При бурении скважин специалисты применяют 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.
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 может наносить вред природной средуе. 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. Также научный коллектив разработал 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», — объяснила 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, объясняют ученые. 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 гипса значительно увеличивает водопроницаемость буровых отходов, то есть улучшаются их фильтрационные свойства. Наилучший результат наблюдали при внесении 10-20% гипса», — рассказала Елена Гаевая, профессор кафедры техносферной безопасности ТИУ.
Эксперименты 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.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Теоретическая и прикладная экология», 2024 год. Работа выполнена по программе стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» национального проекта «Наука и университеты».
