Ядерно-физические методы в решении проблем нефтяной отрасли и экологии Казахстана 01. 04. 01 Приборы и методы экспериментальной физики, 03. 00. 16 Экология

Вид материала

Автореферат

Содержание Актуальность проблемы. Целью диссертационной работы Основные задачи исследований Объектами исследования Предметом исследования Методы исследований. Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Связь темы с планами научно-исследовательских работ. Научная новизна. Практическая значимость. Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов Положения, выносимые на защиту Апробация работы Личный вклад автора Структура и объем диссертации. Основная часть Во введении В первом разделе А – количество провзаимодействовавших атомов; N Во втором разделе ... Полное содержание

Подобный материал:

• Экспериментальные методы исследования динамики структурных превращений при синтезе, 224.51kb.
• Аппаратная инфраструктура измерительных и управляющих систем плазменных установок ияф, 734.94kb.
• Микрополосковые резонаторы и их применение для исследований диэлектрических свойств, 401.9kb.
• Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 03. 02., 89.09kb.
• I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План, 1221.92kb.
• Масс-спектрометрия и резонансные методы. Часть I. Методы масс-спектрометрии, 397.85kb.
• Программный комплекс для анализа данных трековых детекторов методами распознавания, 2073.36kb.
• Ядерно-физические методы анализа, 261.67kb.
• Вопросы для контроля по дисциплине «Физические методы исследования пород и руд», 123.1kb.
• Создать условия для развития познавательного интереса к особенностям нефтяной промышленности, 129.35kb.

УДК 539.1.074/076/078:577.4 На правах рукописи


СОЛОДУХИН ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ


Ядерно-физические методы в решении проблем нефтяной

отрасли и экологии Казахстана


01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики,

03.00.16 - Экология


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук


Республика Казахстан

Алматы, 2009

Работа выполнена в Институте ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан

Научные консультанты:	доктор химических наук, профессор, академик НАН РК, академик инженерной академии наук РК Надиров Н. К. доктор физико-математических наук, профес-сор, академик инженерной академии наук РК Кадыржанов К. К.
Официальные оппоненты	доктор физико-математических наук, профессор Жотабаев Ж.Р. доктор физико-математических наук, профессор Василенко О.И. доктор технических наук, профессор Дюсебаев М.К.
Ведущая организация	Казахский Национальный университет им. аль-Фараби

Защита состоится 26 июня 2009 года в 14 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д60.01.01 при Национальном ядерном центре Республики Казахстан по адресу: 050032, г. Алматы, Ибрагимова 1, Институт ядерной физики НЯЦ РК, конференц-зал.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерной физики НЯЦ РК, по адресу: 050032, г. Алматы, ул. Ибрагимова, 1.


Автореферат разослан 25 мая 2009 г.


Ученый секретарь Н. Буртебаев

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы. В настоящей работе разработан и создан специализированный комплекс ядерно-физических и спектроскопических методов аналитических исследований и решен ряд актуальных проблем в сферах нефтяного комплекса и радиоэкологии Казахстана.

Актуальность проблемы. Последнее столетие ознаменовалось особым демографическим событием - население Земли увеличилось в шесть раз, с 1 до 6 млрд. человек. Столь стремительный рост народонаселения вызвал необходимость решения множества жизненных проблем. Существенно возросла потребность в энергоносителях, остро обозначилась проблема комплексного освоения углеводородных (УВ) ископаемых.

В Казахстане на сегодняшний день открыто более 200 месторождений нефти. Её гарантированные запасы оценены в 3.6 млрд. т. Но даже столь значительные запасы не бесконечны, поскольку они соответствуют всего лишь объёму ежегодной мировой добычи нефти. Вместе с тем, недра республики насыщены так называемыми «нетрадиционными» УВ-ископаемыми: высоковязкие нефти (ВВН), природные битумы (ПБ), нефтебитуминозные породы (НБП), горючие и углистые сланцы (ГС, УС). Все они по УВ-составу являются достойной альтернативой нефти и представляют большой интерес для химической промышленности. Многие из этих ископаемых, обладающих свойствами своеобразных природных сорбентов, содержат в себе большое количество как ценных (Ti, V, Ni, Mo, Pd, Ag, Pt, Au и др.), так и токсичных (S, As, Se, Br, Cd, Sb и др.) элементов-примесей. Успех комплексного освоения этих ископаемых напрямую связан с необходимостью информации об их составе и существенно зависит от степени эффективности используемых для ее получения аналитических методов.

Наиболее серьёзной альтернативой тепловой энергетике является ядерная энергетика. Ее развитие проходило очень стремительно и во многом определялось реализацией военных ядерных программ. Это не обошлось без печальных последствий, включающих в себя значительные людские потери (Хиросима, Нагасаки), тяжелые радиационные аварии (Чернобыль) и существенное радиоактивное загрязнение окружающей среды. Казахстан, как ни одна из стран мира, наиболее ёмко и всесторонне представлен разнообразными событиями и обстоятельствами, повлиявшими на радиационное и экологическое состояние окружающей среды. К таковым можно отнести следующее: ядерные испытания (456 взрывов) на Семипалатинском испытательном полигоне (СИП); высотные и космические взрывы (10 взрывов) на полигоне Капустин Яр; мирные подземные ядерные взрывы (32 взрыва) в Западном, Центральном и Южном Казахстане; добыча и переработка урана и наличие, в связи с этой деятельностью, более 100 хранилищ и могильников радиоактивных отходов; добыча и переработка нефти, приводящие в ряде случаев к значительному радиоактивному загрязнению производственных территорий и оборудования естественными радионуклидами (ЕРН). Все это вызывает необходимость изучения и решения острых радиоэкологических проблем на территории Казахстана.

Ядерно-физические методы анализа (ЯФМА), включающие в себя большой арсенал физических, химических и радиохимических вариантов и сочетающие в себе широкий спектр уникальных свойств (высокая чувствительность, многоэлементность, возможность проведения анализа в камеральных условиях, в отдельных случаях - высокая экспрессность, производительность и низкая себестоимость анализа и др.), в наибольшей степени соответствуют требова-ниям, обусловленным необходимостью решения представленных проблем.

Из изложенного следует, что настоящая работа, направленная на решение ряда научных и практических задач нефтяной отрасли, а также на экологическое обследование радиационно-опасных объектов и методически основанная на комплексе разработанных и освоенных современных ядерно-физических и спектроскопических методов аналитических исследований, является своевременной и актуальной.

Целью диссертационной работы является создание специализированного комплекса современных ядерно-физических и спектроскопических методов и решение на его основе ряда актуальных задач по проблемам нефтяной отрасли и экологии Казахстана.

Основные задачи исследований:

1. На основе разработанных и освоенных современных ядерно-физических и спектроскопических методов создание специализированного аппаратурно-методического комплекса, обеспечивающего всестороннее исследование элементного и радионуклидного состава и свойств УВ-ископаемых и объектов окружающей среды.
   
2. Определение элементного состава нефтей, ВВН, НБП, ГС, УС (и их минеральных и УВ-фракций) ряда новых месторождений, а также радионуклидного состава и физико-химических свойств солевых отложений, образующихся на металлическом оборудовании отдельных участков нефтедобычи, для решения геологических, технологических и радиационных проблем нефтяной отрасли Казахстана и бывшего СССР.
   
3. Проведение комплексного радиационного обследования территории объектов подземных ядерных взрывов ЛИРА, расположенных на Карачаганакском нефтегазоконденсатном месторождении (КНГКМ), а также их окрестностей и ближайших населенных пунктов с целью получения детальных характеристик радиоактивного загрязнения этой местности и оценки радиационной обстановки вокруг этих объектов.
   
4. Разработка новой методологии комплексного радиационного обследования территорий ядерных взрывов и изучение на ее основе радиационной обстановки на основных испытательных площадках и на наиболее загрязненных участках территории СИП с целью их ранжирования и классификации по степени и виду радиоактивного загрязнения и разработки рекомендаций по ограничению радиационного риска на территории полигона.
   
5. Разработка методологической основы радиационного и гидрохимического обследования и мониторинга речных бассейнов и создание на этой базе Международной системы мониторинга и обследования бассейна р. Сырдарья на территории Центральной Азии и системы мониторинга водных поступлений трансграничных рек Казахстана с целью решения проблем трансграничного переноса радионуклидов и токсичных элементов.
   

Объектами исследования в настоящей работе являются ископаемые углеводороды (нефть, ВВН, ПБ, НБП, ГС, УС) и объекты окружающей среды (почва, донные отложения, вода, растительность и др.) Казахстана и отдельных республик (ныне стран) бывшего СССР.

Предметом исследования настоящей работы является разработка, усовершенствование и адаптация ядерно-физических и спектроскопических методов и исследование на их основе элементного, радионуклидного состава и структуры ископаемых углеводородов и объектов окружающей среды.

Методы исследований.

Ядерно-физические методы: нейтроноактивационный анализ (НАА); рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), включая метод рентгеновской флуоресценции с возбуждением микропучком ускоренных протонов (micro-PIXE); радионуклидный анализ (РНА), включающий в себя -, -, -спектрометрию, а также радиохимическое концентрирование и разделение радионуклидов.

Спектроскопические методы: атомно-эмиссионная и масс-спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП, МС-ИСП); магнитная масс-спектроскопия (ММС); электронная парамагнитнорезонансная и ядерная гамма-резонансная спектроскопия (ЭПРС, ЯГРС); электронная микроскопия (ЭМ).

Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами.

Работы по настоящей тематике проводились в контакте с сотрудниками ряда организаций и предприятий Международного, Всесоюзного и Республиканского уровней: МАГАТЭ, НАТО, МНТЦ, Лос-Аламосская Национальная лаборатория (США), Сандийские Национальные лаборатории (США), ОИЯИ (г. Дубна, Россия), ИАЭ им. И.В. Курчатова (г. Москва, Россия), ИБРАЭ РАН (г. Москва, Россия), ВНИИРТ (г. Москва, Россия), ИГКЭ Роскомгидромета и РАН (г. Москва, Россия), ГЕОХИ (г. Москва, Россия), ВИМС (г. Москва, Россия), ИГГ СО АН СССР (г. Новосибирск, Россия), Радиевый институт им. В.Г. Хлопина (г. Санкт-Петербург, Россия), ВНИГРИ (г. Ленинград, Россия), ЛИЯФ (г. Гатчина, Россия), Физико-химический институт им. Л.Я. Карпова (г. Обнинск, Россия), НИИ ЯФ ТПИ (г. Томск, Россия), ИЯФ АН Узбекистана (г. Улугбек), Институт физики АН Кыргызстана (г. Бишкек), ФТИ АН Таджикистана (г. Душанбе), Научный Центр радиобиологии и радиационной экологии АН Грузии (г. Тбилиси), ИГ НАН Азербайджана (г. Баку), Ереванский государственный университет (Армения), ПГО Геологоразведка МГ СССР (г. Москва, Россия), ПО Татнефть (г. Альметьевск, Татарстан), НПО Казнефтебитум (г. Алматы), НПО Казнедра (г. Алматы), ПГО ЮжКазгеология (г. Алматы), ПГО Волковгеология (г. Алматы), КазИМС (г. Алматы), ПО Мангышлакнефть (г. Актау), КазНИПИнефть (г. Актау), ИХНиПС АН КазССР (г. Атырау), Джунгарская ГРЭ (г. Текели), ПГО ЗапКазгеология (г. Актюбинск) и многими другими.

Связь темы с планами научно-исследовательских работ.

Диссертационная работа охватывает период с 1978 г. по настоящее время. Значительная её часть выполнялась по планам АН КазССР (1978-1992) гг. В это же время проводились работы по Общесоюзной научно-технической программе 0.50.05 ГКНТ СССР "Разработать основы и методы прогноза, поисков и оценки малоизученных и новых видов минерального сырья, оценить их ресурсы, создать методы комплексного использования" и по Республиканской научно-технической программе Р.0.73.01 "Разработать и освоить способы и средства разведки, добычи, транспортировки и переработки нефтебитуминозных пород и высоковязких нефтей Западного Казахстана для их использования в народном хозяйстве". Начиная с 1993 г. работа выполнялась в рамках Республиканской целевой научно-технической программы "Развитие атомной энергетики в Казахстане" и по многим Международным проектам.

Научная новизна.

• Впервые в практике аналитических исследований для изучения состава и свойств УВ-ископаемых и объектов окружающей среды научно обоснован, разработан и создан специализированный аппаратурно-методический комплекс современных аналитических методов, включающий в себя ядерно-физические методы элементного (нейтроноактивационный – НАА, рентгенофлуоресцент-ный - РФА) и радионуклидного (-, -, -спектрометрия, радиохимия) анализа; методы атомной и ядерной спектроскопии: атомно-эмиссионная спектроскопия (АЭС), масс-спектроскопия (МС) с индуктивно-связанной плазмой (ИСП), электронная парамагнитнорезонансная (ЭПР) и ядерная гамма-резонансная (ЯГР) спектроскопия; методы микроаналитических исследований: магнитная масс-спектроскопия (ММС), электронная микроскопия (ЭМ) и рентгеновская флуоресценция с возбуждением микропучком ускоренных протонов (micro-PIXE).
  
• На основе результатов исследования микроэлементного состава УВ-ископаемых предложена новая классификация нефтей и НБП различных место-рождений Казахстана, а также доманикитовых и горючесланцевых формаций всего мира, по признаку их металлоносности.
  
• Впервые, на основе результатов комплексного исследования состава и форм нахождения отдельных микроэлементов в углистых сланцах месторожде-ния Яблоновое (Текели-Коксуйский рудный узел), отобранных из разных глубин, установлено особое свойство аномальности состава этих пород, сопри-частных с зоной геологического разлома.
  
• Предложена и разработана новая методология комплексного радиационного обследования территорий ядерных взрывов, обеспечивающая в сравнительно короткий период времени исчерпывающую информацию об уровне, характере, масштабности загрязнений и специфических особенностях радионуклидных загрязнителей.
  
• На основе разработанной новой методологии изучена морфология радионуклидной загрязненности основных испытательных площадок СИП, выявлены наиболее загрязненные участки и предложена их классификация по признаку радиационной опасности.
  
• Предложена и разработана новая методологическая основа радиа-ционного и гидрохимического обследования и мониторинга речных бассейнов, обеспечивающая достоверную информацию о радиационной и экологической обстановке, источниках загрязнения и надежный контроль водной среды по установленным приоритетным параметрам.
  
• Впервые, на основе разработанной методологии, охарактеризована радиационная и экологическая обстановка в бассейнах рек Сырдарья и Амударья на территории Центральной Азии, выявлены основные источники загрязнения р. Сырдарья на территории Казахстана; все трансграничные реки Казахстана ранжированы по уровню загрязненности их водных поступлений на территорию Республики радионуклидами и токсичными элементами.
  

Практическая значимость.

• Результаты исследования микроэлементного состава нефтей, ВВН, НБП, УС и других геологических пород (а также их отдельных фракций и продуктов переработки) ряда месторождений Казахстана и бывшего СССР внедрены (6 актов о внедрении) в КазНИПИнефть, ГПО «Геологоразведка», КазИМС, Джунгарскую ГРЭ, ПО «Татнефть», где использованы для решения вопросов о характере миграции нефти и поиска ее залежей; геохимического картирования и прогнозирования залежей УВ-ископаемых, обогащенных ценными элементами-примесями (V, Ni, Zn, Mo, Ag, Pd, Pt, Au, U и другими); оценки и подсчета запасов ценных металлов на месторождениях УВ-ископаемых; отработки безотходных технологий комплексной переработки УВ-сырья.
  
• Результаты исследования микроэлементного состава нефтей ряда месторождений Поволжья использованы для открытия пяти месторождений ванадия в нефтях Ульяновского, Ильмовского, Аскубаево-Мокшинского, Енорускинского и Черемуховского месторождений Татарстана. Автор настоящей диссертации признан одним из первооткрывателей этих месторождений.
  
• Создана и, совместно с разработанной методикой, внедрена в ИХНиПС АН КазССР установка РФА с энергодисперсионным фильтром-монохроматором для определения с повышенной оперативностью и точностью ванадия и других микроэлементов в нефтях, нефтепродуктах, битумах и битуминозных породах.
  
• Результаты исследования микроэлементного состава различных геологических пород использованы для аттестации следующих Государственных стандартных образцов (ГСО): дунит (СДУ-1) ГСО 4233-88, трапп (СТ-2) ГСО 519-88П, габбро-эссекситовый (СГД-2) ГСО 521-88П. Результаты микроэлементного анализа ГСО СДУ-1 оформлены актом о внедре-нии в Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО АН СССР.
  

• По данным, полученным в процессе широкомасштабного радиационного обследования прилегающих к объектам Лира территорий, включая КНГКМ и ближайшие населенные пункты, установлено, что в целом радиационная обстановка на этих территориях нормальная. Полученный результат имеет большую социальную значимость, поскольку способствует снятию стрессо-вого состояния у местного населения.
  
• Разработан способ выделения и концентрирования плутония и америция из почв Семипалатинского полигона (Патент РК № 5042), который может быть использован для ремедиации отдельных участков на СИП.
  
• По результатам радиоэкологического обследования территории СИП предложены практические рекомендации по мерам ограничения риска и способам нормализации радиационной обстановки на основных испытательных площадках: «Опытное поле», «Дегелен», «Телькем 1-2», «Атомное озеро».
  
• Совместно с коллегами из Узбекистана, Кыргызстана, Таджикистана и при поддержке со стороны США разработана, создана и действует Международная система радиационного и гидрохимического мониторинга бассейнов основных жизнеобеспечивающих рек Центральной Азии – Сырдарья и Амударья.
  
• Совместно с РГП «Казгидромет» разработана, создана и действует система радиационного и гидрохимического мониторинга всех трансграничных рек, втекающих на территорию Казахстана.
  

Достоверность и обоснованность научных результатов и выводов настоящей работы обеспечена многочисленными сравнениями экспериментальных данных, полученных разными методами, проведением межлабораторных сравнений, использованием лицензированного оборудования, аттестованных методик, стандартных образцов и образцов сравнения и подтверждены рядом официальных документов, представленных в Приложении к диссертации.

Положения, выносимые на защиту:

1. Специализированный комплекс разработанных и освоенных ядерно-физических методов анализа (НАА, РФА, ядерная спектрометрия, радиохимия), установок и устройств, включающий в себя освоенные, развитые и адаптированные методы атомной и ядерной спектроскопии (АЭС-ИСП, МС-ИСП, ЭПР, ЯГР) и микроаналитических исследований (ЭМ, ММС, микро-PIXE), являющийся универсальной основой решения аналитических задач по проблемам нефтяной отрасли и экологии, обеспечивающий определение с повышенной информативностью, точностью и достоверностью элементного и радионуклидного состава УВ-ископаемых, объектов окружающей среды и их фракций, а также химических форм и изотопного состава определяемых элементов и структуры изучаемых объектов.
   
2. Новые данные о макро- и микроэлементном составе УВ-ископаемых (их фракций и продуктов переработки) ряда месторождений Казахстана и бывшего СССР, а также о составе и степени связанности ЕРН в солевых отложениях на металлическом оборудовании предприятий нефтяного комплекса, позволившие классифицировать нефти и НБП изученных месторождений Казахстана, а также доманикитовые и горючесланцевые формации мира, по признаку их металлоносности, открыть новые месторождения ванадия в нефтях Татарстана, установить особое свойство аномальности состава углистых пород, связанных с зоной геологического разлома, выявить существенную зависимость от температуры и установить факт значительных потерь V и Ni из ВВН при ее добыче методом внутрипластового горения, рекомендовать на этом основании метод паротеплового воздействия на пласт, реализовать новые технологии комплексной переработки УВ-ископаемых и очистки технологического обору-дования от радиоактивных загрязнений.
   
3. Совокупность результатов широкомасштабного и детального радиацион-ного обследования территории объектов подземных ядерных взрывов ЛИРА, размещенных на КНГКМ, и их окрестностей (включая ближайшие населенные пункты), позволивших установить, что на основной части обследованной территории обстановка нормальная, поскольку уровни мощности дозы (МД) излучения и концентраций искусственных радионуклидов (ИРН) ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ^239+240Pu не превышают фоновых значений и выход ИРН из «котловых полостей» на поверхность земли отсутствует, обнаружить явление и выявить ряд характерных особенностей радионуклидной загрязненности поймы и русла р. Березовка, обусловленной истечением благородных газов в результате взрыва в скважине ТК-2 и частичным загрязнением производственных участков при выполнении технических работ в период освоения объектов.
   
4. Новая методология комплексного радиационного обследования террито-рий ядерных взрывов и их окрестностей, учитывающая состав заряда, специфику условий проведения взрыва и возможную значительную масштаб-ность его последствий, включающая в себя сведения о радиационных парамет-рах, уровне и характере радионуклидного загрязнения, составе и формах нахождения ИРН и их миграционных свойствах, позволившая в относительно короткие сроки изучить морфологию радионуклидной загрязненности, класси-фицировать отдельные наиболее загрязненные участки по признаку их радиа-циионной опасности и выработать рекомендации по минимизации риска и нормализации радиационной обстановки на территории СИП.
   
5. Методологическая основа радиационного и гидрохи-мического обследования и мониторинга речных бассейнов, включающая обоснование приоритетного перечня определяемых радионуклидов и токсичных элементов, аргументированную схему размещения мониторинговых контрольных пунктов, аппаратурно-методическое обеспечение средств полевых и лабораторных исследований, позволившая реализовать систему мониторинга, охарактеризовать радиационную и экологическую обстановку в бассейне р. Сырдарья на территории Центральной Азии и выявить основные источники ее загрязнения на территории Казахстана, а также создать систему мониторинга всех трансграничных рек, втекающих на территорию Казахстана, и ранжировать эти реки по уровню загрязненности их водных поступлений радионуклидами и токсичными элементами.
   

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 223 публи-кациях, среди них: 1 монография, 2 изобретения, 1 патент, 3 свидетельства на аттестацию стандартных образцов, 90 научных статей, 126 тезисов докладов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены более чем на 50 научных конференциях, симпозиумах и совещаниях, таких как 1-ый Всесоюзный симпозиум деметаллизации нефтей и нефтепродуктов (Гурьев, 1983), (12-15)-ое Всесоюзные совещания по координации НИР на ядерных реакторах (Алма-Ата, 1982; Томск, 1984; Дмитровград, 1986; Обнинск, 1988), 8-ая и 10-ая Международные конференции "Modern Trends in Activation Analysis (MTAA)" (Австрия, Вена, 1991; США, Bethesda, Maryland, 1999), 13-ая и 14-ая Международные конференции "International Radiochemical Conference" (Чехия, Марианcке Лазне, 1998, 2002), (4-6)-ая Международные конференции "International Conference on Methods and Applications of Radioanalytical Chemistry (MARC)" (США, Кайлюа-Кона, 1997, 2000, 2003), 1-ая, 2-ая, 4-ая и 5-ая Евразийские конференции "Eurasia Conference on Nuclear Science and its Application" (Турция, Измир, 2000; Казахстан, Алматы, 2002; Азербайджан, Баку, 2006; Турция, Анкара, 2008), и многих других. Общий список приведен в диссертации.

Личный вклад автора на всех этапах настоящей работы, включая разработку тематики, постановку задач, организацию работ, анализ экспериментальных данных и интерпретацию полученных результатов, является существенным и определяющим.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованной литературы и 24 приложений. Объем работы составляет 332 страницы, в том числе 71 таблица, 115 рисунков и список использованных источников, включающий 364 наименования.