Badania laboratoryjne doboru środków wiążących do zestalania zużytych płuczek wiertniczych

Zestalanie płuczki wiertniczej jest technologicznie trud-niejszym procesem niż zestalanie urobku ze względu na jej płynną postać zagęszczoną zdyspergowanymi polimerami i cząstkami ilastymi pochodzącymi z przewiercanych warstw oraz zawierającą rozpuszczone związki chemiczne stosowane do regulowania właściwości, które niekorzystnie wpływają na przebieg procesu wiązania. Dlatego bardzo ważny jest dobór środków, których zadaniem jest takie przekształcenie suspensji płuczki wiertniczej w ciało stałe o odpowiedniej wytrzymało-ści mechanicznej, aby w jak największym stopniu ograniczyć wymywanie się z niego substancji niebezpiecznych.

Badania zestalania płuczek otworowych przeprowadzone zostały w celu rozpoznania możliwości wiązania płuczki w całości jako fazy płynnej i stałej przy użyciu wytypowanych środków wiążących i stabilizujących takich jak: cement, szkło wodne sodowe, tlenek wapnia oraz spoiwo hydrauliczno--pucolanowe zawierające dużą ilość aktywnej krzemionki – Silment [3, 11].

Zestalanie zużytych, odpadowych płuczek otworowych prowadzono w dwóch etapach. Celem badań etapu pierwszego był wstępny dobór rodzaju środków wiążących określany na podstawie zmiany konsystencji płuczki otworowej przy zada-wanych kolejnych dawkach danego środka i wzrostu wartości parametrów reologicznych, aż do momentu uzyskania

niemie-rzalnych ich wartości oraz obserwacji objawów występowania odstoju wody w czasie wiązania. Natomiast podstawowym celem badań etapu drugiego był dobór optymalnej ilości wy-branych w poprzednim etapie, środków wiążących pod kątem wpływu na czas początku i końca wiązania, wytrzymałość na ściskanie zestalonej próbki płuczki oraz wymywalność z niej związków szkodliwych. Do badań laboratoryjnych za-stosowano płuczki bentonitowe pobrane z głębokości od ok.

60 do 700 m z otworów N5, R15, R16 i R17 oraz beziłowe płuczki polimerowe pochodzące z otworów C5K, B2 i P25 z głębokości od 1400 do 4600 m (tabl. 1).

Wyniki badań etapu pierwszego wykazały brak wiązania płynnej suspensji płuczki przy użyciu tylko cementu lub Silmentu. Zwiększanie ilości tych środków, także w połącze-niu z CaO, powodowało jedynie jej silne gęstnienie, głównie płuczki bentonitowej, a szczególnie w obecności cementu.

Podczas wprowadzania szkła wodnego do zagęszczonej su-spensji płuczki obserwowano stopniowe powstawanie w cza-sie jednorodnej masy i w konsekwencji jej wiązanie. Zmiana kolejności dodawania środków wiążących spowodowała, że gęstnienie płuczki zachodziło w krótszym czasie. Jednak, jak wykazały badania, czas wiązania płuczki i właściwości fizyczne powstałego z płuczki ciała stałego w dużej mierze zależały od rodzaju zestalanej płuczki i dodawanych środków wiążących. Stosując do zestalania tych płuczek te same środki wiążące, tj. cement, szkło wodne, Silment i dodatkowo tlenek wapnia obserwowano, że w wyniku zestalenia płuczki ben-tonitowej struktura otrzymanego ciała stałego wykazywała charakter porowaty, natomiast utworzonego z płuczek polime-rowych miała postać jednorodną. W tablicy 1 przedstawiono wybrane zestawy środków wiążących i zmiany parametrów reologicznych zawiesin koloidalnych płuczek pochodzących z dwóch otworów i różnych głębokości podczas ich zestalanych.

Tablica 1. Zmiany właściwości reologicznych zestalanych płuczek otworowych Table 1. Rheology changes in the solidified well muds

Na podstawie wyników badań etapu pierwszego, które wskazywały przydatność zastosowanych środków wiążących i ukierunkowały kolejność ich wprowadzania do suspensji płuczki, dalsze badania kontynuowano z udziałem szkła wodnego sodowego w zestawie z Silmentem lub cementem portlandzkim lub cementem wieloskładnikowym. O wybo-rze tych środków zdecydowały ich właściwości chemiczne i wpływ na właściwości mechaniczne ciała stałego powstałego po zestaleniu płuczki otworowej.

Szkło wodne potasowe lub sodowe, tj. krzemiany alkalicz-ne, z powodzeniem jest stosowane w technologii zaczynów cementowych jako środek przyspieszający wiązanie oraz w technologii płuczek wiertniczych, jako środek zapobie-gający hydratacji skał ilasto-łupkowych [1, 2, 8, 10]. Są związkami chemicznymi o szerokim aplikacyjnym znaczeniu, uznawanymi za środki bezpieczne ekologicznie i znajdują zastosowanie m.in. w gospodarce wodnej i ściekowej do oczyszczania ścieków z toksycznych metali oraz uzdatniania wody przeznaczonej do picia, jak również w gospodarce sa-nitarnej do wytwarzania powłoki zapobiegającej przyleganiu brudu i bakterii na powierzchni przedmiotów [6, 7]. Ponadto stosowane są także do zapobiegania korozji, odkładania się osadów oraz uszczelniania gleby, wałów, tuneli.

Kolejnym środkiem proponowanym do wiązania płuczek wiertniczych jest spoiwo hydrauliczne o własnościach zbli-żonych do cementu pod nazwą handlową Silment. Otrzymuje się je w wyniku wspólnego przemiału klinkieru cementowego i pucolany przemysłowej typu Q. Charakteryzuje się wysokim udziałem aktywnej krzemionki, co powoduje, że w zaprawach mineralnych następuje szybki przyrost fazy CSH – odpowie-dzialnej za wysoką wytrzymałość spoiw, ich hydrofobowość i podwyższoną odporność na warunki atmosferyczne. Dzięki swoim specyficznym właściwościom hydrauliczno-puco-lanowym znajduje szerokie zastosowanie w budownictwie ogólnym i drogowym do produkcji zapraw budowlanych oraz stabilizacji i wzmacniania gruntów, do dekontaminacji niebezpiecznych odpadów i scalania osadów ściekowych, a także jako materiał wiążący dodawany do suspensji popio-łowo-wodnych [11, 12].

Wykorzystane do zestalania odpadowych płuczek wiert-niczych znane materiały wiążące, cement portlandzki klasy CEM I 32,5 oraz wieloskładnikowy z dodatkiem popiołów CEM II BM, są podstawowymi składnikami zaczynów ce-mentowych stosowanych do uszczelniania kolumn rur okła-dzinowych w różnych warunkach geologiczno-złożowych.

W opracowanej kompozycji środka do zestalania odpado-wych, zużytych płuczek wiertniczych, szkło wodne pełniło

rolę podstawowego składnika, natomiast cement i Silment stosowano zamiennie w celu porównania i określenia ich efektywności działania głównie ze względu na wytrzymałość na ściskanie otrzymanego materiału stałego i wymywalność z niego substancji niebezpiecznych [13]. Dodatki cementu i Silmentu oddziaływały także na czas wiązania próbek płucz-ki, jednak głównym czynnikiem wpływającym na czas zesta-lenia płuczki wiertniczej była ilość szkła wodnego oraz rodzaj płuczki. Czas początku i końca wiązania oraz wytrzymałość na ściskanie oznaczano za pomocą aparatu Vicat’a i maszyny wytrzymałościowej, zgodnie z procedurami obowiązującymi dla wiążących i stwardniałych zaczynów uszczelniających.

Jak wykazały badania, wiązanie próbek płuczki bentonito-wej obrobionej kompozycją środka zawierającego 3 % szkła wodnego i np. 15 % cementu lub 25 % Silmentu zachodziło w czasie około 3 dni, natomiast beziłowe płuczki polimerowe nie ulegały zestaleniu. Po zwiększeniu ilości szkła do 4 % w połączeniu z taką samą ilością materiałów wiążących, początek czasu wiązania płuczki bentonitowej oznaczano po około 28 h zaś koniec wiązania po max. około 55 h, a w płucz-ce polimerowej propłucz-ces wiązania trwał około 7 dni. Wiązanie i twardnienie próbek płuczki polimerowej zachodziło najszyb-ciej w warstwie powierzchniowej natomiast środek próbki pozostawał niejednokrotnie w postaci wilgotnej ziemi, co miało wpływ na ich właściwości mechaniczne.

Na podstawie szeregu przeprowadzonych badań laborato-ryjnych stwierdzono, że bez względu na ilość zastosowanego Silmentu oraz cementów (portlandzki i wieloskładnikowy z dodatkiem popiołów) w połączeniu z 4 % szkła, próbki płuczki polimerowej sezonowane przez 7 dni posiadały niższe wytrzymałości na ściskanie (0,4÷0,5 MPa) niż próbki płuczki bentonitowej (0,5÷1,38 MPa). Dalszy proces wiązania próbek płuczki polimerowej przez kolejne 7 dni spowodował jednak ok. 2-krotny wzrost ich wartości wytrzymałości na ściskanie (rys. 4). W obecności 20÷30 % Silmentu wartości te mieściły się w zakresie 0,8 ÷ 0,96 MPa, natomiast po zastosowaniu 15÷25 % w/w cementów w zakresie od 0,73 do 1,0 MPa.

Próbki zestalonej płuczki bentonitowej pomimo, że sezo-nowano je tylko przez 7 dni ponieważ po dłuższym okresie samoczynnie ulegały pękaniu i kruszeniu, posiadały wyższe wartości wytrzymałości na ściskanie w obecności Silmentu niż po zastosowaniu cementu, który miał wpływ na porowatość ich struktury. Zwiększanie ilości Silmentu od 25 do 35 % w kompozycji z 4 % szkła wodnego powodowało systema-tyczny wzrost wytrzymałości otrzymywanego ciała stałego z płuczki bentonitowej (rys. 4).

Rys. 4. Wpływ różnych ilości Silmentu oraz cementów w kombinacji z 4 % szkła wodnego na wartość wytrzymałości na ściskanie zestalonych próbek płuczki bentonitowej i beziłowej polimerowej

Fig. 4. Impact of different amounts of Silment and cements combined with 4 % of sodium silicate on compression strength of the solidified bentonite mud and non-bentonite polymer mud samples

Opierając się na uzyskanych wynikach badań laboratoryj-nych oraz prowadzolaboratoryj-nych obserwacjach zachowania się próbek w czasie wiązania stwierdzono, że najbardziej korzystny efekt zestalania zużytych płuczek wiertniczych powinna zapewnić kompozycja środka zawierająca 4 % szkła wodnego i Silmentu w ilości zależnej od rodzaju zestalanej płuczki wiertniczej, tj. 20÷25 % przy zestalaniu płuczek polimerowych oraz 30÷35 % przy zestalaniu płuczek bentonitowych. Analiza wyników tych badań wskazywała również, że możliwe jest także stosowanie zestawu szkło wodne – cement w ilości 25 %, lecz głównie do zestalania płuczek polimerowych. Otrzymany w wyniku tego procesu półprodukt posiadał parametry wytrzy-małościowe zbliżone do próbek zestalanych przy użyciu 25 % Silmentu – ok. 1,0 MPa. Na rysunku 5 i 6 przedstawione zo-stały próbki materiału stałego pozyskane z zestalonej płuczki bentonitowej i beziłowej polimerowej przy użyciu kompozycji środka zawierającego 4 % szkła wodnego sodowego oraz 30 % Silmentu i 25 % cementu portlandzkiego.

Celem poprawy efektywności zestalania, głównie pod kątem skrócenia czasu wiązania odpadowych płuczek poli-merowych, wykonane zostały dodatkowe badania, w których zastosowano kompozycje środka zawierającego 5 % szkła wodnego i wybrane ilości spoiw hydraulicznych – Silment i cementy. W czasie prowadzonego procesu zestalania za-obserwowano, że w obecności 5 % szkła wodnego płuczki polimerowe wykazywały zwiększoną tendencję do żelowa-nia, a po wprowadzeniu Silmentu lub danego cementu silne gęstnienie i stopniowe powstawanie jednorodnej zżelowanej masy. Pomiary czasu i końca wiązania sezonowanych przez 14 dni próbek płuczki polimerowej wykazały, że proces ich wiązania przy użyciu kompozycji środka zawierającego 5 % szkła i 25 % cementu (portlandzki lub wieloskładnikowy) uległ skróceniu o około 40 godz., a wytrzymałość na ściska-nie próbek zestalonych wynosiła około 1,0 MPa. Mściska-niejsze ilości cementu głównie portlandzkiego (15÷20 %) w zestawie z 5 % szkła powodowały jednak obniżenie ich wartości

wy-Rys. 5. Próbki płuczki bentonitowej zestalone kompozycją środka zawierającego 4 % szkła wodnego sodowego oraz a) 30 % Silmentu i b) 25 % cementu portlandzkiego

Fig. 5. Samples of bentonite mud solidified by 4 % sodium silicate and a) 30 % Silment, b) 25 % Port-land cement

Rys. 6. Próbki beziłowej płuczki polimerowej zestalone kompozycją środka zawierającego 4 % szkła wodne-go sodowewodne-go oraz a) 25 % Silmentu i b) 25 % cementu portlandzkiewodne-go

Fig. 6. Samples of non-bentonite polymer mud solidified by 4 % sodium silicate and a) 25 % Silment, b) 25 % Portland cement

a) b)

a) b)

trzymałości na ściskanie (0,5÷0,6 MPa) w porównaniu do próbek zestalonych przy użyciu 4 % szkła wodnego i tych samych ilości spoiwa (0,73÷1,0 MPa). Podobną zależność wartości wytrzymałości na ściskanie od ilości szkła wod-nego stwierdzono także dla próbek zestalonych przy użyciu Silmentu, które wynosiły odpowiednio: 4 % szkła wodnego + 25 % Silmentu – 0,96 MPa oraz 5 % szkła wodnego + 25 % Silmentu – 0,72 MPa (rys. 7). Ponadto zwiększona ilość szkła w połączeniu z Silmentem nie wpływała na skrócenie czasu wiązania płuczki polimerowej. Bez względu na ilość szkła wodnego, porównywalne wartości wytrzymałości na ściska-nie otrzymywano jedyściska-nie dla próbek zawierających cement wieloskładnikowy. Na rysunku 8 przedstawione zostały próbki materiału stałego pozyskane z zestalonej beziłowej płuczki polimerowej przy użyciu kompozycji środka zawierającego 5 % szkła wodnego sodowego oraz 25 % Silmentu i 25 % cementu wieloskładnikowego.

Przeprowadzone badania wykazały, że czas wiązania i twardnienia płynnej suspensji płuczek bentonitowych w ciało stałe jest znacznie krótszy niż beziłowych płuczek polimerowych. Na stosunkowo długi czas wiązania płuczek polimerowych (5÷7 dni) i właściwości mechaniczne pozy-skiwanego materiału stałego wpływa zdecydowanie większa zawartość w ich składzie polimerów organicznych i tylko niewielka ilość fazy stałej pochodzącej z przewiercanych warstw oraz stanowiącej materiały obciążające. Niemniej jednak otrzymane wyniki badań dowiodły, że powodzenie procesu zestalania w dużym stopniu zależy od indywidualnego doboru optymalnej ilości i rodzaju środków wiążących do każdego rodzaju płuczki wiertniczej. Pozostające po zakoń-czeniu wiercenia otworu odpadowe, zużyte płuczki wiertni-cze można przekształcić w ciało stałe, którego niekorzystne oddziaływanie na środowisko powinno być ograniczone ze względu na zdolność zastosowanych środków wiążących do izolowania i wiązania zanieczyszczeń. Przeprowadzone anali-zy fianali-zykochemiczne odcieków wodnych zestalonych płuczek wykazały, że spośród zastosowanych spoiw hydraulicznych w zestawie ze szkłem wodnym, najniższymi wartościami wymywania substancji szkodliwych charakteryzowały się próbki zestalane Silmentem.

Opracowana w INiG technologia zestalania koloidal-nych zawiesin odpadowych płuczek wiertniczych może być z powodzeniem stosowana w warunkach przemysłowych jako jedna z metod odzysku i unieszkodliwiania odpadów wiertniczych, co potwierdziły wyniki próby przemysłowej zestalenia bentonitowej płuczki otworowej [11].

3. Próba przemysłowa zestalania zużytej płuczki