radioatividade natural nas atividades de e&p de petróleo dia/palestra... · radioatividade •...

1

Radioatividade Natural nas Atividades de E&P de Petróleo

José Marcus GodoyDepartamento de Química/PUC-Rio

2

Radioatividade

O decaimento radioativo é o mecanismo

natural através do qual um dado núcleo

instável busca uma razão

prótons/nêutrons que lhe confira

estabilidade.

5

Radionuclídeos Naturais

• Cosmogênicos: H-3, C-14, Cl-36, I-129;

• Primogênicos: K-40, Rb-87, Sm-147, U-238, U-235, Th-232;

• Membros das séries do U-238, U-235 eTh-232.

7

Radioatividade• Até o momento, são conhecidos 109 elementos.

Destes apenas 81 são estáveis, sendo o maispesado o bismuto (Z=83). Dos demais 28 só seconhecem isótopos radioativos, ou radioisótopos.Destes, o urânio (Z=92) é o elemento maispesado (A=238) encontrado na natureza emquantidades apreciáveis.

• No total, já foram identificados 2800 nuclídeosdivididos entre os 109 elementos. Havendoelementos com apenas um nuclídeo atéelemento com 36 isótopos (xenônio).

• Destes 2800 nuclídeos, apenas 271 sãoestáveis.

8

Radioatividade

• No sistema internacional, a unidade deradioatividade é o Bequerel (Bq),equivalente a decaimento/segundo(dps), ou, na realidade, s-1.

• Além do Bequerel, são tambémutilizadas outras unidades como o curie(Ci), as unidades Mache.

9

Atividade Específica

• Há divergências entre autores quanto adefinição da atividade específica. Mas, narealidade, a atividade específica (As) édefinida como a atividade por unidade demassa de um radioisótopo.

• A atividade específica nos nos permitecomparar a atividade contida numa grama dediferentes radioisótopos.

10

Atividade Específica

Alguns exemplos de atividade específica:Th-232= 4,0 . 103 Bq/gU-238 = 1,23 . 104 Bq/gRa-226 = 3,7.1010 Bq/gCs-137 = 3,23 . 1012 Bq/gSr-90 = 5,26. 1012 Bq/gK-40 = 2,64 . 105 Bq/g

11

Equilíbrios Radioativos

1 →→→→ 2 →→→→ 3

• Consideremos o sistema acima, no qual 1decai em 2, que por sua vez decai em 3, queé estável.

• A equação que expressa o decaimento de 1em 2 é a equação básica:

dN1/dt = -λλλλ1.N1

• Por outro lado, a equação que expressa avariação de 2 com o tempo possui doiscomponentes:

dN2/dt = -λλλλ2.N2 + λλλλ1.N1

12


• Resolvendo a equação acima, tem-se:

N2 = (λλλλ1//// λλλλ2- λλλλ1).N01.(e-λλλλ1.t - e-λλλλ2.t) + N02.e

-λλλλ2.t

• Multiplicando-se por λ2 e, supondo que,

N02=0 para t=0, tem-se que:

A2 = (λλλλ2//// λλλλ2- λλλλ1).A01.(e-λλλλ1.t - e-λλλλ2.t)

13


Caso 1:Equilíbrio secular: t1/2(1)>>t1/2(2)

• Neste caso λλλλ2>>λλλλ1, assim:A2 = A01.(1 - e-λλλλ2.t)

• Portanto, no caso de um equilíbriosecular, o tempo necessário paraalcançar o equilíbrio é função do t1/2 doradionuclídeo filho.

14

t (unidades de (t1/2)2)

0 1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

PaiFilho

15


• Uma vez estabelecido o equilíbrio, cincovezes o t1/2 do filho é, em geral, suficiente,Afilho = Apai.

• Exemplos de equilíbrio seculares deinteresse:�Mo-99 - Tc-99m�Ra-226 - Rn-222�Rn-222 - filhos de meia-vida curta�U-238 - Th-234�U-238 - filhos

16


Caso 2: Equilíbrio transiente: t1/2(1)>t1/2(2)

• Quando t1/2(1)>t1/2(2), mas não a ponto de serpossível fazer as simplificações acima, oequilíbrio é dito transiente.

• Como pode ser visto na figura abaixo, para ocaso 228Ra (5,7 anos) e 228Th (1,9 anos):

• Após t ~ 5.(0,693/λ2-λ1), ambos decaem como t1/2 do pai.

• Com t ~ 2.(0,693/λ2-λ1), a atividade do filho ésuperior à do pai.

17

t (unidades de (t1/2)filho)

0 2 4 6 80

20

40

60

80

100

PaiFilho

18


Caso 3: Não equilíbrio: t1/2(1)<t1/2(2)

• Quando o nuclídeo pai decai maisrapidamente do que o filho, tem-se ocaso do não equilíbrio. Após odesaparecimento do nuclídeo pai,nuclídeo filho decai conforme λ2.

• Caso de interesse na indústria dopetróleo: 222Rn/210Pb

19

Desequilíbrio radioativo no sistema Rocha/Óleo/Água/Gás

• Ao longo do processo de formação do petróleo, ocorre um rompimento do equilíbrio radioativo das series do U e do Th. Urânio e tório permanecem na rocha-mãe, enquanto o rádio se dissolve na água de formação. Por sua vez, devido tanto a presença do rádio na água como por difusão das rochas, o radônio gerado tende se acumular na fase oleosa e no gás.

22

Rádio na água de formação• Para águas subterrâneas de um modo geral,

existe uma relação entre o teor de sais dissolvidos e idade.

• Parece lógico supor que as águas mais antigas, por permanecerem mais tempo em contacto com a rocha-mãe, incorporem, por dissolução, uma maior quantidade de sais.

• No que tange a água de formação, este processo acaba por concentrar o rádio, um alcalino-terroso, na fase aquosa, enquanto o urânio e o tório, menos solúveis, permanecem na fase sólida.

23

Radônio

• Estudos da presença de radônio no gás natural remontam o início do século passado. Além da presença do radônio, outro componente do gás natural, o gás hélio, deve sua elevada concentração ao processo de decaimento radioativo (partícula alfa = núcleo de hélio).

• Elevados teores de radônio em amostras de gás natural são reportados na literatura e, dada suas características físico-químicas, o radônio tende a se acumular na fração do propano.

24

Processos de formação de incrustações radioativas

• Processos off-shore:– As águas de formação são, normalmente,

caracterizadas por um elevado teor de sais dissolvidos (superior a própria água do mar). Os cátions principais presentes são os metais alcalinos e alcalinos-terrosos e os principais anions cloreto e bicarbonato.

– De modo a manter a produção de óleo estável, como também para manter a integridade do poço, com o passar do tempo, há a injeção de água do mar nos poços de petróleo.

25


• Processos off-shore (cont.):– A mistura de uma água rica em sulfatos (água do

mar) com outra rica em Ca+2, Sr+2 e Ba+2 (água de formação), leva a formação de precipitados insolúveis. Em particular, de sulfatos de bário e estrôncio.

– Como rádio e bário são considerados elementos químicos homólogos, observa-se, em águas de produção, uma correlação entre a concentração de rádio e bário (Figuras).

26

Rádio e bário em água de produção

a)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25 30Ba (mg/L)

Ra-

226

(Bq/

L)

b)

0123456789

0 5 10 15 20 25 30Ba (mg/L)

Ra-

228

(Bq/

L)Correlação entre as concentrações de Ba e 226Ra (a) e 228Ra (b)

em água produzida da Bacia de Campos.

30

Composição química incrustação - plataforma off-shore

BaSO4

SrSO4

SrCO3

CaCO3

MgCO3

Fe2O3

SiO2

A l2(SiO4)3

MO

31

Borras vs Incrustações

BaSO4

SrSO4

SrCO3

CaCO3

MgCO3

Fe2O3

SiO2

A l2(SiO4)3

MO

BaSO4

BaCO3

SrCO3

CaCO3

MgCO3

Fe2O3

SiO2

A l2(SiO4)3

MO

Borras

Incrustações

32

Valores encontrados em outras instalações de E&P petróleo

País (material) 226Ra (kBq/kg) 228Ra (kBq/kg)

E.U.A. (incrust.) Até 15x103 -------

E.U.A. (borras) Até 25,9x103 -------

Noruega (incrust.) 4-105 0,7-36

U.K. (incrust.) 1-220 1-170

U.K. (incrust.) 0,2-270 0,2-280

U.K. (borras) 5-50 -------

Egito (borras) 180 -------

---- (borras) 25 29

---- (incrust.) 250 300

33


• Processos on-shore:– Ao contrário dos processos off-shore, nos processos

on-shore ocorre a re-injeção da água de formação, como forma de manter a produção. Como, neste caso, não ocorre o processo de mistura de águas, quimicamente, incompatíveis, o processo de formação das incrustações possui uma natureza diferente, gerando, também, resíduos de composição química diferentes.

– Espera-se, com a perda de CO2 junto com o gás natural produzido, algo análogo a formação dos estalactites/estalagmites com a precipitação de carbonatos.

34


• Pó-preto:– Devido a presença de gás sulfídrico associado ao

gás natural, existe a corrosão dos gasodutos com a formação do chamado “pó-preto”, composto, basicamente, por óxido de ferro.

– Como já comentado, o radônio tende a acompanhar a fração do propano+butano (gás de cozinha).

– O par 222Rn/210Pb constitui-se num exemplo de um pai de meia-vida curta (3,8 dias) e de um filho de meia-vida longa (22 anos).

35


• Pó-preto (cont.):– Conseqüentemente, o radionuclídeo encontrado

neste tipo de incrustação tende a ser o 210Pb.– A concentração de 210Pb encontrada depende de

uma série de fatores como :• Tempo de armazenamento do gás;• Impurezas encontradas no gás;

• Freqüência das operações de “pigging”;• Concentração de 222Rn no gás produzido.

36

Composição química “pó-preto”

Fe2O380.8%

MnO20.9%

Al2O31.0%

CaCO31.7%

ROM9.3% Others

6.2%

37

Proteção Radiológica Ocupacional

• Grupo de maior risco radiológico: Trabalhadores envolvidos nas operações de desmonte e limpeza de válvulas e tanques de separação;

• Acompanhamento, destas atividades, por supervisor de proteção radiológica;

• Monitoramento mensal da taxa de exposição externa ao longo da instalação;

• Eventual uso de dosimetros pessoais para indivíduos do grupo acima;

• Adoção de medidas preventivas de modo a minimizar as vias de exposição interna (ingestão e inalação) através do uso correto de EPIs.

38

Gerência de Rejeitos• Considerado rejeito alfa de baixa atividade

(concentração de emissores alfa 3,7x108 e 3,7x1011

Bq m-3) – CNEN 6.05;• Níveis de isenção IAEA Basic Safety Standard 115 –

226Ra, 228Ra e 210Pb = 10 kBq/kg (igual ao proposto na posição regulatória CNEN 3.01/001)

• Instalações de E&P petróleo e gás que gerem materiais contendo mais do que 100 kBq/kg (226Ra+228Ra) estão sujeitas ao controle regulatório por parte da CNEN (CNEN 6.02, posição regulatória 002)

• Armazenamento e deposição – Deposição nos pátios na empresas de E&P de petróleo, re-injeção,

• Resolução CONAMA 393/2007 – monitoramento semestral efluentes plataformas, Ra-226 e Ra-228.

39

Determinação de 228Ra e 226Ra em borras e incrustações

• Espectrometria gama:– Embora o 226Ra seja um emissor gama, a energia

da radiação gama envolvida (186 keV) é,relativamente, baixa e sobre problemas de auto-absorção numa matriz de sulfato de bário, comoas incrustações. Desta forma, o aconselhável é adeterminação através de seus produtos dedecaimento 214Pb (351 keV) e 214Bi (609 keV). Adeterminação se dá 30 dias após a montagem daamostra, de modo a assegurar o equilíbrioradioativo 226Ra/222Rn.

40

Determinação de 228Ra e 226Ra em borras e incrustações

• Espectrometria gama (cont.):– A determinação do 228Ra se dá através de seu

produto de decaimento 228Ac (t1/2 = 6,1 horas, 911keV);

– Outro produto de decaimento do 228Ra pode serdeterminado por espectrometria gama, 228Th (t1/2= 1,9 anos), empregando-se o 212Bi (t1/2 = 60minutos, 785 keV), e, através da relação228Th/228Ra determinar-se a idade do material(equilíbrio transiente).

41

Determinação de 210Pb em borras e incrustações

• Dada a baixa energia da radiação gama emitidapelo 210Pb (47 keV), um elevado efeito de auto-absorção é esperado, o que inviabiliza, naprática, esta aplicação.

• Desta forma, a determinação de 210Pb se dá pormétodos radioquímicos, após a dissolução totalda amostra.

• A razão 210Pb/226Ra, equilíbrio secular, tambémpode ser utilizada na determinação da idade domaterial. A razão 228Th/228Ra é utilizada paramateriais mais recentes (<5 anos) e a razão210Pb/226Ra para materiais mais antigos.

42

Monitoramento das instalações

• Visando a implantação de procedimentos deproteção radiológica, a presença de borras eincrustações radioativas em tanques, válvulas etubulações é verificada através de um rastreamentoempregando-se monitores portáteis de radiaçãogama usuais. Sendo aconselhável o emprego deequipamentos do tipo cintilometro, dada sua maioreficiência de detecção.

• Este tipo de monitoramento permite a verificação dapresença de borras e incrustações radioativascontendo 226Ra e 228Ra, mas não daquelas contendoapenas 210Pb, mais usuais nos gasodutos.

43

SAO – A SAO – CSAO – B

Água (Caisson)TanqueÁgua Óleo

Água(p/vaso 7)

Vaso

SG-A

Gás

SG-B

Bomba de TransferênciaSD-541202

PCP

SDV-122302 P-122301A

SDV-122307

SDV-122308

SDV-122306

SDV-533206

PG-SG-122302 A/B

ÓleoRecuperado

10

2

4

31

8

5

6

79

1112

14

15

13

3,0 µµµµSv/h

3,0 µµµµSv/h

3,0-5,0 µµµµSv/h

radioatividade natural nas atividades de e&p de petróleo dia/palestra... · radioatividade •...

Documents