Подбор сорбента при аварийных разливах нефтепромысловых жидкостей на территории Камбарского нефтяного месторождения

Полный текст

Введение Основой экономического процветания АО «Белкамнефть» им. А.А. Волкова и главным условием сохранения здоровья и работоспособности работников данной организации, а также населения, проживающего на территории расположения производственных объектов, является экологическая безопасность его функционирования. При осуществлении своей деятельности НГДУ решает проблему в соответствии со стратегической целью предприятия, приоритеты которой представлены на схеме (рис. 1). Рис. 1. Приоритеты стратегической политики предприятия в области охраны окружающей среды Figure 1. Priorities of the company’s strategic policy in the field of environmental protection В последние десятилетия РФ активизировала политику в области предупреждения и ликвидации последствий аварийных разливов нефти и нефтепродуктов. Это связано с участившимися негативными последствиями для объектов окружающей среды со стороны нефтяного загрязнения. Для устранения последнего разработан комплекс мероприятий, направленных на удаление нефти и стоков нефтепродуктов с поверхности воды и почвы - это сорбционный метод [1-5]. Таким образом, цель данного исследования - провести подбор сорбентов для выявления наиболее эффективного. Материал и методы исследования Земельные участки Камбарского нефтяного месторождения, подлежащие комплексным мероприятиям по ликвидации разливов нефти и рекультивации, - это прежде всего: - куст скважин К-1, включая разворотную площадку для автотранспорта и существующую разведочно-эксплуатационную скв. 883Р; - нефтегазосборный трубопровод на кусте скважин К-1 до точки врезки в существующий нефтепровод «Скв. 883Р Камбарского нефтяного месторождения - УПН «Балаки». Под площадки строительства проектируемых объектов предоставлен лесной участок площадью 2,2 га в аренду на период действия лицензии на право пользования недрами сроком до 25.05.2024. Существующая разведочно-эксплуатационная скв. 883Р располагается на земельном участке площадью 0,36 га, ранее отведенном в долгосрочное пользование сроком до 25.05.2024. После завершения строительно-монтажных работ рекультивации подлежат земельные участки, отведенные под куст скважин К-1 и нефтегазосборный трубопровод. Площади земельных участков, подлежащих рекультивации на Камбарском нефтяном месторождении, приведены в табл. 1. Таблица 1. Площади земельных участков, подлежащие рекультивации № п/п Наименование проектируемого объекта Всего, га В том числе на рекультивацию, га Из них по угодьям, га техническую биологическую Лес Земли, не покрытые лесом ГУ УР «Камбарский лесхоз» 1 Куст скважин К-1, включая разворотную площадку для автотранспорта и существующую скв. 883Р 2,487 2,487 0,612 1,560 0,927 2 Нефтегазосборный трубопровод от КЗОУ до точки врезки в существующий нефтепровод «Скв. 883Р Камбарского нефтяного месторождения - точка врезки в нефтепровод»; «Скв. 882 Никольского нефтяного месторождения - УПН “Балаки”» 0,073 0,073 0,073 - 0,073 ИТОГО 2,560 2,560 0,685 1,560 1,000 в том числе под существующей скв. 883Р 0,360 0,360 - - 0,360 Table 1. Areas of land plots subject to reclamation № п/п The name of the projected object Total, hectare Including for reclamation, hectare Of them by land, hectare Technical Biological Forest Lands not covered by forest GU UR "Kambarsky forestry" 1 Bush wells K-1, including a turning platform for vehicles and the existing sle. 883R 2,487 2,487 0,612 1,560 0,927 2 Oil and gas collecting pipeline from KZOU to the point of insertion into the existing oil pipeline "Skv. 883R of the Kambarsky oil field - the point of insertion into the oil pipeline”; "Skv. 882 of the Nikolsky oil field - UPN "Balaki" 0,073 0,073 0,073 - 0,073 TOTAL 2,560 2,560 0,685 1,560 1,000 Including under the existing sq. 883R 0,360 0,360 - - 0,360 Плодородие почв по агрохимическим и агрофизическим показателям после предполагаемого аварийного разлива нефти исследуемого нефтяного месторождения должно быть доведено до уровня не ниже, чем до отвода под строительство. Результаты исследования и их обсуждение Анализ свойств сорбентов показал, что наиболее близким к понятию «оптимальный сорбент для разлитой нефти» является ватин, обладающий необходимым набором свойств, в частности олеофильностью и гидрофобностью. Однако этот сорбент как промышленный продукт имеет высокую стоимость, в связи с чем возникает необходимость удешевления процесса сбора нефти. С целью поиска более дешевого и не менее эффективного поглотителя по сравнению с ватином были изучены отходы хлопкоперерабатывающих предприятий и выявлены крупнотоннажные отходы прядильных и ватных производств, которые успешно могут быть использованы для сбора нефти и нефтепродуктов с места их аварийных разливов. Наибольший интерес представляют отходы прядильных производств («текстильный орешек»), которые имеют вид комочков хлопкового волокна диаметром около 1-3 мм с небольшим содержанием механических примесей растительного происхождения (остатки листьев, стеблей и коробочек хлопчатника). Эти отходы, сбитые в груды, достаточно легко разделяются на отдельные пласты волокнистого материала, которые несложно распределить по поверхности, загрязненной нефтепродуктами [6-8]. Детальные исследования поглощающих свойств сорбента, которому дали название «СИНТАПЭКС», показали, что он не уступает ватину по своим эксплуатационным качествам при сборе нефти (табл. 2), он также хорошо поглощает и другие нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, как в чистом виде, так и в слоях различной толщины с поверхности воды. Следует отметить, что во время процесса сорбции бензина одновременно наблюдается и значительное его испарение, в связи с чем данные по сорбции бензина следует считать заниженными. Важной эксплуатационной характеристикой сорбента «СИНТАПЭКС» является очень низкая величина водопоглощения. При контакте с чистой водой сорбент плавает на его поверхности, при этом водопоглощение составляет всего 0,3 г/г; при контакте со слоем нефтепродукта, разлитого по поверхности воды, водопоглощение не превышает 0,5 г/г при сорбции дизельного топлива, а при сорбции нефти и бензина водопоглощение снижается до нуля. Таблица 2. Водо- и нефтепоглощение ватина, синтепона и их комбинации Параметры Ватин Синтепон Ватин - синтепон - ватин Масса образца, г 1,67 0,67 4,01 Водопоглащение после контакта 1 ч, г/г 0,50 42-52 - Отжим воды, г/г 0,30 36-46 - Нефтепоглощение после контакта 1 ч, г/г 24-27 46 17,5 Остаточная нефтеемкость после ее отжима, г/г 3,5 2,4 2,37 Степень регенерации нефти, % 87 94 86 Время пропитки нефтью, с 2-3 2-3 2-3 Table 2. Water and oil absorption of batting, sintepon and their combinations Parameters Batting Sintepon Batting - sintepon - batting Sample weight, g 1,67 0,67 4,01 Water absorption after contact 1 hour, g/g 0,50 42-52 - Water extraction, g/g 0,30 36-46 - Oil absorption after contact 1 hour, g/g 24-27 46 17,5 Residual oil capacity after its extraction, g/g 3,5 2,4 2,37 Degree of oil regeneration, % 87 94 86 Oil impregnation time, sec. 2-3 2-3 2-3 Благодаря низкой плотности сорбента (0,04 г/см3) его расход для сбора разлитых нефтепродуктов очень низок и, в зависимости от мощности разлива, составляет около 0,1-0,5 кг сорбента на 1 кг продукта. В силу легкой деформируемости пластин текстильного орешка, пропитанного нефтью и нефтепродуктами, не представляет труда отжим значительной части собранного продукта на простейших валковых устройствах, что позволяет утилизировать до 75 % собранной нефти и до 83 % собранного дизельного топлива (последнее отжимается в большей степени в силу меньшей по сравнению с нефтью вязкости). Отработанный сорбент сжигается с остаточной зольностью 3 %. Причиной высокой гидрофобности сорбента является наличие на поверхности хлопкового волокна жироподобных веществ, препятствующих в природных условиях затоплению парашютирующих семян хлопчатника при попадании их на поверхность воды, как у иных аналогично размножающихся растений. В табл. 3 представлены гидрофобные характеристики сорбента «СИНТАПЭКС», где отмечено, что он даже после десяти суток контакта с водой сохранял свою агрегативную устойчивость и не тонул сразу через несколько минут по сравнению с другими сорбентами. Для повышения уровня гидрофобности сорбента было предложено обрабатывать нижнюю поверхность пласта отхода прядильного производства машинным маслом, например трансформаторным или веретенным, что снижало величину водопоглощения на 20-50 %. Так, например, при обработке машинным маслом в количестве 0,195 г масла на 1 г сорбента водопоглощение составило 0,2 г/г, тогда как исходный отход имел величину водопоглощения 0,24-0,3 г/г. Испытания сорбента «СИНТАПЭК» по сбору слоя нефти с поверхности снега, льда и водоледяной шуги показали, что сорбент сохраняет высокие эксплуатационные характеристики и при низких температурах системы (минус 1 ºС). Таблица 3. Гидрофобные характеристики сорбента «СИНТАПЭКС» Время контакта с водой, сут Влагопоглащение г/г сорбента Примечание 0,15 0,14 При контакте в течение 1-6 сут увлажняется только подошвенный слой сорбента толщиной 0,2-0,3 см 0,25 0,13 1,0 0,16 3,0 0,17 При контакте в течении 10 сут увлажнение слоем сорбента происходит на глубину 0,6-0,8 см 6,0 0,26 10,0 0,32 Table 3. Hydrophobic characteristics of the SYNTAPEX sorbent Time of contact with water, day Moisture absorption g/g of sorbent Note 0,15 0,14 Upon contact within 1-6 days. Only the plantar layer of the sorbent with a thickness of 0.2-0.3 cm is moistened 0,25 0,13 1,0 0,16 3,0 0,17 Upon contact within 10 days. humidification with a sorbent layer occurs to a depth of 0.6-0.8 cm 6,0 0,26 10,0 0,32 Сопоставление трех близких по текстуре сорбентов: ватина, «СИНТАПЭКСА» и отхода ватного производства - показало, что на величину предельного нефтепоглощения хлопкосодержащего сорбента влияет, в первую очередь, количество имеющихся в последнем растительных отходов мусора, состоящего из стеблей и листьев хлопчатника. При этом выявлена обратно пропорциональная зависимость между содержанием мусора и величиной нефтепоглощения. Также отмечено, что в условиях очистки водной поверхности от относительно тонкого слоя нефти (1-3 мм), когда в системе наблюдается избыточное количество поглотителя, оба вида сорбента имеют близкие характеристики. При сборе нефти с поверхности почвы формируются пласты с уклоном 8-9 градусов, имитирующим неровности исследуемых почв (черноземная, песчаная). Результаты показали, что сорбент «СИНТАПЭКС» способен эффективно собирать остаточную нефть, не впитавшуюся в грунт (табл. 4). Исходя из данных табл. 4 видно, что достигнута величина нефтепоглощения сорбента на уровне 11-12 г/г (следует отметить, что эта величина ниже потенциальной поглощающей способности сорбента, так как пласт сорбента не был полностью пропитан нефтью); более 60% собранной нефти можно утилизировать, отжимая нефть из пласта сорбента. При сборе нефти после имитации повторного разлива, когда нефть попадала на уже пропитанный продуктом грунт, эффективность нефтесбора повысилась до 13 г/г при уровне утилизации нефти более 75 %. Таблица 4. Сбор нефти с поверхности грунта сорбентом «СИНТАПЭКС» Показатели Почвенная система Черноземная Песчаная Первичное загрязнение почвы нефтью Удельная мощность разлива, л нефти/м2 почвы 7,52 9,05 Уровень разлива: - минимальный, мм - максимальный, мм - средний (расчетный), мм 0 10 7,52 0 12 9,05 Удельный расход сорбента, г/г нефти 0,067 0,061 Время контакта, ч 2 2 Нефтепоглощение сорбента, г/г 11,9 6,9 Степень очистки загрязнения, % 80,5 41,8 Степень утилизации нефти (%) от: - собранной нефти - разлитой нефти 64,0 51,6 48,3 20,1 Состояние почвы через час после контакта с нефтью: - диапазон уровней пропитки нефтью, мм - средний уровень пропитки нефтью, мм 0-30 15 0-70 35 Средняя пропитка почвы нефтью, г/(см2 см) 0,081 0,114 Повторное загрязнение почвы нефтью Удельная мощность разлива, л нефти/м2 почвы 11,50 12,35 Удельный расход сорбента, г/г нефти 0,044 0,045 Время контакта, ч 1,5 1,5 Нефтепоглощение сорбента, г/г 13,05 13,13 Степень очистки загрязнения, % 78,2 77 Степень утилизации нефти (%) от - собранной нефти - разлитой нефти 76,4 55,5 77,0 59,0 Table 4. Collection of oil from the ground surface by the "SYNTAPEX" sorbent Indicators Soil system Chernozem Sandy Primary oil pollution of the soil Specific oil spill capacity/m2 of soil 7,52 9,05 Spill level: - minimum, mm - maximum, mm - average (calculated), mm 0 10 7,52 0 12 9,05 Specific consumption of sorbent, g/g of oil 0,067 0,061 Contact time, hour 2 2 Oil absorption of sorbent, g/g 11,9 6,9 Degree of pollution purification, % 80,5 41,8 Oil utilization rate (%) of: - collected oil - spilled oil 64,0 51,6 48,3 20,1 Soil condition an hour after contact with oil: - range of oil impregnation levels, mm - average oil impregnation level, mm 0-30 15 0-70 35 Average soil impregnation with oil, g/(cm2 cm) 0,081 0,114 Repeated contamination of the soil with oil Specific oil spill capacity/m2 of soil 11,50 12,35 Specific consumption of sorbent, g/g of oil 0,044 0,045 Contact time, hour 1,5 1,5 Oil absorption of sorbent, g/g 13,05 13,13 Degree of pollution purification, % 78,2 77 Oil utilization rate (%) of - collected oil - spilled oil 76,4 55,5 77,0 59,0 Одним из путей повышения экономичности нефтесбора может стать использование комбинированного трехслойного сорбента, когда внешние слои выполнены из гидрофобного сорбента «СИНТАПЭКС», а внутренний слой - из дешевого гидрофильного растительного отхода сельского хозяйства в виде сечки соломы или камыша, опилок, при этом слой сорбента «СИНТАПЭКС» предохраняет растительный отход от попадания на него воды при сборе нефтепродукта с ее поверхности. Эффективность нефтепоглощения указанного комбинированного сорбента по сравнению с другими достаточно высокая, при этом наблюдается положительный синергетический эффект. В целом при сборе нефти с поверхности почвы для сорбента «СИНТАПЭКС» характерны более высокие эксплуатационные качества по сравнению с преобладающим большинством исследованных сорбентов, у которых величина нефтепоглощения практически стабилизируется при толщине слоя нефти 1,5-2 мм. Нефтепоглощение сорбента «СИНТАПЭКС» интенсивно продолжает расти с увеличением толщины слоя нефти, при этом расход сорбента в 2-3 раза меньше, чем расход большинства нефтяных поглотителей. Сопоставление всего информационного массива по потенциальным возможностям различных сорбентов нефти показывает, что высокоселективный сорбент «СИНТАПЭКС» по величине нефтепоглощения уступает только селективной карбамидоформальдегидной смоле, а также неселективному поролону и синтепону и приближен по сорбционным характеристикам к ватину. Остальные изученные сорбенты, в том числе и те, которые уже применяются для сбора нефти, существенно уступают сорбенту «СИНТАПЭКС» по всем параметрам; стоимость сбора разлитой нефти сорбентом «СИНТАПЭКС» составляет всего 0,082 долл. США/кг. На рис. 2 приведены данные по ряду исследованных сорбентов. Эти данные подтверждают, что сорбент «СИНТАПЭКС» как по эксплуатационным характеристикам, так и по стоимости более конкурентоспособен по отношению к другим широко используемым сорбентам для сбора нефти с места ее аварийного разлива. В данной работе выполнена комплексная оценка эксплуатационных свойств различных сорбентов. Одним из наиболее адекватных подходов к решению таких задач является нечеткое множество, позволяющее наилучшим образом структурировать анализируемые системы, не имеющие четких границ. С этой целью в теории множеств рассматриваются функции принадлежности, которые характеризуют степень близости данного рассматриваемого элемента системы к заданному множеству. Функция принадлежности формировалась на основе ранжирования исходных информационных массивов свойств сорбентов по четырем критериям [9]: 1) µ1 - ранжировка нефтепоглощения; 2) µ2 - ранжировка водопоглощения; 3) µ3 - ранжировка числа циклов работы; 4) µ4 - ранжировка стоимости сорбента. Надпись: долл. США Рис. 2. Стоимость сбора разлитой нефти различными поглотителями Надпись: $ Figure 2. The cost of collecting spilled oil by various sinks Таблица 5. Техническая характеристика сорбентов и результаты их лабораторных испытаний Характеристика Пит Сорб Лессорб СИНТАПЭКС ТХР* ТХР ТХР Основа сорбента Торф Торф Хлопок Форма сорбента Крошка Крошка Волокна Плотность, г/см3 - - 0,04 Нефтепоглощение, г/г 6-7 12-15 24,45 Осадок в воде после 3 ч отстоя, % - - нет Водопоглощение, г/г г/ф** г/ф 0,20 Способ утилизации сорбента Сжигание Сжигание Сжигание Стоимость 1 кг сорбента, долл. США 7 7 2 Упаковка Тара Тара Кипа Разработчик Канада Брянск Уфа Примечания: ТХР* - технические характеристики разработчиков и изготовление сорбента; г/ф** - гидрофобный сорбент Table 5. Technical characteristics of sorbents and the results of their laboratory tests Characteristic Pit Sorb Lessorb SYNTAPEX ТХР* ТХР ТХР The basis of the sorbent Peat Peat Cotton Sorbent form Canopy Canopy Fibers Density, g/cm3 - - 0.04 Oil absorption, g/g 6-7 12-15 24.45 Sediment in water after 3 hours of sediment,% - - No Water absorption, g/g G / F** г/ф 0,20 Method of sorbent utilization Burning Burning Burning The cost of 1 kg of sorbent, $ 7 7 2 Packaging Tara Tara Boiling Developer Canada Bryansk Ufa Notes: TXP* - technical characteristics of the developers and manufacture of the sorbent; g/f** - hydrophobic sorbent Из-за большого разброса цен стоимость сорбентов была ранжирована по четырем классам. К первому классу относили материалы, стоимость которых превышала 150 тыс. рублей за тонну, четвертый класс представлял собой менее 30 тыс. рублей за тонну. Функция принадлежности по каждому из i критериев для каждого из j сорбентов µij рассчитывалась как µij = (n - k)/n, (1) где n - общее количество рассмотренных сорбентов; k - порядковый номер j-го сорбента при упорядочении информационного массива по каждому из i критериев. Для анализа было отобрано 7 сорбентов. В качестве обобщенного критерия оценки эксплуатационных свойств сорбентов использована свертка функций принадлежности. Результаты расчетов приведены в табл. 6. Таблица 6. Обобщенная характеристика свойств сорбентов Сорбент Нефтепоглощение, г/г Водопоглощение, г/г Число циклов Стоимость сорбента Свертка значение µ1 значение µ2 значение µ3 класс µ4 µ Ватин 24 0,765 0,5 0,824 300 0,900 2 0,267 0,624 Лессорб - Э 12,1 0,471 6,9 0,235 1 0,267 3 0,567 0,360 Пенопласт 9,26 0,353 4,45 0,412 1 0,267 2 0,267 0,319 Пит Сорб 6,19 0,176 0,71 0,706 1 0,267 1 0,167 0,273 Поролон 14,5 0,529 1,3 0,588 300 0,900 2 0267 0,523 СИНТАПЭКС 25 0,882 0,2 1,000 300 0,900 4 0,900 0,919 Торф 17,7 0,588 24,3 0,118 1 0,267 4 0,900 0,359 Table 6. Generalized characteristics of sorbent properties Сорбент Oil absorption, g/g Water absorption, g/g Number of cycles The cost of the sorbent Convolution meaning µ1 meaning µ2 meaning µ3 class µ4 µ Batting 24 0.765 0.5 0.824 300 0.900 2 0.267 0.624 Lessorb - E 12.1 0.471 6.9 0.235 1 0.267 3 0.567 0.360 Styrofoam 9.26 0.353 4.45 0.412 1 0.267 2 0.267 0.319 Pete Sorb 6.19 0.176 0.71 0.706 1 0.267 1 0.167 0.273 Foam rubber 14.5 0.529 1.3 0.588 300 0.900 2 0267 0.523 SINTAPEX 25 0.882 0.2 1.000 300 0.900 4 0.900 0.919 Peat 17.7 0.588 24.3 0.118 1 0.267 4 0.900 0.359 Заключение Таким образом, из изученных сорбентов свертка функций принадлежности является лучшей для сорбента «СИНТАПЭКС», составляя максимальную величину 0,919, ближайший сорбент по величине данной функции - это ватин, который имеет свертку 0,624, сорбенты типа «Лесорб» и «Пит Сорб» имеют величину свертки лишь на уровне 0,27-0,36, уступая сорбенту «СИНТАПЭКС» в три раза.

Об авторах

Елена Анатольевна Борисова

Удмуртский государственный университет

Email: e_borisova75@mail.ru
кандидат биологических наук, доцент кафедры инженерной защиты окружающей среды Российская Федерация, 426000, Ижевск, Университетская ул., д. 1

Светлана Анатольевна Красноперова

Удмуртский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: krasnoperova_sve@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4818-6302

кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры геологии нефти и газа

Российская Федерация, 426000, Ижевск, Университетская ул., д. 1

Список литературы