно-модульная система переработки и утилизации бурового шлама:

Структурная схема комплекса переработки буровых шламов: 1 — осветленная жидкая фракция бурового шлама из электрофлотатора; 2 — осветленная вода; 3 — фильтрат микрофильтров; 4 — пермеат; 5 — обезвреженная вода на сброс в водоем; 6 — концентрат обратноосмотический; 7 — кристаллический концентрат на захоронение совместно с твердой фазой бурового шлама.

Первая ступень фильтрования — тонкая очистка осветленной воды от флотошлама из электрофлотатора. Конструктивно первая ступень фильтрации является группой параллельно включенных напорных фильтров ФОВ с загрузкой из фильтрующего материала АС/МС.

Установка микрофильтрации — очистка осветленной воды от мелкодисперсных и коллоидных примесей.

Установка обратного осмоса — предназначен для глубокого обессоливания фильтрата микрофильтров. Обессоливание осуществляется на мембранных элементах Toray (селективность до 99,8%) по двухступенчатой схеме. В результате обессоливания происходит разделение раствора на пермеат, который можно сбрасывать в водоем либо использовать в технологических целях, и концентрат с высоким солесодержанием. Степень концентрирования до 85%.

Модуль термического концентрирования — предназначен для выпаривания под вакуумом солевого концентрата, поступающего с установки обратного осмоса.

Модуль корректировки кислотности (кондиционирования) — обеспечивает поддержание водородного показателя обессоленной воды (пермеата) в пределах pH 6,8-8,0. Модуль представляет собой засыпные фильтры, загруженные кальцитом. Подключается когда pH обратноосмотического фильтрата снижается до 6,8 и он подается на сброс в водный объект. Во время подачи воды на фильтры ФОВ происходит взаимодействие избыточной кислоты с кальцитовой загрузкой, в результате значение pH повышается до требуемого уровня.