Integrated geo-ecological assessment of drill cuttings and approaches to their disposal

Full Text

Введение Нефтяная промышленность сопряжена с ежегодным образованием отходов бурения, которые направляют на накопление или размещение в шламовые амбары, все это приводит к нарушению равновесия в экосистемах [1-3]. Основными центрами нефтегазодобычи Ямало-Ненецкого автономного округа являются Бованенковский, Новопортовский, Мессояхский. Ведется активное строительство Тамбейского и Каменномысского центров. Освоение столь значимого ресурсного потенциала неизбежно связано с образованием отходов бурения. Согласно данным сводной статистической отчетности 2-ТП (отходы) по сравнению с 2017 г. в 2022 г. количество отходов бурения выросло в 3 раза. Среди промышленных отходов наибольший удельный вес и загрязненность имеют буровые отходы, источником которых является буровой раствор. Ежегодно на долю отходов бурения приходится более 70 % от общего количества отходов производства и потребления, образованных в Ямало- Ненецком автономном округе, Ханты-Мансийском автономном округе-Югра и Тюменской области. Объем образования буровых отходов зависит от следующих факторов: применяемой технологии бурения, глубины бурения скважины, типа буровых растворов, характеристик и свойств разбуриваемых пород. В среднем на одну скважину образуется от 1000 до 2000 м3 отходов бурения [4; 5]. Буровые шламы представляют собой текучую пастообразную массу темно-серого с металлическим оттенком цвета, маслянистую на ощупь и имеющую запах нефти. По агрегатному состоянию (содержание твердой и жидкой фазы) отходы могут быть систематизированы следующим образом: жидкие (при содержании твердой фазы до 35 % отходы сохраняют свою подвижность и текучесть); полужидкие (пастообразные, при содержании твердой фазы от 35 до 85 %); твердые (при содержании жидкости в составе отходов меньше 15 %) [6-10]. Несмотря на актуальность, буровые отходы до сих пор остаются малоисследованными, особенно в отношении базовых химических веществ. Ряд исследований указывает, что буровые отходы при бурении скважин имеют свои химические характеристики, это зависит от исходного состава пород и технологии бурения, а именно от типа бурового раствора [10-12]. Воздействие буровых отходов на окружающую среду, особенно на состояние почвы, является отрицательным. Основные факторы, приводящие к ухудшению состояния почвенного покрова, - это загрязняющие компоненты буровых отходов, такие как высокая минерализация и щелочность, а также присутствие нефтепродуктов в их составе. Токсичные соли (ионы хлора, натрия, сульфата и гидрокарбоната), а также нефтепродукты могут мигрировать в почве как в вертикальном, так и горизонтальном направлении [12; 13]. Наибольшую актуальность вызывает присутствие тяжелых металлов в буровых отходах, поскольку тяжелые металлы не подвергаются биологическим процессам и мигрируют в окружающей среде. Буровые отходы содержат как валовое содержание, так и подвижные формы тяжелых металлов. При контакте буровых отходов с атмосферными осадками происходит их переход в водные растворы, при этом осуществляется миграция поллютантов в поверхностные и грунтовые воды [14; 15]. Цель исследования - комплексное изучение химических характеристик в системе «горная порода - буровой раствор - буровой шлам» и предложение подходов к утилизации буровых шламов. Материалы и методы При проведении испытаний образцы горной породы, бурового раствора и буровых шламов были отобраны на разных нефтяных месторождениях. Пробы горной породы и бурового шлама отобраны с одной глубины бурения: 1700 м с применением бурового раствора на углеводородной основе; 2300 м с применением бурового раствора солевого на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров. С целью детализации количественных характеристик изучаемых образцов был определен перечень химических показателей и методик аналитических исследований. Исследование нефтепродуктов осуществляли в соответствии с ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3:3.64-10, водородного показателя по ГОСТ 26423-85, хлорид-ионов, фосфат-ионов, сульфат-ионов - ПНД Ф 16.1:2:2.3:2.2.69-10, карбонатов - ГОСТ 26424-85, плотного остатка - ГОСТ 26423-85. Валовое содержание тяжелых металлов (кадмий, марганец, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, цинк, кобальт) определяли в соответствии с ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.48-06, МИ 2878-2004, М-МВИ 80-2008 и ПНД Ф 16.1:2.3:3.50-08. Результаты и обсуждение При бурении скважин используют различные типы буровых шламов, которые могут меняться в зависимости от интервала бурения, что влияет на физико-химические характеристики отходов. Растворы солевых на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров применяются для бурения в сложных горно-геологических условиях. Буровые растворы на углеводородной основе представляют собой многокомпонентную систему, в которой дисперсионной (несущей) средой является нефть или жидкие нефтепродукты (синтетическое масло, дизельное топливо и др.), а дисперсной (взвешенной) фазой - специально обработанная глина (гидрофобизированный бентонит). Такие растворы используют в ряде геологических условий: зоны перемятых пород, состоящих из смеси сероводорода. Результаты исследований образцов бурового раствора солевого на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров (БРво) показали слабощелочную реакцию среды (7,41 ед. рН) и высокое содержание водорастворимых солей (хлорид-ионов, карбонат-ионов, сульфат-ионов, фосфат-ионов), наибольшее значение наблюдалось по хлорид-иону - 71087,0 мг/кг. Содержание нефтепродуктов составило 5700 мг/кг (табл. 1). Буровой раствор на углеводородной основе (БРуо) характеризовался высоким содержанием нефтепродуктов, концентрация этого показателя составила 9000 мг/кг. Реакция среды была нейтральной. Содержание водорастворимых солей в буровом растворе было следующим: хлорид-ионов - 1734,0 мг/кг, сульфат-ионов - 25,0 мг/кг, фосфат-ионов - 4,10 мг/кг, карбонат-ионов - 2,20 ммоль /100 г. Таблица 1. Химический состав буровых растворов Наименование показателя Ед. изм. БРуо БРво рН ед. рН 6,50 ± 0,10 7,41 ± 0,10 Нефтепродукты мг/кг 9000 ± 3780 5700 ± 2394 Хлорид-ион мг/кг 1734 ± 260 71087 ± 10663 Сульфат-ион мг/кг 25,0 ± 3,75 292,0 ± 44,0 Фосфат-ион мг/кг 4,10 ± 0,62 291,0 ± 44,0 Карбонат-ион ммоль/100г 2,20 ± 0,1 10,45 ± 0,52 Примечания: БРуо - буровой раствор на углеводородной основе; БРво - буровой раствор солевой на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров. Источник: составлено Е.В. Гаевой. Table 1. Chemical composition of drilling fluids Indicator name Unit DFhb DFwb рН units pH 6,50 ± 0,10 7,41 ± 0,10 Petroleum products mg/kg 9000 ± 3780 5700 ± 2394 Chloride-ion mg/kg 1734 ± 260 71087 ± 10663 Sulfate ion mg/kg 25,0 ± 3,75 292,0 ± 44,0 Phosphate-ion mg/kg 4,10 ± 0,62 291,0 ± 44,0 Carbonate-ion mmol/100g 2,20 ± 0,1 10,45 ± 0,52 Notes: DFhb - hydrocarbon-based drilling fluid; DFwb - water-based salt drilling mud with the addition of biodegradable polymers. Source: compiled by E.V. Gaevaya. Валовое содержание марганца в буровом растворе на углеводородной основе достигало 427,0 мг/кг. Значения мышьяка зависели от типа применяемого бурового раствора и составили 1,9 и 3,21 мг/кг соответственно. Валовое содержание цинка было 43,0 мг/кг. Солевой буровой раствор с добавлением биоразлагаемых полимеров в своем составе содержал наибольшую концентрацию свинца 19,0 мг/кг (рис. 1). БРво/DFwbБРуо/DFhb Рис. 1. Валовое содержание тяжелых металлов в разных типах буровых растворов, мг/кг Источник: составлено Е.В. Гаевой. Figure 1. Gross content of heavy metals in different types of drilling fluids, mg/kg Source: compiled by Gaevaya. Исследования горной породы (глубина отбора 2300 м) показали следующие результаты: содержание хлорид-ионов и сульфат-ионов составило 68,0 и 187,0 соответственно, реакция среды находилась на уровне 8,21 ед. рН, горная порода относилась к сульфатному типу засоления. Горная порода, отобранная с глубины 1700 м, характеризовалась следующими показателями: щелочная среда (9,57 ед. рН), обнаружены все изучаемые водорастворимые соли, кроме фосфатов, плотный остаток составил 0,12 %. Горная порода относилась к хлоридному типу засоления (табл. 2). Таблица 2. Химический состав горной породы на глубине 1700 и 2300 м Наименование показателя 1700 м 2300 м рН, ед. рН 9,57 ± 0,05 8,21 ± 0,05 Хлорид-ион, мг/кг 1360,0 ± 170,0 68,0 ± 9,0 Сульфат-ион, мг/кг 93,0 ± 12,0 187,0 ± 24,0 Фосфат-ион, мг/кг ˂3,0 ˂3,0 Карбонат-ион, ммоль/100 г 0,71 ± 0,14 ˂0,15 Плотный остаток, % 0,12 ± 0,028 ˂0,1 Источник: составлено Е.В. Гаевой. Table 2. Chemical composition of rock at depths of 1700 and 2300 m Indicator name 1700 m 1700 m рН, units pH 9.57 ± 0.05 8.21 ± 0.05 Chloride-ion, mg/kg 1360.0 ± 170.0 68.0 ± 9.0 Sulfate ion, mg/kg 93.0 ± 12.0 187.0 ± 24.0 Phosphate-ion, mg/kg ˂3.0 ˂3.0 Carbonate-ion, mmol/100g 0.71 ± 0.14 ˂0.15 Dense residue, % 0.12 ± 0.028 ˂0.1 Source: compiled by E.V. Gaevaya. Исследования валового содержания изучаемых тяжелых металлов указывали, что превышения выявлены по мышьяку в образцах горной породы относительно кларков микроэлементов в литосфере и составили 2,4 мг/кг, а также в образце с глубиной отбора 1700 м по кадмию - 0,564 мг/кг. Концентрации остальных изучаемых металлов были ниже кларков микроэлементов в литосфере. Мышьяк встречается в горных породах в кристаллических решетках силикатных минералов, в осадочных породах: глинах и аргиллитах (от 3,0 до 12,0 мг/кг). Окислителями мышьяка являются оксиды марганца, концентрации которых составили 408,0 и 462,0 мг/кг. С учетом уровня токсичности данные металлы относится к 1-му классу опасности и могут обладать в определенных условиях миграционной способностью (рис. 2). Буровой шлам представлял собой выбуренную горную породу в виде текучей пастообразной массы, от серого до темно-серого с металлическим оттенком цвета. Результаты исследований образцов бурового шлама с применением раствора солевого на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров (БШво) показали высокие значения хлорид-ионов - 6568,0 мг/кг. Концентрация карбонат-иона составила 2,0 ммоль/100 г, сульфат-ионов 93,0 мг/кг, фосфат-ионов 22,0 мг/кг, нефтепродуктов - 1700,0 мг/кг. Рис. 2. Валовое содержание тяжёлых металлов в горной породе, мг/кг Источник: составлено Е.В. Гаевой. Figure 2. Gross content refers to the metals in the rock, mg/kg Source: compiled by E.V. Gaevaya. Изученные буровые шламы на углеводородной основе (БШуо) характеризовались слабощелочной реакций среды (7,31 ед. рН). Содержание водорастворимых солей в буровом шламе было следующим: хлорид-ион - 4049,0 мг/кг, сульфат-ион - 140,0 мг/кг. Концентрация карбонат-иона в буровом шламе составила 1,75 ммоль/100г. Остаточное содержание нефтепродуктов в буровом шламе - 4500,0 мг/кг (табл. 3). Таблица 3. Химический состав буровых шламов с применением разных типов буровых растворов Наименование показателя БШуо БШво рН, ед. рН 7,31 ± 0,10 8,70 ± 0,10 Нефтепродукты, мг/кг 4500,0 ± 1890,0 1700,0 ± 714,0 Хлорид-ион, мг/кг 4049,0 ± 607,4 6568,0 ± 985,0 Сульфат-ион, мг/кг 140,0 ± 21,0 93,0 ± 14,0 Фосфат-ион, мг/кг <3,0 22,0 ± 3,3 Карбонат-ион, ммоль/100 г 1,75 ± 0,1 2,0 ± 0,1 Плотный остаток, % 0,83 ± 0,083 2,48 ± 0,17 Примечания: БШуо - буровой шлам на углеводородной основе; БШво - буровой шлам на водной основе. Источник: составлено Е.В. Гаевой. Table 3. Chemical composition of drill cuttings using different types of drilling fluids Indicator name DСhb DСwb рН, units pH 7.31 ± 0.10 8.70 ± 0.10 Petroleum products, mg/kg 4500.0 ± 1890.0 1700.0 ± 714.0 Chloride-ion, mg/kg 4049.0 ± 607.4 6568.0 ± 985.0 Sulfate ion, mg/kg 140.0 ± 21.0 93.0 ± 14.0 Phosphate-ion, mg/kg <3.0 22.0 ± 3.3 Carbonate-ion, mmol/100g 1.75 ± 0.1 2.0 ± 0.1 Dense residue, % 0.83 ± 0.083 2.48 ± 0.17 Notes: DСhb - hydrocarbon-based drill cuttings; DСwb - drill cuttings in a salt water solution with the addition of biodegradable polymers. Source: compiled by E.V. Gaevaya. Содержание тяжелых металлов зависело не только от компонентов, входящих в состав бурового раствора, но и от свойств выбуренной горной породы. Результаты валовых содержаний тяжелых металлов в буровых шламах с применением разных типов буровых растворов представлены на рис. 3. Рис. 3. Валовое содержание тяжелых металлов в буровых шламах с применением разных типов буровых растворов, мг/кг Источник: составлено Е.В. Гаевой. Figure 3. Gross content of heavy metals in drill cuttings using different types of drilling fluids, mg/kg Source: compiled by E.V. Gaevaya. Концентрации кадмия и никеля в изучаемых образцах находились ниже порога чувствительности используемых методик измерений. Максимальные значения наблюдались по марганцу и составили 332,0…625,0 мг/кг. Концентрация ртути была обнаружена в буровых шламах с применением раствора на углеводородной основе и составила 0,24 мг/кг, в остальных пробах значения этого элемента были ниже предела обнаружения метода. Концентрации цинка были определены во всех изучаемых пробах и варьировали от 29,0 до 41,0 мг/кг. Валовое содержание мышьяка в изучаемых образцах составило 2,0…3,06 мг/кг, при этом значения элементов превышали кларки микроэлементов в литосфере. С целью выработки стратегии управления буровыми шламами их необходимо систематизировать. Систематизация отходов должна быть направлена на решение следующих задач: - установление закономерностей между буровыми шламами и выбором способа обращения: утилизация, обезвреживание или размещение; - снижение количества и объема вносимых компонентов; - снижение количества буровых шламов, подлежащих к размещению (захоронению); - достижение соответствия геоэкологическим требованиям результатов утилизации, обезвреживания или размещения. Рассмотренные химические показатели горной породы и буровых шламов подтверждают негативное воздействие отходов на окружающую природную среду. При дальнейшей утилизации или обезвреживании буровых шламов необходимо учитывать исходные свойства отходов и осуществлять подбор технологий, позволяющих получить материалы с характеристиками, не превышающими предельно допустимые концентрации химических веществ. В связи с этим значимость показателей, влияющих в процессе утилизации или обезвреживания буровых шламов, можно выразить в следующем соотношении: Х1 > Х2 > Х3 > Х4 > Х5 > Х6, где Х1 - остаточное содержание нефтепродуктов, мг/кг; Х2 - содержание растворимых солей (хлориды), мг/кг; Х3 - содержание растворимых солей (сульфаты), мг/кг; Х4 - содержание растворимых солей (карбонаты), ммоль/100 г; Х5 - содержание плотного остатка, %; Х6 - валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг. Заключение Горная порода в своем составе содержит вещества, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. Применение разных типов буровых растворов при бурении скважины влияет на остаточное содержание загрязняющих веществ в буровых шламах. По результатам исследований было установлено, что изученные буровые растворы на углеводородной основе характеризовались высоким содержанием нефтепродуктов (9000 мг/кг). При изучении буровых шламов и бурового раствора солевого на водной основе с добавлением биоразлагаемых полимеров выявлено, что они имеют высокие концентрации водорастворимых солей, значения хлорид-ионов в буровом растворе и буровых шламах составили 71 087 мг/кг и 6568 мг/кг, соответственно. Содержание тяжелых металлов зависит не только от компонентов, входящих в состав бурового раствора, но и от исходного содержания их в горной породе. Результаты исследований позволяют установить закономерности между буровыми шламами и выбором способа обращения (утилизация, обезвреживание), вовлечение буровых шламов в технологические цепочки хозяйственной деятельности, что дает возможность сократить потребление природных ресурсов и создает предпосылки для улучшения эколого-экономической ситуации в регионах.

About the authors

Elena V. Gaevaya

Industrial University of Tyumen

Author for correspondence.
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