Обработка радиоактивных материалов - RU2163404C2

Описание

Изобретение относится к способу обработки радиоактивных отходов, образующихся в результате технологических операций по добыче нефти и газа.

При добыче нефти и газа необходимо учитывать, что в полученных флюидах и газах присутствуют материалы, обладающие естественной радиоактивностью (МОЕР), которые приводят к образованию радиоактивных технологических отложений, таких как нагар и углеродистые отложения. Природа МОЕР в этой области техники хорошо известна и в основном они включают уран-238, торий-232 и дочерние изотопы, существующие в естественном состоянии в геологических пластах, окружающих продуктивные пласты с нефтью и газом. Условия, при которых выполняются технологические процессы, связанные с понижением давления, а также температура, способствуют образованию отложений, в которые попадают и концентрируются радиоактивные частицы. Отложения проявляются в виде нагара и маслянистых (углеродистых) отложений в трубопроводах, клапанах и других подобных элементах установок по получению нефти и газа.

Обработка такого нагара и отложений должна удовлетворять законодательно установленным требованиям, касающимся здоровья людей и окружающей среды, при обеспечении подходящих мер по разрешению проблемы, связанной с дезактивацией накопленных радиоактивных материалов (МОЕР).

В GB-A-2272566 для решения этой проблемы предложен способ, включающий плавление загрязненных стальных элементов вместе со шлакователем таким образом, чтобы радиоактивно загрязненные нагар и углеродистое отложение отделялись от расплавленной стали с образованием шлака, в котором преимущественно концентрируются радиоактивные загрязняющие вещества. Количество шлакообразователя, который должен использоваться, определяется предварительно так, чтобы этот шлакообразователь обеспечил получение шлака с заданным низким уровнем радиоактивности, который был бы безопасным с точки зрения современных законодательно установленных требований.

Применение этого способа ограничивается для используемого оборудования и установок, по существу, величиной скрапа. Этот способ не подходит для использования его в отношении технологических процессов на работающих установках.

Если посмотреть широко на меры, предназначенные для токсичных веществ, то они делятся на две классические категории, т.е. (a) изоляция загрязняющих веществ для того, чтобы защитить окружающую среду от их неблагоприятного воздействия, и (b) уменьшение концентрации (разбавление) для снижения ощутимых опасных воздействий до приемлемых уровней. Что касается опасных радиоактивных отходов, то материалы с высоким уровнем радиоактивности, как правило, помещают в надежные контейнеры с соответствующей защитой, например покрывая слоем свинца, а материалы с более низким уровнем радиоактивности могут быть смешены с бетоном, и образующиеся блоки выжигаются в специально отведенных местах или захораниваются в море. Такие меры в рассматриваемой области техники не предполагают использование раствора.

Цель настоящего изобретения состоит в создании средств дезактивации, касающихся МОЕР, находящихся в флюидах и газах, полученных из нефтяных и газовых продуктивных пластов, в условиях эксплуатации производственных установок. Следующая цель настоящего изобретения состоит в создании способа для обработки МОЕР и возвращения обработанного материала для использования в промышленности. А конкретно, цель изобретения состоит в разрешении или уменьшении имеющейся проблемы, касающейся радиоактивной опасности МОЕР.

Рассмотрение этой проблемы, с одной стороны, показывает, что МОЕР представляют конкретную опасность для персонала, который работает на буровом и вспомогательном оборудовании, поддерживает его в работоспособном состоянии и очищает его. Эта опасность связана с радиоактивным облучением из-за продолжительного нахождения вблизи отложений МОЕР и возможного вдыхания частиц МОЕР, попадающих в воздух.

Обычно нагар МОЕР, который извлекают со стальной конструкции, представляет собой мелкий порошок, крупнозернистые частицы или большие хлопья с плотностью примерно от 2 до 4 г/см³. Они проявляют радиоактивность величиной приблизительно до 2000 Бк/г, а допустимые уровни дозы с точки зрения защиты персонала составляют максимально допустимую величину примерно 0,37 Бк/г.

В настоящее время существует два способа по очистке оборудования, загрязненного МОЕР, и захоронению отходов с МОЕР на участке побережья до прибрежной зоны. Это следующие способы:
(a) удаление МОЕР с помощью водяной струи под высоким давлением, уменьшение размера до мельчайшего размера частиц, разбавление в морской воде и рассеивание в море через специальный трубопровод; или
(b) удаление МОЕР с помощью водяной струи под высоким давлением, концентрирование удаленного материала путем фильтрации и накопления, а затем размещение его на долговременное хранение на участке побережья до прибрежной зоны.

Поскольку способы постоянно совершенствуются, то желательно разработать и другие пути решения этой проблемы.

Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению предлагается способ обработки материала, обладающего естественной радиоактивностью (МОЕР). Способ содержит этап уменьшения размера частиц, при этом частицы МОЕР обрабатываются до получения выбранного размера частиц, соответствующего размеру частиц компонента бурового раствора. Подходящим компонентом раствора, предпочтительным для этой цели, является барит (тяжелый шпат) из-за его высокой непроницаемости по отношению к радиоактивности. Уменьшение размера частиц осуществляется обычным образом с помощью совместного измельчения частиц МОЕР и частиц компонента раствора. Однако могут применяться также раздельные этапы измельчения и смешивания. Настоящий способ обработки выполняется для получения необратимого разбавления (уменьшения концентрации) частиц МОЕР в выбранном компоненте раствора, благодаря чему сводится к нулю его радиоактивность, и перемешенные частицы пригодны для использования при изготовлении бурового раствора. Специалистам в данной области техники понятно, что этап уменьшения размера частиц может быть реализован с помощью любой технологии измельчения, дробления, раздавливания, измельчения в порошок, при условии, что этап уменьшения размера частиц продолжается до тех пор, пока не будет достигнут, по существу, однородный (одинаковый) размер частиц для МОЕР и частиц раствора. Также очевидно, что компоненты МОЕР и раствора могут раздельно измельчаться, а затем смешиваться. Однако удобнее вводить крупнозернистый материал МОЕР, который добыт с помощью обычной технологии, в выбранный компонент раствора, состоящий из частиц, и обрабатывать их вместе с помощью соответствующей технологии уменьшения размера частиц для получения в значительной степени однородной композиции или смеси для использования ее в последующем процессе приготовления раствора. Благодаря такому этапу одновременного уменьшения размера частиц отпадает или, по меньшей мере, уменьшается потребность в осуществлении дополнительных этапов смешивания и он обеспечивает гарантию того, что может быть достигнута однородность размеров частиц.

Способ приготовления бурового раствора выходит за рамки предложенного способа обработки и использования МОЕР и то, каким образом он приготавливается, не имеет значения. Он может приготавливаться и любым другим способом, известным непосредственно из уровня техники. Достоинства изобретения достигаются, в частности, за счет тщательного выбора размера частиц МОЕР и согласования выбранного размера с размером частиц существенной компоненты предлагаемого бурового раствора, например частиц утяжелителя, наполнителя, добавки, модифицирующей вязкость, или добавок, регулирующих плотность, таких как тяжелый шпат (барит), бентонит, карбонат кальция и других подобных веществ. За счет такого согласования размера частиц разбавление частиц МОЕР в компоненте (ах) бурового раствора образует раствор из твердых веществ, который действительно оказывается неразделимым (на компоненты) при нормальных условиях использования бурового раствора. Следовательно, необратимо понижается концентрация частиц МОЕР в компонентах, содержащих МОЕР, и это устраняет возможную опасность, и более того, отпадает потребность в обычной обработке частиц МОЕР как радиоактивных отходов. При любых потерях нового раствора в нисходящей скважине включенные в раствор частицы МОЕР просто возвращаются в геологическую зону, из которой были получены частицы МОЕР. Следовательно, изобретение обеспечивает чистое, "невидимое" средство обезвреживания частиц МОЕР, а также обеспечивает использование их путем включения в рабочий материал.

Возможно также осуществление мокрого измельчения и смешивания частиц. В этом случае для смешивания мелкодисперсных частиц используются распыляющие сопла (насадки), хотя при этом требуется учитывать при выполнении последующих технологических процессов наличие более высокого содержания воды. Если удаление воды на последующих стадиях изготовления раствора проблематично, тогда предпочтительно осуществлять сухое смешивание частиц.

Как уже упоминалось выше, выбор способа уменьшения размера частиц не является критичным и может использоваться любой подходящий способ, который обеспечивает получение, по существу, однородного и заданного размера частиц. Следовательно, могут применяться тонкое измельчение, размалывание, дробление, различные варианты этих технологий и их комбинации. Фактический размер частиц не критичен, поскольку важным аспектом является согласование выбранного размера частиц с размером частиц подразумеваемого твердого разбавителя. Очевидно, что в отношении размеров частиц необходимо учитывать то обстоятельство, что они должны использоваться для изготовления устойчивого функционального (рабочего) раствора. Однако согласующиеся частицы должны иметь одинаковый или близкий по величине размер, что позволит получить в значительной степени необратимый (неразделяемый) раствор в процессе их смешивания. Если взять конкретный пример использования МОЕР при изготовлении бурового раствора, тогда типичный размер частиц должен быть (в соответствии со стандартами размеров Американского института нефти) порядка 97% < 75 мкм.

На чертеже схематично представлен способ приготовления бурового раствора с использованием МОЕР.

Теперь изобретение будет описано более подробно на конкретных примерах, что не предполагает ограничение сущности изобретения рамками этих примеров.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В соответствии с одним из апробированных способов дезактивации оборудования водный флюид, содержащий МОЕР, обрабатывается с помощью способа соответствующего отделения для выделения МОЕР, оставляя при этом воду и нефть, которые должны перерабатываться другими средствами. На прилагаемом чертеже проиллюстрирован типичный, применяемый на практике вариант осуществления этого способа.

Выделяемый МОЕР подвергается вспомогательной предварительной обработке для уменьшения размера частиц путем измельчения. Измельчение проводится до получения подходящего размера частиц, а полученные частицы вводятся в исходную смесь, состоящую из "свежих" частиц тяжелого шпата (барита). Окончательное измельчение и смешивание этих материалов может осуществляться с помощью ряда известных из уровня техники способов глубокого перемешивания твердых материалов. Такое перемешивание должно продолжаться до получения, по существу, однородного материала с соответствующим размером частиц, пригодного для изготовления бурового раствора, например, по меньшей мере, 97% материала имеет размер частиц примерно 75 мкм (А.И.Н. - Американский институт нефти). Для конкретного источника МОЕР с помощью установленной методики проводится радиохимический анализ соответствующей пробы. Таким образом, на основе нескольких начальных тривиальных экспериментов удовлетворительно рассчитывается время измельчения/смешивания.

В этом примере нагар, имеющий величину радиоактивности 50 Бк/г, подвергается обработке по технологии уменьшения размера частиц и смешивания с большим количеством частиц тяжелого шпата (барита) согласованного размера (тяжелый шпат имеет незначительную радиоактивность) в соотношении 1 г нагара на 1 кг тяжелого шпата. Такое разбавление дает окончательную величину радиоактивности 0,05 Бк/г, в 10 раз меньше допустимого предела в 0,37 Бк/г. Следует заметить, что в качестве выбранного материала, состоящего из частиц, и который берется в большом количестве, в равной степени могут использоваться также бентонит или карбонат.

В следующем примере для нагара, проявляющего радиоактивность в 500 Бк/г, применяется разбавление - 1 г нагара на 10 кг тяжелого шпата.

В вариантах осуществления технологического процесса по удалению с технологического оборудования нагара с МОЕР с помощью апробированного способа дезактивации, и который может быть в виде мелкого порошка, крупнозернистых частиц или хлопьев, дополнительно принимаются меры по согласованию размера частиц с частицами другого компонента бурового раствора, например бентонита или карбоната кальция, при условии, что выполнен основной этап по обеспечению согласования размера частиц. МОЕР, который должен обрабатываться, может добавляться и на других стадиях изготовления бурового раствора при условии, что соответствующий этап по уменьшению размера частиц применяется только к одному МОЕР или к смеси его с другим материалом, состоящим из частиц.

Несмотря на то, что вышеприведенное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения представляет наилучший вариант, известный изобретателю на настоящий момент, специалистам в этой области техники понятно, что возможны и другие варианты, отличные от подробно здесь описанных, а объем изобретения определяется в тех пределах, которые охватываются формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к способу обработки материала, обладающего естественной радиоактивностью (МОЕР). Сущность изобретения: использование МОЕР в качестве составной части раствора в технологическом процессе изготовления бурового раствора. При этом производят уменьшение размера частиц МОЕР во время или до выполнения этого технологического процесса для получения выбранного размера частиц, соответствующего размеру частиц компонента бурового раствора. При необходимости выполняется уменьшение размера частиц с помощью дополнительного смешивания МОЕР и частиц компонента раствора. Технический результат: получение необратимого разбавления (снижения концентрации) частиц МОЕР в компоненте бурового раствора для подавления их радиоактивной природы. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула