автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Обработка осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек

На правах рукописи

САФОНОВА Наталия Александровна

ОБРАБОТКА ОСАДКОВ БУРОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЛЬТРУЮЩИХ ТЕКСТИЛЬНЫХ

ОБОЛОЧЕК

05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

< ;1ЕК 2013

Пенза 2013

005542554

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель — Тупицына Ольга Владимировна,

кандидат технических наук

Официальные оппоненты: - Андреев Сергей Юрьевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидротехника»

— Безбородова Оксана Евгеньевна,

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», доцент кафедры «Техносферная безопасность»

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», г. Казань

Защита состоится 27 декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.184.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28, ПГУАС, 1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Автореферат разослан ¿Г ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Бикунова Марина Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Осадки буровых сточных вод (ОБСВ) образуются при регенерации отработанных промывных растворов, тампонаже затрубного пространства скважин, их ремонте, а также отстаивании сточных вод в накопителях на нефтедобывающих месторождениях. ОБСВ представляют собой частицы выбуренной горной породы, взвешенные в объеме отработанного бурового раствора. Их исходная влажность ~ колеблется в диапазоне от 78 до 98,0 %. В связи с этим основной технологической операцией по обработке осадков выступает обезвоживание.

В условиях отдаленных месторождений нефтегазового комплекса строительство сооружений механического обезвоживания осадков является высокозатратным мероприятием. В настоящее время наиболее распространенным методом обработки осадков является их размещение в земляных выемках - шламовых амбарах, являющихся аналогом иловых площадок на естественном основании. Их существование приводит к отторжению значительных земельных территорий и загрязнению подземных вод.

Кроме обезвоживания, осадки должны подвергаться дополнительной обработке: кондиционированию, стабилизации, упрочнению и др. Создание узлов и оборудования по стабилизации обезвоженных осадков также приводит к дополнительным затратам.

Обезвоживание и стабилизация ОБСВ сопровождаются образованием загрязненного фильтрата и необходимостью создания дополнительных мощностей по его очистке перед сбросом в окружающую среду.

Таким образом, необходимость создания новых эффективных сооружений обработки ОБСВ, совмещающих в одном технологическом узле обезвоживание, упрочнение осадка и очистку фильтрата, является актуальной задачей.

Перспективным направлением является обработка осадков в контейнерах, выполненных в виде оболочек из фильтрующих текстильных материалов, представляющих собой макропористые полимерные мембраны. Фильтрующие текстильные оболочки обеспечивают обработку осадков в одном технологическом узле с их обезвоживанием, упрочнением структуры (фильтрационная консолидация), образованием малозагрязненного фильтрата. Данный метод применятся, в основном, для обработки осадков станций аэрации, а также осадков водоподготовки. В отличие от них, ОБСВ обладают рядом особенностей, вызванных неоднородностью состава выбуренной горной породы.

Степень разработанности темы исследования. Вопросы обработки осадков буровых сточных вод рассматривались в работах Булатова А. И., Грешишина В. И, Ягафаровой Г. Г., Шиманского А. А., Барахниной В. Б., Быкова Ю. И., Кроль В. В. и др. Все существующие методы и технологии обработки осадков буровых сточных вод имеют ряд недостатков: сложные и дорогостоящие конструктивные решения, необходимость точного дозирования реагентов, ограниченный диапазон характеристик осадка. Актуальной остается задача разработки доступной унифицированной технологии обработки осадков буровых сточных вод, позволяющей с минималь-

ными затратами перерабатывать осадки буровых сточных вод различной природы.

Целью настоящей работы является разработка и исследование малозатратной технологии обработки осадков буровых сточных вод с применением фильтрующих текстильных оболочек.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Определить целесообразность разработки предлагаемого способа обработки ОБСВ на основе анализа состава и свойств осадкообразующих компонентов.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса обезвоживания ОБСВ различной природы и состава при фильтровании через макропористую текстильную мембрану односторонней проводимости и последовательно наращиваемый намывной слой.

3. Исследовать процесс фильтрационной консолидации ОБСВ при долговременном пребывании в фильтрующем контейнере.

4. Получить математические зависимости, описывающие кинетику процесса обезвоживания ОБСВ в лабораторных и промышленных условиях.

5. Разработать конструктивное оформление технологии обработки ОБСВ с применением фильтрующих оболочек и провести её промышленное испытание.

6. Оценить технико-экономическую эффективность разработанной технологии мембранной обработки ОБСВ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый энергосберегающий способ обработки ОБСВ, заключающийся в последовательном осуществлении процессов обезвоживания и упрочнения осадка в контейнерах из фильтрующих текстильных материалов с выделением малозагрязненного фильтрата и последующей подготовке обезвоженного осадка и фильтрата к утилизации.

2. Теоретически и экспериментально обоснованы закономерности фильтрации ОБСВ через замкнутую макропористую мембрану с наращиваемым слоем уплотняемого осадка в зависимости от исходных параметров обрабатываемого осадка.

3. Определены граничные показатели состояния осадков в процессе пребывания в фильтрующих контейнерах: фильтрационно-пластификаци-онный и пластификационно-консолидационный переходы.

4. Получены функциональные зависимости эффективности обезвоживания ОБСВ от продолжительности их пребывания в фильтрующем контейнере.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработанная контейнерная технология послужила основой для создания новых и модернизации существующих сооружений обработки ОБСВ с последовательным осуществлением процессов обезвоживания и упрочнения осадков, а также подготовки полученных кека и фильтрата к утилизации в едином технологическом узле.

2. Выявлены закономерности процесса фильтрации через мембрану и уплотненный слой осадка, полученные на их основе расчетные характе-

ристики, а также получены математические зависимости обезвоживания, позволяющие разработать технологический регламент контейнерной обработки ОБСВ для производства грунтоподобных рекультивационных материалов.

3. Предложена новая система оценки, подготовки и утилизации осадков буровых сточных вод, учитывающая генезис физико-механических свойств исходных осадков буровых сточных вод.

4. Разработано конструктивно-технологическое оформление комплекса обработки ОБСВ при помощи фильтрующих оболочек.

Методология и методы исследований.

В работе осуществлено обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены лабораторные исследования и промышленные испытания с применением современных математических методов планирования и обработки экспериментальных данных. Применены общепринятые методики для расчета технико-экономической эффективности разработанной технологии.

Автор выносит на защиту:

— способ и технологию обработки осадков буровых сточных вод при помощи макропористых мембран с последующей утилизацией обезвоженного осадка;

— результаты экспериментальных исследований процесса фильтрации осадков через пористую эластичную перегородку с постепенно наращиваемой толщиной уплотняемого осадка (кека);

— математические зависимости, описывающие процессы обезвоживания осадков в контейнере;

— закономерности изменения прочностных свойств кека;

— конструктивное оформление комплексов совместной обработки и утилизации осадков буровых сточных вод с выделением функциональных технологических зон.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом проведенных экспериментальных исследований состава и свойств ОБСВ и фильтрата, процессов обезвоживания и упрочнения осадка в лабораторных и промышленных условиях с использованием утвержденных методик анализа, высокоточных приборов и оборудования.

Практическая реализация работы. Разработанная технология обработки осадков буровых сточных вод при помощи фильтрующих текстильных материалов внедрена в проектирование очистных сооружений на Са-мотлорском месторождении Ханты-Мансийского автономного округа. Полученный расчетный среднегодовой экономический эффект от внедрения предложенной технологии составляет 18,6 млн руб. в ценах 2013 года.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на VI Международной научно-практической конференции «Нефтегазовые технологии», Самара, 2009; Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 года «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2010; IV Всероссийской (78-й Итоговой) студенческой научной конференции «Студенческая наука и медицина XXI века: традиции, инновации и приоритеты» (Секция «Коммерциализация

результатов научно-технической деятельности»), Самара, 2010; Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы», Самара, 2010; VII Международной научно-практической конференции «Нефтегазовые технологии», Туапсе, 2010; 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2012; III Международном экологическом конгрессе (V Международной научно-технической конференции) «Проблемы и инновационные решения в области инженер- -ного обеспечения экологической и промышленной безопасности», Тольятти, 2011; 70-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы устроительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика», Самара,

Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 135 листах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, библиографического списка литературы из 183 наименований, содержит 19 рисунков, 16 таблиц и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и поставлена цель работы. Сформулированы задачи, решение которых позволяет разработать технологию обработки осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих оболочек.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса образования осадков буровых сточных вод, их состава, а также методов обработки.

В литературе отсутствует классификация ОБСВ применительно к выбору направления их последующей обработки. Такая классификация должна учитывать не только виды осадков, но и генезис образования, морфологию, состав, а также влияние отдельных свойств осадкообразующих компонентов на обезвоживание, кондиционирование и последующую утилизацию.

Для критериальной оценки процесса обезвоживания осадков используют известные показатели принудительного разделения суспензий под давлением, вакуумом или в поле центробежных сил. Контейнерная обработка является методом принудительного обезвоживания суспензий за счет их фильтрования через мембраны односторонней проводимости с динамически наращиваемым слоем твердой фазы. При этом, в отличие от известных процессов вакуум-фильтрации и фильтр-прессования осадка, при контейнерной обработке происходит трансформация кека за счет собственного веса, агломерации частиц твердой фазы, изменение пластических и прочностных свойств. В существующей литературе, воззрения на процес-

сы мембранно-фильтрационного обезвоживания осадков носят противоречивый характер. До настоящего времени не достаточно изучены особенности процесса очистки загрязненного фильтрата при его фильтровании через оболочку с наращиванием на его внутренней поверхности намывного слоя. В связи с этим, необходима разработка критериальных параметров обезвоживания в фильтрующих оболочках с учетом специфики обрабатываемых осадков, а также трансформации их состояния.

Очевидна необходимость создания комплексной системы контейнерной обработки осадков буровых сточных вод с использованием высокоэффективного и малозатратного оборудования.

Во второй главе разработаны теоретические основы контейнерного обезвоживания осадков буровых сточных вод (ОБСВ).

Тип, свойства и состав ОБСВ определяется стадией эксплуатации скважин, методом очистки сточных вод, а также природой выбуренной горной породы, составом и назначением применяемого бурового раствора.

Выделены 3 группы показателей состояния осадков буровых сточных вод, определяемые совокупностью свойств выбуренной горной породы и отработанного бурового раствора, поступающих в скважину — фильтрационная, геомеханичсекая и токсикологическая.

Предложены группы показателей исходного состояния осадков и выходные параметры их обработки (табл. 1).

Входные параметры анализируются на стадии выбора метода обработки осадка (рис. 1), выходные — являются индикатором достаточности мероприятий, осуществленных для обработки осадка в грунтоподобный материал.

Таблица 1

Диапазоны значений отдельных параметров осадков буровых сточных вод

|Группа1 Входной папамето Выходной пипаметп

Наименование Обозначение Ед. изм. Значения Наименование Обозначение Ед. изм. Значения

5 а X о к э 6 Б О Влажность начальная % (78-95) ± 3 Влажность конечная \¥ % (55-65)±3

Удельное сопротивление фильтрации г •ю-10, см/г До 10' Удельное сопротивление фильтр ации г •ю-10, см/г До 105

Гранулометрический состав ¿4 мм 0,001-5,0 Не определяется

| Геомеханическая Исходный модуль деформации Е„=х МПа 0 Конечный модуль деформации Е„„ МПа >0,9

Число пластичности Мрос Д. ед. 0 Число пластичности Мр 1 гпм д. ед. >5

Показатель консистенции вос Д. ед. 0 Показатель консистенции в П1М д. ед. 0,7-1,6

Плотность Єà т/м3 1,01-1,2 Плотность р ггпм т/м3 >1,5

|Группа| Входной напамстп Выходной папам сто

Наименование Обозначение Ед. изм. Значения Наименование Обозначение Ед. изм. Значения

| Токсикологическая Содержание нефтепродуктов начальное % мае. до 15,0 Содержание Нефтепродуктов конечное Сн/пр„=х % мае. < 1,0

Солесодержа-ние исходное 8 исх мг/л >1000 Солесо- держание конечное мг/л <1000

МЭД радионуклидов эфф Бк/кг <275,0 МЭД радионуклидов Аэфф Бк/кг <275,0

Содержание тяжелых металлов гс Усл. ед. <16 Содержание тяжелых металлов гс Усл. ед. < 16

Фильтрационная группа показателей является наиболее важной применительно к контейнерной обработке ОБСВ. В качестве показателей исходного состояния осадков данной группы предложена исходная влажность осадков (IV), эквивалентный диаметр частиц твердой фазы (выбуренной породы) 5 и удельное сопротивление фильтрации (г).

Токсикологическая группа показателей определяется эффектом очистки фильтрата от взвешенных веществ и нефтепродуктов в процессе контейнерной обработки.

Геомеханическая группа показателей предусмотрена для характеристики обработанного осадка как грунтоподобного материала, пригодного для использования. Данная группа используется на стадии выгрузки обработки осадка из контейнера.

Качество фильтрата, образующегося в процессе обработки осадка, контролировалось с использованием существующих нормативных значений загрязняющих веществ в сточных водах, закачиваемых в пласт (ОСТ 39-225-88) и сбрасываемых в поверхностные водные источники (СанПиН 2.1.5.980-00) (табл. 2).

Таблица 2

Параметры качества фильтрата

Наименование показателя, ед. изм. ОСТ 39-225-88 СанПиН 2.1.5.980-00

РН 4,5-8,5 6,5 - 8,5

Размер частиц взвешенных веществ, мкм < 10,0 не норм.

Взвешенные вещества, мг/л <3,0* Увеличение не более, чем на 0.75

Нефтепродукты общ, мг/л <5,0* 0,3

БГОС5, мг 02/л <0,5 4,0

Железо, мг/л <0,5 0,3

Коррозионная активность, мм/год <0,1 не норм.

*дяя наиболее неблагоприятных условий закачки в пласт

Оценка осадков буровых сточных вод на основе групповой дифференциации параметров состояния основных компонентов позволяет обосновать целесообразность применения фильтрующих оболочек и контролировать его обработку на всех технологических этапах, вплоть до окончательной готовности осадка (кека) к использованию.

Система исследования осадков буровых сточных вод для оценки возможности использования фильтрующих оболочек в качестве основного метода обезвоживания и упрочнения включает следующие этапы (рис. 1):

- этап 1: Предварительная оценка возможности контейнерной обработки и утилизации осадка по составу компонентов;

- этап 2: Выбор технологической схемы обезвоживания осадка в зависимости от его фильтрационных свойств;

- этап 3: Контроль обезвоживания осадка в фильтрующем контейнере по параметрам показателей фильтрационной группы;

- этап 4: Контроль упрочнения осадка в контейнере по параметрам показателей геомеханической группы;

- этап 5: Выбор направления использования или утилизации обработанного осадка.

Изменение свойств осадка в фильтрующем контейнере происходит за счет процессов обезвоживания и упрочнения. Обезвоживание сопровождается последовательным удалением свободной и связанной (порово-капил-лярной) влаги. Фильтрация в контейнере происходит через одностороннюю мембрану и слой сухого вещества осадка, постепенно наращиваемый на ее внутренней поверхности (рис. 2).

Упрочнение материала достигается агломерацией частиц в процессе слеживания обезвоживаемого осадка и появления структурно-пластифика-ционных связей в твердой фазе.

Рассмотрены теоретические закономерности поведения осадков буровых сточных вод в замкнутой оболочке односторонней проводимости. В общем виде контейнерная обработка включает два сопряженных процесса: обезвоживание осадка и упрочнение кека.

Изменение свойств осадка происходит за счет обезвоживания и упрочнения. Обезвоживание сопровождается последовательным удалением свободной и связанной (порово-капиллярной) влаги. Упрочнение материала достигается агломерацией частиц в процессе слеживания обезвоживаемого осадка и появления структурно-пластификационных связей в твердой фазе.

Обезвоживание в контейнере происходит через одностороннюю мембрану и слой уплотненного осадка, постепенно наращиваемый на ее внутренней поверхности.

Обезвоживание, в основном, происходит в двух режимах: интенсивного и медленного фильтратовыделения.

Режим медленного фильтратовыделения осадков обусловлен образованием на внутренней поверхности оболочки уплотненного слоя осадка. Фильтрат проходит через данный слой и через микропоры полотна контейнерной оболочки.

Все многообразие сложных процессов, происходящих в контейнере, обусловлено действием двух сил: силы гидростатического давления слоя осадка и капиллярной силы всасывания жидкости в межпоровое пространство.

Величина силы капиллярного всасывания, действующая на жидкую фазу, может считаться постоянной, т. к. ширина и длина фильтрующего полотна постоянна. Величина силы гидродинамического давления будет изменяться с изменением толщины слоя и влажности осадка на фильтрующем полотне.

Основные кймиоиешы 01>СН Вы{лр*ин ЛИ 1 | Ограйотишшк буровой I оркцнцпрп !» ] [...................рис 1 ¡10]) ...............

X

чх. мс га,т;>.*а 11 рмы

юл

: & 3 I § 2

13 Ы

: 2. * С.

I"

: ю «<

Во.^оатшдя снпс&биосгь осадка

] гранулеме грн> юс кик с<х-$ зв | | п || с»ч гро-; |

Контроль процесс;!» кшпотере

Г,

Фкльфлгикшные аарйкТеристкм

^ффсктизиость. аСкътжцяишя X.

Х«рякусрис1"нка кека ||

«» а

1 Чч>м<г чакичсская

Токст'шогичесхая /ругаш_

ашс^У-Ниг «гфлл^и.'лччг.он

! 5! пси I» н^ас'гпт^гн!

= I'

ЦКыЙар озирауш4»«« уш;|»*ацни ксуа

Г V ууу I. ГО 11 од оо » ы й I_мгпррцлл_

Обс'зио>ке?Ш!лШ осл;юж иа

Рисунок 1. Последовательная система обработки осадков буровых сточных вод

<Я

*:.....-•т^т

- упз«яйнхый <-<*д<-*

щ Ш}

V

ЩШШ 111111 ■ужу'-тт-ущ

. ^—^ «««¡к й ф '1 Г

Рисунок 2. Схема обработки осадка в фильтрующей текстильной оболочке

Взаимосвязь между объемами осадка в конечный момент его обработки в контейнере (У) и начальный момент (Г) в зависимости от значений его начальной (1¥н) и конечной (IVк) влажности устанавливается соотношением

т. т_ 100-Жн

"100-Ж'1 ^

(1)

Процесс обработки осадков буровых сточных вод в контейнере характеризуется величиной эффекта относительного снижения влажности - эффекта обезвоживания — Эи:

IV -IV

(2)

"и

Значение конечной влажности осадка с учетом (1) и (2) вычисляли по соотношению

К = К——--100(—--1),[%], (3)

Нн-АН Нн — АН ' 1 1

где Н„ — величина начальной высоты слоя осадка (м);

АН— изменение высоты слоя осадка в процессе обработки (м); (Нн-ЛН) = Нк - величина конечной высоты слоя осадка (м).

Формула (3) показывает, что величина влажности осадка, обработанного в фильтрующей оболочке, является функцией начальной влажности осадка Ж, начальной высоты слоя осадка Н и величины уменьшения высоты слоя осадка в процессе его обработки АН\ \Ук =/(ТГ; Я; АН).

Кинетику процесса обезвоживания было предложено характеризовать скоростью изменения эффекта обезвоживания или скоростью обезвоживания

М%/ч], (4)

ш

где с1Э — изменение эффекта обезвоживания осадка за время Л.

Величина уменьшения высоты слоя осадка в процессе его обработки АН является функцией длительности процесса обработки Т (ч), величины начальной высоты слоя осадка Н (м), определяющего величину гидростатического давления, являющегося движущей силой процесса обезвоживания, и удельного сопротивления фильтрации осадка г (м/кг): АН = /(Т; Я; г).

Удельное сопротивление фильтрации осадка определяли опытным путем и вычисляли по формуле

2АР72

г =--В, [м/кг], (5)

Т]С

где АР — перепад гидростатического давления, при котором происходит

процесс фильтрования (Па);

F — площадь фильтрующей поверхности (м2);

г] — динамический коэффициент вязкости фильтрата (Па-с);

с — концентрация сухого вещества в осадке (кг/м3);

В — параметр, получаемый опытным путем (с/м6).

По результатам экспериментов величина г изменялась от Ю-7 м/кг для стадии I до Ю-1 м/кг для начала стадии III.

В процессе фильтрации происходит изменение величины перепада гидростатического давления АР вследствие уменьшения слоя осадка, а также повышения концентрации сухого вещества в осадке с, что и определяет увеличение значения удельного сопротивления г.

В связи со сложностью процессов, происходящих при обезвоживании осадков буровых сточных вод в фильтрующем контейнере, не представляется возможным построить теоретическую модель, базирующуюся на динамическом подходе, позволяющем корректно описывать все многообразие факторов, влияющих на процессы обезвоживания. Более продуктивным в этом случае является кинетический подход, базирующийся на изучении скорости обезвоживания осадков в отрыве от описания определяющих его процессов.

Кинетика обезвоживания ОБСВ может быть описана эмпирической математической зависимостью, в которой количественные оценки взаимос-

вязей между основными этапами процесса производится путем аппроксимирования полученных экспериментальных данных.

В качестве функции =/(!), описывающей процесс изменения влажности осадка для каждой стадии, использовали степенную зависимость:

в,=Л<\[%/ч], (6)

где А и Л' - эмпирические коэффициенты.

Влажность осадка, обработанного в фильтрующей оболочке в течении определенного периода процесса обезвоживания Т, определялась по формуле:

V ТЖ

ЦТ = ЦТ--»-с "и (7)

100 к '

где \-с~ среднее значение скорости относительного снижения влажности осадка за период времени Т.

В некотором промежутке изменения времени от 0 до Т величина среднего значения скорости обезвоживания находилась из соотношения:

1Т

(8)

1 о

Используя уравнения (7) и (8), вычислялись значения влажности осадка в произвольный момент времени Т.

В третьей главе представлены методика и результаты лабораторных исследований по контейнерной обработке ОБСВ.

В лабораторных исследованиях определялась зависимость эффективной скорости фильтрования ОБСВ от гранулометрического состава выбуренной породы, исходных значений влажности и удельного сопротивления фильтрации.

Объектами исследований являлись осадки нефтяных месторождений Самотлорского (Ханты-Мансийский автономный округ), Семеновского и Булатовского (Самарская обл.). Осадки выбранных месторождений отличает широкий диапазон численных значений критериев, представленных в табл. 3. Анализ состава и свойств исследуемых образцов проводился в аккредитованной лаборатории Научно-аналитического центра промышленной экологии ФГБОУ ВПО СамГТУ с использованием утвержденных методик выполнения измерений.

Лабораторные исследования обработки осадка буровых сточных вод в фильтрующих оболочках проводили на пилотной установке в составе четырех модельных контейнеров объемом по 5,0 л каждый.

Выбор фильтрующего материала проводился на основе результатов экспериментальных исследований гранулометрического состава ОБСВ, вида осадкообразующей породы и открытого диаметра пор фильтрующего материала. Учитывая гранулометрический состав образцов, в качестве фильтрующих оболочек выбраны синтетические материалы с диаметром пор 300,375 и 420 мкм. По результатам опытных наливов определили, наиболее высокой степенью задержания частиц твердой фазы осадка обладает тканый полипропилен с размерами пор 375 микрометров, толщиной оболочки 2 мм и плотностью 535 г/м2.

Принципиальная схема и общий вид пилотной установки представлены на рис. 3.

Объектами исследований выступили осадки буровых сточных вод на основе трех наиболее распространенных типов выбуренных горных пород:

- тип 1 — песчано-гравийные породы Семеновского месторождения (Самарская обл.) с крупностью частиц твердой фазы в.ц от 0,5 до 5,0 мм;

- тип 2 - пылеватые породы Самотлорского месторождения (Ханты-Мансийский автономный округ) - с1ч 0,05-0,5 мм;

- тип 3 - глинистые породы, характеризующиеся преобладанием мелких фракций размером менее 0,05 мм Булатовского месторождения Самарской области.

Исходная влажность (IV„) образцов лежала в диапазоне значений 91-94 %, 87-90 %, 83-86 %, 79-82 % (ПНД Ф 16.2.2:2.3:3.27-02). Высота контейнера после наполнения осадком составляла 0,15 м.

Продолжительность обработки (Г) в лабораторных контейнерах составила 96 ± 2 ч. Процесс обезвоживания контролировался по величине эффекта относительного снижения влажности (Эи, %) и изменению высоты слоя осадка (Я). Математическую обработку полученных экспериментальных данных проводили при помощи пакета прикладных программ 81айз^са.

На рис. 4, 5 в виде графических зависимостей Ш = С(Т), Эж = ДТ), Н = ДТ) представлены результаты контейнерной обработки 3-х типов осадков буровых сточных вод с исходной влажностью образцов 91-94 %.

При обработке полученных результатов было выделено три последовательно сменяемых технологических стадии протекания процесса обработки осадков буровых сточных вод в фильтрующих оболочках (см. рис. 4).

Стадия I (фильтрационная) соответствует стадии интенсивного филь-тратовыделения (рис. 2), характеризуется удалением гравитационной воды. При этом уменьшается объем осадка и снижается его текучесть с отделением гравитационной воды и эффектом снижения влажности до 7-10 %. Влажность осадка на границе перехода стадии свободной фильтрации в стадию стесненной фильтрации составляет 81-85 %.

На стадии II (фильтрационно-пластификационной) связанная капил-лярно-поровая вода удаляется как через мембрану, так и через наращиваемый на ее внутренней поверхности слой кека. Дополнительный эффект снижения влажности осадков буровых сточных вод достигает 25-31 %. На фильтрационно-пластификационной стадии повышается начальное сцепление коагуляционных связей. Осадок начинает приобретать пластические свойства грунтовых материалов. Влажность осадка на границе пере-

Таблица 3

Характеристика исследуемых образцов осадков буровых сточных вод

№ п/п Показатель Ед. изм. Нормативный документ на методику выполнения измерений Значение показателя для ОБСВ

Семеновское месторождение Самотлорское месторождение Булатовское месторождение

1 Гранулометрический состав, содержание СТШ11,а™ рО<"0ч05 мм % по весу ГОСТ 12536-79 Песчано-гравий-ные породы Пылеватьте супеси Глинистые породы

2,5 11,9 58,7

0,05-0,1 мм 4,6 32,7 23,7

0,1-0,50 мм 7,2 44,5 9,6

0,50-1,0 мм 26,7 9,3 4,1

1,0-5,0 мм 37,2 0,0 1,9

> 5,0 мм 21,8 1,6 2,0

2 Влажность % масс. ПНДФ 16.2.2:2.3:3.27-02 88,50-91,50 86,00-89,00 89,00-92,00

3 Взвешенные вещества мг/дм3 ПНДФ 14.1:2:4.254-09 97,5 117,6 82,8

4 Нефть и нефтепродукты мг/дм3 НДФ 14.1:2:4.128-98, изд. 2007г 1,0 0,0 0,45

5 Сухой остаток мг/дм3 ПНДФ 14.1:2:4.261-10 7,0 17,1 5,9

6 АПАВ мг/дм3 ПНДФ 14.1:2:4.158-2000 (20041 ОД 0 0,2

7 Ионы кальция Са2+ мг/дм3 РД 52.24.403-95 2,3 5,7 0

8 Ионы натрия мг/дм3 РД 52.24.391-2008 1,2 0,7 0,0

9 Ионы железа Ре2+' БеЗ+ мг/дм3 ПНДФ 14.1:2.50-96 0,2 2,3 1,6

10 Сульфат-ионы вО4" мг/дм3 ПНДФ 14.1:2.159-2000 1,4 8,3 4,3

11 Гидрокарбонаты НС03" мг/дм3 РД 52.24.493-2006 0,8 1,3 1,9

12 Хлорид-ионы С1" мг/дм3 ПНДФ 14.1:2.159-2000 0,0 11,0 9,5

13 иН - ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97 8,1 6,5 7.2

14 Плотность г/см3 ГОСТ 18995.1-73 1,09 1,11 1,07

15 Удельное сопротивление фильтрации ■10ш см/г Лабораторный практикум по водоотведению и очистке сточных вод 50-150 300-500 700—1000

16 МЭД радионуклидов Бк/кг ГОСТ 26307-84 0,0 97.0 28,3

1 - приемная камера;

2 - емкость приготовления реагента;

3 - блок управления;

4 - мешалка;

5 - уплотнительная камера;

6 - насос;

7 - система распределения;

8 - фильтрующие контейнеры;

9 - сборная емкость фильтрата; 10-воздуходувка.

I - трубопровод подачи исходного осадка;

II - флокулянт;

III - вода (декантат);

IV - уплотненный осадок; V- обезвоженный осадок; VI - фильтрат.

Рисунок 3. Схема и общий вид лабораторной установки контейнерной обработки осадков буровых сточных вод, V - 5,0 л

а б

1 - песчано-гравийные породы, а„ = 0,5 - 5,0 мм; 2 - пылеватые супеси,= 0,05 - 0,5 мм; 3 - глинистые породы, с!ч < 0,05 мм I ст. - фильтрационная стадия (интенсивного фильтратовыделения); II ст. - фильтрационно-пластификационная стадия (медленного фильтратовыделения); III ст. - пластификационно-консолидационная стадия (консолидации осадка)

^ Рисунок 4. Эффективность обезвоживания ОБСВ с = 91-94 % при проведении лабораторных исследований: а - графическая интерпретация полного времени проведения эксперимента; б - укрупненное представление I стадии обезвоживания

1 - песчано-гравийные породы; dq = 0,5 - 5,0 мм; 2 - пылеватые супеси; d4 = 0,05 - 0,5 мм; 3 - глинистые породы, d4 < 0,05 мм

Рисунок 5. Изменение высоты слоя ОБСВ (а) и влажности ОБСВ (б) с Wh = 91-94 % при проведении лабораторных исследований

хода II стадии в пластификацинно-консалидационную стадию фильтрации составляет 62-69 %.

На стадии III (пластификационно-консолидационной) отделение фильтрата практически прекращается. Снижение влажности осадка происходит в основном за счет испарения влаги с поверхности контейнера. Сцепление

коагулянионных связей повышается и, одновременно, появляется сцепление кристаллизационных связей (жесткое сцепление). Обрабатываемые осадки буровых сточных вод начинают приобретать прочностные свойства грунтоподобных материалов.

В табл. 4 представлены значения коэффициентов уравнения (6), полученные после обработки данных лабораторного эксперимента.

Таблица 4

Значения коэффициентов уравнения (6) при Нн - 0,15 м

Вид пород Стадия I Стадия II Стадия III

Песчано-гравийные А1= 11,380 N5= 0 А,,= 12,770 N„ = -0,764 Аш= 22,000 N„,=-0,897

Пылеватые А, = 10,480 N,= 0 Ап= 12,027 N„ = -0,771 \ = 20,688 N,„ = -0,904

Глинистые А, = 8,880 N,= 0 Ап= 10,754 N„ = -0,779 Аш= 18,317 N„,= -0,909

При равных продолжительностях обработки, конечная влажность кека, полученного в контейнере, зависит от исходных параметров образцов. Наиболее благоприятными для контейнерной обработки признаны осадки буровых сточных вод с исходной влажностью более 80 и менее 95 %. В течение 96 часов обработки влажность кека снизилась до 59 -63 ± 2 %. При этом, максимальные значения Э„ составили для песчано-гра-вийных и глинистых пород, соответственно, 35 ± 2 % и 26 ± 2 %.

Обработанный осадок, извлекаемый из фильтрующих оболочек, имеет вид грунтоподобного материала, что объясняется его упрочнением в процессе слеживания.

Обработка осадков буровых сточных вод в фильтрующих оболочках сопровождается выделением фильтрата, качество которого контролировалась по ходу проведения лабораторного эксперимента. В табл. 5 представлены усредненные результаты замеров.

Таблица 5

Качество фильтрата, образующегося при обработке ОБСВ в лабораторных фильтрующих оболочках

Наименование показателя, ед. изм. Результаты замеров

ОБСВ Первичный фильтрат Вторичный фильтрат

рН 6,5-8,1 7,5 7,5

Размер частиц взвешенных веществ, до 5 000,0 до 50,0 до 1,0

Взвешенные вещества, мг/л 20000.0-30000.0 180,0-250,0 5,0-10,0

Нефтепродукты общ, мг/л 1,0 0,1 0,0

БПК5, мг 02/л 135-155 10,0-20,0 до 1,0

Железо, мг/л 2,7 0,1 од

Коррозионная активность, мм/год <0,1 <0,1 <0,1

В четвертой главе представлены результаты промышленных испытаний по обработке осадков буровых сточных вод в фильтрующих оболочках.

Промышленные испытания проводили для подтверждения работоспособности технологии обработки в фильтрующих оболочках с определением достоверности полученных лабораторных результатов в промышленных контейнерах объемом 24 м3, изготовленных фирмой «Адмир-Евразия». Контейнер заполнялся до полной выработки полезного объема и дозагрузке не подвергался.

Продолжительность проведения эксперимента составила 3 месяца в период положительных температур (Т = 2 160 ± 100 ч).

Общий вид полупромышленного фильтрующего контейнера представлен на рис. 6. На рис. 7 представлена стадия интенсивного фильтратовыде-ления.

На рис. 8, 9 (а-б) в виде графических зависимостей Ж = £[Т), Э = Г(Т), Н = Я'Г) представлены результаты контейнерной обработки 3-х типов осадков буровых сточных вод в полупромышленном контейнере, высота которого после заполнения ОБСВ составляла 1,5 м.

Обработка данных, полученных в ходе производственных испытаний, позволяет определить значение коэффициентов уравнения (6) (табл. 6).

| Результаты определения качества фильтрата, образующегося при об-

работке ОБСВ в полупромышленных фильтрующих оболочках, представлены в табл. 7.

Рисунок 8. Изменение влажности ОБСВ при проведении промышленных испытаний

Рисунок 6. Общий вид оборудования, используемого в промышленных испытаниях по обработке осадков буровых сточных вод

Рисунок 7. Стадия интенсивного фильтратовыделения в промышленном мембранном контейнере

1 - песчано-гравийные породы, с] - 0,5 - 5,0 мм;

2 - пылеватые супеси,^ = 0,05-0,5 мм;

3 - глинистые породы, Зч < 0,05 мм

б

1 - песчано-гравийные породы, с] - 0,5 - 5,0 мм; 2 - пылеватые супеси, (11( = 0,05 - 0,5 мм; 3 - тинистые породы, с1ч < 0,05 мм I ст. - фильтрационная стадия (интенсивного фильтратовыделения); II ст. - фильтрационно-пластификационная стадия (медленного фильтратовыделения); III ст. - пластификанионно-консолидадионная стадия (консолидации осадка)

Рисунок 9. Эффективность обезвоживания (а) и изменение высоты слоя (б) ОБСВ при проведении промышленных испытаний

Таблица 6

Значения коэффициентов уравнения (6) при Нн = 1,5 м

Вид пород Стадия I Стадия II Стадия III

Песчано-гравийные А,= 0,430 N=0 А,,= 5,305 N„=-0,747 9,425 N„,= -0,826

Пылеватые А,= 0,430 N=0 Ап= 5,223 N, = -0,749 Аш= 9,370 N„,= -0,830

Глинистые А,= 0,352 N,= 0 Ап= 4,757 N, = -0,761 Аш= 8,395 Ыш=-0,833

Таблица 7

Качество фильтрата, образующегося при обработке ОБСВ в полупромышленных фильтрующих оболочках

Наименование показателя, ед. изм. Результаты замеров

ОБСВ Первичный фильтрат Вторичный фильтрат

рН 6,5-8,1 7,5 7,5

Размер частиц взвешенных веществ, мкм до 5 000,0 до 25,0 до 1,0

Взвешенные вещества, мг/л 20 000,0-30000,0 60,0 - 70,0 1,0-5,0

Нефтепродукты общ., мг/л 1,0 0,0 0,0

БПК5, мг 02/л 135- 155 10,0-20,0 до 1,0

Железо, мг/л 2,9 0,1 0,0

Коррозионная активность, мм/год <0,1 <0,1 <0,1

Основные результаты, полученные при обработке осадков буровых сточных вод в лабораторном и промышленном экспериментах, представлены в табл. 8.

Таблица 8

Основные результаты, полученные при обработке осадков буровых сточных вод в лабораторном и промышленном экспериментах

Сравнительные показатели Осадок на основе песчано-гравийных пород, d„ „ = 0,5 - 5,0 мм Осадок на основе пылеватых супесей, d =0,05-0,5 мм Осадок на основе глинистых пород, d < 0,05 мм

Лабораторный эксперимент Производственный эксперимент Лаборато-рый эксперимент Производственный эксперимент Лабораторный эксперимент Производственный эксперимент

V ,л загрузки* 5 24000 5 24000 5 24000

м 0,15 1,5 0,15 1,5 0,15 1,5

hmm,m 0,028 0,27 0,031 0.29 0,034 0,36

^ обработки' сут" 4 87 4 87 4 87

W , % исх.сред.' 91,5 92,2 93,11 92,84 92,5 91,7

W , % кпнсч.сред.' 53,3 59,1 63,24 60,76 66,8 65,2

В пятой главе разработаны конструктивно-технологические решения по созданию комплексной системы обработки осадков буровых сточных вод, а также проведена технико-экономическая оценка предлагаемой технологии.

Технологическая схема разработанной системы обработки ОБСВ представлена на рис. 10.

1 — Зона подготовки ОБСВ; II - Зона контейнерного обезвоживания; III - Зона штабельной досушки; IV- Зона хранения и отгрузки рекультивационного материала; V - Зона обработки и утилизации фильтрата

1 - участок временного размещения ОБСВ, 2 - реагентное хозяйство; 3 - насос; 4.1- контейнер в стадии интенсивного фильтратовыделения; 4.2 - контейнер в стадии пассивного фильтратовыделения; 4.3 - контейнер в стадии консолидации; 4.4 - контейнер в процессе выгрузки обезвоженного осадка (кека), 5 - спещехника; 6 - штабели компаундирования; 7 - открытый склад структурообразующих добавок

Рисунок 10. Технологическая схема обработки с ОБСВ в условиях реконструируемого шламового амбара

В составе комплекса обработки осадков буровых сточных вод предусмотрены функциональные зоны уплотнения, контейнерного обезвоживания, приготовления и отгрузки компаундированных рекультивационных материалов, а также временного аварийного размещения осадков.

Технико-экономическая оценка разработанной технологии проводилась путем сравнения материальных затрат на обработку осадков буровых сточных вод центрифугированием и предлагаемым способом обезвоживания в фильтрующих оболочках. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения разработанной технологии на Самотлорском месторождении Ханты-Мансийского автономного округа составляет 18,6 млн руб. в ценах 2013 года.

Основные выводы

1. На основе анализа состава и свойств осадков буровых сточных вод показано, что наиболее рациональным с технико-экономической точки зрения способом их обработки является обезвоживание в фильтрующих контейнерах из макропористых мембран односторонней проводимости, позволяющих объединить в одном узле процессы консолидации осадка и очистки фильтрата.

2. Установлено, что процесс обезвоживания осадков буровых сточных вод с помощью фильтрующих оболочек протекает в три основные стадии: интенсивного фильтратовыделения, медленного фильтратовыделения и консолидации осадка. Стадия интенсивного фильтратовыделения характеризуется максимальными значениями скорости обезвоживния vw c (в диапазонах 6-12 %/ч для лабораторного эксперимента) и линейным видом зависимости эффекта снижения влажности Э№ от времени; наступление стадии медленного фильтратовыделения отличается резким снижением (в диапазонах 1-5 %/ч для лабораторного эксперимента), а зависимость эффекта снижения влажности Эw от времени приобретает степенной вид; на стадии консолидации осадка процесс фильтратовыделения прекращается, значения »„.с и Эк стабилизируются по времени.

3. Определены продолжительности протекания каждой стадии обезвоживания, а также значения характерных параметров процесса обезвоживании осадков буровых сточных вод из песчано-гравийных пород, пылеватых суспензий и глинистых пород в лабораторных и промышленных условиях, позволяющие выбрать наиболее рациональные решения при проектировании контейнерных площадок.

4. Экспериментально определено, что скорость обезвоживания ОБСВ в фильтрующих контейнерах зависит от гранулометрического состава твердой фазы осадка. При одной и той же начальной влажности равной 92,0 % за время Т = 96 ч осадок на основе песчано-гравийных пород (с1ч = 0,5 н- 5,0 мм) достигает влажности 59,2%; осадок на основе пылеватых супесей (с! = 0,05 -г- 0,5 мм) имеет влажность 63,1 %; осадок на основе глинистых (сГ < 0,05 мм) достигает влажности 66,8 %. Полученные результаты могут быть использованы для расчета продолжительности дополнительной досушки осадков в целях получения грунтоподобных материалов.

5. Получены математические зависимости для определения скоростей относительного изменения влажности осадков буровых сточных вод в фильтрующих оболочках для трех выделенных стадий в лабораторных и промышленных условиях. Установленные зависимости могут быть ис-

пользованы на стадии проектирования площадок обезвоживания осадка для определения их производительности.

6. Качество фильтрата, выделившегося при обработке ОБСВ в фильтрующих оболочках в лабораторных и промышленных испытаниях, соответствует нормативным требованиям, предъявляемым к сточным водам, закачиваемым в пласт: взвешенные вещества не более 3,0 мг/л; нефтепродукты не более 5,0 мг/л; ионы железа не более 0,5 мг/л.

7. Предложена новая технология обработки осадков буровых сточных вод, рекомендованная к использованию в условиях отдаленных нефтяных месторождений для осадков буровых сточных вод различного состава и свойств. Внедрение новой технологии обработки осадков буровых сточных вод с использованием мембран односторонней проводимости позволило на Самотлорском месторождении Ханты-Мансийского автономного округа при минимальных капитальных затратах снизить исходный объема осадка в 8 раз, получить грунтоподобный материал влажностью 55-57 % и фильтрат, пригодный для нагнетания в подземные горизонты для под держания пластового давления.

Расчетный экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии на Самотлорском месторождении составляет более 18 млн руб в ценах 2013 года.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Уварова (Сафонова), Н. А. Консервация накопителей опасных отходов с использованием геосинтетических материалов [Текст] / Н. А. Уварова, К. Л. Чертес, Е. П. Истомина // Материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 года «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре». - Самара, 2010. - С. 517-518.

2. Уварова (Сафонова) Н. А. Комплексная технология обработки и утилизации шламов водоподготовки [Текст] / Н. А. Уварова, А. А. Савельев, К. Л. Чертес // Материалы докладов конкурса программы У.М.Н.И.К. Всероссийская (инновационная) молодежная научная конференция «Металлургия и новые материалы», 23-24 ноября 2010 года. - Самара, 2010. -С. 161—165.

3. Уварова (Сафонова), Н. А. Обработка и утилизация шламов водоподготовки [Текст] / К. Л. Чертес, О. В. Тупицына, Н. Г. Гладышев, Н. А. Уварова, С. Е. Никифоров, А. А. Ярыгина, Д. Е. Быков // Экология и промышленность России. - 2011. - № 3. - С. 26-29.

4. Сафонова, Н. А. Комплексная система защиты геосреды от негативного воздействия шламовых отходов нефтегазовой отрасли [Текст] / Н. А. Сафонова, К. Л. Чертес // Современные технологии и результаты геологических исследований в изучении и освоении недр Земли: научные труды лауреатов Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области наук о Земле в рамках Всероссийского Фестиваля науки. Томский политехнический университет. - Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - С. 474-478.

5. Уварова (Сафонова), Н. А. Классификация буровых шламов как сырья для производства грунтоподобных рекультивационных материалов [Текст] / Н. А. Уварова, К. Л. Чертес // Сборник трудов III Международного экологического конгресса (V Международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышлен-

но-транспортных комплексов». Т. 7. Научный симпозиум «Проблемы и инновационные решения в области инженерного обеспечения экологической и промышленной безопасности». - Тольятти-Самара, 2011. - С. 111-116.

6. Сафонова, Н. А. Утилизация осадков водоподготовки в грунтопо-добные рекультивационные материалы [Текст] / Н. А. Сафонова, К. Л. Чер-тес // Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 года «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре». - Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2012. - Ч. II. - С. 234-237.

7. Чертес, К. Л. Обработка осадков сточных вод нефтяного комплекса [Текст] / К. Л. Чертес, Д. В. Зеленцов, Н. А. Сафонова [и др.] // Научно-технический журнал «Региональная архитектура и строительство». - Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, 2012. -№ 2 (13). - С. 159-166.

8. Сафонова, Н. А. Комплексная система обращения с буровыми шламами с использованием контейнерной обработки / Н. А. Сафонова, К. Л. Чертес, О. В. Тупицына [и др.] // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - № 4. - С. 274-284.

9. Сафонова, Н. А. Геоконтейнерная обработка осадков буровых сточных вод [Текст] / Н. А. Сафонова, В. Н. Пыстин, О. В. Тупицына, К. Л. Чертес // Материалы 70-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика». По итогам НИР университета за 2012 год». - Самарский государственный архитектурно-строительный университет, 2013. — С. 213—216.

10. Сафонова, Н. А. Комплексная система обработки и утилизации буровых шламов при помощи фильтрующих оболочек [Текст] / Н. А. Сафонова, О. В. Тупицына [и др.] // Экология и промышленность России. -2013.-№7.-С. 11-17.

♦Примечание. Жирным шрифтом выделены работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Обработка осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек

Сафонова Наталия Александровна

05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»

Автореферат

Подписано к печати 22.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Усл. печ. л. 1,45. Тираж 130 экз. Заказ 502.

ООО «Издательство Ас Гард» 443023, г. Самара, ул. Промышленности, 278 Тел./факс (846) 246-97-01, e-mail: knigaasgard@yandex.ru www.asgard-samara.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201455172

САФОНОВА НАТАЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ОБРАБОТКА ОСАДКОВ БУРОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИЛЬТРУЮЩИХ ТЕКСТИЛЬНЫХ

ОБОЛОЧЕК

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны

водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук О.В.Тупицына

Пенза - 2013

Оглавление

Введение 4

Глава 1 Существующие методы обработки и утилизации

осадков буровых сточных вод................................. 10

1.1 Генезис образования осадков буровых сточных вод .... 10

1.2 Анализ методов обработки и утилизации осадков буровых сточных вод.......................................... 14

1.2.1 Естественные методы обработки........................... 16

1.2.2 Принудительные методы обработки...................... 18

1.2.3 Метод с использованием фильтрующих текстильных оболочек.......................................................... 23

1.3 Существующие направления утилизации осадков

буровых сточных вод........................................... 27

Выводы по главе 1 ................................................ 31

Глава 2 Теоретические основы обработки осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек....................................... 33

2.1 Группы показателей состояния осадков буровых сточных вод....................................................... 32

2.2 Теоретические закономерности поведения осадка буровых сточных вод в замкнутой оболочке односторонней проводимости................................. 38

2.2.1 Процессы, протекающие внутри замкнутой фильтрующей оболочки....................................... 39

2.2.2 Кинетика процесса обезвоживания в замкнутых фильтрующих оболочках..................................... 42

Выводы по главе 2............................................... 49

Глава 3 Лабораторные исследования по обработке и утилизации осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек...................... 50

3.1 Объекты и методы исследований............................. 50

3.2 Результаты исследований обработки осадки буровых сточных вод в модельных фильтрующих оболочках.... 58 Выводы по главе 3............................................... 68

Глава 4 Промышленные испытания по обработке осадков буровых сточных вод с использованием фильтрующих текстильных оболочек.......................................... 69

4.1 Результаты исследований обработки осадков буровых сточных вод в промышленных контейнерах............... 69

4.2 Оценка достоверности полученных данных................ 75

Выводы по главе 4................................................ 78

Глава 5 Технология обработки осадков буровых сточных вод 79

5.1 Технологическая схема комплекса обработки и

утилизации осадков буровых сточных вод................ 79

5.2 Направления использования обработанного осадка и отработанных фильтрующих оболочек....................... 85

5.3 Технико-экономическая оценка технологии по

укрупненным стоимостным показателям..................... 89

Выводы по главе 5................................................ 95

Общие выводы........................................................................ 96

Список сокращений................................................................. 98

Библиографический список....................................................... 89

Приложения.......................................................................... 119

Приложение А Результаты лабораторных исследований и

промышленных испытаний......................................................... 120

Приложение Б Расчет экономической эффективности

разработанной технологии....................................................... 130

Приложение В Акт внедрения результатов научно-

исследовательских разработок в ООО «Адмир Евразия»............... 132

Приложение Г Акт внедрения результатов научно-

исследовательских разработок в ООО «НЛП «Мелиорация»............. 133

Приложение Д Акт внедрения результатов научно-

исследовательских разработок на ОАО «КНПЗ».......................... 134

Приложение Е Акт внедрения результатов научно-исследовательских разработок в ФГБОУ ВПО СамГТУ................... 135

ВВЕДЕНИЕ

Осадки буровых сточных вод (ОБСВ) образуются при регенерации отработанных промывных растворов, тампонаже затрубного пространства скважин, их ремонте, а также отстаивании сточных вод в накопителях на нефтедобывающих месторождениях. ОБСВ представляют собой частицы выбуренной горной породы, взвешенные в объеме отработанного бурового раствора. Их исходная влажность колеблется в широком диапазоне от 78 до 98,0 % [15, 16]. В связи с этим основной технологической операцией по обработке осадков выступает обезвоживание.

В условиях удаленных месторождений нефтегазового комплекса строительство сооружений механического обезвоживания осадков является высокозатратным мероприятием. В настоящее время наиболее распространенным методом обработки осадков является их размещение в земляных выемках - шламовых амбарах, являющихся аналогом иловых площадок на естественном основании [1-6, 15-16, 44, 143, 158, 168, 171]. Их существование приводит к отторжению значительных земельных территорий и загрязнению подземных вод.

Кроме обезвоживания, осадки должны подвергаться дополнительной обработке: кондиционированию, стабилизации, упрочнению и др. Создание узлов и оборудования по стабилизации обезвоженных осадков также приводит к дополнительным затратам.

Обезвоживание и стабилизация ОБСВ сопровождаются образованием загрязненного фильтрата и необходимостью создания дополнительных мощностей по его очистке перед сбросом в окружающую среду [147].

Таким образом, необходимость создания малозатратных сооружений обработки ОБСВ, совмещающих в одном технологическом узле обезвоживание, упрочнение осадка и очистку фильтрата, является актуальной задачей.

Перспективным направлением является обработка осадков в контейнерах, выполненных в виде оболочек из фильтрующих текстильных материалов, представляющих собой макропористые полимерные мембраны. Фильтрующие текстильные оболочки обеспечивают обработку осадков в одном технологическом узле с их обезвоживанием, упрочнением структуры (фильтрационная консолидация), образованием малозагрязненного фильтрата. Данный метод применяется в основном для обработки осадков станций аэрации, а также осадков водоподготовки [1,3, 164-165, 167]. В отличие от них, ОБСВ обладают рядом особенностей, вызванных неоднородностью состава выбуренной горной породы.

Степень разработанности темы исследования. Вопросы обработки осадков буровых сточных вод рассматривались в работах А. И. Булатова, В. И. Грешишина, Г. Г. Ягафаровой, А. А. Шиманского, В. Б. Барахниной, Ю. И. Быкова, В. В. Кроль и др. Все существующие методы и технологии обработки осадков буровых сточных вод имеют ряд недостатков: сложные и дорогостоящие конструктивные решения, необходимость точного дозирования реагентов, ограниченный диапазон характеристик осадка. Актуальной остается задача разработки доступной унифицированной технологии обработки осадков буровых сточных вод, позволяющей с минимальными затратами перерабатывать осадки буровых сточных вод различной природы.

Целью настоящей работы является разработка и исследование малозатратной технологии обработки осадков буровых сточных вод с применением фильтрующих текстильных оболочек.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определить целесообразность разработки предлагаемого способа обработки ОБСВ на основе анализа состава и свойств осадкообразующих компонентов.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса обезвоживания ОБСВ различной природы и состава при фильтровании через

макропористую текстильную мембрану односторонней проводимости и последовательно наращиваемый намывной слой.

3. Исследовать процесс фильтрационной консолидации ОБСВ при долговременном пребывании в фильтрующем контейнере.

4. Получить математические зависимости, описывающие кинетику процесса обезвоживания ОБСВ в лабораторных и промышленных условиях.

5. Разработать конструктивное оформление технологии обработки ОБСВ с применением фильтрующих оболочек и провести её промышленное испытание.

6. Оценить технико-экономическую эффективность разработанной технологии мембранной обработки ОБСВ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый энергосберегающий способ обработки ОБСВ, заключающийся в последовательном осуществлении процессов обезвоживания и упрочнения осадка в контейнерах из фильтрующих текстильных материалов с выделением малозагрязненного фильтрата и последующей подготовке обезвоженного осадка и фильтрата к утилизации.

2. Теоретически и экспериментально обоснованы закономерности фильтрации ОБСВ через замкнутую макропористую мембрану с наращиваемым слоем уплотняемого осадка в зависимости от исходных параметров обрабатываемого осадка.

3. Определены граничные показатели состояния осадков в процессе пребывания в фильтрующих контейнерах: фильтрационно-пластификационный и пластификационно-консолидационный переходы.

4. Получены функциональные зависимости эффективности обезвоживания ОБСВ от продолжительности их пребывания в фильтрующем контейнере.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработанная контейнерная технология послужила основой для создания новых и модернизации существующих сооружений обработки ОБСВ

с последовательным осуществлением процессов обезвоживания и упрочнения осадков, а также подготовки полученных кека и фильтрата к утилизации в едином технологическом узле.

2. Выявлены закономерности процесса фильтрации через мембрану и уплотненный слой осадка, полученные на их основе расчетные характеристики, а также получены математические зависимости обезвоживания, позволяющие разработать технологический регламент контейнерной обработки ОБСВ для производства грунтоподобных рекультивационных материалов.

3. Предложена новая система оценки, подготовки и утилизации осадков буровых сточных вод, учитывающая генезис физико-механических свойств исходных осадков буровых сточных вод.

4. Разработано конструктивно-технологическое оформление комплекса обработки ОБСВ при помощи фильтрующих оболочек.

Методология и методы исследований. В работе осуществлено обобщение сведений, содержащихся в научно-технической и специальной литературе. Проведены лабораторные исследования и промышленные испытания с применением современных математических методов планирования и обработки экспериментальных данных. Применены общепринятые методики для расчета технико-экономической эффективности разработанной технологии.

Положения, выносимые на защиту:

- способ и технология обработки осадков буровых сточных вод при помощи макропористых мембран с последующей утилизацией обезвоженного осадка;

- результаты экспериментальных исследований процесса фильтрации осадков через пористую эластичную перегородку с постепенно наращиваемой толщиной уплотняемого осадка (кека);

- математические зависимости, описывающие процессы обезвоживания осадков в контейнере;

- закономерности изменения прочностных свойств кека;

- конструктивное оформление комплексов совместной обработки и утилизации осадков буровых сточных вод с выделением функциональных технологических зон.

Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом проведенных экспериментальных исследований состава и свойств ОБСВ и фильтрата, процессов обезвоживания и упрочнения осадка в лабораторных и промышленных условиях с использованием утвержденных методик анализа, высокоточных приборов и оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на VI Международной научно-практической конференции "Нефтегазовые технологии", Самара, 2009; Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 года «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2010; IV Всероссийской (78-й итоговой) студенческой научной конференции «Студенческая наука и медицина XXI века: традиции, инновации и приоритеты» (секция «Коммерциализация результатов научно-технической деятельности»), Самара, 2010; Всероссийской (инновационной) молодежной научной конференции «Металлургия и новые материалы», Самара, 2010; VII Международной научно-практической конференции "Нефтегазовые технологии", Туапсе, 2010; 69-ой Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2012; III Международном экологическом конгрессе (V Международной научно-технической конференции) «Проблемы и инновационные решения в области инженерного обеспечения экологической и промышленной безопасности», Тольятти, 2011; 70-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика», Самара, 2013.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю -кандидату технических наук, доценту Ольге Владимировне Тупицыной и

доктору технических наук, профессору Константину Львовичу Чертесу за ценные рекомендации и оказанную помощь при проведении исследований и подготовке рукописи диссертации, а также благодарность доктору физико-математических наук, профессору Александру Моисеевичу Штеренбергу, доктору технических наук, профессору Дмитрию Евгеньевичу Быкову, кандидату технических наук, профессору Николаю Григорьевичу Гладышеву.

ГЛАВА 1 СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ БУРОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД

1.1 Генезис образования осадков буровых сточных вод

Интенсивное развитие нефтяного комплекса сопровождается образованием осадков буровых сточных вод (ОБСВ). Они представляют собой техно-природные конгломераты на основе выбуренных горных пород (природный компонент) и отработанных промывочных жидкостей - буровых растворов (компонент, создаваемый человеком). Дополнительной природной составляющей, формирующей структуру и состав осадков буровых сточных вод, выступают подземные воды [15, 21, 67, 114, 125, 141].

При бурении одной нефтяной скважины глубиной до 2,0 км средним

•э

диаметром 250 мм образуется до 1000,0 м ОБСВ [44, 77, 97]. Суммарный объем ОБСВ, продуцируемых месторождением со средним дебитом 18,0 т/сут нефти-сырца, составляет 15,0 -25,0 тыс.м /год [9, 146].

Образование загрязненных буровых стоков началось с 1833 г. и сопряжено с первыми наблюдениями французского инженера Фловиля [17]. Фловиль изобрел аппарат закачки воды под буровую штангу с последующим выносом смеси породы и воды на поверхность через зазор между штангой и скважиной. Данный принцип используется в технологиях бурения до настоящего времени [17, 112]. ОБСВ появились в первой половине XX века в связи с использованием водных технологий в процессах бурения и обустройства месторождений.

Увеличение объемов добычи, возрастающие глубины скважин и, как следствие, повышенные механические усилия при проникновении рабочего органа в геосреду привели к появлению технических водопроводов на месторождениях. Pix основным назначением являлось снабжение

месторождений водой для приготовления буровых растворов, охлаждения рабочих органов бурильных установок, тампонаж и кольматаж затрубного пространства [17, 108, 139].

Источником дополнительного обводнения буровых стоков являются подземные воды, поступающие в проходку. Именно гидрогеологическая составляющая способствует явлению так называемого отрицательного водного баланса месторождений, когда расход водоотведения от скважины превышает расход водопотребления.

В 20-е гг. XX в. возникла необходимость комплексного обустройства процесса бурения, включающего смазку и охлаждение бурового органа, антифильтрационную защиту выработки, а также повышение реологических свойств горной массы при ее извлечении на дневную поверхность. Для этих целей были разработаны буровые растворы (или промывочные жидкости). Первый раствор на основе воды и глинистого сырья был использован на шахтах Подмосковного бассейна в 30-х гг. XX века (труды Н. М. Герсеванова; патенты Кроссу и Харту). В этот же период нашли применение каустическая сода и алюминат натрия [74, 112].

С появлением буровых растворов меняется состав горной массы, извлекаемой со значительных глубин. Выбуренные породы метаморфической и даже магматической природы стали содержать токсиканты широкого диапазона видов и концентраций по сравнению с осадочными породами зоны аэрации. Кроме того, применение буровых растворов способствовало дополнительному повышению влажности осадков буровых сточных вод.

Основные этапы развития технологий бурения [17, 28, 70] и соответствующих трансформаций состава и свойств осадков буровых сточных вод представлены в табл. 1.1.

Основная концепция настоящей работы - создание комплексной технологии обработки и утилизации осадков буровых сточных вод со снижением воздействия на компоненты геосреды. В связи с этим интерес представляет анализ