Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов геоинженерной защиты нарушенных территорий с использованием материалов на основе обезвреженных отходов .12
1.1. Формирование нарушенных территорий и существующие виды их геоинженерной защиты 13
1.2. Существующие методы обработки шламовых отходов перед их утилизацией в материалы геоинженерной защиты .19
1.3. Существующие методы оценки нарушенных территорий 27
Глава 2. Теоретическое обоснование и методическое обеспечение исследований геоинженерной защиты территорий с использованием продуктов на основе шламовых отходов 36
2.1. Территории, нарушенные размещением шламовых отходов, как объекты исследования 36
2.2. Рабочая гипотеза и базовые принципы ее подтверждения 40
2.3. Подходы к оценке состояния территорий, нарушенных шламонакопителями и аппарат обработки экспериментальных данных 43
2.4. Методическое обеспечение исследования по обезвоживанию 50
2.5. Методическое обеспечение упрочнения обезвоженных отходов 56
Выводы по Главе 2 63
Глава 3. Оценка состояния нарушенных территорий и их поэтапный отбор 65
3.1. Предварительный этап оценки территорий, нарушенных позиционированием шламонакопителей 65
3.2. Пофрагментная оценка техногенного образования шламонакопителя 68
3.3. Оценка геоэкологического и физико-механического состояния твердой фазы техногенного образования шламонакопителя 72
Выводы по Главе 3 78
Глава 4. Исследование методов геоинженерной защиты территорий и обработки шламовых отходов бурения 79
4.1. Технологические основы геоинженерной защиты территорий с использованием материала на основе шламовых отходов .79
4.2. Обезвоживание в поле центробежных сил 80
4.3. Исследования по упрочнения обезвоженных шламов 84
4.4. Апробация результатов лабораторного исследования в полупромышленных условиях 88
Выводы по Главе 4 92
Глава 5. Разработка и внедрение технологии получения материалов геоинженерной защиты на основе шламовых отходов бурения 93
5.1 Виды материалов геоинженерной защиты на основе шламовых отходов бурения и направления их использования 93
5.2. Конструктивно-строительное оформление комплекса по производству материалов геоинженерной защиты 95
5.3. Технико-экономическая оценка предлагаемой технологии .99
Выводы по Главе 5 102
Заключение 103
Список сокращений и условных обозначений 105
Список литературы 106
Приложение А - Матрицы состояния техногенных образований шламонакопителей 133
- Существующие методы обработки шламовых отходов перед их утилизацией в материалы геоинженерной защиты
- Оценка геоэкологического и физико-механического состояния твердой фазы техногенного образования шламонакопителя
- Апробация результатов лабораторного исследования в полупромышленных условиях
- Конструктивно-строительное оформление комплекса по производству материалов геоинженерной защиты
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Формирование накопителей и массивов крупнотоннажных шламовых отходов, приводит к проявлениям неблагоприятных геоэкологических процессов: глубинной и боковой эрозии, суффозии, осыпей, обвалов, овраго- и оползнеобразованиям, а также подтоплению и заболачиванию территории.
Нарушенные накопителями территории нуждаются в геоинженерной защите (ГИЗ) с целью их дальнейшего целевого освоения. Подавляющее большинство методов и направлений ГИЗ нарушенных территорий от деградации связано с вертикальной планировкой и организацией рельефа, экранированием поверхности, формированием секционирующих дамб для разделения крупных объектов размещения отходов на очереди, организацией временной дорожно-транспортной сети, усилением несущей способн6ости неустойчивых оснований.
Использование природных грунтов в качестве материалов ГИЗ не является экологически целесообразным и экономически оправданным. Как показывает опыт отечественной и зарубежной практики, в качестве альтернативы природным грунтам могут выступать материалы на основе техногенных образований шламонакопителей, сформированных отходами бурения после их предварительной обработки.
Обработка шламовых отходов бурения может, как улучшить состояние нарушенных территорий, так и привести к их дальнейшей деградации за счет возникновения вторичных процессов взаимодействия отходов между собой и с геологической средой. В практике восстановления и освоения нарушенных территорий отсутствует системный учет геоэкологических особенностей нарушенных территорий, а также ресурсного потенциала техногенных образований шламонакопителей.
Известно, что не все нарушенные территории пригодны к целевому освоению, точно так же, как не все виды отходов бурения могут быть утилизированы в качестве материалов ГИЗ. Таким образом, актуальной задачей является разработка системы ГИЗ и строительно-хозяйственного освоения нарушенных территорий с использованием материалов на основе отходов бурения.
Данная система включает сочетание методов обезвоживания гетерофазных отходов бурения, их гомогенизации и упрочнения, а также последующего использования полученных продуктов - техногенных грунтов, в выделенных направлениях геоинженерной защиты нарушенной территории: в качестве заполнителей выемок, выравнивателей для вертикальной планировки и организации рельефа, структуро- и барьерообразователей, а также упрочнения искусственных оснований под сооружения пониженной ответственности.
При этом, положения комплексной системы, наряду со свойствами, составом и структурой отходов бурения должны учитывать ресурсный потенциал источников их образования, потребность нарушенных территорий в рекультивационных материалах, а также их геоэкологические особенности.
Геоинженерная защита нарушенных отходами территорий сдерживается отсутствием современных инструментов оценки их состояния. Также, в зависимости от фазово-структурного состава, физико-механических и токсичных свойств техногенных образований необходимо совершенствование подходов к приближению состояния гетерофазных отходов бурения и продуктов на их основе инженерно-геологическим элементам природного происхождения: глинам, суглинкам, супесям.
Таким образом, актуальной задачей является создание научно обоснованной методики оценки состояния, геоинженерной защиты и освоения нарушенных территорий с использованием грунтозамещающих материалов на основе шламовых отходов бурения с минимальным воздействием на компоненты геосреды.
Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 Геоэкология (строительство и ЖКХ), пункт 5.11.: Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, мероприятия по снижению последствий геокатастрофических процессов, геоинженерная защита территорий, зданий и сооружений.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в развитие методов оценки, восстановления и геоинженерной защиты нарушенных территорий внесли отечественные ученые: Д.Е. Быков, Я.И. Вайсман, М.В. Графкина, И.М. Евграфова, В.Н. Коротаев, Д.В. Орешкин, А.Д. Потапов, А.М. Сафаров, Л.Б. Сватовская, Т.Г. Середа, М.Ю. Слесарев, В.И, Сметанин, Д.Ю. Ступин, В.И. Теличенко, О.В. Тупицына, Е.В. Щербина, К.Л. Чертес, Г.Г. Ягафарова и др.
ГИЗ нарушенных территорий осуществляется, в основном, природными грунтами или строительными материалами на их основе. Это приводит к дополнительному нарушению геосреды карьерными выработками, деградации плодородного слоя за счет его перемешивания с балластными породами зоны аэрации, дополнительному отторжению земель из хозяйственного использования.
Внедрение отходов в практику ГИЗ сдерживается отсутствием учета состояния как самих нарушенных территорий, так и техногенных образований, представленных отходами бурения, а также необходимостью совершенствования инструментальной базы оценки, путем сокращения продолжительности и трудоемкости существующих методов инженерных изысканий.
В качестве инструментов подобной оценки предлагается использование сочетания методов матрично-цифрового моделирования и анализа многомерных данных состояния техногенного образования шламонакопителя, как многопараметрической системы. Подобный подход широко применяется для оценки состояния массивов ТКО, накопителей отходов водохозяйственного комплекса, нефтесодержащих отходов. Однако, в практике восстановления территорий, нарушенных отходами бурения, опыт применения подобных инструментов требует адаптации из-за более широкого спектра показателей качественного и количественного состава, обусловленных разнообразием типов выбуренной горной породы и буровых растворов.
Цель диссертационной работы. Создание системы оценки состояния нарушенных территорий и их геоинженерной защиты с использованием материалов на основе отходов бурения, подвергнутых предварительной обработке для снижения техногенной нагрузки на геосреду.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:
- анализ известных методов геоинженерной защиты и оценки состояния
нарушенных территорий для их последующего освоения;
- разработка системы поэтапного учета геоэкологических и ресурсно-сырьевых
особенностей территорий для создания комплексов производства материалов ГИЗ на
основе отходов;
обоснование возможности использования отходов с получением материалов ГИЗ на их основе, с целью их последующего использования при строительно-хозяйственном освоении территорий
исследование технологических особенностей обработки шламовых отходов перед утилизацией в материалы ГИЗ, сочетающих обезвоживание в поле центробежных сил и упрочнение вяжущими добавками;
- разработка конструктивно-строительного оформления комплексов
производства материалов ГИЗ на базе ликвидируемых шламонакопителей.
Научная новизна диссертации:
1. Предложена поэтапная система оценки территорий, нарушенных
размещением шламовых отходов бурения, для определения принципиальной
возможности освоения их территорий в специализированные комплексы по выпуску
материалов геоинженерной защиты.
2. Впервые в качестве инструментов оценки конфигурации, структуры и
способов обработки техногенного образования для последующего строительно-
хозяйственного освоения применены методы матрично-цифрового моделирования и
анализа многомерных данных.
-
Получены зависимости скорости трансформации шламовых отходов бурения в грунтозамещающие материалы ГИЗ.
-
Впервые контроль процесса получения материалов ГИЗ заданных физико-механических свойств на основе отходов предложено производить по фактору разделения, степени однородности и деформационно-временной характеристике шламо-цементных смесей.
Объект исследования. Геоинженерная защита территорий с использованием материалов на основе шламовых отходов бурения.
Предмет исследования. Оценка состояния нарушенных территорий для их геоинженерной защиты и дальнейшего строительно-хозяйственного освоения.
Теоретическая значимость результатов работы:
-
Результаты исследования геоэкологических и физико-механических особенностей природно-техногенных систем, сформированных шламонакопителями отходов бурения, позволили обосновать возможность освоения нарушенных территорий в качестве производств грунтозамещающих материалов ГИЗ.
-
Использование методов матрично-цифрового моделирования позволило определить конфигурация шламонакопителей, а также выявило гетерофазную структуру техногенных образований с выделением твердой, водо-эмульсионной и углеводородной составляющей.
-
Оценка состояния донных слоев техногенных образований шламонакопителей отходов бурения с использованием метода анализа многомерных данных позволила определить метод или совокупность методов их обработки с целью получения материалов ГИЗ заданных свойств.
-
Изученные зависимости обезвоживания позволили разработать технологии и выбрать оборудование центробежного обезвоживания шламовых отходов при их утилизации в материалы ГИЗ нарушенных территорий.
-
Управление процессом упрочнения шламо-цементных смесей на лимитирующей стадии схватывания - позволило сократить общую продолжительность производства материалов ГИЗ.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
-
Положения предложенной системы и, в частности, геоэкологическое обоснование возможности освоения нарушенных территорий в качестве производств грунтозамещающих материалов ГИЗ, были использованы при разработке технологических регламентов использования буровых шламов для рекультивации нарушенных земель, отсыпке дорог, площадных объектов для ООО «РН-Ванкор».
-
Использование матрично-цифрового моделирования и анализа многомерных данных для оценки состояния техногенных образований шламонакопителей Южной группы месторождений Самарской области (АО «Самаранефтегаз» РИТС-ЮГМ в г. Нефтегорск) позволили сократить объемы инженерных изысканий к проектной документации по техническому перевооружению эксплуатации месторождений по безамбарному способу бурения.
Результаты проведенных исследований были внедрены в учебный процесс кафедры «Химическая технология и промышленная экология» ФГБОУ ВО «СамГТУ» в рамках реализации дисциплин «Основы геоэкологии» и «Рациональное природопользование».
Методология и методы исследования. В настоящей работе применен метод системного анализа данных, представленных в научно-технической литературе, в качестве инструментов оценки использованы методы главных компонент и структурно-матричного анализа. Проведены лабораторные и полупромышленные исследования с применением современных инструментов планирования и обработки экспериментальных данных.
Степень достоверности результатов исследования
Проведенные исследования выполнены в объеме, достаточном для обеспечения достоверной вероятности полученных результатов 0,95. Исследования по изучению трансформации отходов бурения в продукт - грунтозамещающие материалы геоинженерной защиты нарушенных территорий проводились с использованием как лабораторного, так и промышленного оборудования. Все анализы были проведены в аккредитованных лабораториях.
Положения, выносимые на защиту.
1. Новая схема поэтапной системы оценки территорий, нарушенных
размещением шламовых отходов бурения, для определения принципиальной
возможности освоения их территорий в специализированные комплексы по выпуску
материалов геоинженерной защиты.
2. Впервые, в качестве инструмента оценки конфигурации, структуры и
способов обработки массивов, сформированных шламовыми отходами бурения,
использованы численные методы и имитационное моделирование: матрично-
цифровое моделирование и анализ многомерных данных.
3. Модель скорости трансформации шламовых отходов бурения в
грунтозамещающие материалы геоинженерной защиты нарушенных территорий.
4. Новая методика контроля процесса получения материалов геоинженерной
защиты заданных физико-механических свойств на основе отходов бурения,
учитывающая фактор разделения, степень однородности и деформационно-
временную характеристику шламо-цементных смесей.
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач диссертации, поиске объектов и обосновании методик исследования, непосредственном участии в проведении лабораторных экспериментов и полупромышленных испытаний, обобщении и верификации полученных результатов, формулировке основных
научных положений, выносимых на защиту, их опубликовании и апробации на действующих производственных объектах. Часть исследований была проведена при поддержке Министерства Образования и Науки РФ в рамках выполнения госзадания №10.3260.2017/ПЧ «Оптимизация по критериям ресурсной ценности, энергосбережения и экологической безопасности организационно-технической системы утилизации отходов нефтегазового комплекса».
Апробация результатов. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Х Международной научно-практической конференции «Ашировские чтения» Самара, 2014; XV International Scientific Conference «High-Tech in Chemical Engineering – 2014», Zvenigorod, 2014; V Международном экологическом конгрессе (VII Международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2015» Самара-Тольятти, 2015; 73-й Международной научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре», Самара, 2016; Tenth Winter Symposium on Chemometrics, Самара, 2016; I научно-практической конференции с международным участием «Нефтегазовый комплекс: проблемы и инновации», Самара, 2016; 5th International Scientific Conference «Integration, Partnership and Innovation in Construction Science and Education», Moscow, 2016.
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 2 работы опубликованы в журналах, включенных перечень в рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, и 2 работы опубликованы в журналах, индексируемых в международной реферативной базе Scopus.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 135 листах машинного текста и состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 236 наименования, содержит 14 рисунков, 17 таблиц и приложение.
Существующие методы обработки шламовых отходов перед их утилизацией в материалы геоинженерной защиты
Наиболее специфичными представителями нарушенных территорий являются объекты размещения жидких и пастообразных отходов производства буровых работ – шламовые амбары или шламонакопители. В существующей литературе термин шламовый амбар определяется как природоохранное сооружение, предназначенное для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных промышленных отходов бурения нефтяных скважин (буровой шлам, отработанные буровые растворы, буровые сточные воды) [5].
Буровой шлам представляет собой водную суспензию, твёрдая часть которой состоит из продуктов разрушения горных пород забоя и стенок скважины, продуктов истирания бурового снаряда и обсадных труб [99, 123].
История формирования шламовых амбаров (шламонакопителей) берет свое начало со времен XIX в. В 1848 году на Биби-Эйбатском месторождении вблизи г. Баку республики Азербайджан была пробурена промышленным способом первая разведочная скважина. Ввиду отсутствия высокотехнологичных способов ведения буровых работ, а также недостаточно развитые методы переработки природного сырья, с максимальным извлечением товарной нефти до 30%, в шламовые амбары направлялись вскрышные породы и тяжелые фракции углеводородов [84, 197]. 1859 год обозначен как начало истории добычи природной нефти промышленным способом в США (штат Пеннсильвания) [216]. Данное событие также связано с формированием новых шламонакпителей.
Советский период 30-50 гг. XX века характеризуется масштабными работами по разведке и разработке новых месторождений полезных ископаемых. Однако, ввиду отсутствия законодательной базы в области охраны окружающей природной среды, формирования шламонакопителей происходило стихийно без проведения предварительных работ по изучению состояния прилегающей территории [60, 136]. В условиях реализации государственных планов развития народного хозяйства, которые главным образом были предназначены для быстрого развития экономики СССР, не уделялось должного внимания экологической составляющей процесса, что впоследствии крайне негативно сказалось на состоянии окружающей природной среды [60, 136, 193]. С развитием цивилизации происходило поэтапное совершенствование способов ведения буровых работ, а также методов переработки добываемого сырья.
На сегодняшний день производство буровых работ осуществляется на больших глубинах с максимальной разработкой пласта-коллектора. Глубина проходки некоторых скважин достигает 5000 м, что сопровождается применением специально подобранных реагентов.
Состав техногенного образования различных шламонакопителей отличен и зависит от типа ВГП, условий залегания пласта коллектора, рецептуры применяемого бурового раствора, а также качества пластовых вод [61]. За счет пребывания в естественной среде, структура и состав техногенного образования шламонакопителя не постоянны. Их длительное пребывание в шламонакопителях сопровождается протеканием различных процессов - обводнение за счет поступление атмосферных осадков и поверхностных стоков, фазовое расслоение, окисление органических соединений, инсоляция, промораживание и последующее оттаивание.
Подавляющее большинство ОБ в границах обустраиваемых месторождений, направляется на размещение и последующее захоронение в геосреде. Это вызвано низкой эколого-технической культурой производства, отсутствием надлежащего контроля за отходами производства и потребления, несмотря на существование развитой нормативной базы по обращению с ними, а также высокими затратами на обезвреживание и утилизацию ОБ, сопоставимую со стоимостью основных технологических приемов и сооружений по производству буровых работ [26].
Известно, что крупнотоннажные виды отходов в границах обустраиваемых месторождений характеризуются ресурсным потенциалом, позволяющим использовать их в качестве сырья для производства грунтозамещающих материалов ГИЗ НТ. Так, ОБ обладают скелетной матрицей, позволяющей на выделенных стадиях жизненного цикла, конвертировать данное сырье во вторичный техногенный строительный грунт [36, 40, 220]. Данные стадии проявляются в результате длительного пребывания ОБ в контакте с геосредой и включают акты обезвоживания, структурно-фазового перераспределения компонентов, уплотнения, консолидации с постепенным набором прочности.
Продолжительность подобных стадий в естественных условиях пребывания в накопителях, составляет от одного – двух сезонов до десятилетий [108, 117, 130, 145, 185]. Основная концепция настоящей работы заключается в сокращении продолжительности вышеназванных процессов от нескольких часов до одного сезона, путем управляемого интенсивного воздействия на ОБ длительного пребывания в шламонакопителе.
Все методы управляемого воздействия на ОБ, как основные (буровой шлам, буровые сточные воды, отработанные буровой раствор), так и вспомогательные (некондиционный тампонажный цемент), сводятся к минимизации объемов, снижению токсичности и, в конечном итоге, переводу техногенного сырья из категории "отход" в категорию "продукт" для получения материалов ГИЗ НТ и их дальнейшего целевого освоения [96, 99, 100, 138, 139, 145, 176, 212].
Существующие методы компактирования отходов бурения
Минимизация объемов ОБ, достигается посредством методов компактирования. Основным способом компактирования шламовых отходов выступает их обезвоживание, которое осуществляется как в естественных, так и в принудительных условиях [99, 191, 223].
Естественное обезвоживание шламовых отходов происходит непосредственно в выемке шламонакопителя за счет протекания процессов инсоляции, испарения, выветривания, промораживания в период отрицательных температур и последующего оттаивания, гравитационного уплотнение и дальнейшей консолидации донных слоев с формированием компактной кристаллической решетки [70, 111].
Рабочие условия осуществления процесса компактирования в естественной среде, как правило, задаются климатическими факторами. Так в условиях средней полосы, с преобладанием умеренно-континентального климата, компактирование ОБ длится от 3 до 5 лет. В районах наиболее жестких внешних факторов среды северных месторождений данный процесс практически не происходит, что обуславливается преобладанием отрицательных температур.
Наличие в составе шламов полимерных соединений отработанных буровых растворов, солей, а также углеводородов ухудшает водоотдающие свойства, что препятствует их компактированию. В связи с этим возникает необходимость интенсификации обезвоживания БШ.
На сегодняшний день существует большое разнообразие методов и направлений интенсификации обезвоживания (компактирования) БШ. Известны методы ускорения обезвоживания шламов в накопителях рыхлением поверхности, созданием вертикальных и горизонтальных дрен в толще шламовых тел, а также введение добавок, обладающих коагуляционно-флокуляционной активностью [11]. К числу данных обавок относят полиакриламид (ПАА), хлорид алюминия, Неонол (АФ-9,10), Алкилбензилдиметиламмоний хлориды (КАТАПАВ (1618С.50)), реагенты марки Праестол, действие которых способствует изменению структуры отходов бурения и улучшению их водоотдающих свойств [83]. Внедрение добавок в толщу техногенного образования с одновременным рыхлением поверхности осуществляется при помощи грейферных ковшей, дисковой бороны, плуга, чизеля. При этом реагентное кондиционирование, как метод предварительной подготовки к обезвоживанию, применяют как для свежих, так и застарелых отходов бурения [122].
К принудительным методам минимизации объемов буровых шламов относят механическое обезвоживание и термическую сушку [14]. Принудительное обезвоживание с использованием камерных и ленточных фильтр-прессов, вакуум-выпарных установок, сушилок требует строительства капитальных цехов и применяется, в основном, на площадках очистных сооружений промышленных сточных вод [85, 190, 222]. Одним из направлений компактирования шламовых отходов влажностью 100% и более выступает обезвоживание в фильтрующих оболочках односторонней проводимости [144]. Данный метод совмещает в одном сооружении естественное и принудительное удаление жидкой фазы за счет процессов седиментации, фильтрации, уплотнения и испарения [144].
Оценка геоэкологического и физико-механического состояния твердой фазы техногенного образования шламонакопителя
Оценка состояния донных отложений шламонакопителей основывается на изучении их геоэкологических и физико-механических свойств, позволяющих в дальнейшем определить последовательность или совокупность методов их обработки. Производство материалов ГИЗ на основе шламового сырья сопряжено с необходимостью учета множества показателей (см. таблицу 2.2). Для более детальной оценке состояния донного слоя накопителя используются такие параметры геоэкологической и физико-механической групп, как влажность, плотность, гранулометрический состав, коэффициент фильтрации, индекс загрязненности и модуль деформации. Данная оценка является многопараметрической и для ее проведения необходимо применения метода главных компонент (МГК).
Основной для МГК выступает массив данных, включающий в себя значения всех вышеперечисленных параметров для каждого объекта, представленный в таблице 3.3.
Представление массива данных в виде таблицы 3.3. не позволяет сделать однозначный выбор в пользу того или иного метода обработки шламового тела с получением материала ГИЗ заданных свойств. Решение этой проблемы возможно с использованием МГК, который позволяет центрировать полученные результаты в облаке их рассеяния в пространстве, а также определить наиболее значимые переменные, дельта которых имеет наибольшее значение. При этом, информативность массива данных не изменится.
Для проведения анализа многомерных данных был использован пакет математических программ “UNSCRAMBLER” [217]. В основе данного анализа лежит представление массива данных в виде матрицы Х, размерностью I J. Для этого необходимо преобразовать таблицу 3.3. в матрицу Х, в которой параметр I представлен объектами исследования (10 образцов), а параметр J переменными, описывающими состояние образцов (10 переменных). Матрица Х представлена на рисунке 3.1.
Исходный массив данных, прошедший стадию предварительной подготовки, в ходе которой осуществлялись процедуры центрирования и шкалирования, анализировались с помощью МГК. Результатом данного метода является построение МГК-модели, которая отображается на графиках счетов и нагрузок, характеризующие взаимосвязь между объектами исследования и оценивающими их параметрами.
С учетом общей остаточной дисперсии было построено 4 главные компоненты, общая объясненная дисперсия которых составила 87%. В настоящей работе рассматриваются 1 и 2 главные компоненты (рисунки 3.2 и 3.3). 3 4 компоненты не приводятся по причине низкой информативности относительно выполняемой задачи.
График счетов показывает расположение объектов исследования в поле 1 и 4 главных компонент (рисунок 3.1). В рамках настоящего исследования график счетов показывает условное разделение объектов исследования на 2 группы: рациональную (I) и условно-рациональную (II).
График нагрузок применяется для определения роли каждой переменной из общего перечня. Другими словами, график нагрузок отображает какой вклад вносит каждая переменная в ту или иную главные компоненты (рисунок 3.2). Он иллюстрирует коэффициенты пересчёта каждой из переменных при переходе к новому пространству меньшей размерности.
Расшифровка построенных графиков основана на анализе взаимного расположения объектов исследования и описывающих их переменных. В случае если на графике нагрузок две или более переменные располагаются рядом или практически полностью сливаются, то это означает их тесную положительную корреляцию. И наоборот, отрицательная корреляция присутствует между переменными, имеющими разные знаки «+» или «-» по отношению к 0. В данном случае действует прямая зависимость - чем больше один показатель, тем меньше другой. Для наглядной характеристики объектов исследования графики счетов и нагрузок рассматриваются совместно.
Анализ графика нагрузок (рисунок 3.3) указывает на то, что первая главная компонента (ГК1) определяется такими переменными, как гранулометрический состав твердой фазы (di) обладающий высокой положительной корреляцией, а также плотностью частиц (ч.), модулем деформации (Е), концентрацией нефтепродуктов (Сн/п), между которыми наблюдается отрицательная корреляция.
Вторая главная компонента определяется такими переменными, как влажность (W) и коэффициент фильтрации (Kф) обладающих положительной корреляцией, и суммарный показатель химического загрязнения (Zc), между которыми также наблюдается обратная корреляция.
Совместное рассмотрение графиков счетов и нагрузок (рисунки 3.2 и 3.3) определило, что для объектов, попавших в рациональную группу, по с равнению с остальными объектами исследования, характерны более низкие значения по влажности и концентрации нефтепродуктов, преобладание более мелкой фракции минеральной части, а также высокие показатели суммаркого химического загрязнения. Объекты, попавшие в условно-рациональную группу, напротив, имеют более высокие концентрации нефтепродуктов, но при этом низкие значения индекса суммарного химического загрязнения. Однако преобладание более крупных частиц в твердой фазе в данных образцах не обеспечивает высоких значений такого показателя, как модуль деформации ввиду значительного содержания влаги и нефтепродуктов.
Очевидно, что представителями первой группы выступают объекты северных районов РФ: шламонакопители «Ванкорский-1», «Ванкорский-2», «Сузунский», «Тагульский-1» и «Тагульский-2». Шламы накопителей, входящих в рациональную область, однородны, имеют влажность не более 40%. Утилизация данных техногенных образований возможна, минуя стадии предварительного обезвоживания. Однако учитывая преобладания мелко- и тонкодисперсной фракции минеральной составляющей особое внимание стоит уделить методу упрочнения.
В условно-рациональную область вошли объекты средней полосы РФ: шламонакопители «Горбатовский -1», «Горбатовский -2», «Горбатовский -3», «Мухановский» и «Радаевский». Утилизация их техногенных образований в материалы ГИЗ требует глубоких методов обработки, а именно предварительно обезвоживания и минерализации органической составляющей. После проведения предварительно подготовки шламовое сырье необходимо подвергать гомогенизации с вяжущими добавками и послудующему упрочнению.
Дифференциация шламонакопителей по выбору методов их предварительной подготовки перед утилизацией в материалы ГИЗ при помощи МГК является завершающим этапом оценки их состояния.
Апробация результатов лабораторного исследования в полупромышленных условиях
Для проверки достоверности результатов, полученных в ходе проведения лабораторных исследований, была проведена полупромышленная апробация в условиях действующего месторождения нефтегазового комплекса.
Все исследования по обработке шламовых отходов бурения в промышленных условиях проведены в условиях шламонакопителя скважины №513 Горбатовского месторождения АО «Самаранефтегаз», при этом были использованы отдельные образцы шламов, выбранных в качестве объектов исследований на лабораторных установках. Промышленные испытания по центробежному обезвоживанию, гомогенизации и упрочнению шламов проводились на специально подготовленных площадках.
Характеристики промышленной центрифуги, применяемой для обезвоживания шлама, аналогичны лабораторной со значениями фактора разделения 500, 1000 и 1500.
В производственных исследованиях были использованы виды шламовых отходов бурения, исследуемые в лабораторных экспериментах и отобранные из накопителя (таблица 4.2).
Обводненный донный шлам из шламонакопиетеля подавался в промежуточную емкость для кондиционирования с использованием наносного оборудования. Нижний слой донного шлама экскавировался с использованием погрузочной техники экскаватора марки Hyundai SE500. Кондиционирование исходного шлама осуществлялось в промежуточной емкости из которой полученная смесь направлялась в мобильный цех центрифугирования. Время обезвоживания для каждой партии обработанного шлама составило 3 минуты.
Объем каждой партии обработанного шлама составил 1 м3. Подача шлама в центрифугу осуществлялась непрерывно. График обезвоживания донного слоя из шламонакопителя представлен на рисунке 4.3.
Анализ графика 4.3 показывает, что обезвоживание в полупромышленных условиях протекает аналогично лабораторным исследованиям. При этом внесение большей дозы кондиционирующей добавки к исходному шламу 1:0,003 по сравнению с 1:0,001 не значительно изменяет его водоотдающую способность. В таблице 4.3 представлены характеристики обезвоженного шлама.
Результаты, представленные в таблице 4.2 показывают, что в результате процесса центробежного обезвоживания помимо снижения влажности исходных шламов повышается их плотность и уменьшается содержание нефтепродуктов. При этом реагентная схема обезвоживания способствует большему выходу нефтепродуктов в фугат, что согласуется с результатами лабораторных исследований. Так под действием центробежной силы часть углеводородной составляющей шлама уходит в фугат, который в последствии необходимо направить на локальные очистные сооружения (ЛОС). После прохождения очистки на ЛОС полученный сток можно направить на закачку в скважину для поддержания пластового давления. В условиях отсутствиях ЛОС фугат необходимо вывозить для обезвреживания на сторонние очистные сооружения.
После центрифуги обезвоженный шлам подавался на специализированные площадки для смешения с вяжущими добавками. Гомогенизации сырьевых компонентов осуществлялась с использованием различного смесительного оборудования представленного в Главе 2.
В полупромышленных условиях, для изучения влияния степени однородности сырьевых компонентов шламо-цементных смесей на физико-механические свойства получаемых композитов, процесс гомогенизации и упрочнения проводился лишь с вариацией смесительного оборудования при прочих равных условиях. Доза внесения вяжущей добавки по массе составила 1:0,1 для каждой партии обезвоженного шлама. Данное массовое соотношение было выбрано на основании результатов научно-исследовательской работы «Использование буровых шламов в качестве сырья при рекультивации нарушенных земель, отсыпке дорог, отсыпке площадных объектов» (1717515/2126Д//370/15-2016-НИР) для ООО «РН-Ванкор» выполненной сотрудниками научно-аналитического центра промышленной экологии ФГБОУ ВО «СамГТУ» при непосредственном участии автора. График зависимости изменения модуля деформации шламо-цементных композитов от степени однородности сырьевых компонентов и времени наблюдения представлен на рис. 4.3.
Анализ рисунка 4.4 показывает, что в полупромышленных условиях процесс упрочнения сопровождается протекание трех стадий аналогично лабораторным исследованиям. При этом продолжительность каждой из стадий сопоставима продолжительностью лабораторных исследований по упрочнению.
Физико-механические характеристики шламов на каждой стадии их обработки изменяются с возрастанием значений плотности и модуля деформации. Материалы на их основе могут иметь различное направление целевого использования в зависимости от вида работ по ГИЗ НТ. Принимая во внимание различные свойства шламо-цементных смесей на выделенных стадиях процесса упрочнения и требований, предъявляемых к отдельным видам материалов ГИЗ, необходимо создание системы соответствия получаемых композитов направлениям их целевого использования.
Конструктивно-строительное оформление комплекса по производству материалов геоинженерной защиты
Теоретические положения геоэкологической оценки территорий, нарушенных позиционированием шламонакопителей, а также результаты лабораторных и полупромышленных исследований по обезвоживанию, гомогенизации и последующему укреплению шламов бурения легли в основу разработки технологической схемы получения грунтозамещающего материала ГИЗ.
Конструктивно-технологическое оформление комплекса по производству материалов ГИЗ на основе шламовых отходов бурения представлено на рисунке 5.1
На представленном комплексе предполагается утилизация накопленных шламовых отходов бурения.
После предварительно отвода верхних углеводородного, при необходимости, и водоэмульсионного слоев из шламонакопителя (1.1) осуществляется извлечение обводненного донного шлама с использованием наносного оборудования и экскаватора. Извлеченный шлам направлялся в узел смешения 1.4 для его реагентной обработки кондиционирующими добавками (1.2). После кондиционирования обработанный шлам подается на центробежное обезвоживание 1.5, где происходит декантация жидкой и твердой фаз. Для обеспечения достижения нормативных показателей выделившаяся жидкая фаза -фугат проходит стадию очистки на локальных очистных сооружениях (зона II) с целью его дальнейшей закачки в подземный горизонт для поддержания пластового давления. Обезвоженный шлам поступает на специально оборудованные площадки смешения с вяжущим агентом (1.3), предназначенные для приготовления шламо-цементных смесей различной степени однородности (3.1-3.3). Доставка вяжущего агента на площадки 3.1-3.3 осуществляется с использованием погрузочной техники и самосвалов.
На площадке 3.1 гомогенизация сырьевых компонентов смеси производится с использованием экскаватора марки Hyundai SE500. Для возможности осуществления процесса гомогенизации площадка 3.1 оснащена технологической выемкой (котлованом) размером 3х3 м2 глубиной 2 м. Для предотвращения оказания негативного воздействия на компоненты геосреды производится изоляция стенок и дна технологической выемки с использованием геополимерных пленок и тугопластичных глин при наличии. При отсутствии возможности создания технологической выемки гомогенизация сырьевых компонентов шламоцементной смеси производится в металлической мульде размерами 2,5х2,5х1,5 м3. После поступления в технологическую выемку обезвоженного шлама и вяжущего агента гомогенизация производится путем многократного поочередного подъема и сброса смеси компонентов со смещение стрелы экскаватора для обеспечения возможности захвата материала. Время перемешивания составляет от 40 до 60 мин. Степень однородности готовой шламо-цеметной смеси определяется по методике (Глава 2) посредством отбора не проб из расчета 5 проб на 1 м3. После завершения процесса гомогенизации полученная смесь с помощью погрузочной техники и самосвала направляется на карту 4.1 для упрочнения и временного хранения.
Аналогично технологическому процессу площадки 3.1 осуществляется транспортировка сырьевых компонентов и готовой шламо-цементной смеси в условиях площадки 3.2. Однако в качестве смесительного устройства здесь используется автобетоносмеситель на базе шасси КАМАЗ 65115, объем 7м3. Время пребывания сырьевых компонентов смеси в корпусе бетономешалки составляет от 20 до 30мин. Выгрузка готовой смеси из объема смесителя осуществляется посредством действия внутреннего шнека через выгрузные лотки.
На площадке 3.3 для получения наиболее гомогенизированной шламо-цементной смеси в качестве смесительного оборудования применяется адаптированный двухвальный шнековый бетоносмеситель марки СМК - 125А.
В зависимости от типа производимого материала ГИЗ полученные шламо-цементные смеси с площадок смешения 3.1 – 3.3 направляются в зону IV, где происходит их укладка в бурты на специализированных картах 4.1-4.3.
При создании искусственных оснований гомогенизированная смесь с технологической площадки 3.3 доставляется самосвалами в места их формирования. После отгрузки шламо-цементной смеси происходит ее разравнивание бульдозерами по площади формируемого основания с последующем уплотнение грунтовыми катками марки Bomag BW 212 PD-40 (масса 12 тонн). Укладка искусственного основания осуществляется послойно, мощность каждого слоя составляет 0,4-0,5 м.
Производительность комплекса составляет до 8 000 м3/год.