Разработка технологической схемы утилизации буровых шламов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

"Уфимский государственный университет экономики и сервиса"

Кафедра "ООС и РИПР"

Курсовой проект

Разработка технологической схемы утилизации буровых шламов

Выполнил:

ст. гр. МЗД-1

Тимофеев Э.А.

Уфа 2016 г.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

2. Технологические решения по ликвидации нефтешламов

Список литературы

Введение

Технология нефтедобычи представляет собой процесс бурения скважин, который сопровождается образованием большого количества отходов, содержащих включения нефтепродуктов и механических примесей, и тем самым представляющих опасность для окружающей среды. Буровые отходы состоят из жидкой фазы (тампонажные растворы, пластовые и сточные воды) и бурового шлама, т.е. выбуренной породы. [1]. Одной из важнейших задач является защита природной среды от жидких и твердых буровых отходов (БО), образующихся в процессе работы бурового оборудования. Они состоят из буровых сточных вод (БСВ), отработанного бурового раствора (БР) и бурового шлама, в ряде случаев перемешанных в шламовых амбарах. Основные факторы воздействия БО на окружающие элементы биоценоза определяются составом БР и попадающими в него из за бойного пространства нефтепродуктами и минерализованными водами [2].

Отходы размещаются в специальных шламовых амбарах, снабженных противофильтрационным экраном, выполненным, чаще всего, из геомембраны и предотвращающим проникновение опасных веществ в грунтовые воды. При этом естественно, что залегание бурового шлама происходит на дне, а жидкая фаза располагается сверху. Распределение нефтяных включений в шламовом амбаре происходит следующим образом:7-10% находится буровом шламе, 5-10% растворено в жидких отходах, а основная часть размещается на поверхности амбара, образуя пленку. [3]

1. Литературный обзор

Одной из основных задач промышленности на сегодняшний день выступает максимальное уменьшение загрязнения окружающей среды, и в частности промышленными отходами [4]. Нефтесодержащие отходы оказывают негативное воздействие практически на все компоненты природной среды: поверхностные и подземные воды, почвенно-растительный покров, атмосферный воздух, биоту. Одной из первоочередных проблем при обращении с нефтеотходами выступает выбор оптимальной схемы их утилизации или обезвреживания [5].

Источники загрязнения при бурении скважин условно можно разделить на постоянные и временные [9]. К первым относятся фильтрация и утечки жидких отходов бурения из шламовых амбаров. Ко второй группе принадлежат источники временного действия - поглощение бурового раствора при бурении; выбросы пластового флюида на дневную поверхность; нарушение герметичности зацементированного заколонного пространства, приводящее к межпластовым перетокам и заколонным проявлениям; затопление территории буровой вследствие паводка в период весеннего половодья или интенсивного таяния снегов и разлив при этом содержимого шламовых амбаров (рисунок 1).

Рисунок 1 - Систематизация источников загрязнения при бурении скважин

На территории Российской Федерации в отстойниках образуется около 3 млн. тонн нефтешламов, которые из-за значительного содержания в них нефтепродуктов можно отнести ко вторичным материальным ресурсам. Использование их в качестве сырья является одним из рациональных способов утилизации, так как при этом достигается определенный экологический и экономический эффект [3].

В последние годы нефтедобывающими предприятиями в производство внедряются различные технологические решения, направленные на утилизацию отходов бурения. Однако унифицированного способа переработки нефтешламов с целью обезвреживания и утилизации не существует.

Все известные технологии переработки нефтешламов по методам переработки можно разделить на следующие группы:

- термические - сжигание в открытых амбарах, печах различных типов, получение битуминозных остатков;

- физические - захоронение в специальных могильниках, разделение в центробежном поле, вакуумное фильтрование и фильтрование под давлением;

- химические - экстрагирование с помощью растворителей, отвердение с применением (цемент, жидкое стекло, глина) и органических (эпоксидные и полистирольные смолы, полиуретаны и др.) добавок;

- физико-химические - применение специально подобранных реагентов, изменяющих физико-химические свойства, с последующей обработкой на специальном оборудовании;

- биологические - микробиологическое разложение в почве непосредственно в местах хранения, биотермическое разложение.

Среди существующих методов разделения нефтешламов с целью утилизации - центрифугирования, экстракции, гравитационного уплотнения, вакуумфильтрации, фильтрпрессования, замораживания и др. Наиболее перспективным является центрифугирование с использованием флокулянтов. Центрифугированием можно достичь эффекта извлечения нефтепродуктов на 85%, мехпримесей - на 95%. При реагентной обработке нефтешламов изменяются их свойства: повышается водоотдача, облегчается выделение нефтепродуктов [6, 7].

В качестве наиболее прогрессивных можно перечислить некоторые технологии ликвидации шламовых амбаров и утилизации буровых шламов, применяемые в России и за рубежом.

Компанией АСS 530 (США) разработана мобильная система обработки и очистки гряземаслонефтяных отходов МТU 530. Установка смонтирована на базе автомобильной платформы, способна разделять нефтешламы на различные фазы - нефть, вода, твердые вещества - за счет центрифугирования нагретого нефтешлама. Вода пригодна для последующей биологической очистки; отделенная нефть может быть использована в технических целях; обезвоженный осадок - для производства строительных материалов. Установка применялась в России для устранения последствий аварии нефтепровода в Республике Коми. Производительность установки - 10 м³/ч по исходному нефтешламу (при концентрации нефти до 65%) [8].

Компанией KHD Humboldt Wedag AG (Германия) предложена технология разделения нефтешламов на фазы с последующим сжиганием шлама. Установка снабжена устройством для забора нефтешлама, виброситом для отделения основной массы твердых частиц, трехфазной центрифугой, сепаратором для доочистки фугата с центрифуги, печью. Производительность установки - до 15 м³/ч по исходному нефтешламу.

В АНК "Башнефть" на нефтешламовых амбарах "Самсык" в НГДУ "Октябрьскнефть" применялась технология, заключающаяся в растворении, нагреве с обработкой химическими реагентами для отделения отстоем воды и механических примесей. Полученная нефть направлялась на дальнейшую переработку.

В НГДУ "Туймазынефть" с 1995 г. внедрена и успешно используется установка фирмы "Татойлгаз", основанная на технологии фирмы "Майкен" (Германия). Технология заключается в нагреве нефтешлама, обработке деэмульгаторами, разрушении эмульсии в декантаторе с предварительным отделением воды и механических примесей. Доведение до требуемого качества товарной нефти осуществляется на второй стадии - в испарителе и трехфазном сепараторе.

2. Технологические решения по ликвидации нефтешламов

Процесс ликвидации амбара с последующей утилизацией бурового шлама можно условно разделить на следующие технологические стадии:

- сбор нефтяной пленки с поверхности амбара;

- очистка жидкой фазы от эмульгированной нефти;

- доочистка жидкой фазы (степень очистки зависит от дальнейшего использования очищенной воды);

- обезвоживание и обезвреживание бурового шлама;

- утилизация бурового шлама;

- очистка нефтезагрязненного грунта.

Таким образом, весь технологический процесс ликвидации шламового амбара проводится в два этапа:

1) очистка и обезвреживание содержимого амбара и

2) собственно утилизация бурового шлама.

Принципиальная схема переработки буровых отходов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Принципиальная схема переработки отходов бурения

нефтедобыча буровой шлам утилизация

Предварительно обезвреженные отходы бурения (буровой шлам) могут использоваться в производстве строительных материалов - кирпича, керамзита, мелкоразмерных строительных изделий и т.п.

Перечислим возможные продукты утилизации отходов бурения (бурового шлама):

При подготовке БО к утилизации во всех случаях производят отстаивание БО в шламовом амбаре в течение 20-40 дней. За этот период происходят основные процессы седиментации и разделение объема БО на жидкую (водную) фазу и гелеобразный осадок. На поверхности водной фазы образуется слой нефтеводяной эмульсии, а в толще воды остаются растворенные (взвешенные) микрокапли нефтепродуктов. Поверхностные нефтеэмульсии откачивают с помощью вакуумных машин или с помощью нефтесборщиков. Остатки нефти локализуют с помощью боновых заграждений и удаляют из амбара [3]. Волоконные боны типа ВИЙ способны производить очистку воды и от растворенных нефтепродуктов. На волокнах этой системы в ряде случаев иммобилизуют микроорганизмы-деструкторы нефтепродуктов, которые используют растворенную в воде нефть в качестве источника углерода и энергии. Очистка этой воды может также проводиться с помощью различных фильтров, наклонных ячеистых структур и гравитационных систем волнистого и циклонного типа.

Хороший эффект достигается с помощью электрообработки нефтесодержащих вод [1, 4].

Оставшуюся воду осветляют с помощью коагулянтов и флокулянтов, откачивают и подают в систему оборотного водоснабжения в технических целях, в систему для поддержания пластового давления или для приготовления растворов, в том числе буровых. Эта вода может также использоваться для технологий переработки БО при приготовлении смесей. Классификация способов переработки БО может быть произведена по различным критериям (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Классификация способов утилизации БО

По типу воздействия способы могут быть физические, химические, биологические и их комбинации. По месту использования можно выделить технологии, применяемые на буровой установке, в шламовом амбаре на кустовой площадке, на полигоне утилизации отходов, на специальной установке и при транспортировке. С точки зрения стоимости переработки одной тонны БО можно условно сравнивать стоимость переработки БО со стоимостью одной тонны приготовленного БР на конкретном объекте. При стоимости переработки до 0,5 цены приготовленного БР - способы малой стоимости, от 0,5 до 2 - средней, свыше 2 - способы с высокой стоимостью. Областью использования получаемого продукта может быть производство строительных, мелиоративных или рекультивационных материалов. Наиболее распространенные физические методы основаны на центрифугировании, сепарации и воздействии высоких температур и др.

1. Отмыв загрязняющих веществ (в основном нефти) из объема БО с помощью горячей воды (70-95°С) и пара. Недостаток метода - высокие энергетические затраты.

2. Выпаривание воды с помощью солнечной энергии. Для усиления этого эффекта используется эффект парника.

3. Прогрев объема БО путем пропускания через него выхлопных газов Достоинство метода - одновременно с отверждением можно получить вспененный теплоизолирующий материал.

4. Центрифугирование БО с возвратом раствора в буровой процесс. Недостаток метода - объем БО после этого снижается всего на 10-15%, а оставшаяся после этого масса подлежит дальнейшей переработке.

5. Сепарация с помощью вибросит, пропускание сквозь щели, пористые и волоконные материалы и т.д.

6. Отстаивание в амбарах с секционированием БО по плотности. Разделительные перемычки из песка при этом используются для фильтрации жидких компонентов и перепускания менее плотных верхних слоев БО.

7. Вымораживание отстоявшейся воды при температурах -3-7°С. Полученный лед вывозится на рельеф.

8. Седиментация путем нанесения БО на наклонную поверхность. Такой процесс может повторяться многократно. Послойное наращивание с подсушиванием слоев составляет 2-4 см.

9. Переработка буровых растворов с использованием метода распылительной сушки. Для получения теплоносителя используется природный или сжиженный газ, мазут, дизельное топливо, нефть. Установка предназначается для обезвреживания шлама, регенерации избыточных объемов бурового раствора, добавочных жидкостей. Буровой раствор, поступающий из скважины, последовательно очищается на выбросите и батарее гидроциклонных песко- и илоотделителей. Установка экономически выгодна лишь при утилизации отработанных БР, а не сточных вод.

10. Захоронение в специально отведенном месте с помощью перемешивания БО с привозимым грунтом или песком. Недостаток метода - требуемый объем завозимого песка десятикратно превышает объем перерабатываемых БО.

11. Перемешивание с торфом, опилками, навозом и другими органическими веществами-отходами местных производств для получения теплоизоляционного материала. Полученная теплоизолирующая смесь позволяет увеличить срок действия зимника на 3-4 недели.

12. Замораживание в зимний период БО с последующим захоронением под слоем теплоизоляции из торфа, опила и др.

13. Применение отработанных БР как основу для приготовления тампонажных составов, необходимых при креплении скважин и изоляции зон поглощений [7].

В качестве вяжущего используют синтетические основы, цемент, гипс и другие материалы. Начало и конец схватывания смеси при различных температурах регулируется оптимальным соотношением компонентов. Достоинство метода отвердевшая пластмасса практически нерастворима в пластовых флюидах, непроницаема и коррозионноустойчива в водных растворах солей одновалентных металлов [10, 11, 12].

14. Технология "реинджекшн" - закачивание БО в затрубное пространство или в специально пробуренную скважину, закачивание в скважину после завершения буровых работ. Основные условия для применения "реинджекшн" - геологическая возможность для закачивания (наличие принимающего пласта, водоупорных пластов над и под принимающим пластом, чтобы предотвратить загрязнение грунтовых вод). Пластовая вода закачивается еще и в эксплуатационные скважины для повышения интенсивности газодобычи. Следует отметить, что бурение поглощающих скважин запрещается в зонах санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения. Достоинство метода - возможность изолирования жидких БО глубоко под землей в природных резервуарах [5].

15. Размещение в пустотах строительного мусора, автомобильных покрышек и др. Достоинство метода - одновременное захоронение БО с отходами других видов.

16. Заполнение карстовых полостей под железными и автомобильными дорогами. Достоинство метода - в этом случае достаточно удалить из БО нефть, а текучесть даже полезна, так как позволяет создать давление в полости за счет столба жидкости в вертикальной части полости.

17. Внесение отработанных БР в почвы. Способ заключается в равномерном распределении содержимого котлована-отстойника по поверхности земли и механическом перемешивании ее с буровыми отходами. Первоначальные результаты, полученные в Канаде, дают основание считать его перспективным с точки зрения повышения плодородности полей при условии, естественно, абсолютного отсутствия в составе БО вредных примесей, оказывающих отрицательное влияние на качественный состав земель. Предпочтительнее применять такой способ в равнинной местности, где уровень грунтовых вод находится достаточно низко от поверхности земли. Достоинства метода - возможность получения плодородного грунта непосредственно в месте размещения БО - в шламовых амбарах; высокая эффективность мелиорации [11, 12].

18. Термическое прокаливание (термодесорбция) с получением грубой строительной керамики (кирпича, керамзита). Термический метод нейтрализации бурового шлама считается наиболее эффективным и практически доступным. При прокаливании шлама при температуре 300°С токсичность его снижается в 10 раз, а при 500°С шлам обезвреживается полностью. В качестве источника тепла используется попутный газ, нефть, уголь, отходы древесины.

При наличии большого объема БО (сотни тысяч тонн в год) целесообразно строительство завода по отжигу БО и производству кирпича или керамзита. Достоинства метода - высокая эффективность обезвреживания, практическая доступность. Химические методы: - химическая нейтрализация с помощью реагентов с получением менее опасных веществ и нейтральных показателей РН (5,6-7,8); - получение теплоизолирующих материалов путем вспенивания с алюминиевой пудрой (при показателе рН БО свыше 10). К биологическим относится деструкция загрязняющих компонентов БО с помощью микроорганизмов. Последние чувствительны к составу БО, действуют селективно на различные виды загрязнений и требуют специальных условий для жизнедеятельности [6].

Физико-химические технологии основаны на комбинации физических и химических методов:

1. Перемешивание БО с сорбентом нефтепродуктов с последующим отделением сорбента от БО (например, с терморасщепленным графитом или вспененной карбамидной смолой, всплывающих за счет малой плотности).

2. Получение из БО гидроизолирующего материала. Это достигается введением пластических добавок, в том числе битумов или парафинов, получаемых в ходе пропаривания нефтяной коллекторной трубы.

3. Введение 2-5% БО в клиринговую смесь для производства цементов. Стоимость утилизации в этом случае определяется транспортными расходами до цементного завода и стоимостью аналитического контроля за составом смеси.

4. Замораживание с дроблением и последующей капсулизацией. На поверхности замороженных кусков БО путем перемешивания образуется твердая оболочка из вяжущего материала, например цемента. Эта оболочка препятствует миграции загрязняющих веществ и частиц БО в окружающую среду даже после оттаивания при положительных температурах. Цемент, применяемый при такой технологии, должен иметь добавки для низких температур, например, марки М-400 Д20.

5. Размещение БО в полимерных оболочках с дальнейшим использованием для заполнения объемов отсыпки. Для придания прочностных свойств перед помещением в оболочку масса БО должна быть подсушена. Наиболее технологичным для подсушки является микроволновый прогрев.

6. Отверждение (солидификацию) с последующим захоронением под слой минерального грунта или использованием в хозяйственной деятельности. Глиноподобная отвердевшая масса служит как строительный материал или, после помола, как удобрение. Для отверждения отходов бурения их обрабатывают активирующими добавками. Цель считается достигнутой, если прочность отвердевшей смеси через 3 сут. составляет 0,1 МПа (грунт с такой прочностью выдерживает массу автомашины или трактора). В качестве отвердителей применяют любые крепители: полимеры, формальдегидные смолы, гипс, жидкое стекло и др. Наиболее доступен портландцемент, добавка которого должна составлять не менее 10% по объему от отверждаемой массы. Для ускорения сроков схватывания его содержание увеличивают или вводят полиэлектролиты (поваренная соль, хлористый кальций, кальцинированная сода).

7. Электролизное разделение компонентов БО. Образующиеся вблизи электродов скопления тяжелых металлов, галогенов и других загрязняющих веществ отводятся с дополнительной утилизацией.

8. Электрокоагуляция с осаждением коагулированного осадка. Этим методом производится быстрое осаждение (1-2 часа) коллоидных частиц и очистка от органических загрязнителей при ее содержании до 2 мг/л. При этом на поверхности БО образуется слой воды, подлежащий откачке. Достоинство метода - осветленную воду можно использовать для водоснабжения буровой. Недостатки - невозможность транспортировки установки без ее демонтажа; замену отработанного электрода можно производить только при наличии грузоподъемного устройства; не решена проблема пассивации электродов: не обеспечивается сохранение постоянного зазора между ними, что влечет за собой по мере растворения анода перерасход электроэнергии.

Другие методы переработки и утилизации БО.

1. Прогрев буровых отходов с помощью электрических матов для бетонов. Данный метод может использоваться после извлечения из буровых отходов загрязняющих веществ.

2. Электрический микроволновый метод прогрева и прокаливания буровых отходов. При этом излучатель СВЧ размещается над транспортером, перемещающим БО. Достоинство метода - коэффициент полезного действия этого метода наиболее высок среди остальных, использующих электроэнергию.

3. Выращивание в объеме БО или на прилегающих грунтах трав и деревьев (лесная рекультивация). Достоинство метода - повышение плодородности почвы (при условии, естественно, абсолютного отсутствия в составе БО вредных примесей) [12].

4. Рекультивация нефтезагрязненных земель. Наносимые на нефтезагрязненные земли БО разрушают пленку из нефти и выдавливают нефть в микропонижения, что стимулирует процессы биоразложения.

5. Рекультивация песчаных сухо-ройных и торфяных карьеров и других нарушенных земель.

Исходя из вышеизложенного, следует, что все перечисленные технологии направлены на нейтрализацию рН; устранение из объема БО загрязняющих веществ; ликвидацию текучести отхода. Выбор метода утилизации БО производится с учетом множества факторов, при этом рассматриваются: технология бурения, оборудование и техника на кустовой площадке, местные условия, наличие и удаленность карьеров песка, сапропеля, торфа, ближайшие производства и отходы, наличие электроэнергии и топлива, конструкция шламового амбара, требования природоохранных органов.

Как правило, используется не одна, а несколько технологий. Если в южных регионах для утилизации БО достаточно более тщательно производить центрифугирование и сепарацию, а получаемый продукт вывезти на сельскохозяйственные земли для мелиорации, то в других случаях этот процесс связан с большими затратами и техническими сложностями. Однако, несмотря на все проблемы, в практику внедряются новые способы утилизации БО, совершенствуются старые, проверенные методы. Целый ряд научно-исследовательских и проектных организаций участвуют в разработке регламентов по утилизации отходов бурения. Таким образом, только комплексное применение различных способов позволяет добиться максимальной эффективности утилизации БО. Каждый из указанных выше способов утилизации БО требует детального изучения с исследованиями закономерностей технологических процессов и аналитическим контролем получаемого продукта.

Масштабы проблемы таковы, что повышение эффективности утилизации БО даже на единицы процентов принесет значительные прибыли. Наиболее перспективным, экологически чистым и часто единственно возможным способом удаления остаточных количеств загрязнения среды БО является применение биологических технологий, основанных на использовании микробных биопрепаратов, изготовленных из активной биомассы микроорганизмов-деструкторов. Источники загрязнения при бурении скважин условно можно разделить на постоянные и временные [3].

К первым относятся фильтрация и утечки жидких отходов бурения из шламовых амбаров.

Ко второй группе принадлежат источники временного действия - поглощение бурового раствора при бурении; выбросы пластового флюида на дневную поверхность; нарушение герметичности зацементированного заколонного пространства, приводящее к межпластовым перетокам и заколонным проявлениям; затопление территории буровой вследствие паводка в период весеннего половодья или интенсивного таяния снегов и разлив при этом содержимого шламовых амбаров (рисунок 3).

Список литературы

1. http://www.geoplenka.ru/articles/oil-industry/burovoi-shlam/

2. Барахнина В.Б., Киреев И.Р., Свинарев В.В. Основы технологии очистки отходов нефтегазового комплекса и оценка ущерба окружающей среде: учеб. пособие. - Уфа, 2009. - 242 с.

3. http://www.geoplenka.ru/articles/oil-industry/burovoi-shlam/

4. Ручкинова О.И., Вайсман Я.И. Экологическая безопасность предприятий нефтедобывающего комплекса (система управления нефтеотходами) // Инженерная экология. - 2003. - №2. - С. 15-26.

5. Техника и технология утилизации нефтяных отходов / Н.С. Минигазимов, В.А. Расветалов, И.Н. Минигазимов, А. Тараф. - Уфа, 2010. - 316 с.

6. Баширов В.В. и др. Техника и технология поэтапного удаления и переработки амбарных шламов. М., 1992.

7. Сметанин В.Л., Казначеева З.В. Обработка нефтешламов: Тез. Докл. 27 науч.-техн. Конф. Пермского политехнического института. Ч.2. Пермь, 1991.

8. Полигон по утилизации и переработке отходов бурения и нефтедобычи: Принципиальные технологические решения. Кн. 1. Разработка принципиальных технологических процессов разделения нефтешламов. Сургут, 1996.

9. Быков И.Ю., Гуменюк А.С, Литвиенко В.И. Охрана окружающей среды при строительстве скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1985. - 37 с. - (Обзор. информ. Сер. Коррозия и защита окружающей среды в нефтегазовой промышленности).

Размещено на Allbest.ru