Состав термостойкого блочного заряда

Изобретение относится к топливным зарядам для нефтедобывающей промышленности. Предложен состав термостойкого блочного заряда, содержащий смесь перхлората аммония и перхлората калия в соотношении 4:1÷5:1 в качестве окислителя, смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола в качестве горюче-связующего, N-N-дифенил-n-фенилендиамин и аммоний фосфорнокислый однозамещенный. Изобретение направлено на создание термостойкого блочного заряда с высоким порогом термической стабильности при одновременном повышении энергетических характеристик, в частности силы пороха и объема газов, и сохранении устойчивого горения в условиях повышенных давлений (более 100 МПа). 1 табл.

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, а именно к разработке состава для термостойкого блочного заряда (ТБЗ), используемого для интенсификации и добычи нефти.

Для нефтяных скважинных систем, работающих при температуре до 100°С, применяются заряды из нитратцеллюлозных порохов. Так, например, для пулевых перфораторов применяются заряды из штатного пироксилинового пороха (ПП) марки 4/7 и баллистического пластинчатого пороха марки НБ Пл 14-10 (Термостойкие взрывчатые вещества и их действия в глубоких скважинах. - М.: Недра, 1969, с.120). В пороховых генераторах давления для стимуляции нефтегазовых скважин используются цилиндрические заряды из баллиститных ракетных твердых топлив (марок РСИ-12, РСИ-60, РНДСИ-5И, ДГ) (Научно-технический вестник «Каротажник» - Тверь, выпуск 64, 1999, с.11-113).

Освоение месторождений нефти и газа, расположенных на большой глубине, связано с большими трудностями. При средних значениях геотермического градиента температура на забое скважины глубиной 7 км может достигать 230-250°С, а гидростатическое давление - 150 МПа (Термостойкие взрывчатые вещества в условиях глубоких скважин. М.: Недра, 1981, с.3). В связи с этим предлагается использовать ТБЗ, поскольку применение штатных нитроцеллюлозных зарядов и традиционных смесевых твердых топлив становится невозможным из-за их низкой термической стойкости.

Известен состав смесевой композиции: перхлорат аммония 72%, сополимер бутадиенкаучука и акриловой кислоты 18,8%, Al 9,0% и MgO 0,2% (Чазов Г.А. и др. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные нефтяные скважины. - М.: Недра, 1986, с.150).

Недостатком этого состава является низкая термостойкость. Известно, что без системы ингибирования перхлорат аммония начинает разлагаться уже при температуре 160-180°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав, имеющий следующее соотношение компонентов, мас.%:

Окислитель	72,5-84,0
Смесь термоэластопласта
ДСТ-30 и полистирола	14,5-26,0
N-N - дифенил-n-фенилендиамин	0,45-0,55
Аммоний фосфорнокислый
однозамещенный	0,95-1,05

патент RU №2184719, Би №19, 10.07.2002 г.

Недостатками известного состава являются низкие энергетические характеристики, в частности «сила» пороха 890-996 кДж/кг и объем газов 0,0179-0,0223 м³/кг, увеличение которых возможно при увеличении содержания окислителя, но заряд, содержащий более 75% окислителя (для состава на основе окислителя перхлората аммония (ПХА)) и более 76% окислителя (для состава на основе окислителя перхлората калия (ПХК)), не позволяет получать устойчиво горящие составы при давлениях более 100 МПа.

Задачей изобретения является получение состава термостойкого блочного заряда с высоким порогом термической стабильности с одновременным повышением энергетических характеристик, в частности «силы» пороха и объема газов, при сохранении устойчивого горения в условиях повышенных давлений (более 100 МПа).

Поставленная задача решается тем, что состав термостойкого блочного заряда, включающий окислитель, смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола в качестве горюче-связующего, N-N-дифенил-n-фенилендиамин и аммоний фосфорнокислый однозамещенный, в качестве окислителя содержит смесь перхлората аммония и перхлората калия в соотношении 4:1÷5:1 соответственно, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь перхлората аммония и
перхлората калия в соотношении 4:1÷5:1	76,0-84,0
Смесь термоэластопласта ДСТ-30
и полистирола	14,5-22,5
N-N-дифенил-n-фенилендиамин	0,45-0,55
Аммоний фосфорнокислый однозамещенный	0,95-1,05

Для лучшего понимания сущности изобретения приводятся примеры.

Пример 1. Получение состава для ТБЗ.

Проводят растворение 145 г термоэластопласта ДСТ-30 и 40 г полистирола в 300 мл хлористого метилена при комнатной температуре в герметично закрытой емкости. К полученной массе добавляют 840 г перхлората аммония и перхлората калия в соотношении 5:1 соответственно, 5 г N-N-дифенил-n-фенилендиамина и 10 г аммония фосфорнокислого однозамещенного. Смещение всех компонентов проводят в смесителе типа «Вернер-Пфлейдерер» или «Бекен-Дуплекс» в течение 40 минут. Затем на гидравлическом прессе системы Германа проводят фильтрацию массы под давлением 8-10 МПа с целью дальнейшей гомогенизации массы и удаления части растворителя, при этом содержание растворителя в массе снижается с 26-27 до 9-10%. Из полученной пороховой массы проходным прессованием при давлении 18-22 МПа получают ТБЗ требуемого диаметра. Затем поочередно проводят операции провяливания, резки и сушки до содержания растворителя не более 0,2%. Получают ТБЗ общей массой 1000 г.

Пример 2. Проводится аналогично примеру 1, где используется в качестве окислителя смесь перхлората аммония и перхлората калия в соотношении 4:1 соответственно.

Основные характеристики термостойкого блочного заряда в сравнении с прототипом приведены в таблице.

Таблица
№ п/п	Компоненты состава	Патент RU №2184719 прототип	Состав
Характеристики	На основе ПХА	На основе ПХК	1	2*	3**	4
1	Перхлорат аммония	75	-	-	-	-	-
2	Перхлорат калия	-	80	-	-	-	-
3	Смесь перхлората аммония и перхлората калия	-	-	71,0	76,0	84,0	89,0
4	Смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола	23,5	18,5	27,5	22,5	14,5	9,5
5	N-N-дифенил-n-фенилендиамин	0,5	0,5	0,1	0,45	0,55	0,9
6	Аммоний фосфорнокислый однозамещенный	1,0	1,0	1,4	1,05	0,95	0,6
7	Давление прессования, МПа	10	10	20	20	20	20
8	Порог термостойкости, °С	240	290	220	250	250	200
9	«Сила» пороха, кДж/кг	996	890	889	1007	1128	539
10	Объем газов, м3/кг	0,0223	0,0179	0,0190	0,0212	0,0234	0,0115
11	βт·10-3, К-1	0,31	0,33	0,31	0,32	0,32	0,35
* соотношение ПХА:ПХК=4:1 ** соотношение ПХА:ПХК=5:1

Как видно из таблицы, содержание окислителя в составе должно быть 76,0-84,0 мас.%. При меньшем содержании окислителя снижаются энергетические характеристики. При большем содержании окислителя возможен срыв устойчивого горения ТБЗ с переходом от послойного горения к фильтрационному. Содержание горюче-связующего в составе соответствует 14,5-22,5 мас.% и подбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимый уровень физико-механических характеристик. При большем содержании горюче-связующего также снижаются энергетические характеристики и увеличивается вязкость, что осложняет процесс получения ТБЗ. Меньшее содержание горюче-связующего потребует увеличения количества окислителя выше допустимого предела и, кроме того, приведет к уменьшению прочностных показателей ТБЗ. Содержание N-N-дифенил-n-фенилендиамина в составе составляет 0,45-0,55 мас.% и устанавливается из условия обеспечения необходимого уровня термоокислительной деструкции горюче-связующего, что обеспечивает термическую стабильность состава в условиях эксплуатации при повышенных температурах. При меньшем содержании N-N-дифенил-n-фенилендиамина состав будет недостаточно термостабилен. При большем содержании N-N-дифенил-n-фенилендиамин работает не как ингибитор, а как катализатор термического распада горюче-связующего, что также снижает термостабильность состава. Содержание аммония фосфорнокислого однозамещенного в составе составляет 0,95-1,05 мас.% и определяется условием обеспечения необходимого уровня термической стабильности перхлората аммония. Меньшее содержание аммония фосфорнокислого однозамещенного приводит к снижению термической стабильности перхлората аммония и состава в целом, а большее нецелесообразно экономически. N-N-дифенил-n-фенилендиамин, являясь органическим соединением, подавляет термическую деструкцию ДСТ-30 и одновременно ингибирует терморазложение ПХА. Аммоний фосфорнокислый однозамещенный, являясь неорганическим соединением, эффективно ингибирует терморазложение ПХА и одновременно подавляет термическую деструкцию ДСТ-30. Кроме того, в окислителе ПХК является ингибитором термического разложения ПХА. Комплексная система ингибирования, содержащая органическую и неорганическую добавки, и ингибирующее действие ПХК по отношению к ПХА позволяют обеспечить порог термостойкости составов на смеси перхлората аммония и перхлората калия до 250°С. При этом состав ТБЗ имеет энергетические характеристики, которые существенно выше, чем у прототипа: «сила» пороха 1007-1128 кДж/кг и 890-996 кДж/кг, объем газов 0,0212-0,0234 м³/кг и 0,0179-0,0223 м³/кг у предложенного состава и прототипа соответственно.

Для получения предложенного термостойкого состава использовались следующие компоненты.

Перхлорат аммония по ТУ 6-02-548-78, перхлорат калия по ТУ 6-02-627-78 являются наиболее распространенными окислителями для смесевых твердых топлив, имеют широкую и дешевую сырьевую базу. Смесь термоэластопласта ДСТ-30 с полистиролом является термопластичным горюче-связующим. Термоэластопласт ДСТ-30 по ТУ 38-40-320-72 обладает свойствами вулканизируемых каучуков при эксплуатации и характеризуется легкостью переработки в изделия проходным прессованием. Для придания заряду необходимой жесткости в состав горюче-связующего вводится полистирол по ГОСТ 20282-74. N-N-дифенил-n-фенилендиамин по ТУ 6-14-206-77, аммоний фосфорнокислый однозамещенный по ГОСТ 3771-64 являются ингибирующими добавками.

Сила пороха, объем газов и температурный коэффициент скорости горения (β_т) определялись по результатам расчета опытной кривой «давление-время», полученной при манометрических испытаниях по ГОСТ 8.907-76.

Порогом термостойкости называют максимальную температуру, которую может выдержать в заданных условиях заряд определенных форм и размеров без заметного изменения своих эксплуатационных характеристик в течение заданного времени, например 6 часов [ВНИИ географических методов разведки. Термостойкие взрывчатые вещества в условиях глубоких скважин. - М.: Недра, 1981, с.14-19].

Основными преимуществами заявляемого состава являются высокий уровень термостойкости, энергетических характеристик, а именно «силы» пороха и объема газов, устойчивость горения при повышенном давлении и не высокая стоимость, так как не содержит дорогих и дефицитных компонентов.

Состав термостойкого блочного заряда, включающий окислитель, смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола в качестве горюче-связующего, N-N-дифенил-n-фенилендиамин и аммоний фосфорно-кислый однозамещенный, отличающийся тем, что в качестве окислителя он содержит смесь перхлората аммония и перхлората калия в соотношении 4:1÷5:1 соответственно при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Смесь перхлората аммония и
перхлората калия в соотношении 4:1÷5:1	76,0-84,0
Смесь термоэластопласта ДСТ-30 и полистирола	14,5-22,5
N-N-дифенил-n-фенилендиамин	0,45-0,55
Аммоний фосфорнокислый однозамещенный	0,95-1,05