Применение термической обработки бурового шлама в целях получения вторичных материальных ресурсов

Проблема обеспечения экологической безопасности в области обращения с буровыми отходами нефтедобычи является актуальной во всём мире, но особенно насущной становится в России, с присущими ей региональными различиями и особенностями.

Каждый этап производства, от добычи до переработки и сбыта, сопровождается образованием значительного количества отходов (буровых шламов), характеризующихся большим спектром загрязняющих веществ в своем составе. Под вредное воздействие которых попадает практически каждый компонент окружающей среды, образуя в своем единстве поля площадных загрязнений, постепенно переходя от локальных, экосистемных до глобальных масштабов.

В соответствии с опубликованными официальными данными в 2019 году для показателей объемов добычи для нефти и газового конденсата был характерен рост по сравнению с 2018 годом на 0,8 %, как следствие, по суммарным финансовым показателям за 2018‑2019 гг. наблюдался рост платы за негативное воздействие на окружающую среду на 13,2 % [1].

С учетом наращивания потенциала нефтедобывающего комплекса представляется возможным сделать вывод о потребности вовлечения новых месторождений с серьезными трудностями в отношении доступности, добычи и транспортировки, особенно характерными для акваторий арктических морей, запасы нефти которых по оценке Минприроды составляют 7,3 млрд тонн.

Из расчета, что каждый метр проходки при эксплуатационном бурении сопровождается образованием примерно 0,4 м3 буровых отходов, с учетом имеющихся данных, что на территории Российской Федерации в 2020 году проходка в эксплуатационном бурении составила 27 млн. м [2], при средней глубине скважин 3000 м, только за 2020 год в Российской Федерации образовалось ориентировочно 10,8 млн м3 отходов бурения (в том числе буровых шламов).

При этом отдельного внимания заслуживают так называемые накопленные нефтешламы, размещаемые зачастую в открытых амбарах, в очень больших количествах. Данные условия формируют обстоятельства, при которых почва, поверхностные и подземные воды, а также атмосферный воздух подвергаются постоянному загрязнению. В результате размыва окантовки амбаров паводковыми, дождевыми и талыми водами нефтесодержащие отходы попадают в водные объекты и почву, что в свою очередь, приводит к изменениям, (подчас необратимым) морфологических свойств почвы, так, вследствие закупорки капилляров, нарушается ее аэрация, возникают анаэробные условия, нарушается окислительно-восстановительный потенциал, выводятся из оборота значительные площади земель. За счет испарения легких фракций происходит загрязнение атмосферного воздуха углеводородами, сероводородом и другими выбросами.

Согласно официальным исследованиям в России ежегодно образуется свыше 3 млн. т нефтешламов всех видов. Ресурсы нефтешламов, находящихся в земляных амбарах, оцениваются в 4,5 млн. т. Объемы накопленных нефтешламов, требующих утилизации, переработки и обезвреживания, к настоящему времени превышают 100 млн. т. [3].

Принимая во внимание множество особенностей, характерных отдельным регионам России, проблема ликвидации накопленных отходов бурения приобретает специфический характер ввиду различия природно-климатических факторов, инфраструктуры топливно-энергетического комплекса, степени урбанизации и т.п. Так, в регионах с длительной историей нефтедобычи формирование шламовых накопителей происходило на протяжении многих десятилетий, охватывающих, что немаловажно, периоды смены нормативных требований в сфере охраны окружающей среды и здоровья человека, инженерно-технический прогресс, как нефтедобывающих предприятий, так и предприятий по переработке нефтесодержащих отходов.

Для снижения (исключения) отрицательного воздействия рассматриваемых видов отходов на компоненты окружающей среды необходимо различать буровые и нефтяные шламы (по химическим, физическим, токсическим характеристикам, а также видам воздействия на компоненты окружающей природной среды), чтобы обоснованно подходить к выбору экологически безопасной технологии их утилизации, которая способна максимально эффективно уменьшить концентрацию загрязняющих веществ в отходе и позволит использовать его в качестве вторичного материального ресурса в других видах промышленности.

Значительное количество проектов по утилизации подобных шламов не дают должного результата по причине отсутствия комплексного подхода, неправильно подобранного оборудования, незнания природы перерабатываемых отходов, суть большей части которых сводится к захоронению или размещению на полигонах.

В настоящее время не существует внедренных разработок экологически чистых способов использования буровых шламов в качестве вторичного ресурса. Тем не менее, наиболее перспективным способом обращения с буровыми отходами представляется их переработка для использования в составах строительных материалов, дорожных покрытий и грунтовых смесей. Но непостоянные состав и свойства буровых шламов, токсичность и ряд других затруднений препятствуют широкому распространению и внедрению подобного направления утилизации.

В соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 51.01-06-85 буровой шлам – это измельченная выбуренная порода, загрязненная остатками бурового раствора [4]. Федеральный классификационный каталог отходов относит буровые шламы в основном к III–IV классам опасности. Как показывает практика, в состав бурового шлама преимущественно входят: выбуренная порода – 70 %; органические вещества – 7 %; водорастворимые соли – 4 %; утяжелители и бентониты – 4 %; вода – 15 %, в значительно меньших количестве: хлориды, тяжелые металлы, элементы бурового раствора, нефтепродукты, вода и прочие соединения.

В процессе подготовки бурового шлама к утилизации с получением вторичного ресурса помимо сушки, дробления, смешивания массы, прессования и т.п. в целях создания условий для деструкции углеродсодержащих компонентов сырья – термического разложения и окисления молекул органических веществ целесообразно применять предварительную термическую обработку.

Методы термической обработки лучше всего справляются с задачей наиболее эффективного удаления органической составляющей отходов, уменьшения объема и мобильности неорганической составляющей – солей и металлов. Суть термической обработки состоит в уменьшении токсичности и объема отходов.

Термическая переработка может быть как промежуточным звеном для уменьшения токсичности и объема отходов и их подготовки для будущей переработки или захоронения, так и завершающим этапом, использующимся как процесс окончательной переработки отходов в инертную твердую фазу.

Продукты термической обработки используются в дорожном строительстве, обсыпке дорог, изготовлении шлакоблоков для малоэтажного строительства, тротуарной плитки, бордюрного камня, связующих смесей, гранулированного наполнителя в бетонах (после помола твердой фазы).

Наибольшее распространение получили следующие методы сжигания нефтешламов: во вращающихся барабанных печах, в печах с кипящим слоем теплоносителя, в объеме топки с использованием распылительных форсунок, в топке с барботажными горелками. Полученный прокаленный остаток представляет собой по химическому составу цементоподобное вещество.

Термические методы обезвреживания бурового шлама являются весьма эффективными, но не всегда экономически рентабельными. Обработка шлама при высоких температурах (до 500 °С и выше) позволяет полностью освободиться от органических соединений и получить твердые отходы.

При этом термообезвреживание, применяемое в составе некоторых технологий, основывается на пиролизе – деструкции органической части отходов при температуре 500-550°С с получением твердого остатка и горючих газов. Однако для переработки буровых шламов процесс пиролиза не является достаточно эффективным, поскольку не позволяет использовать потенциальные возможности данного сырья для получения качественных строительных материалов. При переработке и утилизации нефтешлама в подобных условиях невозможно получить строительный материал с устойчивой стабильной структурой из-за низкой температуры термообработки.

Компанией «Шлюмберже» (Schlumberger) – ведущим мировым поставщиком технологий для комплексной оценки пласта, строительства скважин, управления добычей и переработки углеводородов предложена технология термодесорбции (установка «HAMMERMILL»), предусматривающая возможность использования как на суше, так и на морских буровых установках (в условиях дефицита свободного места) и может быть смонтирована в пространстве, которое раньше было занято, например, открытыми контейнерами для сбора и транспортировки бурового шлама на берег.

Технологический процесс десорбции основан на прямом механическом нагреве посредством использования дробильно-измельчающего воздействия на шлам. Сочетание высокого механического поперечного усилия и непосредственного теплового воздействия создает условия, которые способствуют мгновенному испарению воды и углеводородов. В данном типе процесса десорбции отсутствует источник воспламенения, основной процесс – трение. Этой технологии не требуются большие площади и сложные системы для нагрева и поддержания необходимой температуры теплоносителя, например, горячего масла, пара или выхлопных газов. Это быстрый, чистый и эффективный процесс.

Подобная технология предусматривает отделение крупных предметов посредством пропуска буровых отходов через сетку обычного вибросита, расположенную сверху на загрузочном бункере. Для подачи материала в дробильно-измельчительную установку используются двухпоршневые насосы. При интенсивном измельчении шлама образуются большие объемы сверхмелких частиц, которые уносятся вместе с парами из измельчительной камеры. Прежде чем пары пройдут через конденсаторы, эти твердые частицы эффективно удаляются циклоном и специальным пылеулавливателем.

Особенностями и преимуществами указанного метода являются: небольшая площадь под размещение оборудования, возможность размещения на морских буровых установках, отсутствие необходимости в большом штате обслуживающего персонала, чистая энергоемкая и бесшумна работа, хорошее состояние отделенного масла и эффективное интенсивное перемешивание, необходимое для раздробления твердых частиц, включая эффективную термодесорбцию.

Известна «Технологическая схема установки для термического обезвреживания промышленных нефтесодержащих и твердых бытовых отходов» [5], хранящихся в местах складирования (в аварийно-технологических амбарах или шламонакопителях), предусматривающая ликвидацию высвобождаемых шламонакопителей с последующей их рекультивацией и передачей восстановленных участков землепользователям.

Термообезвреживание, реализуемое предлагаемой установкой, основывается на пиролизе – деструкции органической части отходов, например, нефтешлама, при температуре 500-550°С с получением твердого остатка и горючих газов. Отличительной особенностью технологии термообезвреживания в предлагаемой установке является осуществление пиролиза во вращающейся муфельной печи с ретортой по принципу «труба в трубе» без доступа воздуха, при этом выделяющиеся при пиролизе горючие газы полностью сжигаются в топке печи, а дымовые газы используются для обогрева реторты.

Утилизированный грунт может быть использован для возделывания технических культур и посадок зеленых насаждений в черте населенных пунктов, а также для хозяйственных целей, например, для обустройства дорог, засыпки оврагов.

При этом, как говорилось выше, для переработки буровых шламов процесс пиролиза не является оптимальным, поскольку не позволяет использовать потенциальные возможности данного сырья для получения качественных строительных материалов.

Также известен «Полигон для очистки и обезвреживания выбуренного грунта комбинированным методом» [6]. Установка высокотемпературного обжига предусматривает обеззараживание шлама в печах при температуре 1400°С. После спекания грунта, и достижения прочности 10 кг/см2, обезвреженную массу используют для рекультивации отработанного карьера, для отсыпки нефтепроводов, для строительных и ремонтных работ и других технических целей.

При использовании данного полигона предусмотрено применение специальных компонентов для отверждения массы и вспучивания, при этом очевидны большие затраты энергии для обезвреживания в течение 1 часа, путем высокотемпературного обжига при температуре 1400°С.

Еще одно возможное техническое решение по обезвреживанию и полезной утилизации буровых шламов в материалы, пригодные к применению для строительных и ремонтных работ и других технических целей, известно как «Комплекс двойного обезвреживания и утилизации бурового шлама» [7], который позволяет реализовать весь процесс непосредственно на площадке буровой установки, без доставки дополнительных компонентов.

Данный комплекс относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству гравия, щебня, керамзита, отличается тем, что может быть использован непосредственно на буровых площадках для изготовления пористых и плотных заполнителей, для теплоизоляционно-конструкционных и конструкционных бетонов.

Техническим решением предусмотрена двойная термообработка. При первичной термообработке при температуре 300-500°С, за 8-20 минут удаляют избыточную влагу, обезвреживают буровые шламы от патогенных микроорганизмов, микроспор, и подсушивают до формовочной влажности 28-32 %. При вторичной термообработке, скоростным обжигом, в течение 30-50 минут, в интервале температур 950-1200°С, завершают обезвреживание буровых шламов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания, все их составляющие, в том числе, возможные примеси тяжелых металлов, в процессе твердофазового и последующего смешанного и жидкостного спекания связываются в прочную керамическую структуру с высокой степенью устойчивости.

Варьирование технологическими параметрами позволяет управлять производительностью комплекса и перерабатывать до 40-50 тыс. м3 в год бурового шлама и получать обеззараженные строительные материалы с разными свойствами в зависимости от желаемой сферы применения: плотный гравий с высокой прочностью или поризованный гравий, который почти в 2 раза легче.

Отличительной особенностью является введение в комплекс устройства скоростной первичной термообработки за 8-20 минут, в виде сушильного барабана, позволяющей при получении обеззараженного полуфабриката формовочной влажности значительно меньше, по сравнению с аналогами, тратить времени и энергоресурсов, и создать безвредные условия для работающих с сырьевой смесью и буровиков.

Строительные материалы, получаемые по разработанной технологии, могут восполнить существующий дефицит в районах размещения буровых установок, и снизить остроту проблемы, покрывая часть этих потребностей.

Данная технология предусматривает получение строительного материала в виде гравия, что на наш взгляд несколько сужает спектр возможного применения сырья, получаемого на выходе.

 Подводя итог вышеизложенному, необходимо отметить, что при всех возможных способах обезвоживания, утилизации, переработки и обезвреживания буровых отходов с применением различных методов, имеющих свои преимущества и недостатки, наиболее перспективными на сегодняшний день являются комплексные методы, сочетающие различные способы очистки и обезвреживания.

При этом важным представляется необходимость учитывать и предусматривать технико-технологическими решениями возможность получения материала с разными свойствами с целью расширения направлений использования рассматриваемого вторичного ресурса.

В целом, используя комплексные методы утилизации буровых шламов, с получением вторичного материального ресурса, достигается положительный эффект в целом ряде аспектов: экологическом – снижение негативного воздействия на различные компоненты окружающей среды, экономическом – уменьшение площадей, занятых отходами, снижение соответствующих платежей, получение прибыли от реализации продукта переработки, социально-экономическом – создание дополнительных рабочих мест.

При этом в южных районах для обезвреживания буровых отходов достаточно использование центрифуг и сепарации с целью отгрузки для мелиорации, а в случае с северными широтами появляются осложнения в виде дополнительных затрат и технических особенностей.

Возможность использования данного вида отходов в качестве вторичного ресурса имеет большое значение для удаленных нефтегазовых регионов с учетом отсутствия полигонов для размещения отходов, а также имеющегося в них дефицита строительных материалов и высокой стоимости их дальней транспортировки.

Учитывая вышеизложенное необходимо совершенствовать старые, разрабатывать и внедрять современные, наукоемкие технологии, отвечающие мировым стандартам качества.