Підвищення екологічної безпеки газовидобування шляхом очищення та утилізації рідких відходів буріння

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 101 – "Екологія". – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків, 2021. Дисертаційну роботу виконано на кафедрі Хімічної техніки та промислової екології Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України. Об’єктом дослідження є технології очищення рідких відходів буріння нафтогазових свердловин і процеси впливу їх на навколишнє природне середовище. Предметом дослідження є підвищення рівня екологічної безпеки шляхом впровадження нового технологічного рішення з очищення та утилізації рідких відходів буріння. Роботу присвячено вирішенню науково-практичного завдання щодо зниження техногенного навантаження на довкілля шляхом зменшення кількості відходів буріння свердловин у процесі газовидобутку. Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію та мають впровадження, що підтверджено відповідними актами. У вступі обґрунтовано науково-технічну актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі, визначено предмет і методи дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, надано наукову новизну та сформульовано практичне значення отриманих результатів. Перший розділ присвячено комплексному аналізу науково-технічної інформації щодо сучасних методів очистки, переробки та утилізації відходів буріння. Систематизовано техногенний вплив на довкілля, що виникає під час буріння свердловини для видобутку нафти і газу. З’ясовано вплив небезпечних бурових відходів на всі об’єкти навколишнього середовища. За результатами аналізу вітчизняних літературних джерел стосовно стану розв’язання задач утилізації відходів буріння виявлено, що більшість їх спрямовують для захоронення в спеціально облаштованих шламових амбарах або тимчасово зберігається безпосередньо на території бурового майданчика. Такий спосіб поводження з відходами при відсутності необхідної технології утилізації є причиною збільшення об’ємів їх накопичення та вилучення з обігу значних земельних ресурсів на тривалий термін. У другому розділі надано характеристику методів очистки, переробки та утилізації відходів буріння, що дозволяють повторно використовувати очищену бурову стічну воду у технічних цілях і значно зменшувати обсяги відходів. У третьому розділі обґрунтована пропозиція використання відходів буріння для виготовлення полімерного композиційного матеріалу та у виробах з кераміки згідно з запропонованою технологією їх утилізації. Досліджено вплив концентрації твердої фази бурових стічних вод (ТФБСВ) на величину швидкості осідання твердої фази при агрегатоутворенні під час фізико-хімічного методу очистки води з використанням флокулянтів та коагулянтів. Результати досліджень запропонованих підходів із вилучення твердої фази бурових стічних вод і їх подальшої переробки дозволили отримати таке: - введення флокулянтів без коагулянтів не призводять до агрегатоутворення частинок твердої фази шламових вод; достатньою для порушення стійкості дисперсної системи є доза коагулянту сульфату алюмінію 65 мг/г; найбільшу активність відзначено у аніонного флокулянта А-19; - додавання твердої фази відпрацьованого бурового розчину (ТФВБР) у вторинний поліетилен високої щільності призвело до збільшення ударної в'язкості і руйнівного напруження на вигин при збільшенні до 3 % водопоглинання матеріалу; - можливість використання бурових шламів з високим вмістом глинистої речовини як основної сировини і мінеральної добавки при формуванні керамічних мас, а шламів з високим вмістом псаммо-алеврито-пелітового матеріалу у якості опріснювача та хромофорної добавки; - закономірності у змінах характеристик бурових шламів відповідно до кількості відходів у складі керамічної маси. У четвертому розділі надані теоретичні основи моделювання процесів очистки та утилізації відходів буріння та отримані комплексні математичні моделі для визначення їх оптимальних технологічних параметрів. За узагальненням наданих пропозицій щодо теорії та практики методу очищення та утилізації шламів отримані такі результати: – визначені оптимальні параметри процесів очистки бурових стічних вод та утилізації бурових відходів відповідно до отриманих моделей за допомогою регресійного аналізу експериментальних даних; – отримано залежності, що дозволяють розраховувати очікувану швидкість осадження флокул в залежності від величини концентрації твердої фази у буровій стічній воді; – виявлено найкращі умови формування флокул, які характеризуються максимальною швидкістю осадження при мінімальній витраті флокулянту, а саме концентрація твердої фази в буровій стічній воді повинна становити 4–6 г/л; – отримано залежності для розрахунку значення ударної в'язкості та руйнівного напруження в залежності від кількості ТФВБР, що вводиться у композит; – встановлено за розрахунками, що оптимальна кількість наповнювача ТФВБР у полімерному композиті становить15–20 % мас.; – одержані залежності, що дозволяють розрахувати значення середньої густини ρ (г/см³), водопоглинання (%) та механічної міцності R (МПа) в залежності від кількості відходів у керамічних зразках х (% мас); – надані прогнозні розрахунки змін показників зразків стінової кераміки в залежності від кількості використаного наповнювача з відходів виду бурового шламу. У п’ятому розділі викладені рекомендації щодо вибору оптимальних технологічних параметрів процесів очистки та утилізації бурових відходів. Запропоновано інноваційне технологічне рішення щодо поводження з відходами буріння з отриманням більшого екологічного ефекту за рахунок збереження чистої води та недопущення проникнення бурових відходів у навколишнє середовище. За отриманими результатами практичних реалізацій технологічних пропозицій зроблені такі висновки: – використання коагулянтів та флокулянтів при очищенні бурових стічних вод дозволяє очистити та утилізувати відходи ТФБСВ без використання шламового амбару; – економічна ефективність від впровадження технології очистки бурових відходів досягнута завдяки збільшенню екологічної ефективності утилізації відходів буріння при безамбарному способі очистки відходів, а саме при очищенні 788 м³ бурової стічної води коагуляційно-флокуляційним методом у порівнянні з амбарним методом захоронення відходів заощаджено 105798,00 грн; – використання очищеної бурової стічної води у технологічному циклі, висушеного і подробленого відпрацьованого бурового розчину та бурового шламу в якості наповнювачів для виробів з вторинного поліетилену відповідно до запропонованої загальної схеми такого поводження з відходами буріння.Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 101 –"Ecology". – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2021. The thesis was carried out at the Department of Chemical Engineering and Industrial Ecology of the National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" of the Ministry of Education and Science of Ukraine. The object of the research is the technologies for cleaning liquid waste from oil and gas well drilling and the processes of their influence on the environment. The subject of the research is to increase the level of environmental safety by introducing a new technological solution for the treatment and disposal of liquid drilling waste. The work is devoted to solving the scientific and practical problem of reducing the man-made load on the environment by reducing the amount of waste from drilling wells in the process of gas production. The results of the thesis have been tested and implemented, which is confirmed by the relevant acts. In the introduction, the authors substantiate the scientific and technical relevance of the thesis, formulate the aim and objectives, determine the subject and methods of research, show the connection between the research and scientific topics, explain the scientific novelty, and formulate the practical significance of the results. The first section is devoted to a comprehensive analysis of scientific and technical information on modern methods of cleaning, processing, and disposal of drilling waste. The man-made impact on the environment arising during the drilling of a well for oil and gas production has been systematized. The influence of hazardous drilling waste on all objects of the environment has been clarified. Based on the review of domestic literature on the state of solving the problems with drilling waste, it has been revealed that most of them are sent for disposal to specially equipped sludge pits or are temporarily stored directly on the territory of the drilling site. This way of handling waste in the absence of the necessary recycling technology is the reason for an increase in the volume of their accumulation and withdrawal from circulation of significant land resources for a long time. The second section describes the methods of cleaning, processing, and disposal of drilling waste, which make it possible to reuse treated drilling wastewater for technical purposes and significantly reduce the volume of waste. In the third section, a proposal is substantiated for the use of drilling waste for the manufacture of polymer composite material and ceramic products according to the proposed technology for their disposal. The influence of the concentration of the solid phase of drilling wastewater (SPDW) on the rate of sedimentation of the solid phase during aggregation during the physicochemical method of water purification using flocculants and coagulants has been investigated. The research results of the proposed approaches for the extraction of the solid phase of drilling wastewater and their further processing are as follows: – the introduction of flocculants without coagulants does not lead to aggregation of particles of the solid phase of sludge waters; the dose of coagulant aluminum sulfate 65 mg/g is sufficient to excite the stability of the dispersed system; the highest activity is noted in the anionic flocculant A-19; – the addition of waste mud solids (WMS) to the secondary high-density polyethylene led to an increase in the impact strength and breaking stress on bending with an increase up to 3% of the moisture absorption of the material; – the possibility of using drill cuttings with a high content of clayey matter as the main raw material and mineral additive in the formation of ceramic masses, and sludge with a high content of psammo-pelitic silt material as a desalinator and chromophore additive; – regularities in changes in the characteristics of drill cuttings based on the amount of waste in the composition of the ceramic mass. The fourth section provides theoretical foundations for modeling the processes of cleaning and disposal of drilling waste and obtained complex mathematical models to determine their optimal technological parameters. Based on the generalization of the proposed proposals on the theory and practice of the method of cleaning and disposal of sludge, the following results were obtained: – the optimal parameters of the processes of drilling wastewater treatment and disposal of drilling waste have been determined in compliance with the obtained models using regression analysis of experimental data; – relationships have been obtained, which allows us to calculate the expected rate of sedimentation of floccules depending on the concentration of the solid phase in the drilling wastewater; – the best conditions for the formation of floccules have been identified, which are characterized by the maximum sedimentation rate at the minimum consumption of the flocculant, namely, the concentration of the solid phase in the drilling wastewater should be 4-6 g/l – relationships have been obtained for calculating the value of impact strength and breaking stress, depending on the amount of WMS being introduced into the composite; – it has been established according to calculations that the optimal amount of WMS filler in a polymer composite is 15-20 wt – the relationships have been obtained, which make it possible to calculate the value of the average density ρ (g/cm3), water absorption (%) and mechanical strength R (MPa) depending on the amount of waste in ceramic samples x (% mass) – predictive calculations of changes in the indicators of samples of wall ceramics have been provided, depending on the amount of used filler made of drill cutting waste. The fifth section contains recommendations for choosing the optimal technological parameters for cleaning and disposal of drilling waste. An innovative technological solution is proposed for the management of drilling waste with a greater environmental effect due to the preservation of clean water and prevention of the penetration of drilling waste into the environment. Based on the results of practical implementations of technological proposals, the following conclusions were made: – the use of coagulants and flocculants in the treatment of drilling wastewater allows cleaning and disposing of SPDW waste without a sludge pit; – economic efficiency from the introduction of drilling waste treatment technology was achieved due to an increase in the ecological and economic efficiency of utilization of drilling waste with a pitless waste treatment method, namely, when cleaning 788 m³ of drilling wastewater by the coagulationflocculation method compared to the granary waste disposal method, 105798.00 UAH were saved; – the use of treated drilling wastewater in the technological cycle, dried and detailed waste drilling mud and drill cuttings as fillers for products made of recycled polyethylene following the proposed general scheme of such drilling waste management.