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.
В ПНИПУ доказали, что гипс снижает токсичность буровых отходов / © Дмитрий Жуков, Getty images
Статья с результатами исследования опубликована в журнале «Теоретическая и прикладная экология». 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 процентов) приводило к изменению концентрации хлорид-иона во всех образцах. Внесение реагента от 15 до 20 процентов снизило содержание карбонат-ионов до минимальных значений и в два 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 процентов существенно снижает этот показатель.
«На основании полученных результатов мы можем отнести образцы грунта к незасоленным (содержание легкорастворимых солей < 0,5 процента) и слабозасоленным (0,5-1,0 процента). Использование гипса значительно увеличивает водопроницаемость буровых отходов, то есть улучшаются их фильтрационные свойства. Наилучший результат наблюдали при внесении 10-20 процентов гипса», – 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.
