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

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.

7. Основы экологизации и оптимизации качества буровых промывочных и тампонажных растворов

7.1. Экологические свойства буровых растворов

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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;

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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, кишечно-полостные (гидры), круглые черви (коловратки), кольчатые черви (пиявки), моллюски, членистоногие (дафнии, креветки), червеобразные или щупальцевые (мшанки), хордовые (рыбы) и др.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

характеристик тест-объекта 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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

распространенных и легко культивируемых тест-объектов, которые, в свою очередь, должны иметь достаточно высокую чувствительность к широкому спектру загрязнителей;

обеспечивать возможность четкой регистрации реакций тест-объектов на воздействие токсикантов;

отличаться простотой и экспрессностью;

обеспечивать высокую точность, воспроизводимость и достоверность результатов.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

трудоемкость;
большие затраты времени (96 часов) на получение результата.

Преодолеть эти недостатки можно лишь при инструментальной оценке воздействия токсикантов на биологический объект испытаний.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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, % .

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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 %.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

может быть определен по формуле
m k
Vпн = 0,785 [Σ Dнi2 Lнi − Σ Dкj2 Lкj], (15.4)
i=1 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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

формуле
n
У = Пуд {[Σ 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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик

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.

Лекция № 15

Курс лекций по дисциплине «Буровые технологические жидкости».
Автор: профессор кафедры бурения скважин П.С. Чубик