Буровые технологические жидкости. Экологизация и оптимизация качества буровых промывочных и тампонажных растворов. (Лекция 15)

1.

Лекция № 15
7. Основы экологизации и оптимизации качества буровых
промывочных и тампонажных растворов
7.1. Экологические свойства буровых растворов
Экологизация - деятельность, направленная на предупреждение
или предотвращение отрицательного воздействия на окружающую
природную среду (ОПС).
Актуальность экологизации буровых растворов:
буровой раствор имеет весьма непродолжительный «жизненный
цикл», в конце которого он, как правило, весь превращается в
отходы;
буровой раствор - химическая продукция, содержащая широкий
ассортимент различных материалов, химических реагентов и
добавок, попадание которых в ОПС потенциально таит в себе
опасность проявления негативных последствий.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
1

2.

Лекция № 15
Опасность нанесения ущерба ОПС буровыми растворами и
отработанными буровыми растворами (ОБР) связана с высокой
вероятностью их попадания в различные объекты ОПС,
токсичностью содержащихся в них химических веществ и
высокой концентрацией последних.
Пути экологизации буровых растворов:
минимизация объемов буровых отходов и токсичности той их
части, которая подлежит размещению в ОПС;
применение экологически безопасных буровых растворов.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
2

3.

Лекция № 15
Для снижения масштабов и степени загрязнения ОПС
необходимо:
исключить утечки бурового раствора из всех элементов
наземной циркуляционной системы (НЦС) скважины и из мест
сбора образующихся отходов бурения;
утилизировать (вторично использовать) отходы бурения путем
применения в процессе сооружения скважины безамбарной
технологии, заключающейся в непрерывной очистке бурового
раствора от шлама, полном разделении определенной части
бурового раствора на твердую и жидкую фазы; повторном
использовании жидкой фазы на разбавление, приготовление
новых порций бурового раствора и другие цели, а по окончании
бурения – в отверждении обезвоженной твердой фазы с
помощью различных вяжущих добавок, в частности, цемента.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
3

4.

Лекция № 15
Недостатки безамбарной технологии:
большинство существующих способов обезвреживания
буровых отходов, в том числе и их отверждение, являются
дорогостоящими, энерго- и трудозатратными и в то же время
недостаточно надежными;
не исключается загрязнение ОПС и, прежде всего, подземных
вод, содержащимися в буровом растворе вредными
веществами из-за неизбежной его фильтрации в околоствольное
пространство скважины и возможного поглощения.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
4

5.

Лекция № 15
Вывод: более радикальным путем решения экологических
проблем в бурении является разработка и использование
экологически безопасных буровых растворов.
В основе реализации этого пути лежит возможность:
контроля токсичности бурового раствора на всех этапах его
«жизненного цикла» (от разработки рецептуры до размещения
отходов бурения в ОПС);
сохранения токсичности бурового раствора в течение этого
цикла в пределах, не превышающих допустимых для ОПС.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
5

6.

Лекция № 15
В нашей стране основным показателем токсикологического
нормирования содержания вредных веществ в компонентах
ОПС является предельно допустимая концентрация (ПДК).
О степени опасности для ОПС буровых растворов и их
отходов принято судить по кратности превышения содержания
в них отдельных компонентов над установленной для каждого
из этих компонентов ПДК.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
6

7.

Лекция № 15
Недостатки оценки экотоксичности буровых растворов по
кратности отношения концентрации их ингредиентов к ПДК:
буровой раствор обладает такими свойствами, которых нет и
не может быть у составляющих его частей, поэтому кратность
отношения концентрации отдельных компонентов бурового
раствора к установленной для каждого из них ПДК не может дать
интегральной оценки экотоксичности, так как при этом не
учитывается способность химических веществ в комбинациях и
различных сочетаниях друг с другом усиливать (синергизм) или
ослаблять (антагонизм) вредное воздействие на объекты ОПС;
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
7

8.

Лекция № 15
многие химические реагенты, особенно полимеры, в
процессе бурения подвергаются термической, биологической
и другим видам деструкции, приводящей к изменению их
свойств, в связи с чем установленные для них ПДК не могут
оставаться, как это принято сейчас, неизменными.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
8

9.

Лекция № 15
Наиболее реальным способом преодоления отмеченных выше
недостатков является переход на биотестирование
непосредственно самих буровых растворов.
Суть биотестирования заключается в определении суммарного
синергетического и антагонистического действия содержащихся
в тестируемых средах токсических веществ на живые
организмы (тест-объекты).
В качестве тест-объектов применяются микроорганизмы
(водные бактерии), простейшие (инфузории), губки, кишечнополостные (гидры), круглые черви (коловратки), кольчатые
черви (пиявки), моллюски, членистоногие (дафнии, креветки),
червеобразные или щупальцевые (мшанки), хордовые (рыбы) и
др.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
9

10.

Лекция № 15
Показатель токсичности исследуемой среды, называемый
тест-функцией, связывают с изменением характеристик тестобъекта в целом или его отдельных частей.
Наиболее распространенные тест-функции:
выживаемость (гибель);
скорость роста (интенсивность размножения);
поведенческие реакции (двигательная активность,
затаивание или иммобилизация);
частота дыхания;
степень плазмолиза (отделения содержимого клетки от
клеточных стенок);
частота сердцебиения;
скорость регенерации (восстановления) отдельных органов;
биолюминесценция и др.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
10

11.

Лекция № 15
Биотесты должны удовлетворять следующим требованиям:
базироваться на использовании широко распространенных и
легко культивируемых тест-объектов, которые, в свою очередь,
должны иметь достаточно высокую чувствительность к
широкому спектру загрязнителей;
обеспечивать возможность четкой регистрации реакций тестобъектов на воздействие токсикантов;
отличаться простотой и экспрессностью;
обеспечивать высокую точность, воспроизводимость и
достоверность результатов.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
11

12.

Лекция № 15
В нашей стране наиболее распространенным биотестом
является «дафниевый тест».
Дафнии (рачки) имеют достаточно крупные размеры,
позволяющие вести за ними визуальные наблюдения, легко
культивируются в лабораторных условиях и обладают
достаточно высокой чувствительностью к различным
токсикантам (порог чувствительности 0,001 - 0,1 мг/л).
Суть «дафниевого теста»: готовят 5…7 проб исследуемого
токсиканта, отличающихся концентрацией; в подготовленные
пробы помещают по 10 дафний и фиксируют число погибших
рачков в каждой пробе через 1, 6, 24, 48, 78 и 96 часов с
момента начала испытаний.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
12

13.

Лекция № 15
По результатам «дафниевого теста» определяют ЛК50 (LC50)
-среднюю летальную концентрацию токсиканта (кратность
разбавления тестируемой среды), при которой за 96 часов
гибнет 50 % дафний.
В нашей стране массовая оценка экотоксичности буровых
растворов ни с помощью узаконенного в 1990 г. «дафниевого
теста», ни какого-либо иного биотеста, не проводится.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
13

14.

Лекция № 15
В США обязательное токсикологическое биотестирование
буровых растворов и их компонентов проводится с 1985 года.
Стандартным тест- объектом при этом являются мизидовые
креветки.
Критерием токсичности буровых растворов служит LC50 концентрация испытуемой среды (средней части отстоявшейся
смеси бурового раствора с морской водой), при которой за 96
часов испытаний погибает 50 % креветок.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
14

15.

Лекция № 15
Классификация буровых растворов по уровню токсичности (США)
Категория токсичности
Значение LC50, промилле (частей на
миллион или млн-1)
практически нетоксичные
более 100000
слаботоксичные
10000 - 100000
умеренно токсичные
1000 - 10000
токсичные
10 - 1000
сильно токсичные
менее 10
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
15

16.

Лекция № 15
Основные недостатки биотестов с использованием креветок и
дафний:
высокая трудоемкость;
большие затраты времени (96 часов) на получение результата.
Преодолеть эти недостатки можно лишь при инструментальной
оценке воздействия токсикантов на биологический объект
испытаний.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
16

17.

Лекция № 15
В нашей стране серийно выпускается прибор «Биотестер - 2»,
в котором в качестве тест-объекта используются инфузории
туфельки (Рaramecium сaudatum).
Согласно технической характеристике прибор «Биотестер-2»
представляет собой специализированный импульсный
фотометр, позволяющий определять концентрацию живых
движущихся клеток инфузорий в верхней (рабочей) части
измерительной кюветы, помещаемой в кюветный модуль
прибора.
Габаритные размеры прибора составляют 290х280х160 мм,
масса равна 6 кг, питание осуществляется от сети напряжением
220 В.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
17

18.

Лекция № 15
Осуществляемый с помощью данного прибора стандартный
биотест базируется на том, что для нормальной
жизнедеятельности инфузориям туфельки необходим
молекулярный кислород, который они получают в основном на
границе раздела фаз жидкость - воздух. По этой причине
инфузории туфельки склонны перемещаться в верхние слои
своей среды обитания.
При отсутствии каких-либо раздражителей инфузории в этих
слоях находятся в постоянном беспорядочном движении,
скорость которого при комнатной температуре составляет 2 - 2,5
мм/с.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
18

19.

Лекция № 15
В результате выполненных в ТПУ исследований, преследующих
целью создание методики оценки экотоксичности буровых
растворов на базе прибора «Биотестер - 2», установлено
следующее:
в качестве тест-реакции необходимо использовать не избегание
тест-объектом токсичной среды, а его двигательную активность в
ней;
тест-реакцию инфузорий туфельки следует оценивать в таких
пределах концентрации токсиканта, которые соответствуют стадии
«угнетение», т.е. вызывают снижение двигательной активности
клеток;
в стадии «угнетение» двигательная активность тест-объекта
зависит от концентрации токсиканта, причем для самых различных
химических веществ эта зависимость имеет явно выраженный
линейный характер и выходит из начала координат.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
19

20.

Лекция № 15
Установленная взаимосвязь между двигательной активностью
тест-объекта и концентрацией тестируемого вещества позволяет
характеризовать его экотоксичность следующим показателем
Кт = Ст / Sа,
(15.1)
где Кт - коэффициент экотоксичности, мг/л (млн-1) / %;
Ст - концентрация токсиканта во взвеси клеток тест-объекта, мг/л
(млн-1);
Sа - степень снижения двигательной активности тест-объекта, % .
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
20

21.

Лекция № 15
Sа = (1 - Пт / Пк ) 100,
(15.2)
где Пк - показания прибора для исходной взвеси клеток
(контрольные), усл. ед.;
Пт - показания прибора при введении в исходную взвесь клеток
токсиканта, усл. ед.
Из анализа формулы (15.2) следует, что при Пт = Пк Sа = 0 %, а
при Пт = 0 Sа = 100 %, т.е. возможное изменение степени
снижения двигательной активности клеток находится в
пределах от 0 до 100 %.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
21

22.

Лекция № 15
Рекомендуется по возможности в максимально идентичных
условиях проводить от трех до пяти повторных испытаний
одной и той же среды, производя отбраковку резко
выделяющихся значений степени снижения двигательной
активности тест-объекта известными методами математической
статистики.
При этом концентрацию токсиканта в испытаниях желательно
выбирать такой, чтобы степень снижения двигательной
активности тест-объекта (Sа) находилась в пределах 20…80 %.
При Sа меньшей 20 % и большей 80 % возможно искажение
результатов из-за явлений, обусловленных соответственно
стимуляцией двигательной активности и плазмолизом клеток
тест-объекта.
Продолжительность одного испытания составляет 30 мин.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
22

23.

Лекция № 15
Разработанная в ТПУ методика (Патент 2112977 РФ) пригодна
для оценки экотоксичности как буровых растворов и их
компонентов, так и различных отходов бурения. Причем это
справедливо не только по отношению к гидросфере, но и по
отношению к почве и атмосфере, т.е. по отношению ко всем
компонентам ОПС.
Все это делает данную методику действительно незаменимым
инструментом для решения экологических проблем в бурении.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
23

24.

Лекция № 15
Эффективность процесса промывки скважин в значительной
степени определяет затраты средств и времени не только на
собственно бурение, но и на ликвидацию его негативных для
ОПС последствий.
Эти последствия связаны, прежде всего, с образованием
больших объемов отходов, главными источниками которых
являются буровой раствор (БР) и загрязняемая им разрушенная
горная порода (РГП), а также с содержанием в отходах
различных химических реагентов, что обусловливает
токсичность отходов по отношению к биологическим объектам
ОПС (экотоксичность).
Анализ влияния различных факторов на формирование
объема основных отходов бурения свидетельствуют о том, что
большинство из этих факторов являются управляемыми.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
24

25.

Лекция № 15
Об экологичности той или иной технологии можно судить по
объемам и экотоксичности отходов, подлежащих размещению в
ОПС.
Для оценки достигнутого уровня экотехнологии промывки
скважин, сравнения ее возможных альтернативных вариантов и
выбора из них наиболее предпочтительного, предлагается
руководствоваться следующим критерием
Кэт = argmin (У / Vпн),
(15.3)
где Кэт - критерий, характеризующий уровень экотехнологии
промывки скважин, руб./м3;
Vпн - номинальный плановый объем горной породы,
разрушаемой в процессе бурения, м3;
У - ущерб, причиняемый ОПС основными отходами бурения, руб.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
25

26.

Лекция № 15
Номинальный плановый объем породы, разрушаемой при
сооружении отдельной скважины, может быть определен по
формуле
m
k
Vпн = 0,785 [ Dнi2 Lнi Dкj2 Lкj],
i=1
(15.4)
j=1
где m - число интервалов скважины, разбуриваемых
породоразрушающим инструментом (ПРИ) разного диаметра;
Dнi - диаметр ПРИ в i - ом интервале бурения, м;
Lнi - длина i - го интервала бурения, м;
k - число интервалов отбора керна разного диаметра;
Dкj - диаметр керна на j - ом интервале керноотбора, м;
Lкj - длина j - го интервала керноотбора, м.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
26

27.

Лекция № 15
Ущерб, наносимый ОПС отходами бурения, предлагается
оценивать по следующей формуле
n
У = Пуд {[ Vi ЭТi (ЭТi / ЭТн)2] (VфОБР / VнБР)1,5 (VфРГП / Vпн)},
(15.5)
i=1
где Пуд - плата за размещение в ОПС 1 м3 отходов бурения с
соответствующей норме экотоксичностью, руб.; n - число отдельно
собранных компонентов отходов бурения, например, отработанный
буровой раствор (ОБР); жидкая фаза ОБР; твердая фаза ОБР и др.;
Vi - фактический объем i - го компонента отходов, м3; ЭТi фактическая экотоксичность i - го компонента отходов бурения, усл.
ед.; ЭТн - нормируемая начальная экотоксичность исходного БР,
усл. ед.; VфОБР - фактический объем отходов ОБР, м3; VнБР номинальный потребный объем БР, м3; VфРГП - фактический объем
отходов извлеченной из горного массива разрушенной породы, м3.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
27

28.

Лекция № 15
Анализ показывает, что критерий Кэт (см. 15.3) может быть
положен в основу не только оценки уровня технологического
менеджмента, касающегося промывки скважин, но и буровых
работ в целом, поскольку он прямо или косвенно охватывает
практически все составляющие оценки их эффективности.
Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик
28