非密封放射性物質(zhì)野外示蹤的輻射環(huán)境分析

贠彥祺，曹偉，李晨暉，任坤賢，寧興勤

1.甘肅省核與輻射安全中心（甘肅 蘭州 730020）

2.中國(guó)石油冀東油田分公司 監(jiān)督中心（河北 唐山 063000）

放射性同位素測(cè)井是利用人工放射性同位素作為示蹤劑研究、觀察油井技術(shù)狀況和采油注水動(dòng)態(tài)的測(cè)井方法[1]。目前隨著國(guó)內(nèi)油田大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)及核技術(shù)利用的發(fā)展,在測(cè)井中可以使用的放射性同位素種類不斷增多,應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，但野外示蹤帶來(lái)的輻射環(huán)境問(wèn)題也日漸突出。生態(tài)環(huán)境部在2018年11月5日發(fā)布的《關(guān)于放射性同位素示蹤測(cè)井有關(guān)問(wèn)題的復(fù)函》（環(huán)辦法規(guī)函〔2018〕1253號(hào)）中再一次明確：開(kāi)展放射性同位素示蹤測(cè)井活動(dòng)前，應(yīng)依法履行環(huán)境影響評(píng)價(jià)審批手續(xù)[2]。介紹相關(guān)輻射安全管理要求，建立分析野外示蹤過(guò)程中的γ射線和β射線的輻射劑量率理論計(jì)算方法，同時(shí)估算示蹤過(guò)程對(duì)職業(yè)人員和公眾造成的附加劑量，為今后使用非密封放射性物質(zhì)進(jìn)行野外示蹤試驗(yàn)的油田等單位進(jìn)行輻射安全管理和環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 示蹤的輻射安全管理要求

1.1 法律法規(guī)

示蹤的輻射安全管理要求方面的法律法規(guī)有：《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)法》《中華人民共和國(guó)放射性污染防治法》《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)管理辦法》。

1.2 示蹤的具體法規(guī)要求

《放射性同位素與射線裝置安全和防護(hù)條例》第三十六條規(guī)定：“在室外、野外使用放射性同位素和射線裝置的，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)家安全和防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求劃出安全防護(hù)區(qū)域，設(shè)置明顯的放射性標(biāo)志，必要時(shí)設(shè)專人警戒?！薄斗派湫酝凰嘏c射線裝置安全許可管理辦法》（原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局令第31號(hào)）第三十四條規(guī)定：“在野外進(jìn)行放射性同位素示蹤試驗(yàn)的單位，應(yīng)當(dāng)在每次試驗(yàn)前編制環(huán)境影響報(bào)告表，并經(jīng)試驗(yàn)所在地省級(jí)環(huán)境保護(hù)主管部門商同級(jí)有關(guān)部門審查批準(zhǔn)后方可進(jìn)行?！?/p>

生態(tài)環(huán)境部在2018年11月5日發(fā)布的《關(guān)于放射性同位素示蹤測(cè)井有關(guān)問(wèn)題的復(fù)函》（環(huán)辦法規(guī)函〔2018〕1253號(hào)）中明確放射性同位素示蹤測(cè)井屬于“在野外進(jìn)行放射性同位素示蹤試驗(yàn)”的一種形式。開(kāi)展放射性同位素示蹤測(cè)井活動(dòng)前，應(yīng)依法履行環(huán)境影響評(píng)價(jià)審批手續(xù)。需開(kāi)展多次有計(jì)劃的野外示蹤試驗(yàn)的，其環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告表可在試驗(yàn)前，對(duì)同一地質(zhì)條件環(huán)境作一次總體評(píng)價(jià)，并報(bào)送審批。因此使用非密封放射性物質(zhì)進(jìn)行野外示蹤的油田等單位開(kāi)展放射性同位素示蹤測(cè)井活動(dòng)前，可提前在同一地區(qū)制定野外示蹤試驗(yàn)計(jì)劃，明確測(cè)井地質(zhì)條件，可參照以下要素制定試驗(yàn)計(jì)劃，見(jiàn)表1。

表1 野外示蹤試驗(yàn)計(jì)劃要素一覽表

2 示蹤輻射環(huán)境影響分析

2.1 非密封放射性物質(zhì)示蹤測(cè)井的輻射影響分析

正常工況下測(cè)井采用的放射性同位素示蹤劑為超細(xì)陶瓷顆粒狀態(tài)，測(cè)井時(shí)先將示蹤劑加注泵設(shè)備與測(cè)井壓裂設(shè)備注砂管連接好，然后將同位素示蹤劑裝入加注泵中，隨注砂過(guò)程自動(dòng)將示蹤劑釋放進(jìn)入被測(cè)井中。在此過(guò)程中產(chǎn)生的同位素示蹤劑廢棄包裝材料需交有資質(zhì)的單位處置。

1）計(jì)算公式式中：H為距離放射源r m處的照射劑量率，Sv/h；A為源的放射性活度，Ci；Γ為照射量率常數(shù)，124Sb取0.98 R·m2/(h·Ci)、192Ir取0.46 R·m2/(h·Ci)·、46Sc取1.09[R·m2/(h·Ci)；r為計(jì)算點(diǎn)距源的距離，m；8.76×10-3為倫琴與戈瑞轉(zhuǎn)換系數(shù)，針對(duì)γ射線其品質(zhì)因子為1，1Gy數(shù)值上等于1Sv。

2）計(jì)算結(jié)果。按照油田野外示蹤常見(jiàn)的注入類型，模擬A井?dāng)M注入124Sb（0.05Ci）和46Sc（0.3Ci）兩種核素，B井?dāng)M注入124Sb（0.04Ci）和192Ir（0.29Ci）兩種核素，按照同位素使用量，以點(diǎn)源進(jìn)行估算，距源不同距離處的照射劑量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同距離處裸源照射劑量

3）非密封放射性物質(zhì)示蹤測(cè)井對(duì)職業(yè)人員的輻射影響分析。使用放射性同位素源進(jìn)行示蹤測(cè)井診斷時(shí)，操作人員穿戴防護(hù)服裝拿同位素示蹤劑瓶，將放射性示蹤劑倒入示蹤劑加注泵注設(shè)備中，人員距離源約0.5 m，每次操作時(shí)間約3 min；之后工作人員在距泵注設(shè)備10 m的控制箱地方操作，工作時(shí)間約1 h[3]。根據(jù)本項(xiàng)目施工作業(yè)計(jì)劃，擬先后進(jìn)行1次壓裂施工并同時(shí)進(jìn)行測(cè)井施工。根據(jù)表2中距離非密封源0.5 m和10 m處劑量進(jìn)行估算，單口井一次測(cè)井施工對(duì)工作人員產(chǎn)生的照射劑量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單口井一次測(cè)井施工對(duì)工作人員產(chǎn)生的照射劑量

由表3可知：A井測(cè)井作業(yè)時(shí)124Sb、46Sc核素產(chǎn)生的輻射影響分別為每次0.094 mSv、0.597 mSv；B井測(cè)井作業(yè)時(shí)124Sb、192Ir核素產(chǎn)生的輻射影響分別為每次0.073 mSv、0.242 mSv。若同一人操作測(cè)井則A井最多測(cè)7次，B井最多測(cè)15次，該工作人員方可滿足年有效劑量管理約束值為5 mSv的限值要求。實(shí)際操作過(guò)程中工作人員穿戴防護(hù)服，并佩帶防護(hù)眼鏡和其他防護(hù)用品，工作人員實(shí)際所受到輻射劑量將低于估算值。

4）非密封放射性物質(zhì)示蹤測(cè)井對(duì)公眾的輻射影響分析。假設(shè)以工作現(xiàn)場(chǎng)為中心，半徑30 m的圓形范圍警戒區(qū)域外的非放射性工作人員和公眾在實(shí)施裝載裸露源過(guò)程，每次操作時(shí)間3 min，經(jīng)計(jì)算1次公眾受到的輻射劑量為1.33×10-4mSv，低于GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的公眾1 mSv/a[4]，是可以接受的。

2.2 示蹤劑釋入的β射線的輻射環(huán)境影響分析

1）計(jì)算公式。根據(jù)《輻射防護(hù)手冊(cè)（第一分冊(cè)）》[6]，β粒子空氣吸收劑量率：

式中：Dβ為β粒子吸收劑量，mGy/h；為β粒子質(zhì)量碰撞組織本領(lǐng)，MeV·cm2/g；Φ為β粒子注量率，cm2/s。

其中Φ=s/4πr2，s為源強(qiáng)，Bq；r為計(jì)算點(diǎn)距源的距離，cm。

同前面的假設(shè)條件相同：輻射工作人員在實(shí)施開(kāi)瓶、分裝、注入容器罐過(guò)程最近距離源0.5 m，操作時(shí)間20 s(最多)。核素124Sb、46Sc、192Ir的β能量最大分別為2.3 MeV、0.35 MeV、0.67 MeV，查表得值分別為124Sb：1.733 MeV·cm2/g、46Sc：1.984 MeV·cm2/g、192Ir：1.726 MeV·cm2/g。

2）計(jì)算結(jié)果。按照式（2），以點(diǎn)源進(jìn)行估算，距源不同距離處的照射劑量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同距離處裸源β射線照射劑量

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定“四肢或皮膚的年劑量為500 mSv”。由表4可知，在距離示蹤劑5 cm處的每次皮膚劑量為5.47×10-4mSv；50 cm處的每次皮膚劑量為5.47×10-6mSv。這說(shuō)明同位素示蹤劑在開(kāi)瓶、分裝、罐注過(guò)程對(duì)操作人員的β射線劑量輻射影響是可接受的。

3）對(duì)公眾的輻射影響分析。β射線的劑量主要引起皮膚劑量，測(cè)井所用的核素為192Ir、124Sb、46Sc。根據(jù)其衰變圖可知，發(fā)生β衰變時(shí)產(chǎn)生的β射線，能量最低為0.35 MeV，能量最高為2.3 MeV。能量為0.35 MeV的β射線在空氣中的最大射程約1.2 m，能量為2.3 MeV的β射線在空氣中的最大射程約3.7 m，在3.7 m附近β射線將銳減至零[5-7]。由此可見(jiàn)，β射線對(duì)公眾造成的輻射危害相對(duì)于γ射線的影響是可忽略的。

3 結(jié)論

1）非密封放射性物質(zhì)野外示蹤帶來(lái)的輻射環(huán)境問(wèn)題日漸突出，生態(tài)環(huán)境部在2018年11月5日發(fā)布的《關(guān)于放射性同位素示蹤測(cè)井有關(guān)問(wèn)題的復(fù)函》（環(huán)辦法規(guī)函〔2018〕1253號(hào)）中再一次明確開(kāi)展放射性同位素示蹤測(cè)井活動(dòng)前，應(yīng)依法履行環(huán)境影響評(píng)價(jià)審批手續(xù)。介紹了相關(guān)輻射安全管理要求，提出了同一地區(qū)開(kāi)展野外示蹤試驗(yàn)編制試驗(yàn)計(jì)劃要素的建議。

2）通過(guò)對(duì)使用非密封放射性物質(zhì)進(jìn)行野外示蹤過(guò)程中的γ射線和β射線的輻射影響分析，對(duì)職業(yè)人員和公眾造成的附加劑量估算結(jié)果表明：采取相應(yīng)的距離和人員控制措施后，示蹤測(cè)井對(duì)職業(yè)人員和公眾造成的年有效附加劑量能夠滿足GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的相應(yīng)限值，是可以接受的。