Научно-методические основы оптимизации качества буровых промывочных жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.15.14, доктор технических наук Чубик, Петр Савельевич

• Чубик, Петр Савельевич
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Чубик, Петр Савельевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ШЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ И ОШИМИЗ/ШЦИ КАЧЕСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖВДЮС1ЕЙ

1.1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ КВАЛИМЕТРИИ

1.1.1. Общие понятия о квалиметрии.

1.1.2. Свойства продукции как объекта квалиметрии

1.1.3. Актуальность количественной оценки и повышения качества продукции.

1.1.4. Взаимосвязь квалиметрии с метрологией, стандартизацией и сертификацией.

1.1.5. Классификация продукции с позиций квалиметрии

1.1.6. Виды показателей качества продукции.

1.1.7. Методы оценки качества продукции.

1.2. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА

1.2.1. Актуальность и основные проблемы оптимизации качества продукции.

1.2.2. Сущность системы управления качеством.

1.2.3. Характеристика промывочной жидкости как объекта управления.

1.2.4. Основные проблемы квалиметрии и оптимизации качества промывочных жидкостей.

1.2.5. Цель и задачи исследований.

Глава 2. ИООВДЖШИЕ И РАЗРАГОЖ4 МЕТОДИК ОЦЕНКИ ВАЖНЕЙШИХ ФУНКЦИОНАЛЬНА СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖВДЮСТЕЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2.1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

2.1.1. Состояние и проблемы реометрии промывочных жидкостей

2.1.2. Приборно-методические основы реометрии промывочных жидкостей.

2.1.3. Обоснование комплекса показателей для оценки реологических свойств промывочных жидкостей

2.2. ИНГИБИРУЮЩАЯ, ДИСПЕРГИРУЮЩАЯ И

КОНСОЛИДИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ.

2.2.1. Основные понятия об ингибирующей способности промывочных жидкостей.

2.2.2. Показатели и методики оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей.

2.2.3. Диспергирующая способность промывочных жидкостей

2.2.4. Консолидирующая способность промывочных жидкостей

2.3. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

2.3.1. Роль триботехнических свойств промывочных жидкостей в повышении эффективности буровых работ.

2.3.2. Способы измерения коэффициента триады трения «бурильные трубы - промывочная жидкость - стенка ствола скважины»

2.4. ЗАКУПОРИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ.

2.4.1. Потенциальные возможности изоляции каналов поглощения промывочных жидкостей вводом в них закупоривающих материалов

2.4.2. Анализ методов испытаний закупоривающих материалов

Выводы по главе 2.

Глава 3. ШЖМШ1ИРОВДНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ ПЖЛЗАТЕЖЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ШдаХЛЕЙ: СУЩЕСГОУЮЩНЕ И НОВЫЕ ПОДХОДЫ И РЕШЕНИЯ

3.1. ПЛОТНОСТЬ.

3.2. УСЛОВНАЯ ВЯЗКОСТЬ.

3.3. ФИЛЬТРАЦИОННО - КОРКООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА 183 3.3.1. Общая характеристика процесса фильтрации промывочных жидкостей в околоствольное пространство скважин и образования на их стенках фильтрационной корки.

3.3.2. Измерение проницаемости фильтрационной корки

3.3.3. Регламентирование значений показателя фильтрации

3.4. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

3.5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА НАУЧНО - МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭКШООШЦЩИ ПРОМЫВОЧНЬ1Х ЖВДСОС1ЕЙ.

4.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПУТИ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ " ЖИДКОСТЕЙ

4.1.1. Актуальность экологизации промывочных жидкостей

4.1.2. Анализ путей экологизации промывочных жидкостей

4.2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В БУРЕНИИ

4.2.1. Краткий обзор биотестов с позиций их пригодности для оценки экотоксичности промывочных жидкостей.

4.2.2. Сущность инструментальной методики токсикологического биотестирования промывочных жидкостей и их компонентов

4.3. ОСНОВЫ ЭКОТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН

4.3.1. Критерий оценки уровня экотехнологии промывки скважин

4.3.2. Алгоритм расчета объемов основных отходов бурения

Выводы по главе 4.

Глава 5. РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ПГОЖШРОВДНИЯ И ОТШМШАЦИИ СОСТАВОВ ПРОМЫВОЧНЫХ

ЖВДГОС1ЕЙ.

5.1. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

5.1.1. Общие понятия о технической характеристике промывочной жидкости

5.1.2. Планирование экспериментов по методу комбинационных квадратов.

5.1.3. Обработка результатов экспериментов с получением нелинейных моделей

5.1.4. Обработка результатов экспериментов с получением линейных моделей . 2^

5.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

5.2.1. Методика обобщенной оценки качества промывочных жидкостей.

5.2.2. Алгоритм поиска оптимальных составов промывочных жидкостей во всей исследованной при проектировании области факторного пространства.

5.2.3. Возможности и перспективы автоматизированного выбора оптимальных составов промывочных жидкостей.

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-методические основы оптимизации качества буровых промывочных жидкостей»

Актуальность проблемы. Скважины являются самым надежным источником информации о наличии в недрах полезных ископаемых и их запасах, а также единственно возможным каналом связи между глубокозалегающими га-зонефтеводосодержащими пластами и дневной поверхностью.

Бурение скважин всегда было и сегодня остается чрезвычайно капиталоемким. По этой причине поиск резервов повышения эффективности буровых работ - важнейшая задача, которая в связи с кризисными явлениями в экономике России стала еще более актуальной.

Собственно бурение скважин, как известно, заключается в разрушении горных пород на забое, удалении продуктов разрушения с забоя на поверхность, спуске и подъеме бурового снаряда. ;

Самый распространенный способ удаления продуктов разрушения - гидравлический, который осуществляется путем принудительной циркуляции в скважине жидкости, называемой промывочной. В мировой практике 95 % всего объема буровых работ выполняется с использованием промывочных жидкостей на водной основе. Основными компонентами таких промывочных жидкостей являются вода, глина, химические реагенты и значительно реже - утяжелители и закупоривающие материалы (наполнители).

Однако роль промывочной жидкости не сводится только к удалению из скважины разрушенной породы. Как среда, в которой протекают практически все процессы, связанные с бурением скважин, она во многом определяет степень использования потенциальных возможностей и ресурс работы бурового оборудования и инструмента, механическую скорость бурения, вероятность возникновения различного рода осложнений (нарушений устойчивости горных пород в околоствольном пространстве скважин, поглощений, флюидопроявлений и т.д.); качество вскрытия продуктивных пластов, качество геологической и геофизической информации, затраты всех видов ресурсов и др. Не случайно промывочную жидкость называют «кровью» скважины. И, как показывает накопленный опыт, это образное сравнение вполне справедливо, особенно при бурении в сложных геолого-технических условиях, которые характеризуются наличием в разрезе слабоустойчивых и высокопроницаемых пород, высокими температурами и давлениями, электролитной агрессией, сложной пространственной конфигурацией ствола скважины и т.п. Таким образом, несомненно, что повышение качества промывочных жидкостей действительно является мощным резервом дальнейшего роста эффективности буровых работ.

Осознание необходимости повышения качества промывочных жидкостей наступило не сегодня. Достаточно сказать, что к настоящему времени опубликовано поистине огромное число работ, так или иначе посвященных этой проблеме, наибольший вклад в решение которой внесли Аветисов А.Г., Аветисян Н.Г., Агабальянц Э.Г., Ангелопуло O.K., Баранов B.C., Белкин O.K., Булатов А.И., Войтенко B.C., Гайдуков Ю.И., Глебов В.А., Городнов В.Д., Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г., Дедусенко Г.Я., Демихов В.И., Евецкий В.А., Есьман Б.И., Жигач К.Ф., Жуховицкий С.Ю., Зарипов С.З., Иванников В.И., Ивачев Л.М., Кистер Э.Г., Конесев Г.В., Косаревич И.В., Круглицкий H.H., Крысин Н.И., Кудряшов Б.Б., Леонов Е.Г., Липкес М.И., Литяева З.А., Мавлютов М.Р., Маковей Н., Ма-маджанов У.Д., Марамзин A.B., Мариампольский H.A., Мирзаджанзаде А.Х., Михеев В.Л., Паус К.Ф., Пеньков А.И., Проселков Ю.М., Ребиндер П.А., Рез-ниченко И.Н., Ржепка A.B., Роджерс В.Ф., Рябченко В.И., Рязанов Я.А., Сеид-Рза М.К., Сидоров H.A., Фигурак A.A., Филатов Б.С., Шарипов А.У., Шептала Н.Е., Шищенко Р.И., Щеголевский Л.И., Яковлев A.M., Ятров С.Н. и др.

Однако многокомпонентность, многофункциональность, многообразие свойств и геолого-технических условий бурения делают промывочную жидкость весьма сложной системой. Ее сложность обусловлена и другими факторами. В частности, поскольку качество промывочной жидкости на водной основе в значительной мере определяется видом и концентрацией вводимых в нее химических реагентов, ассортимент которых чрезвычайно широк, то промывочная жидкость - это химическая продукция, представляющая потенциальную опасность для окружающей природной среды (ОПС). Отличительной- особенностью промывочной жидкости является и очень короткий «жизненный цикл», в конце которого она, как правило, вся превращается в отходы.

Указанные обстоятельства действительно существенно осложняют решение проблем, связанных с повышением качества промывочных жидкостей. Вместе с тем возможность их успешного решения сдерживается и из-за отсутствия необходимого научно-методического, приборного и программного обеспечения.

Данная работа призвана отчасти ликвидировать все эти пробелы. Так, в ней впервые промывочные жидкости рассмотрены с позиций системного анализа и квалиметрии - науки о количественной оценке качества; предложены новые методы определения не только ряда их функциональных, но и экологических свойств; обобщены подходы к регламентированию значений показателей этих свойств; разработаны оригинальные методики и алгоритмы проектирования и оптимизации составов промывочных жидкостей, в том числе с использованием современных информационных технологий.

Идея работы заключается в интенсификации развития теории и практики квалиметрии, оптимизации качества и экологизации промывочных жидкостей за счет создания современного научно-методического, приборного и программного обеспечения, пригодного для решения как научно - исследовательских, так и производственных задач.

Цель работы - расширение, углубление, систематизация (упорядочивание) представлений о промывочных жидкостях и разработка научно - методических основ оптимизации их качества, обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности буровых работ.

Задачи исследований. В результате анализа современных представлений о квалиметрии и системного анализа промывочных жидкостей как объекта, ква-лиметрии установлено, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически и экспериментально обосновать общую совокупность свойств и показателей, необходимых и достаточных для всесторонней оценки качества промывочных жидкостей с позиций известных и перспективных их функций, расхода ресурсов на их приготовление и эксплуатацию, выполнения ими требований безопасности труда и охраны ОПС;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать принципиально новые и усовершенствовать существующие методы и технические средства измерения показателей важнейших функциональных, а также экологических и других свойств промывочных жидкостей, всесторонне характеризующих их качество;

- изучить, обобщить и обосновать наиболее перспективные пути решения экологических проблем, связанных с использованием промывочных жидкостей;

- исследовать факторы, определяющие объемы основных буровых отходов и интоксикацию промывочных жидкостей в процессе бурения, и на этой основе разработать методику оценки уровня экотехнологии промывки (бурения) скважин;

- разработать общие принципы, критерии и алгоритмы комплексной (обобщенной) оценки и оптимизации качества промывочных жидкостей;

- разработать минимально трудоемкую технологию проектирования промывочных жидкостей и программное обеспечение для автоматизированного выбора их оптимальных составов;

- создать научно-методические основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по оценке и оптимизации качества промывочных жидкостей.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использовани ем комплекса методов, включающего в себя методы эмпирического уровня (сравнение, измерение, метод проб и ошибок), методы экспериментально-теоретического уровня (эксперимент, в том числе активный; анализ и синтез, аналогия и моделирование, гипотетический и логический методы), методы теоретического уровня (абстрагирование, формализация, анализ и синтез, обобщение) и методы метатеоретического уровня (системный анализ).

Обработка экспериментальных данных, а также их статистический и корреляционно-регрессионный анализ осуществлялись с помощью ПЭВМ с использованием пакета стандартных и разработанных автором программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании методологии целенаправленного повышения качества промывочных жидкостей, обеспечивающей возможность сравнивания различных промывочных жидкостей между собой; выбора из них наиболее предпочтительной; объективной оценки достигнутого технического уровня разработки промывочных жидкостей; определения наиболее рациональных путей совершенствования их качества; выявления характера и степени влияния на него различных факторов; сокращения номенклатуры компонентов промывочных жидкостей до некоторого рационального минимума и т.д., в основу которой положено следующее:

- количественная оценка качества промывочных жидкостей как мера соответствия фактических значений показателей их регламентируемых свойств эталонным значениям, задаваемым для конкретных условий бурения исходя из требований эффективного выполнения промывочной жидкостью необходимых функций, рационального расходования ресурсов на ее приготовление и эксплуатацию, безопасности труда, охраны ОПС;

- всесторонняя оценка качества промывочной жидкости на стадии ее проектирования по всей совокупности свойств, определяющих способность промывочной жидкости выполнять требуемые функции, вероятность ее интоксикации в процессе бурения и образования излишних объемов буровых отходов, которая включает в себя реологические и триботехнические свойства, ин-гибирующую, консолидирующую и закупоривающую способность, определяемые с помощью новых и усовершенствованных методов и технических средств;

- комплексная (обобщенная) оценка качества промывочных жидкостей, формируемая как среднее геометрическое единичных оценок качества, рассчитываемых по оригинальной методике, которая обеспечивает однозначность и повышает объективность обобщенной оценки;

- оценка экотоксичности промывочных жидкостей с помощью специально разработанного инструментального биотеста;

- оценка уровня экотехнологии промывки скважин и технологии их бурения в целом по величине отношения суммы ущерба, причиняемого ОПС буровыми отходами, к номинальному плановому объему горной породы, разрушаемой в процессе бурения;

- постоянное совершенствование трудно формализуемой процедуры регламентирования, заключающейся в установлении образцово правильных (желательных) пределов изменения значений показателей свойств промывочной жидкости для конкретных reo лого-технических условий бурения;

- создание и постоянное пополнение компьютерного банке, технических характеристик, представляющих собой получаемую по минимальному числу опытов информацию, характеризующую связь значений показателей свойств промывочных жидкостей различного компонентного состава с концентрацией составляющих их компонентов;

- применение информационных технологий (автоматизированных .систем), обеспечивающих оперативный выбор из компьютерного банка техниче ских характеристик промывочных жидкостей таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требованиям задаваемого регламента на значения показателей свойств.

В работе защищаются следующие научные положения .

1) переход от экстенсивного к интенсивному развитию области знания о промывочных жидкостях базируется на количественной оценке их качества, являющейся мерой соответствия фактических значений показателей свойств промывочных жидкостей эталонным значениям, которые должны устанавливаться для конкретных условий бурения с позиций эффективного выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, обеспечения безопасности обслуживающего персонала и недопустимости вредных воздействий на' окружающую природную среду;

2) при бурении в осложненных условиях эффективность выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, вероятность ее интоксикации и образования излишних объемов буровых отходов в значительной мере определяются реологическими и триботехническими свойствами, а также ингиби-рующей, консолидирующей и закупоривающей способностью, разработанные методики оценки которых пригодны не только для решения задач квалимет-рии, но и для производства новых знаний об этих свойствах, обеспечивая тем самым дальнейшее развитие теории и практики промывочных жидкостей;

3) промывочная жидкость, содержащая химические реагенты и добавки, представляет для ОПС потенциальную опасность, масштабы и степень которой определяются объемом промывочной жидкости, поступающей в ОПС в процессе бурения скважин, объемом образующихся при их промывке отходов, размещаемых в ОПС по окончании буровых работ, а также экотоксичностью промывочной жидкости и указанных отходов, интегральная оценка которой может быть дана лишь путем биотестирования, в частности, с помощью специально разработанного для этой цели биотеста;

4) целенаправленное повышение качества промывочных жидкостей базируется на создании и регулярном пополнении банка их технических характеристик, на постоянном совершенствовании процедуры регламентирования значений показателей свойств и создании автоматизированных систем, обеспечивающих оперативный выбор из банка технических характеристик промывочных жидкостей таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требованиям задаваемого регламента на значения показателей свойств.

Практическая ценность работы заключается в создании приборно - методического комплекса для проектирования промывочных жидкостей применительно к сложным геолого-техническим условиям бурения; инструментальной методики оценки экотоксичности промывочных жидкостей, их компонентов и отходов бурения путем биотестирования; автоматизированного рабочего места (АРМ) «Раствор» для оперативного выбора оптимальных составов промывочных жидкостей по задаваемым пользователями технологически необходимым значениям показателей свойств, а также основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по проектированию, оценке и оптимизации качества промывочных жидкостей в виде опубликованной по результатам исследований монографии «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей».

Реализация результатов исследований:

- опытные образцы разработанных приборов для оценки ингибирующей и консолидирующей способности промывочных жидкостей (ПОИКС, пресс для формирования модельных образцов пород), закупоривающей способности наполнителей (ПНД, ППД) и трибометра изготовлены в экспериментально-опытных мастерских ТПУ; техническая документация на перечисленные приборы передана Ижевскому электромеханическому заводу для проведения маркетинговых исследований; .

- созданный приборно-методический комплекс для проектирования промывочных жидкостей апробирован в процессе разработки компьютерного банка технических характеристик промывочных жидкостей для бурения скважин на объектах работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; первая версия АРМ «Раствор» со сформированным банком данных внедрена в практику работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; выбранные из этого банка оптимальные составы промывочных жидкостей внедрены в Александровской НГРЭ, где за период с 1993 по 1999 г.г. с их использованием пробурено 27 скважин, что обеспечило рост механической скорости бурения с 0,7 до 1,2ч-1,3 м/ч; увеличение проходки на породоразрушающий инструмент с 5,2 до 6,5ч-6,8 м; снижение коэффициента кавернозности ствола с 1,10 до 1,02ч-1,03 (Приложение 1);

- монография «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей» распространена среди вузов стран СНГ, осуществляющих подготовку специалистов по бурению скважин; научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием промывочных жидкостей, а также производственных организаций Министерства природных ресурсов и Минтопэнерго Российской Федерации;

- СТП 5753526-056-94 «Методика оценки показателей реологических свойств буровых растворов» и компьютерная программа «Реология» в 1994 г. внедрены и по настоящее время используются в практике работ ООО «Бурение-1» (Приложение 3);

- разработанный способ определения токсичности химических веществ в водной среде (патент РФ № 2112977) в 1997 г. прошел апробацию в Испытательном научно-производственном центре «Том-Аналитика» при ТПУ и внедрен в практику мониторинга подземных и поверхностных вод, осуществляемого территориальным центром «Томскгеомониторинг» (Приложение 2);

- научные и практические результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Удаление продуктов разрушения при бурении», «Буровые промывочные и тампо-нажные растворы», «Химия промывочных жидкостей» и «Научные методы планирования экспериментов в бурении» для студентов специальностей 080700 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин», подготовке студентами этих специальностей выпускных квалификационных работ, а также для подготовки аспирантов по научным специальностям 05.15.14 «Технология и техника геологоразведочных работ» и 05.15.10 «Бурение скважин».

Исходные материалы и личный вклад соискателя. Диссертация базируется на материалах, полученных в результате НИР, выполненных по хоздоговорам с ПГО «Новосибирскгеология», «Запсибгеология», «Востказгеология», «Томскнефтегазгеология»; трестом «Кузбассуглеразведка», специализированным управлением «Томскбурнефть» ОАО «Томскнефть»; по госбюджетным программам «Прогресс и регион», «Нефтегазовые ресурсы Западной Сибири» и грантам в области геологии, а также на инициативной основе (№№ госрегистрации 76002450, 80060498, 01830018705, 01830069726, 01870007178, 01900066522, 01930005260, 01930010612, 01940005677 и др.). В большей части перечисленных НИР автор выступал в качестве научного руководителя. При выполнении диссертационной работы кроме собственных материалов использованы и заимствованные материалы, опубликованные как в отечественной, так и в зарубежной печати.

Лично соискателю принадлежат практически все реализованные в диссертационной работе научные и технические идеи, им разработаны методики планирования экспериментов и обработаны их результаты, проведены теоретические исследования, обоснованы математические модели, разработаны алгоритмы решения задач и др. Автор лично участвовал в проведении экспериментальных исследований, в лабораторной апробации разработок (методик, приборов, СТП, АРМ), а также в их внедрении в практику работ буровых предприятий и научно - исследовательских организаций.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно - технических конференциях «Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин» (Томск, 1979, 1984, 1989, 1994); отраслевом семинаре «Творчество молодежи - Томской нефти» (Стрежевой, 1986); V краевой молодежной конференции НТО «Горное» (Шушенское, 1987); IV региональной научно-технической конференции «Научные и практические проблемы геологоразведки» (Санкт-Петербург, 1990); Всесоюзной конференции «Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях» (Донецк, 1991); 2, 3 и 4 Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1992, 1995, 1998); научной конференции, посвященной 100 - летию со дня рождения Ф.А.Шамшева (Санкт-Петербург, 1993); Межреспубликанской научной конференции «Проблемы физико-химии и технологии дисперсных систем в бурении» (Екатеринбург, 1994); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1995); научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях» (Донецк, 1996); 3 Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997); III Международной конференции по химии нефти (Томск, 1997); НТС ПГО «Запсибгеология» (Новокузнецк), «Востказгеология» (Усть-Каменогорск), «Томскнефтегазгеология» (Томск), Рудно - Алтайской ГРЭ (Змеиногорск), научных семинарах кафедр техники разведки месторождений полезных ископаемых и бурения нефтяных и газовых скважин ТПУ.

Разработки по теме диссертации экспонировались на выставке-ярмарке «Товары народного потребления, промышленная и научно-техническая продукция» (Томск, 1993); выставке, посвященной 100 - летию ТПУ (Томск, 1996); Первой международной специализированной выставке «Газ. Нефтехимия. Топливная энергетика» (Томск, 1997); выставке-ярмарке «Интеграция-97» (Томск, 1997); выставке-ярмарке научно-технической продукции и учебно - методических разработок, посвященной 50 - летию УГНТУ (Уфа, 1998); выставке «Интеграция науки, образования, производства», посвященной XXXII заседанию Совета Межрегиональной Ассоциации «Сибирское соглашение» (Томск, 1999). Они также включены в сборник научно-технических достижений ученых ТПУ, базу инвестиционно - привлекательных проектов ТПУ и во второй выпуск каталога научно-технических достижений организаций высшей школы России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе монография, 2 брошюры, 2 учебных пособия, 21 статья, тезисы 10 докладов, стандарт предприятия (СТП); получено 1 авторское свидетельство и 5 патентов на изобретения, а также 2 свидетельства на полезные модели.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность всем сотрудникам ТПУ, принимавшим участие в выполнении данной работы, дававшим конструктивные советы, благожелательно критиковавшим автора и оказывавшим ему поддержку в организации и проведении исследований, и персонально - доцентам кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Годунову Е.Б. и Брылину В.И., ассистенту кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Нечаевой Л.Н., доцентам факультета автоматики и вычислительной техники Воловоденко В.А. и Вылегжанину О.Н. - за активную помощь в проведении экспериментальных исследований, конструировании приборов, разработке алгоритмов и компьютерных программ; а также инженерно-техническому персоналу производственных организаций за содействие в апробации разработок и их внедрении в практику бурения.

Автор особо благодарен своему учителю профессору Сулакшину С.С., который не только инициировал его интерес к проблемам повышения качества промывочных жидкостей, но и способствовал выполнению данной работы ценными консультациями, своей энергией и просто человеческой доброжелательностью.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 66 таблиц и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 159 наименований и 3 приложений.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Чубик, Петр Савельевич

Выводы по главе 3

1. Разработка, обоснование и установление прогрессивных требований к значениям показателей различных свойств промывочных жидкостей или, иными словами, их регламентирование - важнейшая задача, которая в силу своей сложности однозначного решения пока не имеет. Однако это обстоятельство целенаправленному повышению качества промывочных жидкостей не препятствует, поскольку предлагаемая автором методология предусматривает возможность оперативного пересмотра предыдущих решений при любой актуализации регламента на значения показателей свойств промывочной жидкости.

2. Для снижения негативного влияния дифференциального давления на эффективность работы породоразрушающего инструмента необходимо стремиться к уменьшению гидродинамического давления, что требует снижения плотности, вязкости и скорости потока промывочной жидкости, а также увеличения зазора между бурильными трубами и стенками скважины, и повышению порового давления на глубине разрушения породы до величины гидродинамического давления, что возможно при мгновенном проникновении фильтрата или самой промывочной жидкости в поры призабойной части разбуриваемого пласта или в трещины отрыва (выкола) породы.

3. Значения условной вязкости промывочных жидкостей определяются их плотностью, пластической вязкостью и статическим напряжением сдвига через 10 мин покоя. Выявленная взаимосвязь показателей, имеющих строгий физический смысл, с таким широко используемым в буровой практике показателем как условная вязкость, обеспечивает возможность обоснованного регламентирования ее значений.

4. Минимизация фильтрационных потерь промывочных жидкостей на водной основе достигается увеличением в них доли прочносвязанной воды, снижением проницаемости образующейся на стенках скважин фильтрационной корки и повышением вязкости фильтрата. При этом какая-либо взаимосвязь между показателями, характеризующими статическую и динамическую фильтрацию промывочных жидкостей, отсутствует. Единственным общим фактором, определяющим скорость как статической, так и динамической фильтрации, является проницаемость фильтрационной корки, которая может быть определена с помощью прибора ВМ-6.

5. Для регламентирования значений показателя статической фильтрации (Фвм-б) целого ряда различных типов промывочных жидкостей рекомендуется использовать полученные во ВНИИКРнефти зависимости между значениями показателя фильтрации при высоких температурах и давлениях (Ф1; р) и значениями показателя фильтрации при температуре равной 20 °С.

6. Предположительно каждой промывочной жидкости соответствует своя оптимальная величина показателя статической фильтрации, отступление от которой в ту или иную сторону чревато увеличением скорости динамической фильтрации со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Подтверждение этой гипотезы обеспечит возможность регламентирования значений показателя статической фильтрации промывочных жидкостей с позиций минимизации скорости их динамической фильтрации - главного показателя фильтрационно - коркообразующих свойств.

7. При известных геометрических размерах измерительного цилиндра и упругих нитей прибора СНС-2 значения их констант с достаточно высокой точностью могут быть найдены расчетным путем без традиционной тарировки с использованием рычажно-шкивной системы.

8. Для предупреждения возможных осложнений при бурении скважин в глинистых и глиносодержащих породах максимальную величину водородного показателя промывочной жидкости следует ограничивать значением 9,2.

9. Значения удельного электрического сопротивления при температуре в скважине (УЭС{) по результатам измерений его на поверхности (УЭС2о) могут быть рассчитаны по формуле УЭС^УЭСУР. + (-202-10^ 12 + 41,9-10"31 -0,788)], где I - температура в скважине, °С.

Глава 4

РАЗРАБОТКА НАУЧШ-ЛЖЮДИЧЕСКИХ ОСНОВ эшгаи&шщ промывочных жвдкюспй

4.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПУТИ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

4.1.1. Актуальность экологизации промывочных жидкостей

Экологизация промывочных жидкостей - это теоретическая и практическая деятельность, направленная на предупреждение или предотвращение их отрицательного воздействия на окружающую природную среду (ОПС). Такое, предлагаемое автором, определение полностью согласуется с определением «экологизация технологий (производства)», данным Реймерсом Н.Ф. в работах [90,91].

Экологизация промывочных жидкостей особо актуальна при массовом бурении достаточно глубоких скважин в районах, которые характеризуются неблагоприятными почвенно-ландшафтными и природно-климатическими условиями с позиций самоочищающей способности ОПС. По определению ЮНЕСКО, ОПС - это та часть мира, с которой человек находится во взаимодействии, которую использует, учитывает в своем взаимодействии и к которой приспосабливается. При этом под самоочищающей способностью ОПС понимают процессы, сопровождающиеся окислением (трансформацией) загрязняющих ее веществ, их разложением или распадом (диссимиляцией), а также нейтрализацией и биологическим превращением в другие, экологически чистые формы.

Массовое бурение достаточно глубоких скважин имеет место, прежде всего, при разработке залежей углеводородного сырья скважинами, сооружаемыми с кустовых площадок, и детальной разведке месторождений полиметаллов, железной руды, угля и ряда других полезных ископаемых. К неблагоприятной же с точки зрения самоочищающей способности природной среды относится большая часть территории Российской Федерации (Западная и Восточная

Сибирь, Полярный Урал, Тимано-Печерский бассейн и др.). Достаточно отметить, что под влиянием только Западно-Сибирского нефтегазового комплекса находится около 10 тыс. водных объектов, среди которых явно преобладают мелкие озера, ручьи, реки, болота. Самоочищающая способность малых водотоков, особенно при низких температурах (5-6 °С), когда процессы биохимического окисления практически прекращаются, а скорость химических реакций резко замедляется, крайне низка, поэтому продолжительность их «самоочистки» от загрязняющих веществ составляет от 3-5 до 10-12 лет.

Основными факторами, обусловливающими актуальность экологизации промывочных жидкостей как в обозначенных выше рамках, так и за их пределами, являются следующие.

1. Промывочная жидкость, как производственная продукция, используемая в процессе получения другой, более важной, продукции, каковой является скважина, имеет весьма непродолжительный «жизненный цикл» (от суток до нескольких месяцев), в конце которого она, как правило, вся превращается в отходы.

Объемы отходов бурения, в которых значительная доля приходится именно на отработанные промывочные жидкости (ОПЖ), огромны [17, 54]. Так, в 1989 г. в СССР при объеме буровых работ на нефть и газ равном 42,784 млн. м суммарный объем отходов бурения составлял 26,526 млн. м , т.е. 0,62 л м /м [18]. Эти данные можно считать вполне объективными, поскольку за рубежом при более совершенной технологии бурения на 1 м проходки получают о

0,52 м буровых отходов [151]. В 1990 г. объемы отходов бурения на предприятиях нефтегазодобывающей промышленности СССР равнялись 26,795 млн. м3, из которых 38,9 % приходилось на буровые сточные воды (БСВ), 32 % - на ОПЖ и 29,1% - на буровой шлам (БШ).

Приведенные цифры позволяют по известному объему буровых работ с достаточно высокой степенью достоверности прогнозировать не только суммарные объемы буровых отходов, но и объемы БСВ, ОПЖ и БШ. Так, например, можно предположить, что в 1997 г. при объеме эксплуатационного и разведочного бурения по Миптопэнерго Российской Федерации равном соответственно 6,998 и 1,007 млн. м, общий объем отходов бурения составлял порядка

•2 О

5 млн. м , из которых около 1,6 млн. м приходилось на ОПЖ.

2. Промывочная жидкость - это химическая продукция, что обусловлено использованием для ее получения широкого ассортимента различных материалов, химических реагентов и добавок. Как уже отмечалось, только в США выпускается свыше 1900 наименований различных компонентов промывочных жидкостей, производством которых занимаются около 100 фирм. Таким образом, попадание промывочной жидкости или ОПЖ, как и любой другой химической продукции, в ОПС потенциально таит в себе опасность проявления негативных последствий.

Реальная же опасность нанесения ущерба ОПС промывочными жидкостями и ОПЖ, связана с совместным действием следующих трех факторов: высокой вероятностью их попадания в различные объекты ОПС, токсичностью содержащихся в них химических веществ и высокой концентрацией последних. Действительно, при полном исключении возможности попадания даже самой высокотоксичной промывочной жидкости или ОПЖ в ОПС нанести ей какой-либо вред невозможно. Точно также обстоит дело и в том случае, если промывочная жидкость или ОПЖ, поступающие сами или принудительно сбрасываемые в ОПС, являются абсолютно нетоксичными по отношению к ней. Сколь ни будь значительной угрозы ОПС не возникает и тогда, когда промывочная жидкость или ее отходы, поступающие в ОПС, содержат в своем составе высокотоксичные вещества, но их концентрация ничтожно мала (следует помнить, что даже самое высокотоксичное вещество при нулевой концентрации абсолютно безопасно, в то время как высокая концентрация малотоксичного вещества может оказаться для ОПС чрезвычайно опасной!).

Рассмотрим более детально влияние каждого из перечисленных выше факторов на вероятность нанесения ущерба ОПС.

Отходы бурения обычно накапливаются и временно хранятся в так называемых шламовых амбарах (ША) или отстойниках, которые сооружаются в минеральном грунте или внутри насыпных (намывных) площадок из грунта. При этом дно и стенки ША какой-либо гидроизоляции чаще всего не имеют, что неизбежно приводит к поступлению отходов бурения в ОПС. Содержимое ША попадает в ОПС и в процессе их рекультивации, которая нередко ограничивается засыпкой ША минеральным грунтом, причем без предварительной откачки из них ОПЖ и БСВ. Вместе с тем фактические затраты даже на такую «рекультивацию» одного ША в конце 1993 г. составляли более 20 млн. рублей.

При несвоевременной рекультивации ША их содержимое попадает в ОПС по причине переполнения, вызванного затоплением ША талыми, ливневыми и паводковыми водами, или разрушения обваловки ША. И таких ША достаточно много. Так, в 1989 г. в СССР было 1585 не ликвидированных ША. На балансе Стрежевского УБР на конец 1990 г. числилось 260 ША, за этот же год было рекультивировано только 13. На Вахском нефтяном месторождении (Нижневартовский район Тюменской обл.) на конец 1993 г. существовало 123 ША, из которых к этому времени было рекультивировано лишь 58.

По расчетам авторов работы [18] из-за несвоевременной ликвидации ША в объекты ОПС ежегодно попадает до 6,5 % их содержимого. Следовательно, исходя из приведенных выше данных, в 1989 г. в ОПС таким образом попало порядка 1,7 млн. м буровых отходов. Из того же источника следует, что с этой долей отходов в ОПС поступает до 10 % от общей массы применяемых для обработки промывочных жидкостей материалов и химических реагентов, что по самым предварительным и явно заниженным расчетам в 1989 г. составило порядка 108 тыс. т. Таким образом, концентрация всех химических веществ в отходах достигала, как минимум, 63 кг/м . Между тем, как показано в работах [30, 97], безвредная для рыб и беспозвоночных концентрация ОПЖ в условиях Каспийского моря составляет не более 12,1 мг/л при содержании механических примесей до 1000 мг/л. В то же время из работы [117] следует, что концентрация ОПЖ в воде, превышающая 7 мг/л, уже на седьмой день приводит к торможению развития икринок рыб, нормальное же их развитие возможно лишь при разведении промывочной жидкости водой в 26 тысяч раз. Что же касается воздействия ОПЖ на почву, то известно, что они снижают ее микробиологическую деятельность в 8 - 29 раз [6].

Приняв 108 тыс. т за 10 %, несложно определить, что общий объем материалов и химических реагентов, использованных в 1989 г. для целей бурения, превышал 1 млн. т. В работе [142] отмечается, что общая потребность в специализированных материалах для разведочного и эксплуатационного бурения составляет более 4 млн. т в год. При этом нет никакого сомнения в том, что все они в конечном итоге оказываются в ОПС. Например, точно известно, что в 1985 г. на объектах буровых работ только Главтюменьнефтегаза было использовано 35 тыс. т химических реагентов, из которых более чем 90 % попало на поверхность водосборов, в реки и озера [142]. Очевидно, что такие сбросы вредных веществ в ОПС вполне способны вызвать в ней необратимые экологические сдвиги. Так, из 47 видов ценных промысловых рыб, обитавших в Обском бассейне до начала освоения Западной Сибири (1964 г.), к настоящему времени сохранился лишь 21.

При этом следует учесть, что вредные вещества, попадая из источников загрязнения в одну из природных сред (атмосферу, гидросферу, литосферу) вовлекаются в общую миграцию (круговорот) веществ и, как правило, в течение того или иного отрезка времени (скорость водообмена озер составляет 17 лет, болот - 5 лет, почвенной влаги - 1 год) распространяются во всех природных средах. Наиболее подверженной загрязнению является гидросфера, что обусловлено ее высокой аккумулирующей способностью к различным загрязнителям и высокой подвижностью, способствующей переносу загрязнителей на значительные расстояния.

Таким образом, в районах ведения буровых работ основным источником загрязнения ОПС и, прежде всего, ее наиболее мобильного компонента - поверхностных вод, являются именно промывочные жидкости.

По мнению Дровникова П.Г. [39], с которым нельзя не согласиться, отходы промывочных жидкостей по своей токсичности не уступают отходам химических производств и вносят значительную лепту в то, что по глубине и тяжести воздействия на ОПС нефтяная отрасль занимает 3-е место, уступая «лидерство» лишь химической и металлургической отраслям [10]. Неслучайно эксперты считают, что экономическая прибыль от такой деятельности в 4 раза меньше наносимого этой деятельностью экологического ущерба.

4.1.2. Анализ путей экологизации промывочных жидкостей

Все известные по фрагментарному изложению в достаточно многочисленных публикациях пути решения экологических проблем, связанных с использованием промывочных жидкостей, в конечном итоге сводятся лишь к одному из двух возможных путей. Один из них направлен на снижение масштабов и степени загрязнения ОПС, а другой (превентивный) - на предупреждение ее загрязнения. Первый путь базируется на минимизации объемов буровых отходов и токсичности той их части, которая подлежит размещению в ОПС. Второй же путь предусматривает применение экологически безопасных промывочных жидкостей.

Рассмотрим более детально сущность каждого из этих путей, варианты их реализации и возникающие при этом трудности.

Начнем с того, что для снижения масштабов и степени загрязнения ОПС необходимо исключить утечки промывочной жидкости из всех элементов наземной циркуляционной системы (НЦС) скважины и из мест сбора образующихся отходов бурения. Каких-либо принципиальных трудностей в решении этой задачи не существует, поэтому надежная гидроизоляция НЦС и ША от ОПС должны быть нормой для каждого бурового предприятия. Кроме этого, нормой, должен стать и раздельный сбор буровых отходов с заведомо отличающейся степенью экологической опасности, поскольку при смешивании опасных отходов с неопасными вся смесь становится опасной.

Для общества в целом наиболее предпочтительным способом снижения объема отходов, размещаемых в ОПС, является их утилизация, т.е. вторичное использование, поскольку помимо уменьшения масштабов и степени загрязнения ОПС это одновременно решает и проблему ресурсосбережения.

Утилизация буровых отходов может осуществляться как в процессе, так и по окончании бурения скважины. Реализация первого из этих вариантов возможна только при использовании так называемой безамбарной технологии бурения. Мировым лидером в разработке этой технологии является фирма International Drilling Fluids (IDF). В нашей стране рассматриваемая технология впервые была использована при бурении скважин с кустовой площадки № 136 на Южно - Сургутском нефтяном месторождении [55]. Суть безамбарной технологии заключается в использовании замкнутой наземной циркуляционной системы, не содержащей традиционного ША. В этой системе производится непрерывная очистка промывочной жидкости от шлама, полное разделение определенной части промывочной жидкости на твердую и жидкую фазы, повторное использование жидкой фазы на разбавление и приготовление новых порций промывочной жидкости в процессе углубки скважины, на затворение тампо-нажной смеси для цементирования затрубного пространства обсадных колонн при заканчивании скважины, а также на другие технологические цели. Все это действительно обеспечивает сокращение объемов жидких отходов бурения. Так, пока еще весьма скромный отечественный опыт показывает [9], что при использовании одного из лучших вариантов безамбарной технологии общий объем отходов бурения примерно в 3 раза меньше объема отходов, образующихся при традиционной технологии с использованием ША, причем отходы представлены обезвоженным шламом. В идеале этот шлам должен собираться в металлические емкости (шламонакопители) и вывозиться для захоронения на специальные полигоны.

Буровые отходы, хранящиеся в ША, обычно утилизируют по окончании бурения скважины. Процесс утилизации начинается с их разделения на жидкую и твердую фазы. Осуществляется этот процесс путем коагуляции и флокуляции последней в сочетании с механическими способами ее отделения с помощью очистного оборудования, состоящего из вибросит, гидроциклонов и центрифуг. Жидкая фаза, полученная по окончании этого процесса, подвергается фильтрации и очистке различными химическими, электрохимическими и биологическими методами до состояния, удовлетворяющего требованиям ее повторного использования для различных технологических целей, в частности, в системе поддержания пластового давления (ППД) или требованиям безопасного сброса в объекты природной среды.

Оставшаяся на дне ША частично обезвоженная твердая фаза переводится в твердое состояние (отверждается) с помощью различных вяжущих добавок (цемента, синтетических смол и др.). Нефтесодержащая же твердая фаза должна обезвреживаться не путем отверждения, а путем сжигания в специальных установках. После выполнения всех перечисленных операций производиться засыпка ША минеральным грунтом и рекультивация поверхности буровой площадки.

Таким образом очевидно, что утилизация буровых отходов это весьма энергоемкий, трудоемкий и соответственно дорогостоящий процесс. Так, по о данным, приведенным в работе [157], стоимость переработки 1 м отходов бурения составляет от 32 до 57 долларов. По другим данным, эти затраты для ОПЖ на водной основе колеблются в пределах от 15 до 55 долларов за тонну. В этой связи задача минимизации объемов отходов является актуальной уже те только с экологических, но и с экономических позиций. О важности этой задачи свидетельствует то, что в США с принятием в 1984 г. поправки «Утилизация опасных и твердых отходов» к Закону о сохранении и восстановлении природных ресурсов она возведена в ранг общегосударственной.

Успешная реализация любого из рассмотренных выше вариантов утилизации жидких и твердых отходов бурения невозможна не только без специальных технических средств, но и без строгого соблюдения технологической дисциплины. Так, из зарубежного опыта известно, что только из-за отсутствия надлежащего контроля за экономным потреблением воды на буровой, потенциальная способность безамбарной технологии уменьшать объемы отходов бурения может быть сведена на нет.

Очевидно, что и при безамбарной технологии бурения, и при бурении с использованием ША, утилизации, т.е. вторичному использованию, подвергается лишь часть буровых отходов. Поэтому кроме проблем, связанных с утилизацией, дополнительно приходится решать и проблемы, связанные с обезвреживанием и захоронением всех не утилизированных отходов бурения.

Сброс не утилизированной жидкой фазы буровых отходов в объекты природной среды допускается только после ее очистки до экологически безопасных норм. Это достижимо лишь при многоступенчатой системе, включающей в себя различные методы очистки, и связано с существенными затратами. Так, известно, что по мере увеличения степени очистки воды затраты на нее возрастают экспоненциально [146]. Не менее известно и то, что при применении химических, электрохимических и биохимических методов очистки в результате окислительно-восстановительных реакций нередко происходит разрушение одних и образование других, иногда даже более токсичных соединений [14].

Наиболее широко используемым способом обезвреживания не утилизированных твердофазных буровых отходов является их иммобилизация путем отверждения. В настоящее время этот способ считается наиболее приемлемым и с экологических, и с экономических позиций (по зарубежным данным стоимость обработки 1 т отходов отверждающим составом составляет от 22 до 30 долларов). Вместе с тем, по совместному заключению отдела токсикологии Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека и кафедры экологии и генетики Тюменского госуниверситета, строительные блоки, изготовленные из обезвоженного бурового шлама (40 %), древесной стружки (40 %) и цемента марки 400 (20 %), пригодны для сооружения не более чем производственно-складских помещений и только в незатопляемых зонах, т.е. при исключении вымывания из них химреагентов. Буровой шлам, о котором в данном случае идет речь, был получен в процессе бурения скважин на Северо-Ореховском месторождении, административно расположенном в Нижневартовском районе Тюменской области. Промывка скважин осуществлялась глинистым раствором, обработка которого велась сайпаном, КМЦ, НТФ, сульфонолом и рыбожиро-вой смазкой Сиб-ЭСТ. Очевидно, что даже будучи разбавленными в 2,5 раза, иммобилизованные твердые отходы бурения не столь уж и безопасны, и что отверждение отходов с последующим их захоронением вблизи поверхности земли не гарантирует полного предотвращения вымывания содержащихся в них вредных веществ, т.е. обеспечивает не более чем временную их нейтрализацию.

Таким образом, как справедливо отмечается в работе [147], большинство существующих способов обезвреживания буровых отходов, в том числе и их отверждение, являются дорогостоящими, энерго- и трудозатратными и в то же время недостаточно надежными. По мнению авторов этой работы, самый надежный способ обезвреживания отходов бурения - их биодеструкция (биодеградация). Однако при всех достоинствах этого способа, его никак нельзя отнести к дешевым. В частности, известно, что удельные затраты на промывочную жидкость на основе полиальфаолефина, созданную фирмой M-I Drillinq Fluids (США) и обеспечивающую биодеградацию выбуренной породы в аэробных условиях, т.е. при наличии молекулярного кислорода (анаэробные бактерии на полиальфаолефины практически не действуют), составляют около 197 дол./м.

Однако самым главным недостатком всех рассмотренных выше природоохранных мероприятий, нацеленных лишь на снижение масштабов и степени загрязнения ОПС, является то, что даже использование несомненно прогрессивной безамбарной технологии и биодеградации твердых отходов бурения не может исключить загрязнения ОПС и, прежде всего, подземных вод, содержащимися в промывочной жидкости вредными веществами из-за неизбежной ее фильтрации в околоствольное пространство скважины и возможного поглощения. Не исключается также загрязнение ОПС промывочной жидкостью и при возможных выбросах ее из скважины на поверхность вместе с пластовыми флюидами, даже если последние будут представлены пресной водой.

Отсюда следует, что из двух существующих путей решения экологических проблем более радикальным является второй, базирующийся на разработке и использовании экологически безопасных промывочных жидкостей.

В основе реализации этого пути лежит, во-первых, возможность контроля токсичности промывочной жидкости на всех этапах ее «жизненного цикла» (от разработки рецептуры до размещения отходов бурения в ОПС) и, во-вторых, возможность сохранения токсичности промывочной жидкости в течение этого цикла в пределах, не превышающих допустимого для ОПС.

В настоящее время к экологически чистым промывочным жидкостям относят те, в составе которых преобладают природные, а не синтетические вещества, хотя очевидно, что и природные вещества ни в коей мере нельзя априори считать всегда экологически безопасными. При этом обычно игнорируется и то, что даже действительно экологически чистая промывочная жидкость в процессе бурения может быть загрязнена, например, пластовыми флюидами (нефтью, минерализованными подземными водами) и по отношению к биологическим объектам ОПС станет токсичной (экотоксичной). Ею же будет загрязнена и извлекаемая из скважины разрушенная горная порода (БШ).

Для оценки реальной опасности возникновения такой ситуации был выполнен анализ возможных источников интоксикации (усиления экотоксично-сти) и детоксикации (ослабления экотоксичности) промывочной жидкости и разрушаемой при бурении горной породы. Результаты этого анализа в обобщенном виде представлены на рис. 4.1 и свидетельствует о том, что в процессе бурения возможность сохранения экотоксичности промывочной жидкости на начальном нормируемом уровне определяется ее управляемыми функциональными свойствами, т.е. является вполне достижимой. Таким образом, главная проблема заключается не в том, как сохранить экотоксичность промывочной жидкости на заданном уровне, а в том, как определить безопасный для ОПС уровень экотоксичности и оперативно контролировать ее на всех этапах «жизненного цикла» промывочной жидкости, и, прежде всего, на этапе ее разработки.

Источники отходов бурения

Промывочная жидкость (ПЖ)

Источники формирования экотоксичности:

Состав и структура ПЖ как системы

Нормируемая начальная экотоксичность ПЖ экологическая ситуация и экологическая значимость состояния объектов природной среды в районе ведения буровых работ

Интоксикация ПЖ в процессе бурения кондиционирование ПЖ химическими реагентами (ХР), бентонитом, баритом нефтепроявления установки нефтяных ванн электролитная агрессия проявления сероводорода

Детоксикация ПЖ в процессе бурения разбавление (разубоживание) пресными подземными водами сорбирование ХР шламом, стенками скважины и др. микробиологическая деструкция ХР

Отработанная промывочная жидкость (ОПЖ)

Пути детоксикации: сортировка «отходов» ОПЖ при сборе разбавление водой

разделение на твердую и жидкую фазы с очисткой до установленных норм жидкой фазы и нейтрализацией твердой фазы путем отверждения, сжигания и др. микробиологическое воздействие

Фактическая экотоксичность ОПЖ или ее отдельных фаз, поступающих в окружающую природную среду (ОПС) в качестве отходов

Извлекаемая из скважины разрушенная горная порода (РГП)

Источники формирования экотоксичности:

Исходная экотоксичность РГП минералогическии состав растворимость в дисперсионнои среде ПЖ

Интоксикация РГП сорбирование ХР (взаимодействие с ПЖ) загрязнение углеводородами

Извлеченная из скважины РГП

Пути детоксикации: иммобилизация (отверждение) термообработка (сжигание) гидрофобизация поверхности частиц РГП отмывка горячей водой, растворителями и др. микробиологическое и др. воздействие

Фактическая экотоксичность РГП, поступающей в ОПС в качестве отходов

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Чубик, Петр Савельевич, 2000 год

1. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В БУРЕНИИ42.1. Краткий обзор биотестов с позиций их пригодности для оценки экотоксичности промывочных жидкостей

2. Между тем, в США постановление, предусматривающее проведение обязательного токсикологического биотестирования промывочных жидкостей и их компонентов, действует с 1985 года. При этом стандартным тест- объектом в нем служат мизидовые креветки 1.

3. Принятая в США градация токсичности промывочных жидкостей приведена в табл. 4.1.