Радиометрическая съемка с использованием термолюминесцентных детекторов при поисках месторождений нефти и газа

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Российский государственный геологоразведочный университет

имени Серго Орджоникидзе

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

радиометрия и ядерная геофизика

 

 

Радиометрическая съемка с использованием термолюминесцентных детекторов  
при поисках месторождений нефти и газа

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил:

Студент вечернего отделения,

4 курса, группы ВРФ-08

Генин М.М.

 

 

 

 

 

Москва

2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

1. Введение.

 

2. Физические основы работы термолюминесцентных дозиметров.

 

3. Радиометрическая съемка с использованием термолюминесцентных детекторов.

 

4. Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Радиометрическое картирование как метод поисков месторождений  нефти и газа по поверхности привлекает к себе внимание исследователей с  середины 20-х гг. прошлого столетия. Однако в современной практике нефтепоисковых работ радиогеохимические съемки широкого применения не получили. Обобщая проблемы использования радиоактивных методов, можно сказать, что их поисковая значимость снижается по двум основным причинам.

Существует противостояние нескольких точек зрения на механизм возникновения радиогеохимических аномалий над скоплениями нефти  и газа. Аномально высокие концентрации радия и продуктов его распада  в приконтактовых с залежами водами – явление распространенное, здесь радиогеохимический эффект используется для контроля текущего положения водонефтяного контакта [1]. Тем не менее, возможность “отпечатывания” радиоактивной аномалии на поверхности остается дискуссионной.

Часть исследователей в этой области опирается на эпигенетическое происхождение аномальных нарушений структуры радиоактивного поля нефтегазоносных площадей. В разное время высказывались мнения о возможности инфильтрационно-диффузионной транспортировки радия и радона к поверхности из зоны водоуглеводородного контакта (Lundberg H. et. al., 1953; Siegal et. al, 1997), связи аномалий со снижением сорбционной емкости пород в области внедрения УВ-компонентов (Алексеев Ф.А., 1959) либо с геоэлектрохимическими эффектами в зоне редокс-границы (Pirson S.J., 1975), процессами деятельности поглощающих УВ-бактерий (Овсяников В.М., 1991). Существуют точки зрения, объединяющие несколько возможных причин (Wang P. et. al., 1996).

В противоположность  эпигенетическим представлениям есть мнение, которое объясняет радиоактивные аномалии только как следствие тектонически унаследованных движений структурных элементов земной коры (Gregory A.F., 1956; Алексеев Ф.А. и др., 1968).

Другая сдерживающая причина – малая глубинность  радиометрических измерений. При использовании гамма-аппаратуры на базе сцинтилляционных счетчиков снимается информация о радиоактивности и уровнях накопления естественных радиоактивных элементов 1-м слоя пород. В совокупности с довольно тесной связью облика радиогеохимических полей с литологическим, морфологическим, ландшафтным строением территорий это существенно затрудняет распознавание эпигенетических аномалий радиоактивности.

Для повышения информативности  радиогеохимического картирования нами применяется разновидность  радиометрической съемки, основанная на использовании термолюминесцентных детекторов (ТЛД).

 

Физические  основы работы термолюминесцентных  дозиметров.

 

В качестве радиационно-чувствительного элемента  термолюминес-центного дозиметра используются кристаллофосфоры изготовленные из оптически прозрачных диэлектриков (фториды лития, кальция; окись алюминия и др. активированные различными элементами). Кристаллофосфор представляет собой твердое вещество с кристаллической структурой. Под действием излучения в кристаллофосфоре образуются свободные носители заряда (электроны и дырки), которые локализуются на электронно-дырочных центрах захвата (ловушки) и удерживаются в них длительное время. При нагревании облученного кристаллофосфора захваченные носители заряда освобождаются из ловушек и рекомбинируют с центрами свечения. Обычно используется линейный нагрев до температуры 240-300ºС. При рекомбина-ции происходит испускание квантов света (термолюминесценция), количество которых пропорционально поглощенной дозе излучения. Образующийся световой поток регистрируется с помощью термолюминесцентных анализаторов (приборов).  
 
        Таким образом, регистрация ионизирующего излучения ТЛ-детектором основана на измерении светового потока облученного детектора, который пропорционален поглощенной дозе ионизирующего излучения. На рис. 1  
приведена схема измерения и анализа кривой термовысвечивания.  
 
         В России и за рубежом в настоящее время для проведения радиационного мониторинга персонала (группы А и В) в основном используются дозиметры на основе радиотермолюминесцентных (РТЛ) детекторов (около 90%). При этом 85% из них составляют РТЛ-детекторы на основе кристаллофосфора LiF, активированного различными элементами. Широкое использование фторида лития связано с тем, что эффективный атомный номер LiF (8.2) очень близок к эффективному атомному номеру мягкой биологической ткани человека (7.4). Дозиметрические характеристики РТЛ-детекторов на основе фторида лития были вполне пригодны до последнего времени для радиационного мониторинга внешнего гамма-излучения персонала. Чтобы использовать РТЛ-детекторы для радиационного мониторинга населения и окружающей среды необходимо было создать более чувствительные детекторы (в 10-20 раз выше по дозной чувствительности). 

Приведенные исследования по синтезу  высокочувствительного РТЛ-кристаллофосфора на основе LiF-Mg,Cu,P позволили создавать детекторы для гамма-излучения, слабопроникающего излучения и дозиметрии потоков нейтронов. В итоге на основе одного типа РТЛ-кристаллофосфора создана универсальная дозиметрическая система для проведения радиационного мониторинга окружающей среды, населения и персонала, которая по физико-техническим характеристикам удовлетворяет международным и национальным требованиям.  

← Рис. 1. Схема определения отклика и расчета поглощенной дозы ТЛ-детектора после облучения в поле ионизирующего излучения с помощью ТЛ-анализатора

 

 

 

 

 

 

 

Радиометрическая съемка с использованием термолюминесцентных детекторов.

 

Термолюминесцентные исследования довольно широко применялись для  выявления глубокозалегающих радиоактивных  руд. Для решения нефтегазопоисковых задач термолюминесцентная радиометрическая съемка осуществляется сравнительно недавно. При поисках месторождений нефти и газа в значительных объемах она использовалась в Китае [3, 5], есть примеры подобных работ в Израиле [4].

При проведении радиометрического  картирования ТЛД упаковываются  в водонепроницаемые контейнеры и устанавливаются в шпурки на глубину в среднем 0,5 м на профилях радиогеохимических наблюдений с шагом, соответствующим масштабу работ. Для получения статистически достоверных данных в каждый контейнер укладывается несколько ТЛД. После экспозиции радиотермолюминофоры извлекаются и по ним осуществляется измерение накопленной дозы излучения.

Важна чувствительность детекторов, от которой зависит временной промежуток мониторинга, необходимый для получения качественной информации (рис. 2). В процессе опытно-методических работ нами было испытано пять типов ТЛД. По результатам этих исследований выбор был остановлен на детекторах GR-200 LiF (Cu, Mg, P) и ТЛД-500К (Al_2O3).

 

Рис. 2. ХАРАКТЕР ПРОЯВЛЕНИЯ ЗАЛЕЖЕЙ НЕФТИ И ГАЗА В ОСТАТОЧНЫХ ПОЛЯХ ИНТЕНСИВНОСТИ  ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ДЕТЕКТОРОВ, усл. ед.

А – локальные кольцевые аномалии над водогазовым контактом Северо-Васюганского газоконденсатного месторождения антиклинального типа; Б – прогнозируемое месторождение, связанное с ловушкой комбинированного типа (литологическая, тектонически-экранированная); локальные аномалии: 1 – отрицательные,2 – положительные; 3 – точки термолюминесцентных радиометрических исследований; 4 – водогазовый контакт; 5 – прогнозный контур нефтегазоносности; 6 – зона палеозойского уступа фундамента

Дозиметрические установки измерения термолюминесценции характеризуются небольшими габаритами, сравнительно малым энергопотреблением и легкой транспортировкой. Поэтому при опоисковании значительных по площади участков для сохранения временного интервала экспозиции ТЛД на разных профилях измерения интенсивности термолюминесценции (ИТЛ) детекторов целесообразно осуществлять на площади работ.

Термолюминесцентным радиометрическим картированием на сегодняшний день охвачено шесть площадей с установленной нефтегазоносностью, три поисковых участка. Объекты радиогеохимической съемки расположены на территории Томской области, Красноярского края, Республики Хакасия, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов. Работы носили опытно-методический и поисковый характер и осуществлялись для уточнения контуров нефтегазоносности. Кроме того, проведены региональные исследования по профилю, пересекшему восточную часть Томской области вдоль р.Кеть.

Накопленный материал позволяет  достаточно достоверно оценить возможности  термолюминесцентной съемки и судить о ее хорошей эффективности в  условиях Центральной Сибири. Основным и, пожалуй, единственным препятствием является низкая информативность метода в пределах болот с глубиной залегания подстилающих воду пород > 1 м. В пределах таких ландшафтов приходится максимально привязывать маршруты к возвышенным “сухим” участкам местности (острова, гривы), что отрицательно сказывается на равномерности и геометрии сети опробования.

Параллельное изучение поля радиоактивности методами гамма- и термолюминесцентной радиометрии  показало, что термолюминесцентные  исследования за счет высокой чувствительности детекторов и накопительного характера информации значительно ярче проявляют аномалии радиоактивности, связанные с влиянием залежей УВ. При этом аномальные изменения полей радиоактивности фиксируются и по данным свечения минералов термолюминофоров при изучении термостимулированной люминесценции грунтов.

Морфология термолюминесцентных  аномалий над скоплениями нефти  и газа соответствует общепринятой классификации для газо- и литогеохимических  методов поисков месторождений  нефти и газа. Для ловушек антиклинального  типа – это кольцевые аномалии высоких значений над водоуглеводородным контактом с относительным минимумом в контуре нефтегазоносности, реже, как например на Мыльджинском нефтегазовом месторождении, фиксируются сплошные положительные аномалии. Для литологических и структурно-тектонических ловушек характерна более вытянутая форма аномальных нарушений (рис. 3).

 

 

Рис. 3. СОПОСТАВЛЕНИЕ  ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ  НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДЕТЕКТОРОВ (время экспозиции 20 сут)

1 – ТЛД-К (SiO2); 2 – GR-200 (Li, F, Mg,Cu, P); 3 – ДТГ-4 (Li, F, Mg,Ti)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Еще одной немаловажной положительной чертой термолюминесцентного радиометрического картирования является способность детекторов регистрировать a-, b-, g- излучения в широком диапазоне энергий.

Наиболее контрастные геохимические барьеры в породах, перекрывающих скопления нефти и газа, возникают при внедрении УВ-газов в зону смены окислительных и восстановительных обстановок. Глубина этого горизонта в разных районах меняется и главным образом зависит от положения местного базиса эрозии.

В ряду распада наиболее подвижного из естественных радиоактивных  элементов 238U присутствует геохимически инертный a-активный газ 222Rn. Период полураспада этого радиоактивного элемента 3,8 дня, изотопы радона могут самостоятельно существовать около 27 дней [2]. Протяженность газовых ореолов 222Rn над урановыми рудами достигает десятков метров. Миграционная способность радона возрастает в несколько раз в водорастворенном состоянии. При этом в качестве агентов транспортировки радиоактивного газа могут выступать и органические жидкости, например толуол.

-излучения. Однако  при радиоактивном распаде 222Rn возникает группаaПомещенные в водонепроницаемые контейнеры детекторы экранированы материалом упаковки от  b- и g-излучающих короткоживущие изотопов, таких как 214Pb, 214Bi, 214Po, 210Po. Одними из наиболее g- и b- активных радионуклидов в ряду дочерних элементов 238U соответственно являются 214Bi (период полураспада 19,7 минуты) и 210Po (период полураспада 138,4 суток), энергия которых находится в доверительном интервале регистрации применяемых ТЛД. Таким образом, опосредованно через радиоактивные изотопы ТЛД реагируют на плотность потока радона и несут информацию о радиоактивности сравнительно глубоких горизонтов.

По одному из радиогеохимических профилей, пересекшему Западно-Катыльгинское месторождение нефти, были проведены термолюминесцентные радиометрические исследования с целью оценки устойчивости термолюминесцентных эффектов во времени.

На одних и тех  же точках весной 2005 г. и осенью 2006 г. были установлены ТЛД с последующей экспозицией в 20 сут. При этом в шпурки помещались детекторы, упакованные в водонепроницаемые контейнеры, экранированные алюминиевой фольгой и без какого-либо изолирующего материала.

 

Термолюминесцентную съемку, особенно при начале работ на новых площадях, где не известна радиогеохимическая специфика пород горизонта опробования, целесообразно сопровождать g-спектрометрическими измерениями концентраций естественных радиоактивных элементов. Это обусловлено тем, что часть аномалий радиоактивности может проявлять участки выходов на дневную поверхность осадочных отложений, относительно обогащенных калий- и реже торийсодержащими минералами. Подобные терригенные образования легко выявляются в полях распределения естественных радиоактивных элементов, а при сопоставлении с геологической основой участки с повышенной радиоактивностью и уровнями накопления калия или тория совпадают с однофациальными отложениями конкретных стратиграфических диапазонов. На стадии интерпретации результатов радиогеохимического картирования такие аномалии вносят определенную помеху при выделении нефтеперспективных участков, но существует простая процедура с использованием данных -излучения, определяемых по мощности экспозиционной дозы сцинтилляционным радиометром (Соболев И.Сg. и др., 2004).

На сегодняшний  день методика термолюминесцентной радиометрической съемки адаптирована для условий Западной и Средней Сибири. Ее применение возможно в качестве вспомогательного метода при геохимическом сопровождении региональных сейсморазведочных работ. Самостоятельно и в комплексе с другими прямыми методами поисков нефти и газа она может использоваться при оконтуривании залежей УВ на территориях, имеющих сходные условия с “эталонными” продуктивными площадями.

 

Литература

1. Пинкензон Д.Б. О  природе радиогеохимических эффектов  на водонефтяном контакте / Д.Б.Пинкензон,  М.С.Макаров // Геология нефти и  газа. – 1991. – № 4.

2. Титаева Н.А. Ядерная  геохимия. – М.: Изд-во МГУ, 2000.

3. Siegel F.R. Areal thermoluminescence radiometric survey of Shengping oil using buried dosimeters / F.R.Siegel, D.Hu, J.E.Vaz, Z.Wang, A.Viterito // Oil and Gas. – 1989. – № 3.

4. Siegel F.R. The integrated radiation environment at well sites – an adjunct to petroleum exploration / F.R.Siegel, R.Chen, J.E.Vaz, V.K.Mathur // Oil and Gas. – 1997. – № 6.

5. Wang Z. Application of thermoluminescence dozimetry in the exploration for oil and gas using chinese GR-200 LiF (Mg,Cu,P) TLD / Z.Wang, D.Qin, G.Zhuang, Z.Zha, S.Wang, W.Shen, G.Cai // Radiation Protection Dozimetry. – 1993. – V. 47. – № 4.

6. Соболев И.С., Гришко А.А., Рихванов Л.П., Барановский В.С., Геология нефти и газа, 6-2007