Оценка биотоксичности строительных материалов на основе отходов бурения Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения

Полный текст

Введение Отрасль добычи нефти и газа является одной из основных отраслей экономики Российской Федерации, обеспечивающей экономическую и энергетическую безопасность государства. При этом нефтегазовая отрасль остается одной из наиболее значительных по уровню своего неблагоприятного воздействия на экологическую обстановку в регионах присутствия. К основным крупнотоннажным отходам нефтегазового сектора относятся отходы бурения, золошлаковые отходы, нефтешламы и прочие виды отходов. Решение проблемы утилизации данных отходов является важной государственной задачей. Согласно данным ежегодного экологического отчета ПАО «Газпром» объем отходов бурения составляет около 1000 тыс. тонн (2199,3 т в 2023 г.), рис. 1 и 21. 1 Экологический отчет ПАО «Газпром» за 2023 год. URL: https://pererabotka.gazprom. ru/d/textpage/ab/171/ehkologicheskij-otchet.pdf?ysclid=mkqq2w6wts166437355 (дата обращения: 10.03.2025). Рис. 1. Динамика образования отходов в Группе «Газпром» в 2019-2023 гг. Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Figure 1. The dynamics of waste generation in the Gazprom PJSC in 2019-2023 Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. В последнее время на объектах Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения ПАО «Газпром» увеличился объем буровых работ, о чем свидетельствует увеличение объемов отходов бурения с 34 % в 2021 г. до 63 % в 2023 г., в связи с введением в эксплуатацию новых месторождений - дебита скважин (реализация проектов «Сила Сибири (2)) и развития торговых и экономических связей государства. При этом, согласно Экологическому отчету ПАО «Газпром», 53 % отходов передается для утилизации сторонним организациям, 23 % утилизируется на предприятиях, и до 23 % остается на объектах хранения2. В то же время данные виды отходов могут быть утилизи- 2 Экологический отчет ПАО «Газпром» за 2023 год. URL: https://pererabotka.gazprom. ru/d/textpage/ab/171/ehkologicheskij-otchet.pdf?ysclid=mkqq2w6wts166437355 (дата обращения: 10.03.2025). рованы в качестве сырья для производства обжиговых строительных материалов и другими способами[38] [1]. Рис. 2. Структура отходов Группы Газпром Figure 2. The structure of Gazprom PJSC waste по видам, 2023 г., % by type in 2019-2023. Источник: составлено О.С. Выродовым, Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. Важнейшим требованием к технологическому процессу добычи нефти и газа является обеспечение предотвращения неблагоприятного воздействия отходов бурения, образующихся в процессе бурения и эксплуатации скважин на окружающую природную среду. Особенно данное требование актуально для сложных природных и климатических условий северной Арктической зоны Российской Федерации. Для решения данной задачи при проектировании и строительстве объектов на месторождениях широко применяются различные проектные решения, минимизирующие последствия ведения буровых работ на экосистемы региона. В частности, в период строительства скважин производятся и используются так называемые «зеленые» буровые растворы, а также безамбарные методы бурения. Помимо этого, постоянно разрабатываются различные технологии утилизации отходов бурения путем получения строительных материалов, используемых для производства общестроительных работ при строительстве объектов на месторождениях. В состав отходов бурения, который является многокомпонентным, входят остатки буровых растворов, вода, химические реагенты и шламы горных пород. Помимо перечисленных компонентов в него включены углеводородные соединения (нефтепродукты), полимеры (добавки для буровых растворов (карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламид, полифенол лесохимический, сульфитно-спиртовая барда, окзил и др.) [1-6]. При этом самыми опасными для окружающей природной среды являются органические соединения нефти: углеводороды, фенольные соединения, карбоновые и нафтеновые кислоты, асфальтосмолистые вещества. Перспективным методом утилизации буровых отходов является их использование при производстве различных строительных материалов. Так, в [2] представлено исследование способа использования бурового шлама для производства дорожно-строительного материала, цементогрунта для укрепления обочин автомобильных дорог. В [3] изучена возможность применения отходов бурения в качестве добавки к портландцементу. Однако наиболее перспективно направление использования бурового шлама в производстве керамических строительных материалов. Исследования в данном направлении проводились авторами [4; 5], которые показали возможность применения буровых шламов в качестве отощающих и выгорающих добавок, а также в качестве добавки к связующему, позволяющей получать широкую номенклатуру обжиговых керамических материалов. В [6] показана возможность высокотемпературной утилизации буровых шламов с получением обжигового инертного материала. При использовании отходов промышленности в производстве материалов строительного назначения всегда появляется вопрос необходимости оценки степени биологической токсичности данных отходов и их применимости для различных видов материалов [7; 8]. Цель исследования - определение биотоксичности водных вытяжек обжиговых материалов строительного назначения на основе буровых шламов Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения для последующей оценки возможности утилизации данных шламов при производстве различных функциональных материалов строительного назначения. В работе решены следующие задачи: - исследование физико-химических свойств исходных образцов буровых шламов Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения; - получение образцов обжиговых материалов строительного назначения с использованием отходов буровых шламов; - биотестирование водных вытяжек полученных образцов с использова-нием в качестве тест-объектов дафний Dafhnia magna Straus. Материалы и методы исследований Объектом исследования в данной работе являлись отходы бурения, образовавшиеся при бурении разведывательных скважин газоносного пласта Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения (ЯНГКМ) с глубины 3400-3800 м на объектах ООО «Газпром добыча Ямбург» (п. Ямбург, Надымский район, Тюменская область, Ямало-Ненецкий автономный округ) [9]. Буровые отходы в большинстве своем состоят на 30-45 % из выбуренной породы (частицы глины и песка), 30-45 % - это БР и 10-20 % - возможные технологические сбросы подземные воды и нефть: промывные воды, травильные растворы, отработанные электролиты [9]. В табл. 1 представлен химический состав бурового шлама. Таблица 1. Химический состав бурового шлама, масc. % / Table 1. chemical composition of drilling mud, wt. % BaSo4 Sio2 ca(co3) Al2Si2o5(oH)4 Na2o Mgo Fe2o3 26,19 33,09 8,73 15,54 5,35 6,76 % 4,34 % Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. Рентгенофазовый состав представлен следующими фазами: Kaolinite Al2Si2O5 (OH)4, Kaolinite-montmorillonite Na0.3Al4Si6O15(OH)64H2O, Muscovite K Al3Si3O10 (OH)2, Barite BaSO4, Quartz SiO2. В табл. 2 и на рис. 3 представлены данные о гранулометрическом составе исследуемых отходов бурения. Таблица 2. Гранулометрический состав / Table 2. granulometric composition Размер фракций, мм / Size of fractions, mm 1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005- 0,001 Содержание, % / content, % 25,81 25,59 23,12 4,72 6,62 Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. На основе исследуемых буровых шламов были получены образцы строительных материалов с содержанием бурового шлама 30, 40, 50, 60 % по массе, кварцевого песка и портландцемента ПЦ 42,5Н. Обжиг образцов проводился после твердения в нормальных условиях в течение 3 ч при температуре 950 °С в муфельной печи. Составы образцов приведены в табл. 3. После изготовления образцы испытывали по ГОСТ 310.4-81, после чего проводили оценки биотоксичности полученных материалов. Исследование проводилось следующим образом: готовили водные вытяжки из образцов бурового шлама, затем делали растворы водных вытяжек с дистиллированной водой в соотношении 1:10 (по массе) и выдерживали в течение 10 дней. Уровень рН отфильтрованных растворов составил 14. После этого одну часть отфильтрованной водной вытяжки разбавляли водопроводной водой, а другую нейтрализовали HCl до получения модельных сред с водородным показателем pН = 6,8-7,2 [10]. Для сравнения проводили контроль на водопроводной воде. Рис. 3. Распределение частиц по размерам Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Figure. 3. Particle size distribution Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. Гигиеническую оценку исследуемых материалов исследовали способом биотестирования водных вытяжек химических соединений, полученных из исследуемых образцов отходов бурения. Биотестирование проводили в соответствии с Методикой ФР.1.39.2007.03222[39]. Объектом для тестирования были выбраны дафнии Dafhnia magna Straus. Для исследований готовили сосуды для биотестирования по 100 мл, в которые наливали контрольную и тестируемую водные вытяжки. Затем в сосуды помещали объекты биотестирования (Dafhnia magna Straus) следующим образом [11]: с использованием трубки из стекла диаметром 5-7 мм отлавливали дафний, помещали в сачок, погружали его в тестируемые образцы вытяжек, переводили в них дафний. При этом посадку дафний вели от тестируемого образца с большей кратностью разбавления к меньшей. Таблица 3. Составы исследуемых образцов / Table 3. compositions of the samples № состава / № of sample Содержание бурового шлама, % / Drilling mud content, % Содержание кварцевого песка, масс. часть / Quartz sand content, wt. part Содержание портландцемента, масс. часть / The content of Portland cement, wt. part 1 30 0,9 1 2 40 1,2 1 3 50 1,5 1 4 60 1,8 1 Контроль / Control - 3 1 Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. В каждый сосуд помещали по 10 односуточных дафний, которые экспонировались при оптимальных условиях в течение периода времени до 96 часов. Эксперимент повторяли три раза. При кратковременном эксперименте по биотестированию кормление дафний не проводилось[40] [11]. Подсчет выживших в ходе эксперимента дафний осуществляли через интервалы в 1, 6, 24, 48, 72 и 96 ч. При этом считали выжившими особей, которые были способны передвигаться в толще воды или всплывали со дна сосуда в течение 15 с после легкого встряхивания[41] [11]. Результаты Проведено биотестирование водных вытяжек образцов на основе отходов бурового шлама с использованием дафний. Установлено, что выбранные для эксперимента тест-объекты высокочувствительны к уровню щелочности среды, что является причиной их угнетенного состояния либо гибели. В связи с этим для оценки влияния компонентов, входящих в состав исследуемых образцов буровых растворов, было необходимо исключить влияние уровня щелочности или кислотности (pH среды). Для этого тестируемые образцы были разделены на две группы (табл. 4) [10]: - исходные водные вытяжки с уровнем рН от 5,45 (для исходного бурово-го раствора) до 12,43 (для исходной вытяжки); - вытяжки, разбавленные отстоянной водопроводной водой до рН = 6,5 - 7,2; (вытяжки, нейтрализованные до рН = 6,5 - 7,2). В качестве контроля использовалась отстоянная водопроводная вода [10]. Таблица 4. Значения рН водных вытяжек, используемых для биотестирования / Table 4. pH values of aqueous extracts used for biotesting № пробы / No. of sample 1 2 3 4 Контроль / control рН исходной вытяжки / рН of initial water extracts 11,3 11,1 10,9 10,6 12,6 рН нейтрализованной пробы / рН of neutralized water extracts 6,4 6,45 6,5 6,22 6,9 Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. Результаты исследований представлены в табл. 5. Таблица 5. Результаты биотестирования с использованием дафний рода Dafhnia magna Straus / Table 5. Biotesting results using daphnia of the genus Daphnia magna Straus № пробы / No. of sample Процент погибших дафний в образце состава, % Percentage of dead daphnia in the sample, % 1 2 3 4 Контроль / control Водные вытяжки с исходным уровнем рН (контроль) / Water extracts with the initial pH level (control) Через 1 ч / After 1 hour 0 0 0 0 0 Через 2 ч / After 2 hour 1 2 0 3 2 Через 24 ч / After 24 hour 12 16 11 20 9 Через 48 ч / After 48 hour 31 33 27 43 17 Через 96 ч / After 96 hour 63 68 61 72 23 Острая токсичность / Acute toxicity + + + + + Водные вытяжки, нейтрализованные / Neutralized water extracts Через 1 ч / After 1 hour 0 0 0 0 0 Через 2 ч / After 2 hour 0 0 0 5 0 Через 24 ч / After 24 hour 17 16 15 18 5 Через 48 ч / After 48 hour 24 27 22 27 9 Через 96 ч / After 96 hour 48 47 42 48 10 Острая токсичность / Acute toxicity - - - - - Источник: составлено О.С. Выродовым, Ю.Е. Токач, Ю.К. Рубановым, Е.А. Пендюриным. Source: compiled by O.S. Vyrodov, Yu.E. Tokach, Yu.K. Rubanov, E.A. Pendyrin. Методика ФР.1.39.2007.03222[42] основана на определении смертности дафний (Daphnia magna Straus) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль). Острое токсическое действие на дафнии определялось по их смертности (летальности) за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служила гибель 50 % и более дафний за 96 ч в исследуемой пробе при условии, что в контрольном эксперименте все рачки сохраняли свою жизнеспособность. В растворах с исходным уровнем рН процент гибели дафний свидетельствует о негативном воздействии щелочной среды. В нейтрализованных и разбавленных процент погибших дафний не превышал 50 %, следовательно, анализи руемые среды не оказывали острого токсического действия на гидробионты. Полученные результаты согласуются с результатами многочисленных исследований воздействия отходов бурения нефтегазовой промышленности методами биотестирования [12-20], что свидетельствует об эффективности использования метода высокотемпературной утилизации буровых шламов с получением функциональных материалов строительного назначения. Выводы 1. Проведенные исследования физико-химических свойств исходных образцов буровых шламов Ямбургского нефтегазоконденсатного месторождения показали, что основными компонентами в составе данных отходов являются барит, кварц, каолинит и другие глинистые минералы; 2. Учитывая химический состав образцов, определено наиболее перспективное направление утилизации данного вида отходов в виде получения образцов обжиговых материалов строительного назначения; 3. Биотестирование водных вытяжек полученных образцов с использованием в качестве тест-объектов дафний Dafhnia magna Straus показало низкий уровень биотоксичности полученных материалов. 4. Высокотемпературная обработка дает возможность получения функциональных материалов строительного назначения с низким уровнем биотоксичности и влияния на живые организмы, что является важным аспектом разработки технологий утилизации отходов бурения ПАО «Газпром» с высокой долей вовлечения в технологический процесс переработки потенциального отхода, что несет экономический эффект без риска биологического ущерба.

Об авторах

Олег Сергеевич Выродов

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Автор, ответственный за переписку.
Email: iogig@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-6798-8146
SPIN-код: 1098-4350

аспирант

Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Юлия Егоровна Токач

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Email: tokach@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-2516-0938
SPIN-код: 1981-0073

кандидат технических наук, доцент

Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Юрий Константинович Рубанов

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Email: rubanov46@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1953-5019
SPIN-код: 2990-0032

кандидат технических наук, профессор

Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Евгений Александрович Пендюрин

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Email: pendyrinea@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4826-3654
SPIN-код: 1507-2474

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, д. 46

Герман Романович Федюк

Дальневосточный федеральный университет

Email: gerafediuk@gmail.com
ORCID iD: 0009-0005-4670-0461

студент

Российская Федерация, 690922, г. Владивосток, о. Русский, п. Аякс, д. 10

Список литературы

Дополнительные файлы