Статья: Минералого-геохимическая специфика буровых шламов нефтегазоконденсатных месторождений на примере объектов Иркутской области

Минералого-геохимическая специфика буровых шламов нефтегазоконденсатных месторождений на примере объектов Иркутской области

А.А. Климова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск

Е.Г. Язиков, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск

Представлено исследование минералогического и элементного состава буровых шламов. Пробы отбирались из шламовых амбаров нефтегазоконденсатных месторождений Иркутской области - Ярактинского и Марковского. Целью исследования стало определение минералого-геохимической специфики и токсичности буровых шламов. Использовался комплексный подход с применением таких методов исследования, как рентгеновская порошковая дифрактометрия, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, сканирующая электронная микроскопия, биотестирование с применением двух тест-объектов.

По результатам исследования в минералогическом составе проб бурового шлама преобладают кварц, кальцит, доломит. Обнаружены существенные различия в минералогическом составе бурового шлама, отобранного со скважин с разным типом бурения. Геохимическая специфика исследуемых буровых шламов определялась относительно кларка верхней части континентальной коры. Элементный состав буровых шламов различен, однако элементы, концентрируемые в повышенных значениях, в основном относятся к тяжелым металлам.

Суммарный показатель загрязнения, рассчитанный по кларку концентрации, показал разную степень загрязнения исследуемых проб. Высокой степенью загрязнения обладает проба с Ярактинского месторождения, отобранная на кустовой площадке с эксплуатационными скважинами. К низкой степени загрязнения относится проба с Марковского месторождения.

Метод рентгеновской спектроскопии выявил минеральные фазы Pb, Sn, Sr, Ba Fe, Ti при исследовании проб бурового шлама. По результатам токсикологического анализа методом биотестирования исследуемый буровой шлам относится к умеренно опасным и малоопасным отходам, буровой шлам оказывает токсическое действие на микроводоросли Scenedesmus quadricauda и рачков Daphia magna

Ключевые слова: буровой шлам; шламовый амбар; кустовая площадка; нефтегазоконденсатное месторождение; элементный состав; минеральный состав; биотестирование; Scenedesmus quadricauda; Daphia magna; Иркутская область

MINERALOGICAL AND GEOCHEMICAL PARTICULARITY OF DRILL CUTTINGS FROM OIL AND GAS CONDENSATE FIELDS ON THE EXAMPLE OF OBJECTS OF THE IRKUTSK REGION

A. Klimova, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk

E. Yazikov,

National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk

The article presents a study of the mineralogical and elemental composition of drill cuttings. Samples were selected from sludge pits of oil and gas condensate fields of the Irkutsk region - Yaraktinskoye and Markovskoye. The main aim of the research is to identify the geochemical and mineralogical particularity of drill cuttings, to determine the toxicity of this type of waste. The authors have used an integrated approach using such research methods as: X-ray powder diffraction, inductively coupled plasma mass spectrometry, scanning electron microscope, bioassay.

According to the results of the study, minerals such as quartz, calcite, dolomite prevail in the mineralogical composition of samples of drill cuttings. However, there are significant differences in the mineralogical composition of drill cuttings from wells with different types of drilling. The geochemical specificity of the studied drill cuttings was determined relative to the clark of the upper part of the continental crust. In general, the elemental composition of drill cuttings is different, but elements concentrated in elevated values relate mainly to heavy metals.

The value of the total pollution indicator calculated by the clark of concentration shows that the samples are of different degrees of pollution. A sample from the Yaraktinskoye field, taken at a well pad with production wells, has a high degree of contamination. A low degree of contamination includes a sample from the Markovskoye field.

The method of X-ray spectroscopy has revealed the mineral phases of elements such as Pb, Sn, Sr, Ba Fe, Ti. According to the results of toxicological analysis using the bioassay method, the studied drill cuttings are classified as moderately hazardous and low-hazardous wastes, as drill cuttings have a toxic effect on microalgae Scenedesmus quadricauda and crustaceans Daphia magna

Key words: drill cuttings; sludge pits; well pad; oil and gas condensate field; elemental composition; mineral composition; bioassay; Scenedesmus quadricauda; Daphia magna; Irkutsk region

Введение

Техногенные потоки на нефтяном промысле в основном формируются из веществ, образующихся на этапе проведения буровых работ и строительства скважин. К таким веществам относят в первую очередь буровые отходы и химические реагенты. Рядом исследователей отмечается, что строительство нефтяных и газовых скважин опасно для объектов природной среды [4; 10].

Влияние шламовых амбаров как источника поступления сточных вод и отходов бурения в окружающую среду рассмотрено в трудах А.В. Соромотина и О.Г. Савичева, И.А. Матвеенко, Д. В. Савченко [10; 17]. Шламовые амбары являются источником загрязнения окружающей среды, вследствие чего основную нагрузку принимают на себя почвенный покров, поверхностные и под-земные воды, что отражено в ряде исследований [1; 4; 17].

Отходы бурения имеют свои химические характеристики, зависящие от технологии бурения (типа буровых растворов, методов бурения), состава исходных пород [15]. Буровой шлам представляет собой вырубленную породу, пропитанную буровым раствором, различными эмульгаторами, химическими добавками [7; 16]. Таким образом, химический состав буровых шламов определяется прежде всего литологическим составом разбуриваемых пород и реагентами, входящими в состав буровых растворов [3; 13].

В состав буровых шламов входят макро- и микроэлементы. Особое беспокойство вызывают такие элементы, как Ba, Ni, Co, Cu и Zn, что связано с их долговременной подвижностью [15]. Тяжелые металлы не подвергаются биологическим процессам и сохраняются в окружающей среде, поэтому их присутствие в отходах бурения представляет проблему для состояния природной среды [14].

Как утверждает В. И. Балаба, в буровых шламах большая часть металлов находится в нерастворимой форме, как правило, в структуре кристаллической решетки минералов вмещающих пород [1]. Поэтому при исследовании буровых шламов большое внимание необходимо уделять валовому содержанию токсичных компонентов. Не менее важно учитывать подвижную форму тяжелых металлов, так как исследованиями доказано, что происходит вынос из шлама подвижных форм элементов. В результате чего буровой шлам может стать источником вторичного загрязнения [1; 6].

Целью исследования являлось изучение минералогической и геохимической специфики буровых шламов и определение наличия токсичности данного вида отходов с использованием современных методов исследований. Объектом исследований стал буровой шлам, образованный при бурении эксплуатационных и разведочных скважин на территории двух нефтегазоконденсатных месторождений, расположенных в Иркутской области. геохимический буровой шлам месторождение

Ярактинское и Марковское нефтегазоконденсатные месторождения находятся на левой стороне р. Лена в Усть-Кутском районе Иркутской области. Оператором месторождений является ООО «Иркутская нефтяная компания».

Геология

Исследуемая территория располагается в пределах Сибирской платформы, на территории Непско-Ботуобинской нефтегазоносной области, входящей в состав Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции. Южная часть платформы выделяется поднятием - Непско-Ботуобинской антеклизой, которая содержит нефтегазоносные комплексы разного литологического состава [8].

На юго-западе Непско-Ботуобинской антеклизы открыты Ярактинское и Марковское нефтегазоконденсатные месторождения, относящиеся к терригенным вендским и карбонатным венд-кембрийским отложениям [5]. Марковское месторождение в геологическом отношении характеризуется развитием осадочных образований ордовикской системы нижнего палеозоя, перекрытых породами четвертичной системы. Продуктивный осинский горизонт, залегающий в нижней части усольской свиты, четко выделяется в разрезах всех скважин (Усть-Илимск O-48: геологическая карта: масштаб 1:1 000 000 // Государственная геологическая карта Российской Федерации. Серия: Ангаро-Енисейская / ред. Е.П. Миронюк. Иркутск, 2010). Ярактинское месторождение обнаружено в 1971 г., севернее Марковского. Нефтегазоносными являются отложения непской и тирской свит подсолевой венд-кембрийской части осадочного чехла [12].

Методика исследования

Летом 2018 г. проведен отбор проб бурового шлама из шламовых амбаров Ярактинского и Марковского нефтегазоконденсатных месторождений. На Ярактинском месторождении отобраны две объединенные пробы бурового шлама из шламовых амбаров, расположенных на двух кустовых площадках. Первая кустовая площадка оборудована эксплуатационными скважинами, на другой - разведочная скважина. На Марковском месторождении объединенная проба шлама отбиралась из эксплуатационной скважины.

Для каждого шламового амбара путем смешения точечных проб, отобранных по периметру амбара, составлялись объединенные пробы. Масса объединенных проб составила не менее 1 кг. Все работы по отбору проб бурового шлама проводились в соответствии с методическими рекомендациями (ПНД Ф 12.1:2:2.2:2.3:3.2-03. Отбор проб почв, грунтов, донных отложений, илов, осадков сточных вод, отходов производства и потребления: методические рекомендации. Москва, 2014).

Пробоподготовка к аналитическим исследованиям включала несколько этапов: пробы бурового шлама просушивались, просеивались через сито (с диаметром отверстий 1 мм). Перед исследованием элементного и минералогического состава валовые пробы бурового шлама измельчались на дробильной установке и растирались в агатовой ступке до пудрообразного состояния. Отдельно выделялась глинистая составляющая методом отмучивания исходной пробы, с последующим растиранием в агатовой ступке. Перед работой на сканирующем электронном микроскопе пробы бурового шлама были разделены на магнитную, электромагнитную и немагнитную фракции.

Минералогический состав исследуемых проб определялся методом рентгеновской порошковой дифрактометрии на дифрактометре Bruker D2 PHASER в МИНОЦ «Урановая геология» на базе Инженерной школы природных ресурсов НИ ТПУ (консультант Б. Р Соктоев). Изучение минеральных форм элементов в исследуемых буровых шламах проводилось на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010/5010 в МИНОЦ «Урановая геология» (консультант С. С. Ильенок). Элементный состав определялся методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) в Химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск).

Полученные результаты обработаны при помощи программы Microsoft Excel. Кларк концентрации рассчитывался по формуле Kk = C/Ck, где Kk - кларк концентрации; С - содержание элемента в пробе, мг/кг; Сk - геохимический кларк земной коры, мг/кг [2]. Рассчитан суммарный показатель загрязнения, с использованием кларка концентрации (Kk),

где Kk - кларк концентрации i-го химического элемента;

n - число учитываемых аномальных элементов.

Суммарный показатель загрязнения разделяется на категории: низкий - менее 16; средний - 16...32; высокий - 32...128; очень высокий - более 128 [9].

В аккредитованной лаборатории ОГБУ «Облкомприрода» (г Томск) (аналитик А.П. Сороченко) по аттестованным методикам определена токсичность и установлен класс опасности исследуемых буровых шламов с помощью биотестирования на двух тест-объектах из разных биологических групп: Daphnia magna и Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb.

Результаты исследования и их обсуждение

По данным рентгенофазового анализа в составе исследуемых проб бурового шлама определены общие минералы - кварц, кальцит, доломит и слюдистые минералы (мусковит, биотит).

Пробы бурового шлама с эксплуатационных скважин Ярактинского и Марковского месторождений имеют общие минералы - кварц, кальцит, доломит, мусковит и ангидрит, занимающие максимальную долю в составе проб.

Проба бурового шлама с разведочной скважины Ярактинского месторождения существенно отличается по минералогическому составу от пробы с эксплуатационных скважин. В составе появляются силикаты и алюмосиликаты (диопсид и цеолит), соли (галит), слюдистый минерал представлен биотитом.

Дополнительно предпринята попытка выделить глинистую составляющую методом отмучивания с последующей фильтрацией и анализом полученной фракции на дифрактометре. По данным рентгенофазового анализа в составе отделенной фракции глинистые минералы не обнаружены.

Результаты рентгенофазового анализа валовых проб и выделенной составляющей после отмучивания проб бурового шлама представлены в табл.1.

Таблица 1 / Table 1

Минералогический состав бурового шлама, % / Mineralogical composition of drill cuttings, %