Research of physical and mechanical properties of drilling sludges during its hightemperature neutralization

Full Text

Проблема обращения с буровыми шламами является одной из наиболее значимых экологических проблем в нефтегазовой отрасли. Традиционным методом обращения с данным отходом, независимо от применяемого бурового раствора, остается размещение и накопление в шламовых амбарах с последующей утилизацией [1; 2]. Такой подход подразумевает получение продуктов с низкой востребованностью вторичного использования в производственно-технологической цепочке, в результате чего эти продукты остаются в теле кустовой площадки. На сегодняшний день одним из приоритетных направлений обращения с буровыми отходами являются обезвреживание и утилизация с получением экологически безопасной и рентабельной продукции[18]. Помимо этого, актуальным является вопрос разработки малоотходных ресурсосберегающих технологий, предусматривающих способы обезвреживания и утилизации буровых отходов [3; 4]. Обезвреживание буровых шламов способствует снижению негативного воздействия на окружающую среду нескольких загрязнителей: нефтепродуктов, водорастворимых солей и др. На сегодняшний день предпочтение отдается физико-химическим методам обезвреживания буровых шламов [5-9]. При этом термическое обезвреживание входит в перечень наилучших доступных технологий и является перспективным и универсальным методом[19] [10-11] Также термический способ обезвреживания относят к наиболее эффективным, но не всегда экономически выгодным [12; 13]. Из недостатков данного метода можно выделить необходимость применения топлива и вероятность загрязнения атмосферного воздуха продуктами горения. Целью исследования является изучение физико-механических характеристик бурового шлама в зависимости от температурного режима обезвреживания. Материалы и методы Объектом исследования является буровой шлам с нефтяных месторождений, отличающихся геологическим строением. Отбор проб буровых шламов осуществлялся на Южно-Островном (БШЮО), Средне-Назымском (БШСН), Средне-Балыкском (БШСБ) нефтяных месторождениях ХМАО-Югры. Исследуемый буровой шлам был сформован на прессе ИЛ-100 под давлением 6 МПа в цилиндры диаметром 30 мм и высотой 30 мм. Влажность формования составила 8 %. Сформованные образцы были высушены до постоянной массы при температуре 105 ± 5 °C, после чего подвергались обжигу. Обжиг бурового шлама (БШЮО) производился при температурах 600, 700, 800, 900, 1000 °C, а также ступенчато - нагрев до 300 °C, перестановка в 600 °C и нагрев до 800 °C. На основании результатов испытаний образцов (БШЮО) буровые шламы (БШСН, БШСБ) были подвержены обжигу при температурах 800, 900 и 1000 °C. До и после обжига с помощью штангенциркуля контролировали размеры полученных цилиндров. Прочность при сжатии определена методом статического нагружения с использованием машины для испытания на сжатие ИП-100. Водопоглощение вычислялось методом водонасыщения. Водонасыщение проводилось в течение двух суток посредством замачивания образцов в воде. Гранулометрический состав определен методом лазерной дифракции с помощью прибора лазерного анализатора частиц «Analysette 22» MicroTecPlus. Результаты и обсуждение По результатам анализа гранулометрического состава бурового шлама (рис. 1) установлено незначительное количество крупных (0,24 %) и средних (0,65 %) песчаных частиц, высокое содержание мелких пылеватых (35,51 %) и глинистых (63,60 %) частиц в пробе (БШЮО). Содержание частиц размером менее 0,01 мм (пылеватые и глинистые частицы) составило 99,11 %, на основании чего буровой шлам отнесен к глинам тяжелым. В буровом шламе (БШСН) не зафиксировано крупных песчаных частиц. Количество мелких и тонких песчаных частиц было 8,4 %, крупных пылеватых - 55,8 %. Содержание частиц размером менее 0,01 мм находилось на уровне 35,81 %. На основании этого буровой шлам отнесен к суглинкам средним. В буровом шламе (БШСБ) отсутствовали крупные песчаные частицы. Мелкие и тонкие песчаные частицы содержались в количестве 30,6 %, крупные пылеватые - 47,1 %. Содержание пылеватых и глинистых частиц было 22,3 %, что соответствовало суглинкам легким. По результатам прочностных испытаний образцов бурового шлама, подверженных обжигу, установлено, что для буровых шламов Южно-Островного и Средне-Назымского месторождений наибольшая прочность достигалась при обжиге 800 °C и составила 18,86 МПа и 20,15 МПа соответственно. Для бурового шлама Средне-Балыкского месторождения наибольшая прочность наблюдалась при 900 °C и составила 26,15 МПа (рис. 2). Полученные значения прочности на сжатие сравнивались с прочностью гранул керамзитового гравия, соответствующего требованиям ГОСТ 9757-90 - 10,4 МПа. Водопоглощение оценивалось по массе и объему. Для образцов бурового шлама (БШЮО, БШСН) наименьшие значения водопоглощения наблюдались при обжиге 800 °C, для образцов (БШСБ) - 900 °C (табл. 1). Помимо этого, исследовано изменение прочности в водонасыщенном состоянии по отношению к сухому. Наименьшее изменение прочности наблюдалось у образцов буровых шламов (БШСН) при обжиге 800 °C и (БШСБ) при обжиге 900 °C и составляет 1,59 % и 7,53 % соответственно. Рис. 1. Гранулометрический состав буровых шламов Источник: составлено авторами / Figure 1. Granulometric composition of drilling sludges Source: compiled by the authors. Рис. 2. Прочность на сжатие образцов бурового шлама, подверженных обжигу. Источник: составлено авторами / Figure 2. Compressive strength of drilling sludges samples exposed to firing Source: compiled by the authors. Для бурового шлама (БШСН), обожженного при 900 °C, отмечалось приращение прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии на 51,8 %. На основании полученных данных прочностных испытаний в сухом и водонасыщенном состояниях определен коэффициент размягчения, равный отношению прочности во влажном состоянии к прочности в сухом. Строительные материалы считаются водостойкими, если коэффициент размягчения равен не менее 0,8. Обезвреженные буровые шламы относились к водостойким, кроме (БШСБ, БШСБ), обожженных при 800 °C. В процессе обжига при 1000 °C образцы буровых шламов растрескивалась, поэтому физико-механические характеристики не изучались. Таблица 1. Физикомеханические свойства буровых шламов в зависимости от температуры обжига Образец бурового шлама БШЮО БШСН БШСБ Температура, °C 800 900 800 900 800 900 Водопоглощение по массе, Вm, % 6,33 20,01 17,11 20,32 17,78 17,41 Водопоглощение по объему, ВV, % 13,43 35,62 31,38 34,32 31,39 30,06 Изменение прочности в водонасыщенном состоя нии, ∆R, % 23,17 19,63 1,59 51,8 44,95 7,53 Коэффициент размягчения 0,77 0,82 0,98 2,08 0,55 0,93 Источник: составлено авторами. Table 1. Physical and mechanical properties of drilling sludges samples depending on the firing temperature Sample of drilling sludge DSYO DSSN DSSB Temperature, °C 800 900 800 900 800 900 Water absorption by weight, Вm, % 6.33 20.01 17.11 20.32 17.78 17.41 Water absorption by volume, ВV, % 13.43 35.62 31.38 34.32 31.39 30.06 Change in strength in the watersaturated state, ∆R, % 23.17 19.63 1.59 51.8 44.95 7.53 Softening coefficient 0.77 0.82 0.98 2.08 0.55 0.93 Source: compiled by the authors. Заключение На основании полученных данных можно сделать вывод о благоприятном влиянии высоких температур на физико-механические свойства буровых шламов разных нефтяных месторождений. Обезвреживание при 800 и 900 °С является наиболее предпочтительным вариантом, позволяющим повысить прочность без растрескивания материала. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования высокотемпературного обжига как способа обращения с буровыми шламами. Материал, получаемый в результате обезвреживания, может применяться для отсыпки дорог, кустовых площадок при обустройстве месторождений, что позволит заменить часть привозных природных материалов и снизить стоимость обустройства.

About the authors

Anastasiia E. Zimnukhova

Industrial University of Tyumen

Author for correspondence.
Email: nastya_plotnikova@bk.ru
SPIN-code: 8195-8940
PhD student 38 Volodarskogo St, Tyumen, 625000, Russian Federation

Elena V. Gaevaya

Industrial University of Tyumen

Email: gaevajaev@tyuiu.ru
SPIN-code: 7995-7324
PhD in Biology, Professor of Technosphere Safety Department 38 Volodarskogo St, Tyumen, 625000, Russian Federation

References

Supplementary files