非密封放射性物質野外示蹤的輻射環境分析

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.中國石油冀東油田分公司 監督中心（河北 唐山 063000）

放射性同位素測井是利用人工放射性同位素作為示蹤劑研究、觀察油井技術狀況和采油注水動態的測井方法[1]。目前隨著國內油田大規模勘探開發及核技術利用的發展,在測井中可以使用的放射性同位素種類不斷增多,應用范圍也在不斷擴大，但野外示蹤帶來的輻射環境問題也日漸突出。生態環境部在2018年11月5日發布的《關于放射性同位素示蹤測井有關問題的復函》（環辦法規函〔2018〕1253號）中再一次明確：開展放射性同位素示蹤測井活動前，應依法履行環境影響評價審批手續[2]。介紹相關輻射安全管理要求，建立分析野外示蹤過程中的γ射線和β射線的輻射劑量率理論計算方法，同時估算示蹤過程對職業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進行野外示蹤試驗的油田等單位進行輻射安全管理和環境影響評價提供技術指導。

1 示蹤的輻射安全管理要求

1.1 法律法規

示蹤的輻射安全管理要求方面的法律法規有：《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國環境影響評價法》《中華人民共和國放射性污染防治法》《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》《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管理辦法》。

1.2 示蹤的具體法規要求

《放射性同位素與射線裝置安全和防護條例》第三十六條規定：“在室外、野外使用放射性同位素和射線裝置的，應當按照國家安全和防護標準的要求劃出安全防護區域，設置明顯的放射性標志，必要時設專人警戒。”《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》（原國家環境保護總局令第31號）第三十四條規定：“在野外進行放射性同位素示蹤試驗的單位，應當在每次試驗前編制環境影響報告表，并經試驗所在地省級環境保護主管部門商同級有關部門審查批準后方可進行。”

生態環境部在2018年11月5日發布的《關于放射性同位素示蹤測井有關問題的復函》（環辦法規函〔2018〕1253號）中明確放射性同位素示蹤測井屬于“在野外進行放射性同位素示蹤試驗”的一種形式。開展放射性同位素示蹤測井活動前，應依法履行環境影響評價審批手續。需開展多次有計劃的野外示蹤試驗的，其環境影響評價報告表可在試驗前，對同一地質條件環境作一次總體評價，并報送審批。因此使用非密封放射性物質進行野外示蹤的油田等單位開展放射性同位素示蹤測井活動前，可提前在同一地區制定野外示蹤試驗計劃，明確測井地質條件，可參照以下要素制定試驗計劃，見表1。

表1 野外示蹤試驗計劃要素一覽表

2 示蹤輻射環境影響分析

2.1 非密封放射性物質示蹤測井的輻射影響分析

正常工況下測井采用的放射性同位素示蹤劑為超細陶瓷顆粒狀態，測井時先將示蹤劑加注泵設備與測井壓裂設備注砂管連接好，然后將同位素示蹤劑裝入加注泵中，隨注砂過程自動將示蹤劑釋放進入被測井中。在此過程中產生的同位素示蹤劑廢棄包裝材料需交有資質的單位處置。

1）計算公式式中：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，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為計算點距源的距離，m；8.76×10-3為倫琴與戈瑞轉換系數，針對γ射線其品質因子為1，1Gy數值上等于1Sv。

2）計算結果。按照油田野外示蹤常見的注入類型，模擬A井擬注入124Sb（0.05Ci）和46Sc（0.3Ci）兩種核素，B井擬注入124Sb（0.04Ci）和192Ir（0.29Ci）兩種核素，按照同位素使用量，以點源進行估算，距源不同距離處的照射劑量計算結果見表2。

表2 不同距離處裸源照射劑量

3）非密封放射性物質示蹤測井對職業人員的輻射影響分析。使用放射性同位素源進行示蹤測井診斷時，操作人員穿戴防護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備中，人員距離源約0.5 m，每次操作時間約3 min；之后工作人員在距泵注設備10 m的控制箱地方操作，工作時間約1 h[3]。根據本項目施工作業計劃，擬先后進行1次壓裂施工并同時進行測井施工。根據表2中距離非密封源0.5 m和10 m處劑量進行估算，單口井一次測井施工對工作人員產生的照射劑量結果見表3。

表3 單口井一次測井施工對工作人員產生的照射劑量

由表3可知：A井測井作業時124Sb、46Sc核素產生的輻射影響分別為每次0.094 mSv、0.597 mSv；B井測井作業時124Sb、192Ir核素產生的輻射影響分別為每次0.073 mSv、0.242 mSv。若同一人操作測井則A井最多測7次，B井最多測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。實際操作過程中工作人員穿戴防護服，并佩帶防護眼鏡和其他防護用品，工作人員實際所受到輻射劑量將低于估算值。

4）非密封放射性物質示蹤測井對公眾的輻射影響分析。假設以工作現場為中心，半徑30 m的圓形范圍警戒區域外的非放射性工作人員和公眾在實施裝載裸露源過程，每次操作時間3 min，經計算1次公眾受到的輻射劑量為1.33×10-4mSv，低于GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中規定的公眾1 mSv/a[4]，是可以接受的。

2.2 示蹤劑釋入的β射線的輻射環境影響分析

1）計算公式。根據《輻射防護手冊（第一分冊）》[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粒子質量碰撞組織本領，MeV·cm2/g；Φ為β粒子注量率，cm2/s。

其中Φ=s/4πr2，s為源強，Bq；r為計算點距源的距離，cm。

同前面的假設條件相同：輻射工作人員在實施開瓶、分裝、注入容器罐過程最近距離源0.5 m，操作時間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）計算結果。按照式（2），以點源進行估算，距源不同距離處的照射劑量計算結果見表4。

表4 不同距離處裸源β射線照射劑量

根據國家標準GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中的相關規定“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。這說明同位素示蹤劑在開瓶、分裝、罐注過程對操作人員的β射線劑量輻射影響是可接受的。

3）對公眾的輻射影響分析。β射線的劑量主要引起皮膚劑量，測井所用的核素為192Ir、124Sb、46Sc。根據其衰變圖可知，發生β衰變時產生的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，β射線對公眾造成的輻射危害相對于γ射線的影響是可忽略的。

3 結論

1）非密封放射性物質野外示蹤帶來的輻射環境問題日漸突出，生態環境部在2018年11月5日發布的《關于放射性同位素示蹤測井有關問題的復函》（環辦法規函〔2018〕1253號）中再一次明確開展放射性同位素示蹤測井活動前，應依法履行環境影響評價審批手續。介紹了相關輻射安全管理要求，提出了同一地區開展野外示蹤試驗編制試驗計劃要素的建議。

2）通過對使用非密封放射性物質進行野外示蹤過程中的γ射線和β射線的輻射影響分析，對職業人員和公眾造成的附加劑量估算結果表明：采取相應的距離和人員控制措施后，示蹤測井對職業人員和公眾造成的年有效附加劑量能夠滿足GB 18871—2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》中規定的相應限值，是可以接受的。