Екологічно безпечна технологія поводження з буровими відходами

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню науково-практичних завдань щодо комплексного екологічного вирішення проблеми поводження з відходами буріння, а саме буровим шламом, відпрацьованим буровим розчином, аналізу рівня техногенного навантаження в регіонах видобування нафти та газу. Серед багатьох технологічних схем, способів та методів утилізації відходів буріння повністю ефективної та екологічно безпечної технології не існує. Це пояснюється тим, що часто не враховуються геологічні та природно-кліматичні особливості територій та технологічні аспекти проведення робіт. Тому наукове обгрунтування, розроблення та впровадження найбільш оптимальної технологічної схеми утилізації бурових відходів з урахуванням індивідуальних параметрів та особливостей відходів є актуальною проблемою, на розвʼязання якої спрямовані дисертаційні дослідження. Метою роботи є розроблення та впровадження екологічно безпечної технології поводження з буровими відходами, а саме розділення бурового шламу в полі дії відцентрових сил на фази, за допомогою коагулянтів та флокулянтів з подальшим використанням отриманих фаз. Основними завданнями дисертаційних досліджень було аналізування впливу бурових відходів на навколишнє природне середовище та сучасні методи і технології поводження з ними; розроблення методики проведення експерименту та дослідження властивостей бурових відходів; оцінювання екологічної безпеки бурових відходів до та після розділення; встановлення ступеню осушення бурових відходів у центрифузі залежно від типу основи бурового розчину та його реологічних властивостей; обґрунтування інтенсифікації процесу розділення бурового шламу за допомогою додавання коагулянта та флокулянта; проведення математичного моделювання процесу розділення бурового шламу у полі дії відцентрових сил; удосконалення технологічної схеми екологічно безпечної технології утилізації бурових відходів; оцінка збитку за засмічення ґрунтової поверхні буровими відходами та еколого-економічної ефективності розробленої технології. Дисертаційна робота є завершеним дослідженням у науковому напрямку технології захисту навколишнього середовища. Основні положення, розробка та обґрунтування наукової новизни та практичного значення дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Основні результати роботи доповідались та опубліковані в матеріалах міжнародних та всеукраїнських конференцій та наукових виданнях. Із метою підвищення рівня екологічної безпеки нафтовидобувних територій та ефективності поводження з буровими відходами одержані такі нові наукові та практичні результати. Вперше розроблено науково-методичні основи хімічної інтенсифікації процесу очищення відпрацьованого бурового розчину з відділенням твердої фази на основі реологічних властивостей бурового розчину, що дозволило підвищити рівень екологічної безпеки досліджуваного процесу. Науково обґрунтовано та експериментально підтверджено залежність ступеня осушення бурового шламу у центрифузі від типу основи бурового розчину, що обумовлено різними реологічними властивостями глинистих матеріалів та вуглеводнів. З метою підвищення рівня екологічної безпеки утилізації окремих фаз бурових відходів встановлено закономірності розподілення хімічних елементів, зокрема важких металів, між рідкою та твердою фазами відпрацьованого бурового розчину та бурового шламу після розділення у центрифузі. Набули подальшого розвитку методичні засади еколого-технічних рішень щодо розділення бурових відходів у відцентровому полі та застосування центрифуг у комплексній схемі поводження з відходами, що дозволило знизити техногенне навантаження на навколишнє природне середовище від нафтовидобувної діяльності. Вдосконалено науково-методичний підхід до розрахунку екологоекономічних збитків від забруднення ґрунтової поверхні буровими відходами, що містять нафтові вуглеводні, на підставі результатів математичного моделювання геофільтрації нафти. Розроблено спосіб поводження з буровими відходами, що передбачає їх розділення у центрифузі чи декантері на рідку і тверду фази з метою роздільної утилізації одержаних фаз. Такий підхід є екологічно безпечним та економічно доцільним, оскільки рідка фаза відповідає нормативним показникам якості для повторного застосування під час приготування бурового розчину, а тверду фазу можна успішно утилізувати хімічним способом, що забезпечує зв'язування важких металів. Удосконалено технологічну схему розділення шламу, зокрема впроваджено одночасне застосування коагулянта та флокулянта з обґрунтуванням оптимальних доз під час підготовки бурового шламу до сепарації. Для максимально ефективного розділення бурових відходів на фази включено в технологічну схему сепарації шламу установку автоматичний блок керування температурою. Використання вертикального осушувача в технологічній схемі значно забезпечує зниження вологості шламу, що дозволяє підвищити ефективність розділення шламу на фази, з подальшим їх використанням як окремого ресурсу. Практична реалізація на базі ТОВ «Укрнафтозапчастина» запропонованих методичних підходів до підвищення ефективності роботи осушувача ОВШ-950 за рахунок застосування хімічної попередньої підготовки бурових відходів та визначення комплексу параметрів для аналізування ступеню екологічної безпеки твердої фази бурового шламу, одержаного на виході із центрифуги. У межах виконання дисертаційних досліджень одержано такі науково обґрунтовані результати. Розроблено методику експерименту, що передбачає дослідження властивостей бурових відходів до та після розділення, зокрема за показниками екологічної безпеки; встановлення закономірностей розділення відходів у центрифузі у разі інтенсифікації процесу хімічним коагулюванням та флокуванням. Запропоновано методи дослідження та показники оцінювання рівня екологічної безпеки бурових відходів до та після розділення. Запропоновано використовувати ступінь осушення твердої фази у центрифузі як показник ефективності інтенсифікації та параметрів робочого режиму осушувача. Розглянуто механізм коагулювання та флокування як методів інтенсифікації осадження зважених частинок та відповідно ефективності розділення шламу на тверду і рідку фази, та ступеня осушення твердої фази шламу. Показано результативність розділення бурових шламів, утворених у результаті буріння свердловин із застосуванням різних основ для бурових розчинів, на центрифузі, та осушення осаду в осушувачі ОВШ-950. Рівень вмісту небезпечних забруднювальних речовин (ферум, нікель, купрум, плюмбум, хром) у зразках бурового шламу до розділення на центрифузі та в одержаній твердій фазі відрізняється, зокрема прослідковується тенденція до концентрування важких металів у твердій фазі, проте їх концентрація знаходиться у межах нормативно допустимих значень. Коефіцієнт екологічної небезпеки твердої фази знаходиться у межах допустимого значення (К < 1), що дозволяє зробити висновок про ступінь екологічної небезпеки твердої фази на рівні прийнятного. Встановлено, що осушувач вертикальний ОВШ-950 забезпечує ступінь осушення бурового шламу залежно від типу бурового розчину, що використовувався, на рівні від 51 % до 82 % для IEP Witer II та глиняно-полімерної основи відповідно. Обґрунтовано взаємозв'язок вищого ступеня осушення для зразків на глиняно-полімерній основі з реологічними властивостями та показником водовіддачі. Встановлено оптимальні дози коагулянта та флокулянта; доведено, що додавання коагулянта алюміній сульфату на рівні 35 % мас. від частки механічних домішок та флокулянта хітозану на рівні 0,4 % мас. з підтриманням кислої реакції середовища (рН на рівні 5–5,5 од.) забезпечує ступінь осушення твердої фази до 95–98 %. Проведено математичне моделювання процесу розділення бурового шламу у полі дії відцентрових сил. Одержано залежності глибини проникнення нафти в ґрунті залежно від параметрів ґрунту, нафти та навколишнього середовища, зокрема визначальним є вологість та пористість ґрунту. Удосконалено технологічну схему екологічно безпечної технології утилізації бурових відходів за рахунок застосування високоефективної центрифуги ОВШ-950 для розділення бурових відходів та інтенсифікації процесу шляхом додавання оптимальних доз коагулянта алюміній сульфату та флокулянта хітозану. Проведено інженерний розрахунок основного обладнання центрифуги ОВШ-950 на основі енергетичних витрат, що дозволяє обґрунтувати доцільність та економічну ефективність її застосування у розробленій технологічній схемі. Оцінено еколого-економічний ефект від впровадження запропонованої технології захисту довкілля за рахунок економії на сплаті екологічного податку та збитку за засмічення ґрунтової поверхні буровими відходами, що становить 2 595,240 тис. грн. Розраховано еколого-економічну ефективність розробленої технології з урахуванням капітальних та поточних витрат на реалізацію проєкту, що складає 328,307 тис. грн.

The dissertation is devoted to solving scientific and practical problems of integrated environmental solutions to the problem of drilling waste management, namely drill cuttings, spent drilling mud, analysis of the level of technogenic load in oil and gas production regions. Among the many technological schemes, methods and techniques of drilling waste utilization, there is no fully effective and environmentally safe technology. This is because the geological and climatic features of the territories and technological aspects of the work are often not taken into account. Therefore, the scientific substantiation, development, and implementation of the most optimal technological scheme for the utilization of drilling waste, taking into account individual parameters and characteristics of the waste, is an urgent problem that the dissertation research is aimed at solving. The aim of the work is to develop and implement an environmentally friendly drilling waste management technology, namely the separation of drill cuttings into phases under centrifugal forces using coagulants and flocculants with the subsequent use of the resulting phases. The main objectives of the dissertation research were to analyze the impact of drill cuttings on the environment and modern methods and technologies for their management; to develop a methodology for conducting an experiment and studying the properties of drill cuttings; to assess the environmental safety of drill cuttings before and after separation; to establish the degree of dewatering of drill cuttings in a centrifuge depending on the type of drilling mud base and its rheological properties; substantiation of the intensification of the drill cuttings separation process by adding coagulant and flocculant; mathematical modeling of the drill cuttings separation process in the field of centrifugal forces; improvement of the technological scheme of environmentally safe drill cuttings utilization technology; assessment of damage for soil surface contamination by drill cuttings and environmental and economic efficiency of the developed technology. The thesis is a completed research in the scientific field of environmental protection technology. The main provisions, development and substantiation of the scientific novelty and practical significance of the dissertation were obtained by the author independently. The main results of the work were presented and published in the proceedings of international and national conferences and scientific journals. The following new scientific and practical results were obtained in order to improve the level of environmental safety of oil producing areas and the efficiency of drilling waste management. For the first time, the scientific and methodological bases of chemical intensification of the process of purification of spent drilling mud with the separation of the solid phase based on the rheological properties of the drilling mud were developed, which made it possible to increase the level of environmental safety of the studied process. The dependence of the degree of drill cuttings dewatering in a centrifuge on the type of drilling mud base has been scientifically substantiated and experimentally confirmed, which is due to the different rheological properties of clay materials and hydrocarbons. In order to increase the level of environmental safety of the utilization of certain phases of drilling waste, the regularities of the distribution of chemical elements, in particular heavy metals, between the liquid and solid phases of spent drilling mud and drill cuttings after separation in a centrifuge were established. The methodological foundations of environmental and technical solutions for separation of drilling waste in a centrifugal field and the use of centrifuges in a comprehensive waste management scheme were further developed, which made it possible to reduce the technogenic load on the environment from oil production activities. The scientific and methodological approach to calculating environmental and economic damage from soil surface contamination by drilling waste containing oil hydrocarbons based on the results of mathematical modeling of oil geofiltration was improved. A method of drilling waste management has been developed that involves separating drilling waste into liquid and solid phases in a centrifuge or decanter for separate utilization of the resulting phases. This approach is environmentally safe and economically feasible, since the liquid phase meets the regulatory quality indicators for reuse in the preparation of drilling mud, and the solid phase can be successfully utilized by chemical means that ensures the binding of heavy metals. The technological scheme of sludge separation was improved, in particular, the simultaneous use of coagulant and flocculant was introduced with justification of optimal doses during the preparation of drill cuttings for separation. To ensure the most efficient separation of drilling waste into phases, an automatic temperature control unit was included in the sludge separation process flow chart. The use of a vertical dehumidifier in the technological scheme significantly reduces the sludge moisture content, which allows to increase the efficiency of sludge separation into phases, with their subsequent use as a separate resource. Practical implementation on the basis of Ukrnaftozapchastyna LLC of the proposed methodological approaches to improving the efficiency of the Vertical sludge dryer VSD-950 dryer by applying chemical pretreatment of drilling waste and determining a set of parameters for analyzing the degree of environmental safety of the solid phase of drilling cuttings obtained at the outlet of the centrifuge. As part of the dissertation research, the following scientifically substantiated results were obtained. An experimental methodology has been developed that involves studying the properties of drilling waste before and after separation, in particular, according to environmental safety indicators; establishing the laws of waste separation in a centrifuge in the case of process intensification by chemical coagulation and flocculation. Methods of research and indicators for assessing the level of environmental safety of drilling waste before and after separation are proposed. It is proposed to use the degree of dewatering of the solid phase in the centrifuge as an indicator of the efficiency of intensification and the parameters of the operating mode of the drier. The mechanism of coagulation and flocculation as methods of intensifying the deposition of suspended particles and, accordingly, the efficiency of sludge separation into solid and liquid phases, and the degree of dewatering of the solid phase of the sludge are considered. The paper shows the effectiveness of separation of drill cuttings formed as a result of drilling wells using different bases for drilling fluids on a centrifuge and drying the sludge in the VSD-950 dehumidifier. The level of hazardous pollutants (ferrous, nickel, copper, plumbum, chromium) in the drill cuttings samples before separation by centrifuge and in the resulting solid phase differs, in particular, there is a tendency to concentrate heavy metals in the solid phase, but their concentration is within the limits of regulatory permissible values. The coefficient of environmental hazard of the solid phase is within the permissible value (K < 1), which allows us to conclude that the degree of environmental hazard of the solid phase is acceptable. It has been established that the vertical dehumidifier VSD-950 provides a degree of drilling sludge dewatering depending on the type of drilling mud used at the level of 51 % to 82 % for IEP Witer II and clay-polymer base, respectively. The relationship between the higher degree of dewatering for clay-polymer-based samples and rheological properties and water transfer rate was substantiated. The optimal doses of coagulant and flocculant were determined; it was proved that the addition of coagulant aluminum sulfate at the level of 35 % by weight of the proportion of mechanical impurities and flocculant chitosan at the level of 0.4 % by weight with the maintenance of an acid reaction of the medium (pH at the level of 5–5.5 units) provides a degree of dewatering of the solid phase up to 95–98 %. The mathematical modeling of the process of drill cuttings separation in the field of centrifugal forces is carried out. Dependences of the depth of oil penetration in the soil on the parameters of the soil, oil, and the environment were obtained, in particular, soil moisture and porosity. The technological scheme of environmentally friendly drilling waste utilization technology was improved by using a high-efficiency centrifuge VSD-950 for separation of drilling waste and intensification of the process by adding optimal doses of aluminum sulfate coagulant and chitosan flocculant. An engineering calculation of the main equipment of the VSD-950 centrifuge based on energy consumption was carried out, which allows us to substantiate the feasibility and economic efficiency of its use in the developed technological scheme. The ecological and economic effect of the proposed environmental protection technology implementation due to savings on environmental tax payment and damage for soil contamination with drilling waste, which amounts to 2 595,240 UAH thousand, is estimated. The ecological and economic efficiency of the developed technology is calculated, taking into account the capital and current costs of the project, which amount to 328,307 UAH thousand.