Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современный мир трудно представить без такого ценного сырья как нефть. Добыча нефти и связанного с ней газа, составляющая единую нефтегазовую отрасль, является не только основой мощного топливно-энергетического комплекса России, но и главным источником валютных поступлений, ведущим компонентом бюджета страны.

Нефтедобыча - сложный производственный процесс, включающий в себя геологоразведку, бурение скважин и их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое. В результате образуется многочисленные производственные отходы, в том числе буровой шлам.

Актуальность темы:

Негативное воздействие любых промышленных отходов складывается из таких аспектов как отчуждение земель, используемых для размещения и хранения отходов, нерациональное использование природных ресурсов, миграция загрязняющих веществ в природные объекты. На сегодняшний день классификация отходов весьма обширна. Для каждого из них данные аспекты негативного влияния могут выражаться по-разному с преобладанием или отсутствием того или иного.

Буровой шлам - водная суспензия, твердая фаза которой представлена продуктами разрушенных пород забоя и стенок скважины.

Буровой шлам оказывает влияние на окружающую природную среду и ее компоненты: размещение отходов бурения в шламовых амбарах обуславливает отчуждение земель, необходимых под их обустройство (около 100-1000 га на каждом месторождении); неиспользование бурового шлама как возможного грунта для землеустроительных работ обуславливает необходимость разработки песчаных карьеров; содержание загрязняющих веществ от бурового раствора создает риск загрязнения компонентов природной среды сопредельных со шламовым амбаром территорий. Отходы бурения в своем составе содержат остатки применяемого при бурении бурового раствора: нефть, легкорастворимые соли, высокая щелочность. Кроме того БШ в силу содержания остатков бурового раствора, задачи которого обеспечить нахождение выбуриваемых частиц во взвешенном состоянии в жидкой фазе, обладают резко выраженными неблагоприятными водно-физическими свойствами: повышенная дисперсность, раздельно-частичное состояние, повышенная набухаемость, постоянная обводненность.

Именно неблагоприятные водно-физические свойства являются препятствием на пути эффективного и безопасного вовлечения буровых шламов в биологический круговорот. Обводненость и бесструктурность бурового шлама определяют его механическую неустойчивость как почвообразующей породы и затрудняют заселение шламовых амбаров высшими растениями.

В настоящее время актуально применение методов мелиорации водно-физических свойств буровых шламов, направленных на снижение негативного воздействия буровых шламов: переработка бурового шлама в продукт, который мог бы выступать в качестве техногенного грунта (почвоподобного объекта), используемого для рекультивации нарушенных земель, определяя тем самым снижение потребления природных грунтов для тех же целей. Возможность использования бурового шлама в свою очередь решит проблему отчуждения земель под обустройство шламовых амбаров и миграцию из них загрязняющих веществ в компоненты природной среды прилегающих территорий. Но использование бурового шлама для производства техногенных грунтов (почвоподобного объекта) дожно обеспчивать формирования почвоподобного тела, обладающего механической усточивостью по отношению к давлению внешних факторов и отсутствием негативного воздействия на компоненты природной среды.

Поэтому целью настоящего исследования явилось:

Изучение влияния мелиоративных добавок на улучшение свойств бурового шлама и их влияние на биотический отклик.

Задачи:

· исследовать аспекты негативного воздействия буровых шламов на компоненты окружающей среды (ОС);

· изучить существующие технологии утилизации и обезвреживания отходов бурения;

· изучить физические свойства исходного и мелиорированного БШ;

· исследование влияния различных минеральных добавок на улучшение свойств БШ;

· оценить снижение негативного воздействия мелиорированных БШ на ОС.

Практическая значимость:

Результаты постановки эксперимента позволяют оценить возможность восстановления шламовых амбаров с учетом использования максимального количества бурового шлама и минимального количества мелиорантов.

Глава 1 Современные представления о негативном воздействии буровых шламов на окружающую среду и путях предотвращения этого воздействия

1.1 Происхождение бурового шлама

1.1.1 Буровой шлам. Понятие «буровой раствор»

Нефтедобыча -- подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого -- нефти. буровой шлам обезвреживание мелиорированный

Нефтедобыча -- сложный производственный процесс, включающий в себя геологоразведку, бурение скважин и их ремонт, очистку добытой нефти от воды, серы, парафина и многое другое (Булатов В.И., 2004).

Процесс бурения представляет собой процесс образования горной выработки, преимущественно круглого сечения, путем разрушения горных пород главным образом буровым инструментом с удалением продуктов разрушения (Вадецкий Ю.В. , 2003).

При бурении и эксплуатации скважин происходит нарушение и загрязнение ландшафтов, прилегающих к буровым площадкам. Основными источниками воздействия выступают строительно-монтажные работы, а также отходы бурения:

· буровые и сточные воды (БСВ)

· отработанные буровые растворы (ОБР)

· буровой шлам (БШ)

Проведение буровых работ оказывает значительную техногенную нагрузку на все компоненты окружающей среды. Наибольшему техногенному воздействию подвергаются природные экосистемы на территориях складирования отходов бурения, что является следствием несовершенства технологий бурения и утилизации буровых шламов. Размещение же в объектах природной среды отходов бурения, содержащих токсичные вещества, являются основными причинами прогрессирующего ухудшения качества окружающей среды в районах ведения буровых работ.

В настоящее время только на территории Западной Сибири образуется более 100 тысяч тонн бурового шлама в год. Расходы предприятий топливно-энергетического комплекса на обезвреживание и утилизацию буровых шламов, рекультивацию шламовых амбаров ежегодно составляют миллиарды рублей.

Буровой шлам - водная суспензия, твердая фаза которой представлена продуктами разрушенных горных пород забоя и стенок скважины, продуктами истирания бурового снаряда и обсадных труб, глинистыми минералами (при промывке глинистым раствором).

Состав шлама в значительной степени зависит от типа горных пород, через которые проходит скважина. В шламах находятся грубые и крупные частицы минералов и горных пород с размерами до нескольких сантиметров. При оценке токсичности шламов решающую роль играет присутствие в нем нефтяных углеводородов, токсичных компонентов буровых растворов и тяжелых металлов.

Присутствие в шламах нефти неизбежно при использовании буровых растворов на нефтяной основе. Концентрация нефтяных углеводородов в таких шламах составляет до 100 г/кг. Шламы, полученные при работе с водяными буровыми растворами, содержат следовые количества нефти.

Повышенное по сравнению с фоном содержание тяжелых металлов возникает в результате введения в буровые растворы барита с примесями металлов и некоторых компонентов, содержащих железо и хром.

Загрязняющие свойства бурового шлама обусловлены минеральным составом выбуренной породы и остающимися в ней остатками бурового раствора. Анализ фазового, фракционного и компонентного состава шлама, а также его физико-химических свойств показывает, что за счет адсорбции на поверхности частиц шлама химических реагентов, используемых для обработки буровых растворов и входящих в его состав, он проявляет ярко выраженные загрязняющие свойства. Также выбуренная порода накапливает в процессе бурения нижних горизонтов сырую нефть и ее фракции. Таким образом, в его составе отмечается значительное содержание нефтепродуктов, органических соединений, опасных для объектов природной среды, растворимых минеральных солей. Всё перечисленное предопределяет высокую экологическую опасность отходов бурения.

В настоящее время отсутствует убедительные данные по оценке уровня

загрязненности отходов бурения. Загрязняющий потенциал отходов бурения

обусловлен, главным образом, используемыми материалами и химическими реагентами. Номенклатура и ассортимент материалов и химреагентов достаточно велик (см. табл. 1.1). В связи с тем, что практически полностью химические реагенты и материалы переходят в отходы бурения, становится понятной высокая экологическая опасность отходов. Так, в среднем, на 1 м³ отходов, как показывают расчеты, приходится до 68 кг токсичных органических соединений, не считая нефтепродуктов и загрязнителей минеральной природы.

Таблица 1.1. Примерные объемы (тыс.т.) ежегодного поступления в объекты природной среды некоторых материалов и химреагентов с отходами бурения

Материалы и химические реагенты	Годы
	2000	2003	2005	2007
КМЦ и его аналоги	0,19	0,22	0,25	0,22
Акриловые полимеры (М-14, Метас, НР-5 и др.)	0,078	0,084	0,102	0,136
ОЭЦ	0,010	0,011	0,012	0,012
Кремнийорганические жидкости (ГКЖ-10, ГКЖ-11, Петросил-2м)	0,321	0,344	0,408	0,444
Комплексоны (НТФ)	0,022	0,023	0,028	0,032
Сода кальцинированная	0,132	0,137	0,159	0,159
Сода каустическая	0,077	0,084	0,098	0,104
Лигносульфонаты (окзил, ФХЛС)	4,766	5,163	4,592	5,166
Полиакриламид и аналоги	0,040	0,040	0,049	0,054
Гуматные реагенты	4,302	4,646	5,427	4,524
Триксан	-	0,02	0,021	0,025
Нефть и её производные	61,162	66,893	70,629	64,281
Хромпик	0,008	0,009	0,012	0,014
Другие реагенты	38,280	41,760	42,630	30,885

Понятие "буровые растворы" охватывает широкий круг жидких, суспензионных и аэрированных сред, назначением которых является обеспечение безопасности ведения работ при высокой скорости бурения и выполнение заключительных операций по выводу и консервации скважины.

Буровой раствор, прежде всего, должен:

· удалять выбуренную породу (шлам) из-под долота, транспортировать ее вверх по кольцевому пространству между бурильной колонной и стволом скважины и обеспечивать ее отделение на поверхности;

· удерживать частицы выбуренной породы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции раствора;

· охлаждать долото и облегчать разрушение породы в призабойной зоне;

· создавать давление на стенки скважины для предупреждения водо-, нефте- и газопроявлений;

· оказывать физико-химическое воздействие на стенки скважины, предупреждая их обрушение;

· передавать энергию гидравлическому забойному двигателю

· обеспечивать сохранение проницаемости продуктивного пласта при его вскрытии (Вадецкий Ю.В., 2003)

Обязательным компонентом любого бурового раствора всегда является бентонит (монтриморилонитовая глина). Действие этого компонента объясняется особенностями его физико-химической природы, взаимодействием с дисперсной средой с образованием в ней устойчивых коллоидных систем. В химическом отношении глина представляет собой водные алюмосиликаты, содержащие окислы железа, щелочных металлов (натрия, калия), алюминия, щелочно-земельных металлов кальция, магния. Аномально высокие пластовые давления, встречающиеся при бурении в осложненных геологических условиях, зачастую превышают гидростатическое давление бурового раствора. Поэтому буровой раствор необходимо утяжелять. Применяется баритовый утяжелитель.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) относятся к реагентам, снижающим поверхностное натяжение на трехфазной границе "пласт -вода - нефть". Главным назначение ПАВ является поддержание естественной проницаемости коллекторов. Проникновение в последние буровых растворов и их фильтратов резко снижает продуктивность скважин и значительно растягивает сроки их освоения. В качестве ПАВ используются различные вещества: сульфанол, дисолван, карбозолин, стеа-рокс, азолят и различные оксиэтилированные спирты. Недостатком ПАВ является интенсивная адсорбция их на твердой фазе буровых растворов.

Для дегазации буровых растворов используют реагенты-пеногасители: соасток, гарболинеум, сивушное масло, полиметилсилосалы, солидол, синтетические жирные кислоты.

Для поддержания постоянной плотности бурового раствора используют реагенты-понизители водоотдачи (углещелочной реагент, карбоксиметилцеллюлоза, конденсированная сульфит-спиртовая барда, гидролизованный полиакриламид), и понизители вязкости (феррохромлигносульфонат, нитролигнин, сунил, игетан).

Кроме того применяются вещества - термостабилизаторы, струк-турообразователи, смазочные добавки, эмульгаторы и другие компоненты. В качестве регулятора щелочности применяется - каустическая сода.

Каустическая сода (NaOH) - бесцветная кристаллическая масса, хорошо растворимая в воде с выделением большого количества тепла. Небольшие добавки щелочи вызывают временное диспергирование частиц глины, увеличение электрокинетического потенциала и, как следствие этого, снижение вязкости и водоотдачи бурового раствора.

В целом, состав бурового раствора зависит от его назначения, типа пород и метода бурения. Различают аэрированные, меловые, известковые, карбонатно-глинистые, сульфитные, минерализованные, гипсовые, амолинатные, каливые и другие виды буровых растворов (Вадецкий Ю.В., 2003).

1.1.2 Химический состав бурового шлама и неблагоприятные физические свойства

Буровой раствор - это наиболее опасный отход добычи. Токсичность бурового раствора объясняется наличием в его составе разнообразных органических и минеральных компонентов, добавленных в раствор для придания ему тех или иных требуемых при бурении свойств. Вследствие контакта с буровым раствором токсичность приобретает буровой шлам и буровые сточные воды. Хранящиеся компоненты бурового раствора токсичны сами по себе.

Химический состав бурового шлама зависит как от его минерального состава, так и свойств бурового раствора, состав которого варьирует в зависимости от осуществляемых видов работ при бурении и требуемых заданных свойств бурового раствора.

Буровые шламы, главным образом, состоят из смеси глинистого минерала каолина с кварцем. Другие минералы содержатся в заметно меньшем количестве. Присутствие каолина связано со значительным содержанием в буровом растворе бентонитовых глин. Кварц является основным компонентом выбуриваемых горных пород. Кальцит в виде мела попадает в шлам из бурового раствора.

Содержание воды может составлять до 70 % влажной массы БШ. Химический и минералогический состав твердой фазы БШ представлен оксидами:

§ Si в виде кварца до 50 %, полевых шпатов и глинистых минералов;

§ Al до 20 % в виде каолина, ортоклаза, альбита;

§ Fe до 8 % в виде гематита, лимонита, магнетита;

§ Са до 6 % в виде гипса, мела;

§ Mg до 3 % в виде доломита;

§ Na до 3 % в виде альбита и растворимых солей;

§ К до 3 % в виде ортоклаза и растворимых солей;

§ S до 4 % в виде сульфидов и сульфатов;

также органические соединения: полисахариды (целлюлоза и ее производные) и нефтяные углеводороды (до 10-15% при загрязнении). Из биофильных макро- и микроэлементов БШ содержат С, N, Ca, K, P, S. (Пепелов И.Л., 2011)

Были изучены данные анализов химического состава буровых шламов, полученных АНО «Экотерра». По результатам можно сделать следующий вывод, что состав основной части бурового шлама зависит от состава слагающих пород территории, на которой ведется нефтедобыча. Содержание нефти и компонентов бурового раствора зависят применяемого бурового раствора и его рецептуры, очистки бурового раствора и степени отделения бурового шлама от бурового раствора.

В таблице приведены результаты химического анализа бурового шлама, которые получены в результате применения разных технологий бурений и использования буровых растворов (табл.1.2.):

Таблица 1.2. Химический анализ буровых шламов на примере разных технологий бурения

Природно-климатическая зона	Западная Сибирь (таежная зона)	субарктическая зона Западной Сибири (северная тайга)	территория Северо-Европейской части РФ (лесотундра, тундра)
технология бурения	Технология многократного использования очищаемого бурового раствора, приготовленного по малоопасной рецептуре		флокуляционная установка
Компонент бурового шлама	содержание, мг/кг
Оксид натрия	13200	6000	-
Оксид калия	22900	12000	23300
Оксид магния	25400	11500	-
Оксид кальция	10100	11000	57500
Оксид алюминия	192000	88100	131600
Оксид кремния	563000	310800	176500
Оксид фосфора	1600	410	27000
Сера	560	4000	41000
Оксид титана	10300	4300	9600
Оксид марганца	1300	290	1600
Оксид железа	82700	33900	75200
Никель	60	36	400
Цинк	120	160	300
Хром	91	60	500
Свинец	24	-	-
Медь	-	180	2100
Стронций	170	100	400
Цирконий	190	80	-
Барий	560	7801	-
Хлорид	110	220	-
Вода	64700	380000	258000
Органические компоненты	16900	134000	149030
в т.ч.
Нефтяные углеводороды летучие С6-С9	3100
Высококипящие >С10	3600
Эфироизвлекаемые (жиры, масла)	10300
Ароматические углеводороды (летучие одноядерные)	900
Нелетучие (двух и более ядерные)	1500
нефтяные углеводороды (Суммарно)		800	27000

Табличные данные АНО «Экотерры» наглядно демонстрируют, как варьируется содержание тех или иных компонентов бурового шлама в зависимости от тех или иных условий.

Следует обратить внимание на высокую щелочность водных вытяжек буровых шламов, создаваемую компонентами бурового раствора. Погребение шлама под слоем торфа способствует сохранению высокого уровня щелочности. Такие условия не совместимы с жизнью ни одного растения. Открытость же шлама воздействию внешней среды быстро снижает уровень щелочности до отметок, приемлемых для заселения растений.

Буровые шламы характеризуются высоким содержанием Na, Ca и К как в поглощенном состоянии так и в водной вытяжке. Известно, что высокое содержание натрия в солонцах и солонцеватых почвах обуславливает формирование ряда неблагоприятных свойств. Академик К.К. Геройц описывал свойства солонцов: «… с постепенным возрастанием количества поглощенного Na будут постепенно же нарастать указанные физические свойства: повышаться величина и прочность структурных элементов в сухом состоянии, и бесструктурность, вязкость и клейкость - во влажном состоянии почвы» (Гедройц К.К., 1928) Такое поведение характерно и для буровых отходов. Натрий легко вытесняется из поглощающего комплекса гидроксидным анионом, который является сильным пептизирующим агентом. Буровые шламы следовало бы отнести к солонцам, если б они были почвами. (Пепелов И.Л., 2011)

Неблагоприятные химические свойства буровых шламов: засоление, щелочность, солонцеватость - не являются лимитирующими, поскольку в гидроморфных условиях происходит их оптимизация за счет спонтанных процессов. На этом фоне главным фактором, ограничивающими возможность рекультивации шламов с использованием в качестве почвообразующей породы являются неблагоприятные водно-физические свойства и характеристики: повышенная дисперсность, раздельно-частичное состояние, повышенная набухаемость и постоянная обводненность. Бесструктурная коллоидная система лишается газовой фазы. Химический состав (высокая щелочность и содержание Na) способствует проявлению таких свойств.

В настоящее время характер и последствия загрязнения объектов природной среды при бурении скважин практически не исследованы. Имеющиеся отдельные публикации отечественных и зарубежных авторов не охватывают всю полноту проблемы, исследования в ряде случаев носят поверхностный, описательный характер, отличаются либо незаконченностью и неконкретностью разработок, либо решают отдельные частные вопросы. Кроме того, глубина теоретических проработок отстает от современных требований, диктуемых нынешними темпами и объемами буровых работ.

В этой связи, в настоящее время, не произведена однозначная характеристика процессов, протекающих в природной среде вследствие ее загрязнения при бурении скважин, и оценка последствий этого негативного воздействия. Решение этой задачи осложняется многообразием природно-климатических и почвенно-ландшафтных условий районов бурения, для которых характерны разнообразные потенциалы загрязнения и самоочищения окружающей среды.

В принятой практике действие отходов на окружающую среду оценивается по вредности используемых в их составе химических веществ и материалов. В основном для этих целей рекомендуется использовать санитарно-токсикологический показатель, который дает представление о степени вредности веществ и материалов на объекты биосферы с позиции токсикологии. При этом токсичность веществ характеризуется значением показателя предельно допустимой концентрации. Для различных природных объектов значения ПДК одного и того же вещества неодинаковы. Многие материалы и химические реагенты не имеют регламентированных значений ПДК, несмотря на определенный загрязняющий эффект, проявляемый ими. Так, базируясь на экспериментальных подходах, большинство исследователей считают, что полимерные реагенты, используемые в бурении, безвредны благодаря высокой молекулярной массе, что лишает их возможности разрушать живую клетку. Вещества, основанные на полисахаридах, склонны к быстрому биохимическому разложению, в то же

время гуминовые кислоты, лигнин и лигносульфонаты довольно устойчивы к биодеградации. Хром в органических соединениях маловреден, а в свободном состоянии -- весьма токсичен. Органические реагенты искусственной природы, как правило, являются вредными.

1.2 Различные аспекты негативного воздействия буровых шламов на компоненты окружающей среды (ОС)

1.2.1 Влияние на водные объекты

Вместе с тем, как справедливо отмечают многие исследователи, загрязняющее действие отходов бурения на природные объекты, не обязательно может проявляться в токсическом эффекте на биосферу, а способно выражаться в нарушении экологического равновесия биотопов различных трофических уровней при их взаимодействии с абиотической средой, носящей механизм функциональных повреждений экосистемы.

При оценке опасности отходов бурения уделяется внимание оценки влияния различных отходов бурения на водные объекты. В частности российские ученные проводили изучения о влиянии отработанных буровых растворов и шлама на морские гидробионты. В них при оценке действия отработанного бурового раствора и шлама и их ингредиентов в различных концентрациях на отдельные виды морского и пресноводного фитопланктона и зоопланктона были определены пороговые концентрации для гидробионтов различных видов. Опыты показали, что наиболее токсичными реагентами для молоди рыб являлись баритовый утяжелитель, известь, каустическая сода, бихромат калия и некоторые другие реагенты органической природы.

Подобные исследования проводились, также специалистами отдела биологии Техасского университета США. Они изучали токсичность четырех разных фракций бурового раствора на основе лигносульфонатов с добавкой хрома для морских беспозвоночных. При этом установлено, что фильтрат таких буровых растворов вызывает гибель 32 -- 100% подопытных гидробионтов в течение 96 ч. Аналогичные данные получены для взвешенных веществ и осажденной твердой фракции. Специалисты США исследовали влияние суспензии бентонита на острую токсичность гидробионтов и установили пороговые концентрации для такого материала. Таким образом, было установлено, что, отходы бурения представляют экологическую опасность для водных объектов (Малышкин М.М., 2010).

Буровые растворы и буровой шлам при попадании в водную среду вызывают локальные изменения химических и биологических параметров экосистем.

Физическое влияние:

1) увеличение концентрации взвешенных веществ снижает прозрачность морской воды в районе проведения буровых работ;

2) снижение прозрачности влияет на тепловой режим поверхностного слоя водных масс ;

3) изменение температурного режима влияет на подъем холодных донных вод;

4) изменение температурного режима, вместе с увеличением содержания взвеси, влияет на процесс испарения воды;

5) шумовые воздействия на организм.

Химическое влияние:

1) наблюдается увеличение в морской воде содержания взвеси и растворенной формы металлов;

2) изменение содержания взвешенных веществ и подъем глубинных вод изменяют рН, соленость;

3) происходит накопление взвешенных веществ и сопутствующих химических элементов в зоне скачка плотности;

4) изменение состояния биоты оказывает влияние на химические параметры морской среды (Андреева В.В., Мойсейченко Г.В., Тяпкина Н.В., 2000).

1.2.2 Влияние ни фитоценозы

Рассмотрим токсичное влияние компонентов бурового шлама на другие объекты окружающей среды.

Среди образующихся отходов нефтедобычи, как уже видно, наибольшее количество дискуссий по вопросу экологической безопасности размещения в окружающей среде вызывают буровые шламы. Опасность для природной среды от такого рода отходов, как было уже сказано, заключается в следующем:

* содержании значительного количества нефти;

* содержании легкорастворимых солевых добавок;

* неблагоприятных физических и физико-химических свойствах буровых шламов.

Под действием даже небольших доз сырой нефти снижается флористическое разнообразие и биомасса (Кабиров, Минибаев,1982). В лесных и таежных ландшафтах происходит «сжигание» травянистой растительности, пожелтение и отмирание хвои и листьев на деревьях и кустарниках. Особенно страдают молодые растения, погибающие наиболее быстро. Происходит устойчивое снижение жизнеспособности подроста (Гашев и др.,1988). Растения с относительно глубокой корневой системой не столь быстро реагируют на загрязнение - только при достижении токсичных концентраций геохимически активных соединений горизонтов, к которым приурочена основная масса корней. Кроме выпадения видов, уменьшения числа экземпляров растений происходит сокращение периода вегетации, формируются аномалии в морфологии растений : карликовость, искривление стеблей, скручивание листьев, суховершинность (Невзоров,1967; Гнат, 1985).

Солнцева Н.П. в своей книге «Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов» приводит данные, где прослеживается зависимость некоторых морфологических характеристик растений от интенсивности загрязнения почв. Морфологические изменения растений сопровождаются изменением их химического состава. Наиболее высокую экологическую опасность представляет накопление полиароматических углеводородов (ПАУ), так как эти вещества являются сильнодействующими канцерогенами. Эти долговечные химические соединения передаются по пищевым цепям, попадая в итоге к человеку (Шилова, Куллини, 1981). Одновременно меняется и общий химический состав растений. Неодинаковы их зольность, абсолютные содержания отдельных элементов и соотношения между ними. К примеру отношения N/P меняются от 0,5 до 7,5; K/P - от 1,4 до 2,3; а CaO/SiO₂ от 1,0 до 1,5 (Солнцева Н.П., 1998) .

1.2.3 Загрязнение почв отходами бурения

Проблеме загрязнения почвогрунтов отходами бурения посвящен ряд исследований, в которых рассматриваются вопросы агроэкологической оценки загрязняющего влияния отработанного бурового раствора, буровых сточных вод, шлама и отдельных химических реагентов. Так, изучение последствий загрязнения наземного растительного покрова отходами бурения показывает, что на всех пораженных участках наблюдается лишь незначительное восстановление растительного покрова. Даже по истечении 15 лет растительность (по биомассе) восстанавливается менее чем наполовину. Во всех случаях сразу после разлива отходов бурения, особенно содержащих нефтепродукты, растительный покров практически полностью уничтожается. Основной причиной гибели растений является вытеснение кислорода из почвы.

Процесс загрязнения почвогрунтов отходами бурения разделяется на три стадии. Первая характеризуется образованием поверхностного ореола загрязнения и незначительным проникновением компонентов отходов бурения в грунтовую среду. На второй стадии происходит вертикальная инфильтрация жидких компонентов. Третья стадия характеризуется боковой миграцией загрязнителей.

Характер загрязнения почвогрунтов на второй и третьей стадиях определяется главным образом проницаемостью грунта, его составом, положением зеркала грунтовых вод и временем. При высокой проницаемости боковая фильтрация происходит лишь вблизи зеркала грунтовых вод. В менее проницаемой среде боковая фильтрация значительна и у дневной поверхности. (Малышкин М.М., 2010)

Исследование влияния содержания твердой фазы бурового раствора,

представленной в основном глиной, на механический состав почв, который определяет такие свойства, как липкость, связность, водопроницаемость, поглотительную способность и целый ряд других показателей, воздействующих на плодородие почв и рост растений, показало (см табл.1.3), что при загрязнении почвогрунтов происходит перераспределение фракций механических элементов не только по профилю, но и по их размерам.(Малышкин М.М., 2010)

Таблица 1.3. Влияние бурового раствора на механический состав почвы

Глубина отбора образца, см	Содержание твердой фазы (%) при размере фракции, мм
	1-0,25	0,25-0,05	0,05-0,01	0,010-0,005	0,0050,001	<0,001
	Перед закладкой опыта
0-20	1,57	15,37	12,73	12,98	8,99	42,88
20-40	1,49	8,26	22,37	3,15	10,13	49,34
	Почва, загрязненная буровым раствором
0-20	1,13	7,86	30,07	10,93	20,58	29,44
20-40	1,23	9,24	18,30	9,16	22,36	39,61

Кроме того, жидкие буровые отходы при попадании их в почву плохо

смешиваются в ней, образуя крупные глинистые комки, обладающие высокой вязкостью и липкостью. При высыхании они не разрушаются, в результате чего резко, ухудшается агрономическая ценность почвенной структуры. В местах скопления буровых растворов происходит увеличение плотности твердой фазы (от 2,6 до 2,8 г/см3) и плотности почв (от 1,12 до 1,50 г/см3), что является неблагоприятным фактором для развития растений.

Наблюдения за питательными элементами почвы показали, что исходные показатели благоприятны для развития растений. Однако после внесения в них буровых растворов отмечается значительное увеличение щелочности почвы, которая приводит к угнетению растений (см табл. 1.4.). Существенного влияния на количество подвижных питательных элементов в почве буровые растворы не оказывают, однако существует угроза выноса органического вещества из почвы в виде гуматов натрия.

Таблица 1.4. Агрохимические показатели почвы

Глубина отбора образца, см	Гумус, по Тюрину, %	Азот общий, по Кельдалю, %	Р205, по Чирикову, м2/100г	Сумма обменных оснований, мг/экв/100г	рН водная
Перед закладкой опыта
0-20	4,2	0,23	58,75	45,8	6,80
20-40	3,9	0,20	76,00	45,5	7,04
Почва, загрязненная буровым раствором
0-20	3,7	0,19	90,0	46,8	8,35
20-40	2,9	0,16	79,4	45,6	8,37

Высокая минерализация буровых растворов приводит к резкому увеличению засоленности почвы. Величина сухого остатка на загрязненных участках достигает 1,0 -- 1,5%, что приводит к полной гибели растений. Резко возрастает количество токсичного для растений хлора (17 -- 21 мг/экв) и натрия (13,0 -- 16,0 мг/экв), что делает почву непригодной для возделывания сельхозкультур. Вследствие неравномерного смешивания буровых растворов с почвой степень минерализации участков неоднородна по профилю и по площади (см. табл. 1.5.). .(Малышкин М.М., 2010)

Таблица 1.5. Содержание солевых компонентов в почве, мг-экв/%

Глубина отбора образца, см	НСО-3	Сl -	SO2-4	Са2+	Mg2+	Na++K+
Перед закладкой опыта
0-20	0,043 / 0,70	0,022 / 0,60	0,058 / 1,20	0,020 / 1,00	0,015/ 1,25	0,25
20-40	0,043 / 0,70	0,025 / 0,70	0,067 / 1,40	0,015/ 0,75	0,021 / 1,75	0,30
Почва, загрязненная буровым раствором
0-20	0,043 / 0,70	0,564/ 15,90	0,134/ 2,80	0,050/ 2,50	0,024/ 2,00	14,90
20-40	0,046 / 0,75	0,632 / 17,80	0,192/ 4,00	0,060 / 3,00	0,054 / 4,50	15,05

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о крайне негативном влиянии указанных видов отходов бурения на почву.

Жидкие отходы бурения имеют в своем составе минеральные соли. Их попадание в почвы приводит к нарушению равновесия между ионами кальция, магния и натрия. В результате растения испытывают сильное голодание. При попадании в почву растворимых минеральных солей происходят необратимые изменения ее агрохимических свойств, приводящие к потере агрономической ценности, а в некоторых случаях интенсивно развиваются почворазрушительные процессы, способствующие перерождению структуры и формированию солончаков.

Как установлено, отработанные буровые растворы оказывают меньшее отрицательное влияние на кислые почвы с высоким содержанием органических веществ, а также песчаные почвы, но являются более вредными для щелочных суглинистых почв и почв с высоким содержанием глин. Это объясняется щелочной природой буровых растворов. Многие буровые растворы являются причиной почвенного диспергирования, вызывающего поверхностное коркообразование. В аридных зонах с ежегодным количеством осадков менее 50 см. буровые растворы не так пагубны, как в зонах влажного климата. Так, при обследовании шламовых амбаров после окончания бурения в засушливых районах установлено, что проникновение отработанных буровых растворов в песчаные и супесчаные почвы существенного вреда окружающей среде не наносит. Также показано, что отработанный буровой раствор и шлам, не содержащие вредных компонентов, в отдельных случаях в небольшом количестве могут быть безопасно сброшены на песчанистые и супесчанистые почвогрунты (Малышкин М.М, 2010).

1.3 Средозащитные технологии обезвреживания и утилизации отходов бурения, в частности бурового шлама

1.3.1 Анализ существующих методов обезвреживания и утилизации отходов бурения, в частности бурового шлама

Решающим фактором, определяющим загрязняющие свойства отработанных буровых растворов и бурового шлама и направления их утилизации и нейтрализации вредного воздействия на объекты природной среды, являются их химический состав и плохие физико-химические свойства.

В их составе содержатся растворенная и эмульгированная нефть, загрязняющая органика, минеральные соли, рН таких отходов колеблется в широком диапазоне - от 7,2 до 12,5. Содержание твердой фазы в них тоже различно. Их твердая фаза может состоять из пород глинистой фракции, карбонатных и галоидно-сульфатных пород, барита, гематита и некоторых других включений. В каждом конкретном случае он различен, и строгой зависимости в содержании компонентов не установлено.

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

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

· Физический - захоронение в специальных могильниках, разделение в центробежном поле, вакуумное фильтрование и фильтрование под давлением, замораживание;

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

· Химический - экстрагирование с помощью растворителей, отвердение с применением неорганических (цемент, жидкое стекло, глина) и органических добавок, применение коагулянтов и флокулянтов;

· Биологический - микробиологическое разложение в почве непосредственно в местах хранения, биотермическое разложение.

Исходя из анализа литературных данных, утилизация буровых шламов может осуществляться по следующим направлениям:

1. Захоронение в амбарах с последующей их (амбаров) рекультивацией или захоронение под землей (закачивание в скважину);

2. Использование буровых шламов в производстве какой-либо продукции с последующей рекультивацией освобожденного от шлама амбара;

3. Использование обезвреженного бурового шлама для целей рекультивации амбара. (Пепелов И.Л., 2011; Ягафарова и др., 2006)

Существует множество разнообразных способов и разработано большое количество методик рекультивации шламовых амбаров и использования буровых шламов.

Рассмотрим некоторые методы утилизации отходов бурения:

· Одним из направлений утилизации отработанного бурового раствора и шлама является их использование в дорожном строительстве. Однако перспективность этого метода и его экономическая состоятельность еще не доказаны, так как рекомендуется использовать отработанный буровой раствор, содержащий в своем составе как безвредные, так и токсичные компоненты.

· Несмотря на очевидные преимущества утилизации отходов бурения, самым доступным является их ликвидация путем захоронения. При этом практикуется захоронение отработанного бурового раствора и шлама в специально отведенных местах, в глубокозалегающих подземных горизонтах, в земляных амбарах непосредственно на территории буровой. Захоронение отходов бурения в специально отведенных местах предусматривает использование для этих целей шламохранилищ, бросовых земель или оставшихся после разработки карьеров. Такое захоронение сопряжено со значительными транспортными расходами и поэтому экономически невыгодно. Вместе с тем захоронение отходов по этому способу является единственно возможным вариантом решения природоохранной проблемы, например, при морском бурении, бурении в курортных и прибрежных водоохранных зонах, а также в экологически уязвимой местности.

· В американской практике бурения практикуется метод захоронения отработанного бурового раствора и шлама в земляных амбарах, стенки которых изолируются пленкой из полиэтилена или поливинилхлорида и бентонитом. После заполнения амбара его засыпают минеральным, грунтом, смешанным с бентонитом, наносят слой плодородной почвы и рекультивируют. Однако у нас в стране такой метод не получил должного распространения, хотя и заслуживает внимания. Перспективным направлением утилизации представляется использование для крепления скважин. При этом возможны два варианта. По первому варианту отработанный буровой раствор используется в качестве добавок к известным тампонажным материалам, традиционно применяемым в практике цементирования скважин, по второму -- отработанный буровой раствор используется в качестве основного тампонажного материала. Так, фирма "Dresser Magcobar" разработала тампонажный материал, для приготовления которого использован отработанный буровой раствор на водной основе. (Проблема утилизации отработанного бурового раствора в США, 1987) Причем в составе отработанного бурового раствора допускается определенное содержание нефтепродуктов (дизтоплива) и утяжелителя.

· Заслуживающим внимания способом утилизации бурового шлама является их использование в качестве основы удобряющих компостов и мелиорантов, предназначенных для внесения в почву при рекультивации шламовых амбаров и территории буровой, а также структурообразователя почвогрунтов. Пригодными для этих целей смогут быть лишь буровые шламы, не содержащие хроматов и токсичных для почв минеральных солей. Наиболее целесообразно использовать такие компосты и мелиоранты для солонцовых, песчаных и супесчаных почв, т.е. почв, обедненных глинистыми структурообразующими компонентами. (Шеметов В.Ю.,1988, Drilling Fluids Disposal Ussial Consems Operators and Agencies, 1982) Предпосылкой такой постановки вопроса является механизм мелиорации, заключающийся в связывании глинистым коллоидным комплексом разрозненных механических элементов указанных почв в единую морфологически и агрономически ценную структуру. Так, исследованиями в работе (Шеметов В.Ю, 1988) показано, что глинистые отработанные буровые растворы, обрабатываемые в процессе бурения гуматными реагентами и имеющие в своем составе менее 2 % минеральных солей, являются хорошим структурообразующим агентом для указанных выше типов почв. Наиболее ярко мелиорирующий эффект буровых шламов проявляется при его совместном использовании с фосфогипсом-дигидратом. Эффективность такого мелиоранта обусловлена содержанием в его составе структурообразующего глинистого коллоидного комплекса, рационального количества питательных для почв компонентов (гуматов калия, кальция, разлагающейся органики и др.), носителем которых служит отработанный буровой раствор и буровой шлам, а также кальция, фосфора и ряда других микроэлементов, привносимых фосфогипсом-дигидратом. Внесение в почву предложенного мелиоранта приводит к заметному улучшению ее структуры и агрономических свойств. Так, рН почвы становится близким к нейтральному. Гуматы, привносимые в почву мелиорантом, находятся в устойчивой кальциевой форме в отличие от преимущественно натриевых гуматов, содержащихся в почвенной среде. Это способствует закреплению органического вещества в почве и улучшению тем самым почвенной структуры и пищевого режима. Улучшение водно-физических и агрохимических свойств почвы в значительной мере происходит в результате структурообразования коллоидной фракции глины бурового шлама в присутствии фосфогипса-дигидрата, а также в результате насыщения почвенного поглощающего комплекса фосфогипсом и внесения с мелиорантом ценных питательных биогенных элементов -- фосфора, калия и др. . Аналогичные работы проводятся рядом американских фирм. По их расчетам, внесение подобных мелиорирующих агентов на основе отработанного бурового раствора в плодородные почвы обходится фирмам в среднем в 375 - 500 долл. на 1 га пашни. Очевидно, что перспективность такого метода утилизации отработанного бурового раствора не вызывает сомнений. (Малышкин М.М, 2010)

· Наиболее прогрессивным направлением утилизации бурового шлама является их использование в качестве исходного сырья для получения изделий грубой строительной керамики, в частности, в производстве керамзита и глинистого кирпича. Предпосылкой этого служит компонентный состав бурового шлама, основу которого составляет глина, являющаяся главным компонентом бурового раствора и находящаяся в высоко-дисперсном состоянии. Причем глинистая фракция буровых шламов представлена в подавляющем большинстве случаев глиной высокого качества (бентопорошок), что придает такому сырью хорошие технологические свойства.

· Весьма интересные результаты получены при оценке возможности использования бурового шлама для производства строительного кирпича. Исследования проводили по стандартной методике, принятой для изделий грубой строительной керамики (Технология керамики и огнеупоров, 1962). Для этого в исходную глинистую сырьевую смесь вводили различные количества бурового шлама и определяли геологические свойства шихты - формовочную влажность, пластическую вязкость и предельное напряжение сдвига, а качество готового керамического изделия -- по водопоглощению, усадке и прочности. Испытания проводили в лабораторных и промышленных условиях. Результаты экспериментов показывают, что введение в традиционную сырьевую смесь для производства глиняного кирпича бурового шлама в количестве до 25 % не только не ухудшает показатели качества получаемого керамического изделия, но и существенно улучшает реологические свойства исходной шихты. При этом повышается формовочная влажность массы, ее пластическая вязкость, а показатель предельного напряжения; сдвига находится в оптимальном диапазоне. Получаемый кирпич обладает высокими; потребительскими свойствами -- он характеризуется минимальной усадкой, незначительным водопоглощением и высокими прочностными показателями (Малышкин М.М., 2010).

Рассмотрим некоторые методы обезвреживания БШ:

Обезвреживание отходов позволяет не только повысить экологичность таких работ, но и обеспечить благоприятные условия для своевременной рекультивации отстойников с отработанным буровым раствором и шламом, исключив стадию длительного ожидания затвердевания их содержимого.

· Основные направления работ в области обезвреживания отходов бурения концентрируются на физико-химической нейтрализации и отверждении отработанного бурового раствора и бурового шлама. Физико-химическая нейтрализация содержимого шламовых амбаров представляется привлекательным методом предотвращения загрязнения объектов природной среды отходами бурения. Один из них предусматривает разделение отработанного бурового раствора на жидкую и твердые фазы с последующей утилизацией жидкой части и нейтрализацией осадка. С этой целью в США предложен способ разделения фаз отработанного бурового раствора (Новые установки для очистки отработанных буровых растворов и сбора загрязняющих веществ, 1984). Для обработки используют флокулирующие добавки. Такие добавки вызывают коагуляцию и флокуляцию жидкой части отходов и высаждение твердой фазы в осадок. После удаления из амбара осветленной воды оставшаяся масса вновь обрабатывается флокулянтом, и так продолжается до тех пор, пока вся основная часть воды не будет удалена из жидких отходов (Булатов А.И., Волощенко Е.Ю и др., 2011).

· Известен метод разделения фаз отработанного бурового раствора с использованием сульфата алюминия и специальных флокулирующих агентов. Отделившаяся вода направляется для технических нужд бурения или приготовления нового бурового раствора. Отделение воды производится с помощью декантирующей центрифуги, а оставшаяся часть отработанного бурового раствора направляется на фильтр - пресс, на котором происходит дальнейшее обезвоживание массы. Полученный шлам содержит до 30 % влаги и считается безвредным, а затем сбрасывается в шламовый амбар для захоронения.

· Одним из эффективных методов обезвреживания бурового шлама является окисление и гидрофобизация поверхности (Жданов И.А., Кутузова Е.П ). Изучены закономерности и особенности процессов окисления и гидрофобизации поверхности бурового шлама и установлены наиболее целесообразные границы применимости данных методов в соответствии с уровнем загрязненности таких отходов бурения. Метод окисления органических загрязнителей, содержащихся в буровом шламе, обладает гораздо меньшей эффективностью по сравнению с гидрофобизацией. Это одна из основных причин, не позволяющая рекомендовать метод окисления в практику обезвреживания буровых шламов. Более перспективным (Гулиев Б.А., Гусейнов Т.И , 1977) является обезвреживание шлама методом гидрофобизации его поверхности с помощью органических или растворимых высокомолекулярных соединений с последующим действием электролитов. За счет высаливания полимера частицы породы покрываются пленкой, препятствующей растворению в воде токсичных и загрязняющих веществ. Из известных растворов полимеров наибольшей эффективностью обладает сополимер малеинового ангидрида с акриламидом (Гусейнов Т.И.,1981), который позволяет получать высокую степень гидрофобизации поверхности бурового шлама и, как следствие, обеспечивает необходимую глубину обезвреживания. Этот метод рекомендован в основном для обезвреживания шлама при морском бурении, так как эффект гидрофобизации поверхности усиливается при попадании обработанного таким полимером БШ в морскую среду. Однако из-за значительных расходов гидрофобизующего агента и его дефицитности этот метод широкого распространения в практике буровых работ не получил.

· В качестве безреагентных методов обезвреживания твердых отходов заслуживает внимания термический метод (Гусейнов Т.И.,1981). Термическая обработка шламовых масс обеспечивает разрушение органики всех основных классов, присутствующих в буровом шламе. Этот метод является наиболее доступным и перспективным. Его практическая реализация осуществляется в печах специальной конструкции, из которых наиболее приемлема барабанная электрическая печь. Она позволяет реализовать необходимые термические режимы для достижения глубокого обезвреживания шламовых масс с высоким содержанием нефти и нефтепродуктов и других загрязнителей органической природы. Основным недостатком этого метода, сдерживающим его широкую практическую реализацию, является значительный расход электроэнергии на проведение обжига шлама.

Из всего вышеизложенного следует, что утилизация и обезвреживание бурового шлама предполагает получение некого продукта или грунта с определенными химическими и физическими свойствами, который будет использоваться и, в любом случае, контактировать с компонентами окружающей природной среды. Исходя из этого, применяя ту или иную методику, мы должны оценивать, как полученный продукт будет оказывать влияние на те или иные компоненты ОС.

1.3.2 Использование мелиорантов

Мелиоранты - вещества, улучшающие механические, физические, физико-химические и биологические свойства почв и грунтов.

На сегодняшний день для улучшения свойств бурового шлама при восстановлении шламовых амбаров большинство компаний используют технологию перемешивания бурового шлама с песком при добавлении органической добавки торфа.

Органические добавки, такие как торф, используются как дешевый сорбент, которые сорбируют подвижные загрязнения в буровом шламе, такие как нефтепродукты, тяжелые металлы, соли, препятствуя тем самым их миграции в почву, и за счет этого улучшают плодородие получаемой универсальной смеси.

Торф и предварительно разложившиеся отходы деревообработки имеет кислотную характеристику показателя рН, а шламы буровых производств, имеют щелочную среду. Таким образом, торф и предварительно разложившиеся отходы деревообработки нейтрализуют щелочную среду бурового шлама. Кроме того, торф содержит микрофлору, которая способствует разложению углеводородов нефти и связыванию тяжелых металлов в малоподвижные соединения, например хилатные.

При смешивании компонентов с песком получается малотекучая смесь, что позволяет перевозить ее в открытых самосвалах без герметизации кузова и тем самым снизить расходы на ее транспортировку и исключить загрязнение окружающей среды в процессе ее транспортировки.

Свойства песка, используемого в качестве мелиоранта, определяется его генезисом, минералогическим составом, крупностью зерен, их окатанностью и сортированностью. В основном состоит из кварца, до 98 %. К основным физическим свойствам песков относятся: плотность сложения, плотность твердой фазы и порозность. Отсюда песок отличается высокой водопроницаемостью, низкой влагоемкостью. При смешивании с отходами бурения способствует улучшению гидрофизических свойств отходов.

Однако на сегодняшний день надзорные органы следят за рациональным использованием данных природных ресурсов. Бесконтрольно они не отпускаются в пользование компаний. Следует отметить, что нередкими случаями становится необходимость разбавления песком бурового шлама в высоких соотношениях, что ведет за собо...