Комплексная технология обработки отработанных буровых растворов, предотвращающая их флокуляцию и затвердевание.

В процессе добычи нефти, газа и метана угольных пластов образуются значительные количества отработанного бурового раствора, характеризующегося высоким содержанием воды, высоким химическим потреблением кислорода (ХПК) и высокой цветностью. При непосредственном сбросе эти отходы представляют значительные экологические риски, включая засоление почвы, загрязнение водоемов и накопление тяжелых металлов. Традиционные методы обработки страдают от таких проблем, как высокая стоимость, непостоянная эффективность и трудности в соблюдении нормативных требований к сбросу. В данной статье представлен комплексный технологический процесс, включающий гелеобразование, флокуляцию, разделение твердой и жидкой фаз и отверждение на основе шлака, для решения этих проблем. В ходе лабораторных экспериментов были определены оптимальные химические реагенты и рабочие параметры, что позволило достичь соответствия первичному уровню для жидкой фазы отработанного бурового раствора, обеспечивая при этом стабильное отверждение его твердой фазы. Данное исследование предлагает зрелое техническое решение для безопасной утилизации и использования ресурсов отработанного бурового раствора, образующегося на нефтяных и угольных метановых месторождениях.

I. Характеристики загрязнения и проблемы очистки отработанного бурового раствора

1. Основные характеристики раствора

Предметом данного исследования является отработанный буровой раствор на водной основе с угольной метановой платформы в провинции Шаньси:

Содержание воды: до 96,24%

ХПК: 2824 мг/л (в 28 раз выше нормативного предела)

Взвешенные твердые частицы: 497,5 мг/л (в 7 раз выше нормативного предела)

Хроматичность: 500 (в 10 раз выше нормативного предела)

pH: 8,61; содержит следовые количества нефтяных углеводородов и общего хрома

2. Недостатки традиционных методов очистки

Простая стабилизация требует чрезмерных доз химических реагентов, влечет за собой высокие затраты и приводит к недостаточной прочности структуры.

Традиционные методы флокуляции и разделения часто являются неполными, что затрудняет прямой сброс жидкой фазы.

Затвердевание цемента часто приводит к превышению уровня pH нормативных значений и последующему снижению прочности конструкции с течением времени.

Трудно достичь двойной цели «повторного использования жидкой фазы + использования ресурсов твердой фазы».

II. Процесс обработки керна: Разрушение геля и флокуляция → Разделение твердой и жидкой фаз → Коррекция pH → Затвердевание глинистой корки

В целом, процесс использует химически усиленное разделение твердой и жидкой фаз в сочетании с недорогим затвердеванием для обеспечения соответствия на каждом этапе и обеспечения экологической безопасности всего процесса:

Разрушение геля и флокуляция: Дестабилизирует коллоидные структуры для быстрого разделения ила и воды.

Разделение твердой и жидкой фаз: Обрабатывает фильтрат для соответствия стандартам сброса, одновременно обезвоживая глинистую корку для уменьшения ее объема.

Коррекция pH: Нейтрализует кислый фильтрат для соответствия стандартам сброса класса I.

Затвердевание глиняной массы: Используется отверждающий агент на основе шлака для стабилизации тяжелых металлов и повышения прочности конструкции.

Использование ресурсов: Затвердевший материал может использоваться для захоронения отходов, дорожного покрытия или производства кирпича.

III. Выбор деэмульгирующих и флокуляционных агентов: оптимальная комбинация + оптимальная дозировка

В результате серии сравнительных экспериментов была выбрана оптимальная комбинация из трех деэмульгаторов и трех вспомогательных коагулянтов.

1. Выбранный деэмульгатор: сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃)

Оптимальная дозировка: 2000 мг/л

Результаты обработки: степень удаления ХПК 96,27%, степень удаления взвешенных твердых частиц 92,25%, степень удаления цвета 92,00%, и содержание влаги в фильтрационном осадке снижено до 84,46%.

2. Выбранный коагулянт: неионогенный полиакриламид (НПАМ)

Оптимальная дозировка: 10 мг/л

При синергии с сульфатом алюминия образует более крупные хлопья, ускоряет осаждение и улучшает обезвоживание.

Содержание влаги в фильтрационной крошке дополнительно снижается до 78,64%.

3. Оптимальные условия процесса (оптимизированы с помощью ортогональных экспериментов)

Скорость перемешивания: 90 об/мин

Время перемешивания: 60 с

Время осаждения: 5 мин

→ Обеспечивает максимальную эффективность обработки, минимальное время обработки и минимальное энергопотребление.

IV. Обработка жидкой фазы: соответствие стандартам сброса I класса для прямого повторного использования

После деэмульсификации, флокуляции и корректировки pH: на 100 мл фильтрата добавляли 0,8 мл 5% раствора NaOH.

pH скорректирован до: 6,07

Конечные параметры сточных вод: ХПК: 38,45 мг/л

Взвешенные твердые частицы: 30,50 мг/л

Цветность: 20-кратное разбавление

Углеводороды и общий хром: Значительно ниже стандартных пределов.

Соответствует стандартам сброса сточных вод класса I (GB8978-1996) и может быть повторно использован для приготовления суспензии и промывки площадки.

V. Затвердевание фильтрационного осадка: Затвердитель на основе шлака — экономичный подход «очистка сточных вод»

Для фильтрационного осадка, отделенного в процессе очистки, был использован разработанный нами затвердитель на основе шлака (состоящий из шлака, цемента, летучей золы и композитного активатора) для достижения недорогого и высокоэффективного затвердевания. 1. Характеристики затвердевания (при дозировке 25%, выдержка 28 дней)

Прочность на сжатие: 0,64 МПа (соответствует требованиям для полигонов твердых отходов и дорожного покрытия)

ХПК фильтрата: 53,26 мг/л

Хроматичность: 10-кратное разбавление

Взвешенные твердые частицы: 37,80 мг/л

Нефтяные углеводороды / Общий хром: Не обнаружены

2. Сравнение с цементом: Явные преимущества

При эквивалентной дозировке 25%:

Отвердитель на основе шлака демонстрирует более высокую прочность и более быстрый рост прочности.

Уровень pH фильтрата остается в пределах нормативных значений (в то время как цементные системы часто приводят к постоянно высокому уровню pH).

Более низкие уровни ХПК, взвешенных твердых частиц и хроматичности в фильтрате.

Снижает потребление цемента, что приводит к снижению общих затрат.

Позволяет осуществлять «переработку отходов» — использование отходов для обработки других отходов — что приносит значительные экологические выгоды.

VI. Механизм действия: раскрытие технических преимуществ на микроскопическом уровне

1. Механизм деэмульсификации и флокуляции

Сульфат алюминия: вызывает дестабилизацию за счет нейтрализации заряда, образуя скелетную структуру хлопьев.

НПАМ: способствует образованию длинноцепочечных мостиков, сетей и эффектов вытеснения, формируя крупные плотные хлопья → Быстрое осаждение и глубокое обезвоживание.

2. Механизм затвердевания

В щелочной среде шлак подвергается гидратации с образованием гелей C-A-H и C-A-S-H.

Эти гели сцепляются друг с другом, инкапсулируя твердые частицы и заполняя межпоровые пространства.

Полученная структура плотная, обладает высокой прочностью и эффективно удерживает загрязняющие вещества.

→ Напротив, в цементных системах образуются расширяющиеся кристаллы AFt, что приводит к внутреннему микрорастрескиванию, снижению прочности конструкции и повышенной восприимчивости к выщелачиванию загрязняющих веществ.

VII. Технические преимущества и инженерная ценность

**Соответствие всем требованиям на протяжении всего процесса**

Жидкая фаза соответствует стандартам сброса класса I; твердая фаза соответствует стандартам выщелачивания; тяжелые металлы стабильно затвердевают.

**Значительное снижение затрат**

Шлаковые отвердители заменяют большую часть цемента, а дозировка химических реагентов оптимизирована для обеспечения высокой экономической эффективности.

**Высокая эффективность обработки**

Для флокуляции требуется всего 5 минут времени отстаивания, что делает процесс подходящим для стационарных установок на месте с минимальной занимаемой площадью.

**Использование ресурсов**

Фитрат может быть использован повторно; затвердевший фильтрационный осадок может быть использован для дорожного строительства, производства кирпича или рекультивации свалок.

**Широкая область применения**

Подходит для обработки различных типов буровых растворов на водной основе, образующихся на нефтегазовых месторождениях, месторождениях метана угольных пластов и месторождениях сланцевого газа. **Заключение:** Интегрированная технология обработки отработанных буровых растворов, сочетающая «деэмульсификацию-флокуляцию» с «затвердеванием на основе шлака», обеспечивает прямой, соответствующий нормативам сброс жидкой фазы и стабильное затвердевание твердой фазы за счет точного подбора химических реагентов и оптимизации условий эксплуатации. Эта технология не только решает сложные проблемы загрязнения, но и воплощает принципы «использования отходов для обработки отходов» и рационального использования ресурсов. Она представляет собой экономичное, эффективное и надежное решение для экологически безопасной обработки буровых отходов, обеспечивая надежную техническую поддержку для развития «зеленых» нефтепромыслов.