Мюонная томография для изучения битуминозных песчаников
Алимирзаев Г.М., Фаттахов И.Г., Назимов Н.А., Ильмуков О.М., Асфандияров Д.Д., Валиуллин А.А., Миргородский Д.А. и другие
ООО МИП «НЭС Профэксперт»,
ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина,
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, НИТУ МИСИС
ООО МИП «НЭС Профэксперт»,
ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина,
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, НИТУ МИСИС
Представлен инновационный подход к изучению строения и условий залегания скоплений тяжелой нефти и природных битумов, основанный на методе мюонной томографии с использованием ядерно-эмульсионных детекторов. В работе дано описание условий первого в России полевого эксперимента на горе Шандор-Тау, особенностей измерительной аппаратуры, а также рассматриваются перспективы метода применительно к задачам нефтегазовой геологии.
Введение
В последнее время перспективы развития нефтяной отрасли связываются с разработкой месторождений тяжелой нефти и природных битумов, залегающих на небольших глубинах. Повышенный интерес к этим ресурсам обусловлен постоянным ростом цен на углеводородное сырье, постепенным истощением запасов традиционной легкой нефти, а также развитием новых технологий добычи трудноизвлекаемого сырья. Освоение нетрадиционных нефтяных месторождений требует разработки уникальных подходов, учитывающих геологическое строение и условия залегания пластов, физико-химические свойства пластового флюида, текущее состояние и объем запасов углеводородного сырья и другие критические параметры.
На сегодняшний день наиболее распространенным подходом к изучению строения месторождений является использование геофизических методов. Несмотря на высокий уровень развития геофизических методов геологоразведки, существуют некоторые ограничения при их применении для детального изучения структуры залежей. В частности, в сложных геологических условиях или при необходимости получения детальной информации о пластах малой мощности традиционные методы могут оказаться низкоэффективными, что приводит к неточностям в интерпретации данных и, как следствие, к ошибкам в проектировании разработки месторождений. Кроме того, существующие методы сопряжены с высокими финансовыми и операционными рисками, а также негативно воздействуют на окружающую среду. Поэтому для дальнейшего прогресса в области поиска и разведки полезных ископаемых необходимо развитие новых технологических подходов, а также комплексное использование уже существующих методов.
На сегодняшний день наиболее распространенным подходом к изучению строения месторождений является использование геофизических методов. Несмотря на высокий уровень развития геофизических методов геологоразведки, существуют некоторые ограничения при их применении для детального изучения структуры залежей. В частности, в сложных геологических условиях или при необходимости получения детальной информации о пластах малой мощности традиционные методы могут оказаться низкоэффективными, что приводит к неточностям в интерпретации данных и, как следствие, к ошибкам в проектировании разработки месторождений. Кроме того, существующие методы сопряжены с высокими финансовыми и операционными рисками, а также негативно воздействуют на окружающую среду. Поэтому для дальнейшего прогресса в области поиска и разведки полезных ископаемых необходимо развитие новых технологических подходов, а также комплексное использование уже существующих методов.
В качестве альтернативного подхода к исследованию зон вероятного залегания нетрадиционных залежей углеводородов может быть использован активно развивающийся метод мюонографии [1-4]. Мюонография исследует особенности распределения плотности вещества внутри объекта, используя проникающие потоки атмосферных мюонов. Анализ угловых распределений мюонов, прошедших через объект, в сравнении с падающим потоком позволяет без механического вмешательства обнаружить аномалии плотности в зоне проникающего мюонного потока и определить их расположение и размеры. Критерием обнаружения скрытой аномальной области является разность плотностей основной среды (например, водонасыщенным песчаником) и искомой аномалии (например, битумонасыщенным песчаником), причем чем выше эта разность, тем эффективнее мюонографический эксперимент [5].
В работе представлен мюонографический эксперимент по исследованию скального участка горы Шандор-Тау, внутри которого предполагается наличие слоя битуминозного песчаника. Целью эксперимента является апробация метода для определения местоположения, уровня залегания, толщины и размеров этого слоя, а также оценка возможности выявления зон разуплотнения и пустотного пространства во вмещающих породах, в том числе связанных с расположением штолен, частично заваленных вышележащими породами.
В работе представлен мюонографический эксперимент по исследованию скального участка горы Шандор-Тау, внутри которого предполагается наличие слоя битуминозного песчаника. Целью эксперимента является апробация метода для определения местоположения, уровня залегания, толщины и размеров этого слоя, а также оценка возможности выявления зон разуплотнения и пустотного пространства во вмещающих породах, в том числе связанных с расположением штолен, частично заваленных вышележащими породами.
Эксперимент
Гора Шандор-Тау (Шугуровская гора) расположена в Лениногорском районе Республики Татарстан на Бугульминско-Белебеевской возвышенности и образована преимущественно слоями глины (плотность от 1,5 до 2,5 г/см³) и песчаника (плотность от 2,2 до 2,6 г/см³), а также известняка и доломита (рис. 1).
Рис. 1. Природные битумы горы Шандор-Тау: а — Гора Шандор-Тау; б — структура породы горы; в — фрагмент выхода битума
На рисунке 2 показан топографический план местности с выделенным контуром участка, где методом мюонографии проводилось исследование слоя битуминозного песчаника.
Рис. 2. Топографический план местности с выделением области мюонографического исследования
Слой битуминозного песчаника толщиной 1 км водного эквивалента может преодолеваться мюонами с энергией выше 300 ГэВ [8, 9]. Суммарный поток окологоризонтальных мюонов с такой энергией составляет ~10-6 см-2с-1ср-1 [10], что за 2 месяца экспозиции в условиях данного эксперимента соответствует поверхностной плотности треков в эмульсии 0,1 см-2. Угловой размер слоя битуминозного песчаника с ориентировочной толщиной около 20 м и площадью 0,6×1,3 км составляет для мюонографического детектора около 0,02 ср. Для достоверного обнаружения разности потоков в 5 % необходимо зарегистрировать минимум 100 треков мюонов в измеряемом диапазоне углов. Поскольку постановка эксперимента предполагает размещение детекторов с двух сторон объекта, суммарная площадь всех детекторов должна составлять не менее 2 м2, то есть требуется установка не менее 20 детекторов площадью ~100 см2 каждый.
Всего было подготовлено 28 ядерно-эмульсионных детекторов: 24 детектора для мюонографии и контроля потока мюонов до поглощения с вертикально установленными эмульсионными стопками и 4 «горизонтальных» детектора для оценки фона вертикально падающих атмосферных мюонов на разных высотах. С целью исключения из рассмотрения предварительно накопленных фоновых треков порядок взаимного расположения эмульсионных слоев в каждом детекторе менялся при сборке непосредственно перед экспозицией.
Детекторы для мюонографии были установлены по периметру исследуемого участка горы Шандор-Тау таким образом, чтобы окружающий горный массив оказывал минимальное влияние на результаты эксперимента. На основе карты высот были определены траектории окологоризонтальных потоков мюонов в четырех направлениях, соответствующих возможным углам обзора детекторов (рис. 3).
Всего было подготовлено 28 ядерно-эмульсионных детекторов: 24 детектора для мюонографии и контроля потока мюонов до поглощения с вертикально установленными эмульсионными стопками и 4 «горизонтальных» детектора для оценки фона вертикально падающих атмосферных мюонов на разных высотах. С целью исключения из рассмотрения предварительно накопленных фоновых треков порядок взаимного расположения эмульсионных слоев в каждом детекторе менялся при сборке непосредственно перед экспозицией.
Детекторы для мюонографии были установлены по периметру исследуемого участка горы Шандор-Тау таким образом, чтобы окружающий горный массив оказывал минимальное влияние на результаты эксперимента. На основе карты высот были определены траектории окологоризонтальных потоков мюонов в четырех направлениях, соответствующих возможным углам обзора детекторов (рис. 3).
Рис. 3. Диаграмма высот над уровнем моря в районе исследуемого участка горы Шандор-Тау с указанием возможных направлений обзора детекторов
На рисунке 4 схематично показаны траектории потоков мюонов, формирующих сигнал в детекторе при наличии битуминозного слоя толщиной 20 м, расположенного у основания горы (отмечен на рисунках серым цветом).
Рис. 4. Траектории окологоризонтальных потоков мюонов для возможных направлений обзора детекторов, указанных на рисунке 3:
а — рельеф вдоль направления 1; б — рельеф вдоль направления 2; в — рельеф вдоль направления 3; г — рельеф вдоль направления 4
а — рельеф вдоль направления 1; б — рельеф вдоль направления 2; в — рельеф вдоль направления 3; г — рельеф вдоль направления 4
Как следует из рисунков 4 а, б, в направлениях 1 и 2 потоки мюонов значительную часть пути проходят сквозь соседние склоны и испытывают значительное поглощение, вследствие чего установка детекторов, ориентированных в этих направлениях, бесперспективна. Напротив, рельеф горного массива в направлениях 3 и 4 (рисунки 4 в, г) позволяет получить плотность окологоризонтальных мюонных потоков, достаточную для получения необходимого объема данных за время экспозиции. Поэтому при постановке эксперимента детекторы были ориентированы вдоль направлений 3 и 4 (рис. 3).
Выбор мест для установки детекторов был обусловлен следующими факторами:
Выбор мест для установки детекторов был обусловлен следующими факторами:
- нахождением предполагаемого слоя битуминозного песчаника в основании горы;
- нахождением в непосредственной близости от исследуемого скального участка горного массива, частично экранирующего потоки атмосферных мюонов, падающих на исследуемый объект;
- относительно небольшой толщиной слоя битуминозного песчаника по сравнению с его площадью.
Установка детекторов в точках экспозиции была осуществлена в июне 2025 г. согласно схеме, представленной на рисунке 5.
Рис. 5. Расположение детекторов на объекте
Детекторы были установлены по периметру исследуемой области, по два в каждой точке параллельно друг другу, как показано на рисунке 6. Необходимым условием получения достоверного результата на этапе обработки данных является точная координатная привязка детекторов к местности и друг к другу. Поэтому детекторы были помещены в углубления в земле и зафиксированы металлическими штырями во избежание их смещения во время экспозиции. Установка детекторов в углублениях производилась с помощью уровня при помощи металлических рам-подставок (рис. 6).
Рис. 6. Установка детекторов в местах экспозиции
Ядерная фотоэмульсия — термочувствительный материал, при температуре свыше 30 °С фотоэмульсия подвержена к плавлению и становится непригодной для регистрации треков. С целью защиты эмульсионных слоев от перегрева и обеспечения сохранности детекторов, углубления засыпаны землей и выполняют функцию пассивной термостабилизации.
Геометрические параметры эксперимента определялись в единой системе координат, полученной современными геодезическими методами с использованием тахеометрической и лидарной съемки. Определение координат точек для экспозиции детекторов осуществлялось с использованием системы GPS в приложениях Яндекс Карты и Gaia GPS, что обеспечило координатную привязку детекторов к местности и друг к другу с сантиметровой точностью. Результаты геодезических измерений, выполненных в системе координат МСК-16 (балтийская система высот 1977 года) и наложенных на распределение высот местности, позволяют определить количество вещества, которое преодолевают зондирующие мюоны, и построить контуры распределений плотности внутренней структуры исследуемого объекта. Лидарная съемка использовалась для уточнения особенностей рельефа местности, сведения о которых получены из открытых источников.
Геометрические параметры эксперимента определялись в единой системе координат, полученной современными геодезическими методами с использованием тахеометрической и лидарной съемки. Определение координат точек для экспозиции детекторов осуществлялось с использованием системы GPS в приложениях Яндекс Карты и Gaia GPS, что обеспечило координатную привязку детекторов к местности и друг к другу с сантиметровой точностью. Результаты геодезических измерений, выполненных в системе координат МСК-16 (балтийская система высот 1977 года) и наложенных на распределение высот местности, позволяют определить количество вещества, которое преодолевают зондирующие мюоны, и построить контуры распределений плотности внутренней структуры исследуемого объекта. Лидарная съемка использовалась для уточнения особенностей рельефа местности, сведения о которых получены из открытых источников.
В июне 2025 г. был инициирован первый в России мюонографический эксперимент с применением детекторов на основе фотографической ядерной эмульсии, направленный на изучение строения и условий залегания геологического объекта. Данный проект открывает новые возможности для изучения геологических недр и оценки потенциала разработок залежей сверхвязкой нефти и природных битумов, обеспечивая детальную визуализацию внутренней структуры отложений без дорогостоящих и технически сложных традиционных геофизических методов прогнозирования и изучения залежей.
В статье представлены методика мюонографического эксперимента и особенности измерительной аппаратуры для изучения реального месторождения тяжелой нефти. Успешная реализация проекта открывает возможности для:
• оценки возможностей мюонографии при исследованиях геологических недр и создания основы для последующего применения технологии в изучении глубокозалегающих залежей углеводородов;
• проведения оценки запасов углеводородов;
• определения зон интенсивной трещиноватости и разуплотнения пород в целях повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых;
• снижения геологических рисков при освоении месторождений за счет минимизации неопределенности строения продуктивных горизонтов;
• оптимизации финансовых затрат на проведение геологоразведочных работ залежей полезных ископаемых;
• исключения негативного воздействия на окружающую среду при проведении разведочных работ;
• внедрения метода мюонографии в стандартный комплекс геологоразведочных работ в России.
Результаты эксперимента будут способствовать принятию более обоснованных и мотивированных решений при проектировании и разработке месторождений нетрадиционной нефти, снижая риски и повышая экономическую эффективность добычи.
• оценки возможностей мюонографии при исследованиях геологических недр и создания основы для последующего применения технологии в изучении глубокозалегающих залежей углеводородов;
• проведения оценки запасов углеводородов;
• определения зон интенсивной трещиноватости и разуплотнения пород в целях повышения эффективности разработки месторождений полезных ископаемых;
• снижения геологических рисков при освоении месторождений за счет минимизации неопределенности строения продуктивных горизонтов;
• оптимизации финансовых затрат на проведение геологоразведочных работ залежей полезных ископаемых;
• исключения негативного воздействия на окружающую среду при проведении разведочных работ;
• внедрения метода мюонографии в стандартный комплекс геологоразведочных работ в России.
Результаты эксперимента будут способствовать принятию более обоснованных и мотивированных решений при проектировании и разработке месторождений нетрадиционной нефти, снижая риски и повышая экономическую эффективность добычи.
1. Dedenko L.G., Managadze A.K., Roganova T.M. et al. Prospects of the study of geological structures by muon radiography based on emulsion track detectors. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2014, Vol. 41, issue 8, P. 235–241. (In Eng).
2. Zhang Z.X., Enqvist T., Holma M., Kuusiniemi P. Muography and its potential applications to mining and rock engineering. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2020, Vol. 53, issue 11, P. 4893–4907. (In Eng).
3. Lechmann A., Mair D., Schlunegger F. et al. Muon tomography in geoscientific research – A guide to best practice. Earth-Science Reviews, 2021, Vol. 222, P. 103842. (In Eng).
4. Liu G., Yao K., Niu F. et al. Deep investigation of muography in discovering geological structures in mineral exploration: a case study of Zaozigou gold mine. Geophysical Journal International, 2024, Vol. 237, issue 1, P. 588–603. (In Eng).
5. Zemskova S.G., Starkov N.I. Methodical notes on the use of cosmic muons in radiography. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2015, Vol. 42, issue 2, P. 37–42. (In Eng.).
6. Aleksandrov A.B., Vasina S.G., Konovalova N.S. et al. Muon radiography of large natural and industrial objects-a new stage in the nuclear emulsion technique. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2022, Vol. 134, issue 4, P. 506–510. (In Eng).
7. Alexandrov A.B., Babaev P.A., Gippius A.A. et al. Muography experiments in Russia with Emulsion-Based Detectors. Physics of Atomic Nuclei, 2024, Vol. 87, issue S2, P. S305–S313. (In Eng).
8. Ambriola M.L., Bellotti R., Cafagna F. et al. Measurements of ground-level muons at two geomagnetic locations. Physical Review Letters, 1999, Vol. 83, issue 21, P. 4241–4244. (In Eng).
9. Tanaka H.K.M., Uchida T., Oikawa J. et al. Detecting a mass change inside a volcano by cosmic-ray muon radiography (muography): First results from measurements at asama volcano, Japan. Geophysical Research Letters, 2009,
Vol. 36, issue 17, P. L17302. (In Eng).
10. Green F.J., Duller N.M., Magnuson C.E. et al. Absolute intensities of medium-energy muons in the vertical and at zenith angles 55°–85°. Physical Review D, 1979, Vol. 20, issue 8, P. 1598–1607. (In Eng).
2. Zhang Z.X., Enqvist T., Holma M., Kuusiniemi P. Muography and its potential applications to mining and rock engineering. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2020, Vol. 53, issue 11, P. 4893–4907. (In Eng).
3. Lechmann A., Mair D., Schlunegger F. et al. Muon tomography in geoscientific research – A guide to best practice. Earth-Science Reviews, 2021, Vol. 222, P. 103842. (In Eng).
4. Liu G., Yao K., Niu F. et al. Deep investigation of muography in discovering geological structures in mineral exploration: a case study of Zaozigou gold mine. Geophysical Journal International, 2024, Vol. 237, issue 1, P. 588–603. (In Eng).
5. Zemskova S.G., Starkov N.I. Methodical notes on the use of cosmic muons in radiography. Bulletin of the Lebedev Physics Institute, 2015, Vol. 42, issue 2, P. 37–42. (In Eng.).
6. Aleksandrov A.B., Vasina S.G., Konovalova N.S. et al. Muon radiography of large natural and industrial objects-a new stage in the nuclear emulsion technique. Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2022, Vol. 134, issue 4, P. 506–510. (In Eng).
7. Alexandrov A.B., Babaev P.A., Gippius A.A. et al. Muography experiments in Russia with Emulsion-Based Detectors. Physics of Atomic Nuclei, 2024, Vol. 87, issue S2, P. S305–S313. (In Eng).
8. Ambriola M.L., Bellotti R., Cafagna F. et al. Measurements of ground-level muons at two geomagnetic locations. Physical Review Letters, 1999, Vol. 83, issue 21, P. 4241–4244. (In Eng).
9. Tanaka H.K.M., Uchida T., Oikawa J. et al. Detecting a mass change inside a volcano by cosmic-ray muon radiography (muography): First results from measurements at asama volcano, Japan. Geophysical Research Letters, 2009,
Vol. 36, issue 17, P. L17302. (In Eng).
10. Green F.J., Duller N.M., Magnuson C.E. et al. Absolute intensities of medium-energy muons in the vertical and at zenith angles 55°–85°. Physical Review D, 1979, Vol. 20, issue 8, P. 1598–1607. (In Eng).
Алимирзаев Г.М., Фаттахов И.Г., Назимов Н.А., Ильмуков О.М., Асфандияров Д.Д., Валиуллин А.А., Миргородский Д.А., Бабаев П.А., Волков А.Е., Воронков Р.А., Горбунов С.А., Зайнутдинов Д.И., Коновалова Н.С., Окатьева Н.М., Полухина Н.Г., Старков Н.И., Старкова Е.Н., Стрекалина Д.М., Чернявский М.М., Щедрина Т.В., Красильникова Ю.О., Кулешов А.М., Мельниченко И.А., Морозова Д.Н.
ООО МИП «НЭС Профэксперт», Альметьевск, Россия;
ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина, Альметьевск, Россия;
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия;
Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Москва, Россия
alimirzaevgm@profexpertaudit.ru
ООО МИП «НЭС Профэксперт», Альметьевск, Россия;
ПАО «Татнефть» им. В.Д. Шашина, Альметьевск, Россия;
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия;
Национальный исследовательский технологический университет МИСИС, Москва, Россия
alimirzaevgm@profexpertaudit.ru
Исследование выполнено методом мюонной томографии с использованием ядерно-эмульсионных детекторов, размещенных по периметру исследуемого участка. Определены геометрические параметры эксперимента, время экспозиции, направления регистрации мюонных потоков, и выполнена геодезическая привязка точек наблюдений для последующей интерпретации плотностной структуры массива.
мюонная томография битуминозного песчаника, ядерно-эмульсионные детекторы, топографические и геометрические параметры эксперимента
Алимирзаев Г.М., Фаттахов И.Г., Назимов Н.А., Ильмуков О.М., Асфандияров Д.Д., Валиуллин А.А., Миргородский Д.А., Бабаев П.А., Волков А.Е., Воронков Р.А., Горбунов С.А., Зайнутдинов Д.И., Коновалова Н.С., Окатьева Н.М., Полухина Н.Г., Старков Н.И., Старкова Е.Н., Стрекалина Д.М., Чернявский М.М., Щедрина Т.В., Красильникова Ю.О., Кулешов А.М., Мельниченко И.А., Морозова Д.Н. Применение мюонной томографии для изучения строения и условий залегания битуминозных песчаников // Экспозиция Нефть Газ. 2026. № 1. C. 52–57. DOI: 10.24412/2076-6785-2026-1-52-57
13.02.2026
УДК 53.06/550.8/622.01
DOI: 10.24412/2076-6785-2026-1-52-57
DOI: 10.24412/2076-6785-2026-1-52-57
Рекомендуемые статьи
© Экспозиция Нефть Газ. Научно-технический журнал. Входит в перечень ВАК
+7 (855) 222-12-84