А.Ф. КОСАЧ, доктор техн. наук, профессор, И.Н. КУЗНЕЦОВА, канд. техн. наук, Г.А. ПЕДУН, аспирант, Н.А. ГУТАРЕВА, аспирант, Югорский государственный университет

Ключевые слова: активация, прочностные характеристики, механоактивация буровых шламов, шламы, шламоцементное вяжущее, буровой раствор, плотность, наномодификатор, прочность при сжатии и изгибе
Keywords: activation, strength characteristics, mechanical activation of drill cuttings, cuttings, sludge cement, drilling fluid, density, nanomodifier, compressive and bending strength

В статье представлена оценка отходов нефтедобычи на основе модифицируемого высокодисперсного шламоцементного бетона. Исследован цементный камень из цементно-песчано-шламовой смеси. Представлена технология производства бетона путем измельчения частиц дисперсной фазы на стадии перемешивания с использованием песчано-шламовой смеси в пропорции 70:30.

Развитие строительного материаловедения и строительной индустрии формируется на базе наукоемких технологий, обеспечивающих высокое качество продукции, ее экологическую безопасность, эффективное использование сырья, экономию ресурсов. Это становится возможным только с применением последних достижений в области физики, химии; процессов самоорганизации материала на атомно-молекулярном уровне, позволяющих создавать уникальные строительные материалы. Это определяет физический и химический смысл нанотехнологических процессов, которые характеризуются настолько малым размером морфологических элементов, что он соизмерим с одной или несколькими фундаментальными физическими величинами этого вещества (изменение периодов кристаллической решетки и др.). По мере того, как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, увеличивается удельная поверхность, что повышает долю атомов, оказавшихся на границах или на свободных поверхностях. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов (тогда особенно проявляются все особенности поверхностных состояний), то разделение свойств на объемные и поверхностные приобретает в какой-то мере условный характер. Развитая поверхность влия­ет как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые по сравнению с массивными материалами влекут за собой изменения физических свойств ультрадисперсных систем.

Нанотехнология создает наносистемы как «сверху вниз», так и «снизу вверх» (рис. 1). Уже сейчас известны явления самоорганизации наноструктурированных объектов, в которых участвуют процессы самоорганизации веществ на атомно-молекулярном уровне, позволяющие создавать уникальные объекты без внешнего влияния. Таким образом, появление подобных структурированных объектов не носит случайного характера.

В данной работе рассматривается возможность использования отходов нефтедобычи высокодисперсного бурового шлама, состоящего из отходов бурения и бурового раствора.

Ханты-Мансийский автономный округ – Югра дает 51% добычи российской нефти и почти 7% мировой. Так, по оценкам Управления Росприроднадзора по ХМАО-Югре, в 2017 году на территории округа, где располагаются 70% всех нефтедобывающих скважин Российской Федерации, в эксплуатацию было введено 4597 новых нефтяных скважин. При этом на территории региона образовалось 6656,1 тыс. тонн отходов, большую часть из которых (около 68%) составляют производственные отходы бурения – буровой шлам, который требует значительных расходов на утилизацию[1].

Исследования Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН (НИИЦЭБ РАН) и Научно-исследовательского института экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.Н. Сысина (НИИ ЭЧ и ГОС им. А.Н. Сысина) доказывают, что выбуренная порода и получаемый буровой шлам, прошедший четырехступенчатую очистку, характеризуются низкой удельной активностью радионуклидов. Содержание тяжелых металлов и мышьяка (в подвижной и валовой форме) не превышает предельно допустимых и ориентировочно допустимых концентраций для глинистых и суглинистых почв, отсутствует токсичность для почвенной микрофлоры, гидробионтов, микробиотов, высших растений и теплокровных животных.

Согласно паспорту опасного отхода, буровой шлам, прошедший четырехступенчатую очистку, на 81,90% состоит из природного материала (глина, глинозем, кремнезем и др.) и воды, что позволяет отнести его к IV классу опасности и дает возможность использовать, например, для рекультивации нарушенных земель.

Химический состав бурового шлама зависит как от его минерального состава, так и свойств бурового раствора, состав которого варьируется в зависимости от осуществляемых видов работ при бурении и требуемых заданных свойств бурового раствора. Элементный состав бурового шлама, прошедшего четырехступенчатую очистку, по данным санитарно-эпидемиологических заключений, приведен в таблице 1.

Таблица 1

Элементы	Si	Al	Fe	Са	Mg	Na	К	S
Проценты, %	47-53	17-23	7-9	5-6	2-3	3	2-3	3-4

Буровые шламы главным образом состоят из смеси глинистого минерала каолина с кварцем. Другие минералы содержатся в заметно меньшем количестве. Присутствие каолина связано со значительным содержанием в буровом растворе бентонитовых глин. Кварц является основным компонентом выбуриваемых горных пород. Кальцит в виде мела попадает в шлам из бурового раствора [2].

Таким образом, нефтедобывающим предприятиям для улучшения экологической ситуации и для снижения экологического ущерба следует осуществлять переработку буровых шламов комплексными методами, основанными на вовлечение их в производственные циклы для получения строительных и иных материалов [3].

Образующийся в ходе бурения буровой шлам, прошедший четырехступенчатую систему очистки, относится к IV классу опасности (малоопасный отход) для окружающей среды и может быть использован в качестве грунта при строительстве тела насыпи площадки, а также для производства бетонов на минеральном вяжущем с последующим обогащением.

Целью данной работы является разработка состава и технологии приготовления цементно-песчаного бетона на основе добавки-модификатора и прошедшего четырехступенчатую очистку бурового шлама.

В лаборатории Института новых технологий и автоматизации промышленности строительных материалов (ООО «ИНТА-СТРОЙ», г. Омск) были испытаны образцы шламоцементного камня и шламоцементного песчаного бетона, задачей которых являлось получение бетонов заданных физико-механических показателей [5].

В настоящей работе активация бурового шлама осуществлялась по сухому, мокрому и химическому способу в мельнице непрерывного действия роторного типа
(«­Вьюга-3») (рис. 2). При сухом способе осуществляется только механическая активация. При мокром способе – механическая и акустическая активация цемента. При химическом способе использовали в качестве химического реагента пластифицирующую добавку Мегалит С-3 МЛ.

Прочность шламоцементного камня определялась на установке с цифровым модулем для бетонных образцов MATEST, приготовленных из цементного теста нормальной густоты, в количестве 60 штук и размерами 2×2×2 см. Образцы-балочки размерами 4×4×16 см формовались из шламоцементно-песчаного раствора нормальной консистенции (110—115 см) и содержанием активированного бурового шлама, прошедшего четырехступенчатую очистку. Физико-механические показатели полученных образцов определялись в возрасте 28 суток (рис. 3).

Для определения по содержанию размеров ультрадисперсных частиц бурового шлама, полученных в ходе активации, применяли лазерный анализатор MicroSizer 201. Результаты распределения частиц бурового шлама до и после активации показывают, что количество ультрадисперсных частиц бурового шлама размером 0,6—1,3 мкм составляет 15-17% (рис. 4).

Измерение удельной поверхности и среднего размера частиц, получаемых при активации буровых шламов по сухому, мокрому и химическому способу, определялось на приборе ПСХ-12.

Полученные данные показывают, что прочность при оптимальном шламоцементном отношении массы вяжущего к массе цемента 30:70 увеличивается на 30%, а в шламоцементно-песчаном растворе прочность при изгибе и сжатии увеличилась соответственно на 32,4 и 35,0%.

Таблица 2. Отношение массы активированных буровых шламов, прошедших четырехступенчатую очистку в % к массе цемента

Способ активации	Физико-механические показатели шламоцементного камня	Отношение массы активированных шламов к массе цемента в %
		0:100	10:90	20:80	30:70	40:60
Сухая активация. Средний размер частиц 19 мкм. Удельная поверхность 1172 см2/г	Средняя плотность pср, г/см3	2,46	2,41	2,38	2,31	2,27
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	40,7	42,1	44,5	47,2	39,7
Мокрая активация (вода). Средний размер частиц 14 мкм. Удельная поверхность 1645 см2/г ρж=1 г/см3	Средняя плотность pср, г/см3	2,47	2,46	2,41	2,37	2,31
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	40,5	43,9	46,7	49,9	48,1
Химическая активация (вода + добавка Мегалит С-3 МЛ). Средний размер частиц 9 мкм. Удельная поверхность 2415 см2/г ρж=1,15 г/см3	Средняя плотность pср, г/см3	2,47	2,45	2,37	2,34	2,28
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	40,8	44,7	49,1	51,6	48,9
Способ активации	Физико-механические показатели шламоцементно-песчаного бетона	Отношение массы оптимального шламоцементного вяжущего 30:70 к массе цемента в % для пескобетона нормальной густоты
		0:100	10:90	20:80	30:70	40:60
Сухая активация. Средний размер частиц 19 мкм. Удельная поверхность 1172 см2/г	Прочность при изгибе Rизг, МПа	14,7	16,2	18,4	20,0	19,1
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	25,4	27,9	30,5	34,3	33,0
Мокрая активация (вода). Средний размер частиц 14 мкм. Удельная поверхность 1645 см2/г ρж=1 г/см3	Прочность при изгибе Rизг, МПа	15,0	17,7	19,5	21,0	19,4
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	25,7	29,8	32,9	35,7	33,2
Химическая активация (вода + добавка Мегалит С-3 МЛ). Средний размер частиц 9 мкм. Удельная поверхность 2415 см2/г ρж=1,15 г/см33	Прочность при изгибе Rизг, МПа	15,3	18,5	20,2	22,3	21,3
	Прочность при сжатии Rсж, МПа	25,5	30,6	34,2	37,0	35,2

Выводы:

Использование буровых шламов с применением предложенной технологии их активации позволяет улучшить структуру цементного камня за счет заполнения межзерновой пустотности между непрогидратированными зернами цемента, а также физико-механические характеристики цементного камня. Применение наноразмерных частиц бурового шлама в количестве 30% от расхода цемента позволяет экономить цемент до 30%, при этом повысить прочность материала при сжатии и изгибе от 30 до 34%.

Результаты применения буровых шламов в качестве ультрадисперсного шламоцементного вяжущего (30:70) для промышленного и гражданского строительства позволяют сделать вывод о привлекательности инвестиций в переработку шламов на территории Ханты-Мансийского автономного округа. Это положительно скажется не только на экономическом, социальном и экологическом положении региона, но также позволит вернуть часть ранее выбуренный шлам в исходную, «родственную» ему геологическую среду, что даст возможность оптимизировать затраты на природоохранные мероприятия.

Библиографический список

1. Толстограй В.И. Проблемы торфяных ресурсов ХМАО // Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: Теория, методы, практика / Отв. ред. Ф.Н. Рянский, С.Н. Соколов – Нижневартовск, 2003, с. 31-40.
2. Ахведов И.Н. Основы физики бетона: учебник для вузов / И.Н. Ахведов. – М.: Стройиздат, 1981, – 464 с.
3. Гусев Б.В. Формирование структуры композиционных материалов и их свойства / Б. В. Гусев [и др.]. – М.: Научный мир, 2006, – 560 с.
4. Косач А.Ф. Влияние основных минералов цементного камня на его структуру и свойства / И.Н. Кузнецова, А.Ф. Косач, М.А. Ращупкина, Н.А. Гутарева // Известия вузов. Строительство, №8 (680), 2015, с. 25-33.
5. Косач А.Ф. Технология пенобетона на основе торфа / И.Н. Кузнецова, М.А. Ращупкина, С.В. Жуков // Вестник СибАДИ, №4 (38), 2014, с. 72-77.