При строительстве скважин применяют различные буровые растворы, которые содержат в своем составе калий, кальцинированную соду и известь. Образующиеся отходы из-за высокого содержания солей негативно влияют на почву, растительность, поверхностные и грунтовые воды. Но с помощью химических реагентов возможно изменить солевой состав шлама. Ученые Пермского Политеха и Тюменского индустриального университета впервые доказали, что для снижения его токсичности перспективно использование гипса. С его помощью можно создавать оптимальные водно-физические свойства буровых отходов для их утилизации без вреда окружающей среде.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Теоретическая и прикладная экология», 2024 год. Работа выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Буровой шлам — это измельченная горная порода с остатками бурового раствора, сточных вод и флюидов из пластов скважин. Применяемые сейчас растворы содержат в себе калий, кальцинированную соду, хлорид кальция, хлорид калия и известь. Большое количество водорастворимых солей повышает щелочность шлама, из-за чего он негативно влияет на природную среду. Поэтому в процессе утилизации таких отходов необходимо снижать токсический эффект.
Этого можно добиться с помощью химических реагентов, например, гипса и фосфогипса. Они способны вытеснить поглощенные ионы натрия и тем самым уменьшить концентрацию солей.
Ученые Пермского Политеха совместно с Тюменским индустриальным университетом провели исследование и выявили закономерности изменения солевого состава буровых шламов в процессе ионно-обменной реакции при использовании гипса. А также разработали математическую модель прогноза растворения солей, которая учитывает все неуправляемые факторы, влияющие на этот процесс (плотность, гранулометрический состав, коэффициент фильтрации, содержание водорастворимых солей).
— В естественном состоянии буровой шлам обладает вязко-пластичными свойствами, в сухом — отличается слитностью и твердостью. Это обусловлено содержанием соединений натрия. Для улучшения физико-химических свойств шлама и снижения его щелочности необходимо вытеснить поглощенные ионы натрия с помощью гипса, — объясняет Лариса Рудакова, заведующая кафедрой охраны окружающей среды ПНИПУ, доктор технических наук.
Исследователи использовали несколько образцов шлама, на которых применялись разные типы буровых растворов. Их смешивали в определенных пропорциях с гипсом, после чего происходила ионно-обменная реакция с замещением катионов натрия на катионы кальция.
Внесение гипса в разных соотношениях (3-20 %) приводило к изменению концентрации хлорид-иона во всех образцах. Внесение реагента от 15 до 20 % снизило содержание карбонат-ионов до минимальных значений и в 2 раза — фосфат-ионов. Это свидетельствует об эффективности применения гипса для снижения щелочности.
Особенности физико-механических свойств (влажность, плотность, поровое пространство) бурового шлама указывают на способность к поглощению и удерживанию растворенных солей. Определение плотного остатка говорит об общем содержании органических и минеральных соединений в шламе. Внесение гипса от 7 до 20 % существенно снижает этот показатель.
— На основании полученных результатов мы можем отнести образцы грунта к незасоленным (содержание легкорастворимых солей < 0,5 %) и слабозасоленным (0,5-1,0 %). Использование реагента значительно увеличивает водопроницаемость буровых отходов, то есть улучшаются их фильтрационные свойства. Наилучший результат наблюдали при внесении 10-20 %, — рассказывает Елена Гаевая, профессор кафедры техносферной безопасности ТИУ, кандидат биологических наук.
Экспериментальные исследования ученых ПНИПУ и ТИУ доказали, что применение гипса перспективно для снижения уровня токсичности буровых отходов. Выявленные закономерности и созданная математическая модель позволяют спрогнозировать нормы внесения гипса для уменьшения содержания водорастворимых солей в шламе. Процесс их утилизации станет более экологичным и безвредным для окружающей среды.