Evaluación de alternativas de biotratamiento y reuso de recortes de perforación de pozos de gas y petróleo, mediante la aplicación de residuos y enmiendas orgánicas

Abstract

En la Patagonia argentina, la explotación de yacimientos hidrocarburíferos representa uno de los principales componentes de la matriz productiva regional. Entre las principales corrientes de desecho de esta actividad se encuentran los “recortes de perforación” o “drilling cuttings”, originados en las operaciones de perforación de pozos de gas y petróleo. Los recortes de perforación están compuestos por restos de fluidos utilizados en la operación, y los fragmentos de roca provenientes de las formaciones geológicas atravesadas durante la perforación. La gestión de este material residual complejo, que es generado en forma continua y en grandes cantidades, supone una problemática ambiental actual, tanto para las compañías operadoras de las áreas de explotación de gas y petróleo, como para las autoridades de aplicación ambiental. Los fluidos de perforación están compuestos por arcillas y una fase líquida (base), que puede ser acuosa u oleosa, a la cual se le agregan diferentes aditivos químicos según los requerimientos específicos del pozo a perforar. La formulación del fluido que se utilice en la perforación, en conjunto con el tipo de minerales e hidrocarburos presentes en la formación atravesada, determinarán el tipo (recortes base agua o base oleosa) y la toxicidad ambiental de los recortes de perforación resultantes. De manera genérica, se identifican cuatro características principales que representan la peligrosidad y/o toxicidad ambiental de este residuo: (i) elevado contenido de sales inorgánicas; (ii) alta concentración de hidrocarburos del petróleo en recortes base oleosa; (iii) contenido variable de metales pesados; y (iv) toxicidad potencial (poco explorada o desconocida) de otros aditivos utilizados en los fluidos de perforación (biocidas, dispersantes, desincrustantes, etc.). La principal diferencia entre los recortes de perforación de base acuosa y base oleosa, está dada por el elevado contenido de hidrocarburos de los segundos. Por consiguiente, esta característica requiere de distintos abordajes en las estrategias para su tratamiento y disposición final. De esta manera, el objetivo general del presente trabajo fue evaluar la viabilidad de diferentes estrategias de tratamiento y reutilización de recortes de perforación de pozos de gas y petróleo, mediante la aplicación de residuos y enmiendas orgánicas generados en los yacimientos hidrocarburíferos y zonas aledañas. Por un lado, se estudió el efecto de la aplicación de dos tipos de enmiendas orgánicas, disponibles en la región patagónica argentina (compost de residuos orgánicos urbanos (CROU) y compost de biosólidos (CB)), en las propiedades como sustrato de crecimiento vegetal de los recortes de perforación base agua, para su uso potencial como material de relleno para la revegetación y/o restauración de áreas degradadas. Por el otro, se evaluó la tratabilidad de los recortes de perforación base oleosa mediante la estrategia de biorremediación por compostaje, utilizando residuos orgánicos de cocina y jardín, generados en los yacimientos hidrocarburíferos. Considerando que los recortes de perforación base agua pueden asemejarse a un suelo salino-sódico de condiciones extremas, se realizó un ensayo de invernáculo para evaluar el crecimiento de una especie vegetal halotolerante (agropiro alargado o ii Thynopirum ponticum), en sustratos formulados con el recorte de perforación base agua y compost. El recorte de perforación fue sometido previamente a un pretratamiento de lavado para la reducción de sales, se formularon 6 tipos de sustratos utilizando dos proporciones en volumen (1:1 y 1:1,5 enmienda:recorte) de perlita, CB y CROU. La aplicación de ambos tipos de enmiendas orgánicas mejoró significativamente la fertilidad del recorte de perforación base agua. No obstante, el efecto diferencial en la aptitud como sustrato de crecimiento vegetal, entre los tratamientos con CB respecto de tratamientos con CROU, estuvo principalmente asociado a la mejora en las propiedades físicas del recorte de perforación. En el tratamiento con CB aplicado en mayor proporción se favoreció el lavado de sales, y en particular del catión sodio, probablemente debido a una mejora significativa en la estructura del recorte de perforación. Este efecto en las propiedades físicas del sustrato parece haber sido relevante, ya que rendimiento vegetal fue significativamente mayor en este tratamiento, respecto de los tratamientos con CROU y perlita. Para evaluar la viabilidad de la alternativa de biorremediación por compostaje de recortes de perforación base oleosa, se realizó un ensayo en reactores de 60 L aislados térmicamente donde se compostaron, durante 151 días, recortes base oleosa (RBO) y residuos orgánicos de cocina y jardín triturados (RO), utilizando chips de madera como agente estructurante en un 50 % en volumen. Se ejecutaron los siguientes tratamientos: solo recortes de perforación base oleosa (0 % RO), dos mezclas con dos proporciones de RBO y RO en volumen (33 y 75 % RO), y únicamente residuos orgánicos (100 % RO), como referencia del proceso de compostaje de los residuos utilizados. Durante el ensayo, se monitoreo la degradación de distintos tipos de hidrocarburos (totales, alcanos y poliaromáticos), además de variables del proceso, como temperatura, pH, conductividad eléctrica, y contenido de agua y nutrientes. La aplicación de residuos orgánicos en una proporción de 1:0,4 recorte:residuo (tratamiento 75 % RO) en peso seco, proveyó proporciones adecuadas de carbono y nitrógeno disponibles, microorganismos en cantidad y variedad, redujo la toxicidad inicial del residuo, y mejoró la disponibilidad de agua y oxígeno (dada la naturaleza arcillosa del recorte de perforación) resultando altamente eficaz en la remoción de todos los tipos de hidrocarburos, incluyendo poliaromáticos de elevado peso molecular, usualmente muy recalcitrantes. Por otro lado, la aplicación de una proporción de 1:0,1 (tratamiento 33 % RO) no fue más efectiva que no aplicar residuos orgánicos (tratamiento 0 % RO) en la biodegradación de hidrocarburos. Los resultados obtenidos alientan en considerar la viabilidad de estrategias que involucren la aplicación de estos residuos orgánicos, o de enmiendas producidas a partir de los mismos, como alternativa para el tratamiento, reuso o disposición de recortes de perforación base acuosa y base oleosa. Además, estas estrategias pueden contribuir en el reciclado y valorización de residuos orgánicos, y posibilitan el tratamiento simultáneo de más de una corriente de los desechos generados en los yacimientos o en localidades cercanas.

In Argentinean Patagonia, oil and gas production represents one of the main components of the regional productive matrix. One of the main waste streams from this activity are "drilling cuttings", generated by oil and gas wells drilling operations. Drilling cuttings are composed of remnants of fluids used in the operation, and rock fragments from geological formations cut across during drilling. The management of this complex waste material, which is generated continuously and in large quantities, is a current environmental concern for environmental authorities and for the companies operating oil and gas areas. Drilling fluids are generally composed of clay and a liquid phase (base), which may be aqueous or oily, to which are added various chemical additives according to the specific requirements of the well to be drilled. The formulation of the drilling fluid being used, together with the type of minerals and hydrocarbons present in the geological formation, determine the type (water-based or oil-based) and environmental toxicity of drilling cuttings. Broadly, the four main characteristics that represent hazardous and environmental toxicity of this waste are: (i) high content of inorganic salts; (ii) high concentration of petroleum hydrocarbons in oil-based cuttings; (iii) variable content of heavy metals; and (iv) potential toxicity (unexplored or unknown) of other additives used in drilling fluids (biocides, dispersants, etc.). The main difference between water-based drilling and oil-based cuttings is given by the high petroleum hydrocarbons content of the latter. Therefore, this feature requires different approaches for their treatment and disposal. The overall objective of this study was to evaluate the feasibility of different drilling cuttings treatment and reuse strategies, by applying organic wastes and amendments generated in the oilfields and surrounding areas or cities. On the one hand, it was studied the effect of the application of two types of organic amendments, available in Argentinean Patagonia region (municipal organic waste compost (MOWC) and biosolids compost (BC), in the properties of water-based drilling cuttings (WBC) as a substrate for plant growth, for its potential use as a soil substitute in degraded lands revegetation or restoration. On the other hand, it was evaluated the bioremediation of oil-based drilling cuttings (OBC) by composting with kitchen and garden organic wastes (OW). WBC could be assimilated to a saline-sodic soil, thus a greenhouse test was conducted to evaluate the growth of a halotolerant plant species (tall wheatgrass or Thynopirum ponticum) in substrates formulated with water-based cuttings and composts (MWOC and BC) or perlite. WBC was previously subjected to a water wash pretreatment for reducing salts. Then, six types of substrates were formulated, using two volume ratios (1: 1 and 1: 1.5) of amendment (perlite, MOWC or BC) to WBC. The application of both types of organic amendments significantly improved water-based cuttings fertility. However, there was a differential effect between MWOC and BC treatments on their aptness as a plant growth substrate. This difference was mainly associated with improvement in WBC physical properties. In 1.1 CB:WBC treatment the washing out of salts was highly favored, especially sodium salts, probably due to a significant improvement in the structure of the WBC. This effect on the physical properties of the substrate appears to be important, since plant growth performance was significantly higher in this treatment than in perlite and MOWC substrates. To assess the feasibility of OBC bioremediation by composting, a test was performed in thermally insulated 60 L reactors, where OBC and OW were composted for 151 days, using 50 % by volume of wood chips as bulking agent. The following treatments were carried out: only OBC (0 % OW), two mixtures with two ratios of OBC to OW in volume (33 and 75 % OW), and only organic wastes (100 % OW), as a composting reference. During the test, the degradation of various hydrocarbons types (total, alkanes and polyaromatics) were monitored, as well as other process variables such as: temperature, pH, electrical conductivity, and water and nutrients contents. The application of organic wastes in a ratio of 1:0.4 OBC to OW dry weight (75 % OW treatment) provided available carbon and nitrogen, microorganisms variety, reduced initial toxicity and improved water and oxygen availability. This resulted in a highly effective removal of all types of hydrocarbons, including recalcitrant high molecular weight polyaromatics. By the other hand, the application of 1:0.1 OBC to OW dry weight (33 % OW treatment) was as effective as not applying organic wastes, in the biodegradation of OBC hydrocarbons. Obtained results encourage the evaluation of strategies involving the application of organic amendments and wastes as an alternative for the treatment, reuse or disposal of water and oil-based drilling cuttings. In addition, these strategies can contribute with organic wastes recycling and reuse, and enables simultaneous treatment of more than one waste streams generated in the oilfields, or in nearby areas or cities.