Сточные, ливневые и паводковые воды, отходы бурения и состояние водных ресурсов

Существующая технология обеспечения пресной технической водой буро­вых установок предусматривает непрерывную ее подачу, особенно в зимнее время, для предупреждения замерзания водопровода. В целом же среднесуточное водопотребление при бурении скважины может составить 17 м³, что при­водит к образованию соответствующих объемов сточных вод.

Бурение скважин связано с потреблением больших объемов воды. На 1 м проходки расходуется около 0,9-1,0 м³ воды, которая загрязняется токсичными веществами. Образующиеся буровые сточные воды (БСВ) представляют собой наиболее значительный по объему вид загрязнения. Состав БСВ постоян­но меняется и зависит от многих факторов: от минералогического состава по­род, солевых толщ и рассолов, применяемых материалов и реагентов. Основные показатели токсичности БСВ: взвешенные вещества (ВВ), нефть и нефтепро­дукты (НП), химический (ХПК) и биологический (БПК) показатели потребле­ния кислорода, сухой остаток (СО), щелочность, жесткость рН и др. Интенсив­ное изменение химического состава промывочной жидкости и ее объемов создает определенные трудности для контроля и нормирования сброса буро­вых сточных вод. Нормативы разрабатываются для исходной промывочной жид­кости (раствора), причем для ее исходного состава, а не для того раствора, ко­торый циркулирует длительное время в процессе бурения.

Кроме того, ущербы ОС рассчитывают по соотношению величины фактических концентраций в воде или почвах к ПДК. Последние определяют пре­имущественно для индивидуальных веществ, которые обнаруживают в воде с помощью утвержденных методов, зарегистрированных в Государственном реестре методик количественного химического анализа, допущенных для эко­логического контроля и мониторинга. Однако, как известно из принципов сис­темного подхода, буровые растворы можно рассматривать как высокоорганизованные полидисперсные системы, а целое всегда больше суммы частей. Сле­довательно, покомпонентная оценка токсичности буровых растворов, да еще быстро изменяющихся во времени, не приводит к адекватным результатам. Сегодня на многие вещества, используемые в бурении, нет методик определе­ния их концентраций в средах и соответственно ПДК. Поэтому в практике нор­мирования для смесевых и биоразлагаемых препаратов получили распростра­нение метод расчетных компонентов либо установление ПДК в целом для смесей. Такие нормативы утверждаются для определенных композиций буро­вых растворов по нескольким основным компонентам с учетом имеющихся ПДК либо на основе биотестирования (табл. 5.36).

Таблица 5.35 - Параметры выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Таблица 5.36 - Эколого-рыбохозяйственная характеристика буровых растворов [7]

На практике очень трудно подобрать перечисленные компоненты в составе буровых растворов в том виде, в котором они указаны в нормативах ПДК. Например, глинопорошков существует несколько десятков модификаций с раз­личного рода щелочными и полимерными добавками. Вместо чистого хлорида калия используют калийные удобрения, содержащие и другие компоненты. Указанные нормативы для буровых растворов могут изменяться в широких пре­делах. Кроме того, в составе растворов всегда применяют смазочные добавки, ПАВ, утяжеляющие реагенты и другие ингредиенты, которые могут быть не введены в перечень, а применяются в нештатных ситуациях.

С этих позиций оценка экологичности применяемых буровых растворов имеет огромное значение при проведении экологических исследований.

Таким образом, отсутствие ПДК многих веществ, применяемых при буре­нии скважин, не позволяет регламентировать отходы бурения по степени их токсического воздействия на ОС со всеми вытекающими природоохранными последствиями. Учитывая это, специалисты "СургутНИПИнефть" предлагают следующие нормативы (ПДК) отходов бурения для рыбохозяйственного на значения: БСВ - 15 мл/л; отработанные буровые растворы (ОБР) - 0,85 г.т буровые шламы (БШ) - 5 г/л; смесь отходов (БСВ:ОБР:БШ = 1:1:1) - 10 г .-Такие нормативы могут служить регламентирующими показателями при оцен­ках воздействия на ОС отходов бурения, их размещения и хранения, выбора способа утилизации и рекультивации в аварийных ситуациях (Лушпеева, 2000 >

Наиболее крупное исследование в области токсикологических оценок отходов бурения было проведено лишь в последние годы [7]. На основании совре­менных аналитических определений отработанного бурового раствора (ОБР из скважины № П1 (ачимовский горизонт, забой 3900 м) Хадутейской площадь Южно-Песцовского газоконденсатного месторождения Тюменской области проведена экспериментальная оценка его экологичности.

Комплекс исследований включал:

- анализ химических элементов с помощью метода индуктивно связанной плазмы с масс-спектрометрическим окончанием на приборе "Квадрион";

- анализ органических примесей раствора на основе хроматомасс-спектрометрии;

- исследование органолептических свойств воды с добавлением ОБР для установления пороговых концентраций;

- влияние ОБР на санитарный режим водоемов (БПК);

- биотестирование ОБР на гидробионтах, а также экспериментальную оцен­ку экологичности бурового шлама (БШ) (количественный химический ана­лиз, его фитотоксичность и влияние на гидробионты). Комплекс таких исследований проведен впервые, поэтому заслуживает более подробной характеристики. Однако, учитывая большие объемы фактических данных и результатов тестирования, ниже приводятся сведения с некоторыми сокращениями (табл. 5.37).

Данные табл. 5.37 свидетельствуют о наличии в образце ОБР высоких содержаний таких элементов I и II классов опасности, как Pb, Hg, P, As, Cd, Zn. А1, а также Fe и Na, которые во много раз превышают ПДК в воде. Их присут­ствие в ОБР обусловлено поступлением из выбуренной породы, что подтверж­дается химическими анализами водной вытяжки, ацетатаммонийным буфер­ным (ААБ) и кислотным (рН=2) экстрактами, полученными из БШ в соотношении 1:10. Водные и ААБ-экстракты характеризуют подвижные фор­мы химических веществ, которые определяют степень токсичности и опаснос­ти для ОПС и человека. Кислотные экстракты химических веществ дают пред­ставление о валовом содержании металлов и используются при оценках их опасности и санитарно-гигиенического состояния почв.

В водном и ААБ-экстрактах установлено превышение ПДК в водах по Сr в 71 раз, по Мn - в 33, по Со - в 3, по № - в 11, по Си - в 14, по Zn - в 8, по РЬ - в 22 раза. В кислотном экстракте превышение ПДК в почвах составляет: по Ni - в 90 раз, по Си - в 72, по Zn - в 133, по As - в 573, по Cd - в 26, по РЬ - в 834 раза и т.д.

Выбуренный шлам из скважины № П-1 является токсичным и потенциаль­но опасным для ОПС и человека, поскольку содержит тяжелые металлы, относящиеся к I и II классам опасности. При контактах БШ с атмосферными осад­ками происходит их переход в водные растворы с миграцией токсикантов в поверхностные и грунтовые воды. Таким образом, образец ОБР из скважины

Таблица 5.37 - Содержание химических веществ в ОБР и БШ, по данным [7]

№ П-1 является поликомпонентной смесью, содержащей высокие концентрации опасных ЗВ, в том числе тяжелых металлов и углеводородов.

Опыты с динамикой биохимического потребления кислорода (БПК), характеризующие интенсивность и направление процессов естественного самоочи­щения и санитарный режим водоемов, показали следующие результаты:

- исследуемый образец вызывает наиболее активную стимуляцию БПК в первые двое суток эксперимента;

- при концентрации ОБР 1,0 мл/л БПК ускоряется на 50-140 % по сравнению с контролем, при концентрации 0,2 мл/л - на 25-54,5, при концентрации 0,1 мл/л - на 26,9-49,6 %;

- концентрации ОБР 0,01 и 0,008 мл/л не оказывают существенного влияния на БПК;

- пороговой концентрацией ОБР, стимулирующей БПК, является 0,04 мл/л, т.е. его необходимо разбавлять в 254 тыс. раз.

Тестирование образца ОБР на гидробионтах показало его высокую токсичность для дафний и тетрахимен. Темпы размножения снижаются при разбав­лении водой образца до 1:4000.

Оценка фитотоксического действия БШ проводилась экспресс-методом при проращивании семян овса с использованием водного, буферного (ААБ) и кислотного экстрактов в различных соотношениях кратности разбавления (R = 1, 10, 100, 1000 и 10 000 раз). Контрольные образцы семян проращивали на дис­тиллированной воде. В результате проведенных экспериментов были получе­ны следующие выводы о фитотоксичности БШ из скважины № П-1:

- фитотоксичность возрастает по схеме: водный экстракт (ВЭ) -> буферный экстракт (БЭ) -> кислотный экстракт (КЭ);

- ВЭ образца БШ обладает слабовыраженным биологическим действием на семена овса, которое устраняется разбавлением в 10 раз;

- при рН<4,5 возникает вероятность полного угнетения жизнедеятельности растений вследствие резко возрастающей фитотоксичности БШ;

- степень опасности БШ по фитотоксичности может быть оценена на уровне V (ВЭ), III (БЭ) и II (КЭ) классов опасности.

Результаты тестирования БШ на водных тест-организмах свидетельствуют о неблагоприятном их воздействии, которое устраняется 10-100-кратным разбавлением. Причиной гибели дафний могут стать тонкодисперсные взвеси глины, являющиеся основным компонентом буровых растворов.

В результате проведенных исследований [7] авторы рекомендуют макет "Экологического паспорта бурового раствора и технологических отходов бурения. Документ содержит следующие сведения:

- титульный лист, учетно-регистрационный лист ведения;

- общие сведения о буровом растворе и условиях его применения;

- характеристику компонентов бурового раствора;

- обоснование методики исследования и оценку экологичности бурового раствора;

- обоснование состава, методики исследований и оценку экологичности технологических отходов бурения;

- расчет класса опасности БШ;

- предложения по порядку накопления, размещения, а при необходимости хранения и утилизации отходов бурения.

Предлагаемый документ позволит отслеживать и своевременно регулиро­вать меры по обращению с отходами бурения, не допускать применения буро­вых растворов, не имеющих экологических паспортов, разработать единый методический подход к оценке экологичности раствора и технологических отходов бурения. Такой документ также должен обобщать сведения о реагентах, ис­пользуемых при бурении скважин (КМЦ, СР, целлогум АСР, Kem Pas, PolyKem и др.), которые имеют гигиенические сертификаты и токсикологические пас­порта.

Сброс БСВ в природную среду недопустим, поэтому в процессе строитель­ства скважин необходимо предусмотреть максимальную утилизацию этих вод.

Наиболее рациональным и экологически оправданным методом утилизации БСВ является переход на полностью или частично замкнутый цикл водообеспечения буровой. Необходимо обеспечить максимальное вовлечение БСВ в систему оборотного водоснабжения для технических нужд бурения. Однако существуют требования к составу воды - как повторно используемой (оборот­ной), так и сбрасываемой (возвратной) в ОС.

- Требования к оборотной воде:

- содержание ВВ, мг/дм³ - не более 250;

- содержание нефтепродуктов, мг/дм³ - не более 25;

- жесткость общая, мг-экв./дм³ - не более 200;

- щелочность общая, мг/дм³ - не более 150;

- содержание солей, мг/дм³ - не более 1000;

- рН - от 6 до 8;

- ХПК, мг O₂/дм³ - не более 400;

- БПК, мг О₂/дм³ - не более 50;

- содержание H₂S, мг/дм³ - не более 0,5.

- Требования к возвратной воде:

- мутность по стандартной шкале - не более 1,5;

- цветность по платиново-кобальтовой шкале, град. - не более 20;

- количество растворенного О₂, мг/дм³ - не менее 2-3;

- жесткость общая, мг-экв./дм³ - 7-10;

- щелочность общая, мг-экв./дм³ - не более 16;

- рН - от 6,5 до 8,5;

- содержание нефтепродуктов, мг/дм³: для питьевых и культурно-бытовых целей - не более 0,3; для рыбохозяйственных целей - не более 0,05;

- ХПК, мгО₂/дм³ - не более 60;

- БПК, мгО₂/дм³ - не более 3;

- содержание солей, мг/дм³ - не более 1000-1500.

Способ отстоя БСВ в амбарах и металлических емкостях малоэффективен, так как отстоем не удаляются растворенные и коллоидно-дисперсные формы ЗВ. Для углубленной очистки БСВ и ускорения процесса осветления прибега­ют к химической коагуляции, электрокоагуляции, центрифугированию и т.п. Самыми действенными коагулянтами являются хлорид железа и гидроксихлорид алюминия.

Прошедшая обработку БСВ подается в отстойники, где она отстаивается (2-4 ч), осветленная часть сбрасывается через дренажные площадки, а осадок перекачивается в шламовый амбар для обезвреживания или утилизации.

Чтобы определить место сброса очищенных БСВ, сначала проводят специальные работы по учету гидрогеологических условий района, природной за­щищенности грунтовых вод, гидрографической сети и геоморфологических ус­ловий, распространенности типа почв, их промывных условий, климата и др. Расположение дренажных площадок согласуется с представителями основно­го землепользователя, органами санитарного надзора и органами МПР на ста­дии составления технического проекта.

Закачка очищенных БСВ в поглощающие скважины или отдельные горизонты эксплуатационных и нагнетательных скважин разрешается при отсут­ствии в составе стоков патогенных микроорганизмов (хозяйственно-бытовые воды) и токсичных веществ.

В соответствии с Санитарными правилами и нормами охраны поверхност­ных вод от загрязнения к качеству сбрасываемых ливневых и неиспользуемых вод должны предъявляться следующие требования (табл. 5.38).

В случае превышения перечисленных показателей производится механичес­кая (отстаивание) и физико-химическая очистка - чаще всего методами реагентной коагуляции и флокуляции с последующим сбросом осветленной воды на рельеф местности, осадка - в котлован для сбора шлама, буровых сточных вод и отработанного бурового раствора. Очистка указанных категорий вод входит в комплекс мероприятий по уменьшению образующихся отходов бурения.

Загрязнителями природной среды при бурении являются буровые и тампонажные растворы, материалы и химические реагенты, применяемые для их приготовления, ГСМ, а также продукты освоения и в отдельных случаях выбу­ренная порода.

Таблица 5.5 - Характеристика сточных и ливневых вод

Так, при строительстве скважины расход материалов и химреагентов со­ставляет в среднем (т):

бентонитовый глинопорошок - 17,6;

КМЦ - 2,01;

НТФ - 0,17;

унифлок - 0,059;

каустическая сода - 0,2;

кальцинированная сода - 0,05.

В качестве очистных агентов и для тампонирования применяются следую­щие типы буровых растворов:

- техническая вода (с добавкой двуокиси марганца);

- бентонитовый раствор;

- глинистый раствор различной плотности;

- хлорнатриевый буровой раствор;

- хлоромагниево-фосфатный буровой раствор;

- полисолевой раствор;

- гамма безглинистых растворов;

- хлоркалиевый глинистый раствор;

- тампонажный цемент с различными добавками.

Из горюче-смазочных материалов, кроме нефти, применяют трансмиссион­ное и трансформаторное масла при бурении с электроприводом.

Продукты освоения представлены в основном загрязненными пресными и пластовыми водами, содержащими до 1 % ПАВ и полиакриламид (ПАА), или буровы­ми растворами. Могут содержать пленку нефти, а в отдельных случаях и нефть.

К органическим загрязнителям, входящим в состав буровых растворов, относятся углеводороды (нефть, дизтопливо, масла). Их попадание в ОС чаще всего связано с аварийными ситуациями при нарушении технических условии и правил эксплуатации трубопроводов, устройств нефтяных ванн или при нефтепроявлениях.

К этому же типу можно отнести такие загрязнители, как ПАА, оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ-600), конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ-2), ПАВ. Определение этих сложных соеди­нений в компонентах ОС - чрезвычайно трудоемкое и дорогостоящее мероп­риятие. Однако в системе мониторинга необходимо предусмотреть контроль хотя бы за некоторыми органическими загрязнителями, на которые существу­ют ПДК (ПАВ, нефтепродукты, ПАА и др.).

Довольно часто для обработки призабойной зоны пласта применяют такие химические методы, как кислотные обработки, включающие солянокислотную обработку, термокислотное воздействие, глинокислотную и пенокислотную обработки. Для повышения нефтеотдачи пластов в процессе их эксплуатации производят обработку нагнетаемой воды ПАВами, различными полимерами, закачивают концентрированную серную кислоту, применяют щелочное заводнение и другие мероприятия.

К минеральным загрязнителям относят хлориды натрия, магния и калия, легко поддающиеся контролю.

Содержание механических примесей в этих водах может достигать от 0,5 до 1,0 масс. %, рН=7, растворимых и эмульгированных продуктов в них - от "следов" до 120 мг/дм³, растворенных солей - до 50 г/дм³. Эти категории вод вследствие их высокой подвижности являются одними из самых опасных отходов бурения.

Как правило, объем БШ рассчитывают исходя из планируемых объемов буровых отходов, которые включают БШ, ОБР и БСВ. В соответствии с РД 39-3-819-91 "Методические указания по определению объемов отработанных буро­вых растворов и шлама при строительстве скважин" объем шламового амбара (У_Ш11) определяют по формуле

V_ша=1,1*(V_ш + V_БШ+V_БСВ). (5.36)

Объем бурового шлама, или выбуренной породы, равен:

V_ш=V_скв*1,2 (5.37)

где V_скв - объем всей скважины, м³; 1,2 - коэффициент, учитывающий разуплотнение выбуренной породы.

Объем ОБР рассчитывают по формуле

V_ОБР=1,2*V_cкв*К₁+0,5V_ц, (5.38)

где K₁ - коэффициент, учитывающий потери бурового раствора, равен 1,054; V_ц - объем циркуляционной системы буровой установки, равен 320 м³. Объем буровых сточных вод рассчитывают по формуле

V_БСВ=2V_ОБР, (5.39)

Расчет объема скважины производится с учетом конструкции скважин и коэффициента кавернозности. Так, например, объем скважины при глубине 1700 м, коэффициенте кавернозности 1,3 и указанной ниже конструкции:

Название колонны Диаметр долота, мм Интервал спуска

от (верх) до (низ)

Направление 508 0 30

Кондуктор 295 0 500

Эксплуатационная 216 0 1700

составит:

V_скв=92,2 м³.

Объем шлама составляет для данной скважины:

V_БШ = 1,2 * 92,2 = 111 м³.

Объем ОБР для этого же случая составит:

V_ОБР = 1,2 * 111 * 1,054 + 0,5 * 320 = 300 м³.

Объем буровых сточных вод:

Объем шламового амбара:

V_ша = 1,1 * (Ш + 300 + 600) = 1112 м³.

При варианте с замкнутым циклом очистки сточных вод: V_ша=1,1*(111+300)=452 м³.

С целью уменьшения объемов жидких сточных вод на площадке для буре­ния скважин рекомендуется сооружать раздельные амбары: первый - для БСВ и ОБР, второй - для сбора очищенных и ливневых вод. При строительстве амбаров необходимо учитывать степень защищенности подземных вод, гидро­изоляцию месторождения относительно рельефа (поймы рек и водоохранные зоны), степень гидравлической связи с водными объектами и др.

При бурении кустовых и одиночных скважин источником загрязнения подземных вод могут стать утечки отходов бурения и буровые растворы из шламо­вых амбаров, емкостей и накопителей вследствие плохой изоляции. Как прави­ло, это временные сооружения с периодом эксплуатации 0,5-1,5 года. Емкость этих сооружений составляет 500, 800 м³ и более на 1 скважину.

Буровые шламы чаще всего представлены средними и тяжелыми глинами с преобладанием иловато-пылевых фракций с содержанием песка от 5 до 30 %. Относительная плотность образцов изменяется от 2200 до 2700 кг/м³ и часто зависит от технологии и степени отделения шлама при очистке промывочной жидкости. Содержание нефтепродуктов в шламах продуктивных коллекторов может достигать 700 мг/кг и более.

Экспериментально установлено, что до 60 % реагентов прочно сорбируется на глинах, а остальные 40 % распределяются между фильтратом, буровым раствором, остающимся в циркуляции, и буровым раствором, сбрасываемым в шламовый амбар (ОБР).

В составе БШ обычно присутствуют порода (60-80 %), органическое веще­ство (8-10 %), водорастворенные соли (6%), а также нефть, утяжелители и др. Пик загрязнения подземных вод, как правило, наблюдается при завершении бурения, когда на поверхность сливается до 250 м³ ОБР возле каждой скважины и его остатки из наземного хранилища. Особую опасность при этом пред­ставляют УВ сырых нефтей и нефтепродукты, фенолы ПАВ, полимеры и хроматионы, обладающие высокой миграционной способностью.

Несвоевременные обработка и утилизация отходов бурения часто приводят к тому, что вследствие больших объемов БСВ, ОБР и БШ, а также высоких концентраций ЗВ применение существующих технологий очистки и нейтрализации становится в принципе невозможным. В результате значительные объемы отходов захораниваются часто без предварительной физико-химической обработки в целях нейтрализации. Такие емкости, как правило, организуются в земляных амбарах-накопителях при отсутствии надежного противофильтрационного экрана, который препятствовал бы миграции компонентов ОБР и БШ в зону аэрации и грунтовые воды.

Величина миграции веществ-загрязнителей зависит от пористости грунта, коэффициента фильтрации, глубины залегания грунтовых вод, их уклона, положения водоупорного слоя, наличия литолого-фациальных замещений на пути фильтрации, плотности и вязкости отходов бурения, показателя гидростати­ческого напора (уровня жидкости в амбаре-накопителе над уровнем грунто­вых вод), интенсивности поступления атмосферных вод в зону аэрации и да­лее в грунтовые воды, агрессивности ОБР и от других причин.

В литературе приводятся различные данные по расчетным радиусам мигра­ции веществ-загрязнителей от амбаров. Согласно экспериментальным данным, соблюдение технологий строительства амбаров обеспечивает достаточно надежную изоляцию ОБР и БШ. По крайней мере, на расстоянии 100 м химичес­кий состав грунтовых вод и почв приближается к фоновым значениям.

Тем не менее унос ЗВ с буровых площадок происходит различными путя­ми, что фиксируется повышенными содержаниями в водных объектах, особен­но в болотных экосистемах, таких элементов, как Со, Ni, Mn, Ba, Fe и др. Кро­ме того, поверхностные, подземные, надмерзлотные и болотные воды имеют очень низкую минерализацию (0,002-0,025 мг/л) и гидрокарбонатно-кальциевый или натриевый состав, слабокислую или нейтральную реакцию.

БСВ в накопителе включают ОБР, продукты реакции с БШ, сбросы поверхностных вод с буровых площадок, иногда и бытовые стоки, химреагенты и другие отходы. Минерализация этих вод может достигать нескольких десятков граммов на литр; воды характеризуются выраженным хлоридно-гидрокарбонатным составом и щелочной реакцией.

Значительным источником загрязнения пресных подземных вод могут быть также промысловые сточные воды высокой минерализации. Их количество может достигать 3 м³ на 1 т добываемой нефти. Основной загрязнитель - хлориды, реже сульфаты, натрий, кальций и углеводороды сырых нефтей. Эти же воды при заводнении скважин могут стать загрязнителями пресных (артезиан­ских) горизонтов, проникая через затрубное пространство скважин, а также вследствие восходящих перетоков в вышележащие водоносные горизонты при эжекционном режиме эксплуатации месторождения.