Проблема управління відходами буріння у нафтогазовій галузі України (далі — НГУ) потребує вирішення, як і багато інших екологічних проблем. За вирішення цієї проблеми беруться всі, навіть «диванні» експерти, ті хто бачив бурову тільки по телевізору. В статті разом із експертом розберемо всі аспекти управління відходами буріння та спробуємо віднайти рішення — відходи буріння: проблема чи все ж таки можливість?
Згідно із Законом України «Про управління відходами», «…Ієрархія управління відходами впроваджується центральними та місцевими органами виконавчої влади, органами місцевого самоврядування, підприємствами, установами та організаціями з метою (у порядку пріоритетності):
1) запобігання утворенню відходів;
2) підготовки відходів до повторного використання;
3) рециклінгу;
4) відновлення відходів (у тому числі виробництва енергії);
5) видалення відходів…».
В Україні існують два способи буріння нафтогазових свердловин — амбарний і безамбарний. При амбарному — відходи буріння збираються, зберігаються, нейтралізуються, затвердіваються і захороняються у гідроізольованих шламових амбарах, безпосередньо на буровому майданчику (фото 1а). При безамбарному — накопичуються у контейнерах та металевих ємностях і вивозяться в інші місця (амбари, накопичувачі, полігони) для їх оброблення чи видалення (фото 1б).
 |
 |
| а) | б) |
|
Фото 1. Місця для накопичення відходів буріння: а) при амбарному бурінні; б)при безамбарному |
|
До відходів буріння відноситься: вибурена порода (далі — ВП) або буровий шлам (далі — БШ), відпрацьовані бурові розчини (далі — ВБР), та бурові стічні води (далі — БСВ). При бурінні утворюються й інші відходи, але обсяги їх відносно незначні. Всі ці три складові відходів буріння у різних пропорціях містять воду, частки вибуреної породи, компоненти бурового розчину та інколи нафту (чи інші вуглеводні), яка може потрапляти у відходи при проходженні нафтоносних пластів, або додається як змащувальна добавка до бурового розчину. Склад відходів буріння в основному залежить від геологічного розрізу (гірських порід), типу бурових розчинів та хімреагентів, що використовуються для оброблення промивних рідин.
Переважна більшість свердловин буриться у Дніпровсько-Донецькій западині (далі — ДДЗ) (Чернігівська, Сумська, Полтавська та Харківська обл.).
Наведемо типовий геологічний розріз однієї зі свердловин у ДДЗ, з яких і складається вибурена порода (буровий шлам):
|
БШ — це напіврідка суспензія, яка відділяється при очистці бурового розчину, тверда частина якої складається з дрібних частинок гірських порід, що утворюються при її руйнуванні в процесі буріння.
Як видно з наведеного геологічного розрізу, за мінералогічним складом тверда фаза відходів буріння (буровий шлам (фото 2) із залишковою кількістю бурового розчину) класифікуються, до 2300 м як глиниста (з переважанням у складі глин, аргілітів, мергелів, крейди), з 2300 до 3400 м — галоїдно-сульфатна (тверда фаза складається в основному з кам’яної солі, гіпсу та/або ангідриту) і лише з глибини 3400 м тверда фаза складена міцними породами (пісковики, алевроліти, аргіліти, сланці тощо). Глибини залягання порід можуть суттєво різнитися, у залежності від місця розташування родовища в тій чи іншій частині ДДЗ.
 |
 |
| а) | б) |
Фото 2. Відходи буріння в шламовому амбарі: а) вибурена порода з БСВ;
б) вибурена порода з ВБР
Буровий розчин у свердловині виконує цілий ряд різноманітних функцій, зокрема:
Таким чином, склад ВБР також залежить від геологічного розрізу, води, солей та хімреагентів якими оброблявся цей розчин.
БСВ — води що беруть участь у технологічних процесах при бурінні свердловин, які забруднені диспергованою глиною, хімреагентами, поверхнево-активними речовинами, вибуреною породою солями тощо (фото 3б).
До складу БСВ можуть потрапляти дощові і талі води, особливо при невдалому плануванні бурових майданчиків, з яких ці води можуть стікати в амбари. Середньорічна кількість опадів у Полтавській області становить від 450 до 580 мм на рік, а площа бурового майданчика 2,5–3,8 га. Навіть при коефіцієнті поверхневого стоку для ґрунтових поверхонь, який становить 0,2 отримаємо значне збільшення обсягів БСВ. А коефіцієнт стоку талих вод, становить ще більше 0,5–0,7. Крім цього, може бути нераціональне водокористування працівниками бурової бригади. При цьому слід зазначити, що при безамбарному бурінні обсяг рідких відходів значно менший, але зростають затрати на транспортування відходів буріння.
 |
 |
| а) | б) |
|
Фото 3. Відходи буріння: а) відпрацьований буровий розчин з вибуреною породою; |
|
Виконаємо розрахунок обсягів утворення вибуреної породи
Розглянемо типову (орієнтовну) конструкцію свердловини (рис. 1). Як видно з рисунка, буріння під кожну обсадну колону здійснюється різними діаметрами доліт. Об’єм вибуреної породи: VВП = 0,785 х Кр ( Дні х αі)2 х Li,
де Кр — коефіцієнт розущільнення породи, 1,2;
Дні — діаметр долота в інтервалі буріння, м;
αі — середній коефіцієнт кавернозності свердловини;
Li — інтервал буріння, м, у тому числі по інтервалах:
0–30 м VВП = 0,785 х 1,2 (0,9144 х 1,10)2 х 30 = 29 м3
30–260 м VВП = 0,785 х 1,2 (0,6604 х 1,10)2 х 230 = 114 м3
260–2300 м VВП = 0,785 х 1,2 (0,4445 х 1,04)2 х 2040 = 411 м3
2300–4500 м VВП = 0,785 х 1,2 (0,3111 х 1,27)2 х 2200 = 323 м3
4500–5300 м VВП = 0,785 х 1,2 (0,2159 х 1,20)2 х 800 = 51 м3.
Всього = 928 м3
При очищенні бурового розчину не весь обсяг вибуреної породи з нього видаляється. Так, наприклад, для розрахунку беруться наступні показники, на віброситі ступінь очистки становить 20 %, на гідроциклоні та муловідділювачі — 20 %, на центрифузі — 20 %, відстоювання у жолобах та приймальних ємностях — 15 %. Разом приблизно 75 %. Таким чином, загальний об’єм ВП, що відділяється з бурового розчину для цієї свердловини становить:
VБШ = 928 м3 х 0,75 = 696 м3
Як видно з геологічного розрізу, конструкції свердловини та поінтервального розрахунку обсягів вибуреної породи, до глибини 3400 м переважно м’які глинисті породи, глина, мергелі, крейда, кам’яна сіль, ангідрити, гіпси тощо.
Розрахуємо обсяг цих м’яких глинистих порід:
VВП = (29 м3 + 114 м3 + 411 м3 + 323/2) х 0,75 = 537 м3
З глибини 3400 міцні пісковики, алевроліти, аргіліти, сланці, вапняки Обсяг цих міцних порід з 3400 до 5300 м: VВП = 696 м3 — 537м3 = 159 м3
Згідно з розрахунком об’єм відпрацьованої промивної рідини становитиме 1641 м3. Крім цього, об’єм розчину для випробовування свердловини (РВС) — 154 м3.
Об’єм бурових стічних вод становитиме 3282 м3.
Всього загальний об’єм відходів буріння для свердловини з проєктною глибиною 5300 м орієнтовно становитиме:
VВБ = 696 + 1641 + 154 + 3282 = 5773 м3.
Як видно з цього розрахунку, переважна частина, майже 88 % це рідкі і напіврідкі відходи буріння (рис. 2). Причому тверді і напівтверді відходи для цієї свердловини становлять всього 696 м3, або 12 %. Виключно тверді — 159 м3, або ≈ 2.8 %. Слід зауважити, що в залежності від технологічної дисципліни, на різних бурових, обсяг рідких відходів може бути значно меншим від розрахункового.
У Карпатській нафтогазоносній провінції родовища у переважній більшості представлені так званим карпатським флішем, потужною серією міцних осадових гірських порід переважно уламкового походження, що характеризуються ритмічним чергуванням декількох літологічних різновидів шарів, гранулометричний склад яких характеризується зменшенням зернистості знизу вверх (від піску до алевриту та пеліту).
Рис. 2.
Починаючи із самої поверхні, і до вибою свердловин, фліш складається з численних невеликих циклів, які часто називаються ритмами. Отже, флішеві осадові породи — це ритмічне чергування прошарків аргілітів, сланців, алевролітів, пісковиків, мергелю і вапняку. І геологічний розріз має багатоповерхову структуру, тобто одні й ті ж породи зустрічаються декілька разів (фото 4). Хоча також зустрічаються глинисті пачки порід.
 |
 |
| а) | б) |
|
Фото 4. Складчасті Карпати: а) карпатський фліш; б) геологічний розріз |
|
Згідно з ієрархією управління відходами на більшості свердловин вживаються заходи щодо запобігання утворенню відходів буріння. Здійснюється планування бурового майданчика так, щоб мінімізувати потрапляння дощових і талих вод у шламові амбари. Амбари, як правило, обваловуються. Ведеться облік водоспоживання. Для миття обладнання та оброблення бурових розчинів використовуються стічні води тощо.
З метою підготовки відходів до повторного використання здійснюється попередня очистка БСВ. ВБР також проходять відповідну очистку та рециклінг і можуть перевозитися на інші свердловини для використання.
Найбільш обговорюваною темою, так званих експертів, є утилізація БШ.
Існують такі основні методи оброблення відходів буріння: термічні, хімічні, біохімічні (біологічні); фізичні, фізико-хімічні та інші.
При ньому БШ не вимагають попередньої підготовки (очистка від сміття, каменів, нафтопродуктів). Об’єм переробленого продукту в рази менший за початковий об’єм БШ.
Зверніть увагу!
Але під час спалювання в атмосферу виділяється велика кількість забруднюючих речовин. Економічну ефективність термічних методів зменшує необхідність осушки бурового шламу з високою вологістю.
Метод термічної обробки БШ є загалом досить дорогим процесом, і в основному спалюється (висушується) вода, що міститься в ньому та спікається гірська порода. Причому що відходи буріння не відносяться до небезпечних відходів, які необхідно спалювати.
Крім цього, виникла Глобальна кліматична криза, яка стала системною проблемою, а її вирішення потребує системних кроків на міжнародному та національному рівні. Саме тому Україна має впроваджувати амбітну кліматичну політику та скорочувати викиди парникових газів.
Умовно можна виділити такі процеси:
В Україні найчастіше використовують фізико-хімічні методи оброблення БШ. З допомогою вібросит, гідроциклонів, муловідділювачів та центрифуг з бурового розчину відділяється БШ і скидається у шламові амбари, де за допомогою різноманітних препаратів відбувається його нейтралізація, затвердівання та захоронення.
При безамбарному бурінні БШ після часткового зневоднення, на блоці очистки, скидається у спеціальні контейнери, для додаткового гравітаційного відстоювання, після чого електротельфером завантажується у самоскиди і вивозиться в інші спеціально облаштовані місця. Інколи використовують так звані фільтрувальні басейни.
Відділену з бурового розчину напівтверду фазу скидають у шламові ємності (фото 5а), де вона перемішується з БСВ, і знову набухає, і при наповненні ємностей цю суміш направляють шламовим насосом у фільтрувальний басейн (фото 5б). Відділена БСВ знову стікає у шламові ємності. Після певної осушки БШ з басейну мають вивозити у спеціально облаштовані місця, яких на жаль в Україні майже немає. Були й інші неодноразові спроби рециклінгу БШ, який у певних пропорціях змішували з цементом, рідким склом та планували використовували як будівельний матеріал для підсипки майданчиків та під’їзних доріг.
Зверніть увагу!
Однак, як виявилося на практиці, що не все так просто, оскільки твердих відходів, які реально можуть бути використані для будівельних матеріалів у ДДЗ дуже мало 2–3 %. Навіть якщо взяти всі тверді і напівтверді відходи, це складе не більше 12 %, і це переважно глина, мергелі, що містять хлориди (сіль) (фото 5б).
 |
 |
| а) | б) |
|
Фото 5. Фільтрувальний басейн з відходами буріння: а) загальний вигляд басейну; б) фільтрат з хлоридами |
|
Глина для бетонних сумішей є шкідливою домішкою. Максимально допустимий вміст пиловидних і глинистих часток розміром менше 0,05 мм, що визначається відмулюванням або піпетковим методом, у щільних пісках всіх видів, для бетонних сумішей дозволяється не більше 5–7 %. У нашому випадку ця норма перевищена у рази! На даний час при бурінні свердловин використовуються потужні бурові насоси, і долота з насадками, що мають невеликі отвори 3–5 мм, через які рідина тоненькою цівкою, під великим тиском (200–250 атм.) «розрізає» породи, відбувається так званий гідромоніторний ефект, внаслідок чого порода подрібнюється (розмивається) до найменших колоїдних частинок, розміром < 0,05 мм.
Довідково:
В Україні на початку 2000-х років у Полтавській області був збудований вузол з перероблення і утилізації відходів буріння, але працював лише декілька разів у вигляді демонстраційного процесу, в результаті було виготовлено декілька зразків цементно-глинистої суміші, з різним вмістом цементу. Причому відходи з цього родовища розміщались у шламонакопичувачі, що був збудований поруч. Навіть було розроблено технічні умови на шлам буровий зневоднений, але жодного кілометра дороги так і не збудовано.
На мою думку, це був не дуже вдалий експеримент, оскільки був розрахований на одне родовище, а перевозити велику кількість відходів з інших родовищ на значні відстані, мабуть, недоцільно. Краще оброблення проводити безпосередньо на буровій.
Причому собівартість такої цементно-глинистої суміші становитиме понад 4,0 тис. грн/м3, без транспортних затрат, а вартість 1 т щебеню коливається від 320 до 560 грн, будівельного піску — 250–470 грн/т. Цікаво, хто захоче будувати дорогу з «болота» чи все-таки з хороших будівельних матеріалів? Хоча незначну кількість цих відходів можна використати для перешарування ТПВ на полігонах чи інших цілей.
Крім цього, БШ містить значну кількість ВБР та БСВ, які також не є корисним компонентом для будівельних матеріалів.
Для розуміння співвідношення вмісту рідини у БШ з різних очисних елементів бурової наведемо інформацію аналізу відходів буріння у мокрому, і висушеному вигляді при температурі 105 ºС, які відібрані у березні 2023 р. (табл. 1).
Інформація про відходи буріння філії «Бурове управління «Укрбургаз»
Таблиця 1
| № свердл. | Вибій,
м |
Шлам з вібросита, г | Пульпа з гідроциклона, г | Пульпа з муловідділювача, г | Пульпа з
центрифуги, г |
ВБР з амбару, г | |||||
| мокрий/
сухий |
% | мокра/
суха |
% | мокра/
суха |
% | мокра/
суха |
% | мокр/
сухий |
% | ||
| 1 | 1835 | 154,0/125,6 | 18,4 | 129,8/101,6 | 21,7 | 107,9/70,1 | 35,1 | 68,1/46,5 | 46,4 | 150/102,7 | 31,5 |
| 2 | 1674 | 152,3/121,4 | 20,3 | 119,5/94,4 | 21,0 | 142,1/27,8 | 80,4 | 152,5/111,6 | 26,8 | 82,8/21,1 | 74,5 |
| 3 | 1715 | 125,2/98,1 | 21,6 | 103,5/78,5 | 24,2 | 92,5/56,6 | 38,8 | 129,0/104,4 | 19,0 | 80,9/32,6 | 59,7 |
Як видно з наведених аналізів БШ містить значну кількість вологи: БШ з вібросита містить ≈ 20 % вологи, пульпа з гідроциклона — до 24 %, з муловідділювача — 35–80 %, з центрифуги — 19–46 %, і в ВБР з амбару — 31–60 %.
Набагато складнішою є проблема утилізації ВБР
Основними складниками глинистих бурових розчинів є вода, глинопорошок вибурена порода та хімреагенти. В інтервалах, де знаходяться горизонти прісних підземних вод (0–300 м і більше) заборонено використовувати небезпечні хімреагенти, тому буріння проводиться, як правило на воді з використанням бентонітової глини, кальцинованої соди, харчової добавки карбоксиметилцелюлози та графіту. Однак, при проходженні глинистих горизонтів відбувається так зване явище самозамісу, промивна рідина, розмиває (розчиняє) глинисті породи, в результаті чого зростає густина і в’язкість, тому частина розчину з вибореною породою, вже як ВБР, скидається в амбари, а для розрідження додається вода.
Явище самозамісу присутнє і в інших інтервалах навіть до глибини 3400–3500 м. Тому в цих інтервалах (до 3500 м) найбільше утворюється ВБР. Але це вже буровий розчин, який оброблений хімреагентами, у т. ч. хлористим калієм чи натрієм (KCl, NaCl), особливо при бурінні соленосних товщ, розчин обробляється до перенасичення KCl чи NaCl. Крім цього, при бурінні крейди, гіпсів та ангідритів розчин збагачується і цими породами. Як правило, після спуску технічних колон на більшості свердловин відбувається заміна бурового розчину на інший тип, а цей наявний скидається в амбари як ВБР.
Після закінчення буріння та освоєння свердловини, майже весь буровий розчин, у т. ч. від зачистки ємностей, скидається в амбари. Частково, лише незначні обсяги бурових розчинів, можуть перевозитися на інші свердловини для повторного використання.
Також дуже не простою є утилізація БСВ.
Проєктною документацією передбачено….
Увага! Ця стаття публікується частково і є невід’ємною частиною Журналу лідера сталого розвитку «SUSTAINABILITY LEADER’S GUIDE» №4, 2023
Автор: Петро Дригулич, голова комітету з охорони атмосферного повітря Асоціації професіоналів довкілля PAEW, експерт з екологічної та радіаційної безпеки у нафтогазовій галузі, к. геол. н.
БШ — це напіврідка суспензія, яка відділяється при очистці бурового розчину, тверда частина якої складається з дрібних частинок гірських порід, що утворюються при її руйнуванні в процесі буріння.