Недетонационноспособный твердотопливный состав
Владельцы патента RU 2691785:
Общество с ограниченной ответственностью "ПерфоТерм-Пакер" (RU)
Изобретение относится к созданию недетонационноспособного твердотопливного состава, применяемого в системах интенсификации добычи нефти, в том числе в камерах пневматического привода шлипсовых и корпусах деформирующихся взрывных пакеров, используемых для изоляции нефтяных пластов. Недетонационноспособный твердотопливный состав содержит компоненты при следующих соотношениях, мас. %: нитрат аммония 70-85, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40% 10-29, комбинированный катализатор, включающий натрий салициловокислый и калий двухромовокислый в соотношении 10:1 1-5, фторопласт-4 0,5-1,0 сверх 100%. Изобретение направлено на устранение перехода процесса стационарного послойного горения твердотопливного состава в режим тления в диапазоне давлений 4-11 МПа с сохранением способности к послойному горению без перехода в детонацию при повышенных (более 30 МПа) давлениях и повышение плотности и удельного объемного газообразования механически уплотненного состава благодаря улучшению его прессуемости. 1 табл.
Изобретение относится к области разработки твердых топлив, а именно к созданию недетонационноспособного твердотопливного состава, применяемого в системах интенсификации добычи нефти и ремонта скважин, в том числе в камерах пневматического привода шлипсовых пакеров и корпусах деформирующихся взрывных пакеров, используемых для изоляции нефтяных пластов.
Известен термопластичный твердотопливный состав для обработки нефтяных скважин, содержащий нитрат аммония в качестве окислителя, порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с размерами частиц 0,4-2,0 мм в качестве горючего-связующего и бихромат калия или бихромат аммония в качестве катализатора процесса горения при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| нитрат аммония | 79-88 |
| порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук с | |
| размерами частиц 0,4-2,0 мм | 8-18 |
| бихромат калия или бихромат аммония | 1-11, |
см. RU Патент 2444554, МПК С09К 8/60 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), С06В 31/30 (2006.01), С09К 8/594 (2006.01), С09К 8/72 (2006.01), 2012.
Недостатком известного термопластичного твердотопливного состава является детонационная способность при повышенных давлениях. Это связано с использованием в качестве катализатора горения бихромата калия или аммония, которые при давлениях более 30 МПа способствуют значительному увеличению скорости горения и переходу режима послойного горения в детонацию. Детонационная способность известного состава ограничивает область его применения в некоторых устройствах, например, в камерах пневматического привода шлипсовых пакеров, в которых при эксплуатации достигаются давление до 35 МПа. Детонация твердого топлива может создать резкий импульс давления внутри камеры, превышающий предел прочности материала камеры, что приведет к ее разрушению.
Другим недостатком известного термопластичного твердотопливного состава является повышенная эрозионная способность продуктов горения по отношению к конструкционным элементам систем для интенсификации нефтедобычи, что приводит к быстрому износу и значительному снижению ресурса эксплуатации этих элементов. Этот недостаток обусловлен высоким содержанием в продуктах горения термопластичного твердотопливного состава твердых частиц оксидов хрома, образующихся из молекул хрома, выделяющихся при разложении катализаторов бихромата калия или бихромата аммония.
Наиболее близким по техническому воплощению к предлагаемому изобретению является недетонационноспособный твердотопливный состав для систем интенсификации добычи нефти, содержащий нитрат аммония, порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук и натрий салициловокислый при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| нитрат аммония | 75-85 |
| порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук | 24-10 |
| натрий салициловокислый | 1-5. |
см. RU Патент 2616654, МПК C06D 5/06 (2006.01), С06В 31/30 (2006.01), 2017
Недостатком известного недетонационноспособного твердотопливного состава является склонность к переходу в режим тления при давлениях в диапазоне от 4 до 11 МПа. Это связано с использованием в качестве катализатора горения натрия салициловокислого, который в указанном диапазоне давлений проявляет ингибирующее действие по отношению к процессу горения. В режиме тления состав выделяет малое количество газообразных продуктов горения, что может привести к нестабильному функционированию устройств, например, камер пневматического привода шлипсового пакера, в которых применяется известный недетонационноспособный состав.
Другим недостатком известного недетонационноспособного твердотопливного состава является недостаточно высокие значения плотности и удельного объемного газообразования при горении зарядов, сформированных из состава методами механического уплотнения, обусловленные плохой перссуемостью состава (под удельным объемным газообразованием понимается объем газов, выделяющихся при сгорании единицы объема заряда, сформированного из недетонационноспособного твердотопливного состава). Высокая плотность и высокое удельное объемное газообразование являются важным условием для надежного функционирования недетонационноспособного твердотопливного состава, при его использовании в пакерных системах, поскольку внутренне пространство камеры пневматического привода шлипсовых пакеров и корпуса деформирующихся пакеров имеют ограниченные объемы. Более высокие значения плотностей и удельного объемного газообразования способствуют расширению геологических условий применения твердотопливного состава, в частности, это открывает возможность эксплуатации на месторождениях с глубоким залеганием продуктивных пластов в скважинах с высокими забойными давлениями. Недостаточно высокие значения плотности и удельного объемного газообразования связаны с тем, что применяемый с составе в соответствии с известным изобретением порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук обладает широким диапазоном пластоэластических свойств, зависящих от содержания нитрилакриловой кислоты в молекуле. При содержании нитрилакриловой кислоты менее 26% бутадиен-нитрильный каучук обладает удовлетворительными пластоэластическими свойствами, позволяющими перерабатывать его методом прессования, однако имеет низкую плотность, что не позволяет получить недетонационноспособный твердотопливный состав с плотностью выше 1200 кг/м3 и удельным объемным газообразованием выше 1540 л/л. При содержании нитрилакриловой кислоты 26% и более бутадиен-нитрильный каучук обладает высокой жесткостью и его трудно перерабатывать методами механического уплотнения, что не позволяет получить плотности недетонационноспособного твердотопливного состава более 1280 кг/м3 и удельного объемного газообразования выше 1630 л/л. Также низкая плотность и низкое значение удельного объемного газообразования прототипа связано с отсутствие в составе технологических добавок, обеспечивающих хорошую прессуемость.
В предлагаемом изобретении решается задача устранения перехода процесса стационарного послойного горения твердотопливного состава в режим тления при давлениях в диапазоне 4-11 МПа с сохранением способности к послойному горению без перехода в детонацию при повышенных давлениях (более 30 МПа) и улучшения прессуемости состава с повышением значений плотности и удельного объемного газообразования зарядов, сформированных из состава методом механического уплотнения.
Задача решается тем, что предлагаемый твердотопливный состав, включающий нитрат аммония, содержит в качестве горючего компонента бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40%, комбинированный катализатор, состоящий из натрия салициловокислого и калия двухромовокислого в соотношении 10:1 и в качестве технологической добавки фторопласт-4 при следующем соотношении компонентов:
| - нитрат аммония | 70-85 |
| - бутадиен-нитрильный каучук с содержанием | |
| нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40% | 29-10 |
| - комбинированный катализатор, включающий | |
| натрий салициловокислый и калий |
| двухромовокислый в соотношении | 10:1 | 1-5 |
| - фторопласт-4 | 0,5-1,0 сверх 100%. |
Отличительной особенностью изобретения является то, что применяемый в твердотопливном составе комбинированный катализатор, содержащий натрий салициловокислый и калий двухромовокислый в соотношении 10:1, обеспечивает стабильность процесса горения без перехода в режим тления в диапазоне давлений 4-11 МПа благодаря высокой каталитической активности в указанном диапазоне давлений калия двухромовокислого и исключает переход горения в детонацию при давлениях более 30 МПа благодаря преимущественному содержанию натрия салициловкислого, обладающего ингибирующим действием при давлениях выше 30 МПа. Кроме того, недетонационноспособный твердотопливный состав, согласно изобретению, содержит технологическую добавку фторопласт-4, активную по отношению к жесткому бутадиен-нитрильному каучуку с содержанием нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40%, что обеспечивает лучшую прессуемость состава с достижением плотности при механическом уплотнении более 1520 кг/м3 и удельного объемного газообразовании более 1980 л/л.
Таким образом, решение технической задачи позволяет устранить переход процесса стационарного послойного горения твердотопливного состава в режим тления в диапазоне давлений 4-11 МПа, обеспечить сохранение способности к послойному горению без перехода в детонацию при повышенных давлениях (более 30 МПа) и обеспечить хорошую прессуемость состава, способствующую повышению плотности и удельного объемного газообразования механически уплотненного состава.
В предлагаемом недетонационноспособном твердотопливном составе используются следующие компоненты: нитрат аммония (в виде измельченной гранулированной аммиачной селитры, соответствующей ГОСТ 2-85), каучук бутадиен-нитрильный с содержанием нитрилакриловой кислоты 26-40% (ТУ 38.30313-2006), натрий салициловокислый (ГОСТ 17628-72), калий двухромовокислый (ГОСТ 4220-75), фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80).
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Заявляемый недетонационноспособный твердотопливный состав приготавливают путем механического смешивания в бикубическом смесителе при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| - нитрат аммония | 78 |
| - бутадиен-нитрильный каучук с содержанием | |
| нитрилакриловой кислоты 40% | 17 |
| - комбинированный катализатор, включающий | |
| натрий салициловокислый и калий | |
| двухромовокислый в соотношении 10:1 | 5 |
| - фторопласт-4 | 1 сверх 100% |
Из полученной массы методом глухого прессования формуют цилиндрические образцы диаметром 30 мм, бронированные по боковой поверхности. Скорость горения и детонационную способность определяли в установке постоянного давления в атмосфере азота при давлениях в диапазоне 4-11 МПа и 35 МПа соответственно. Скорость горения рассчитывали по отношению высоты образца состава к времени горения, которое определялось как разность между окончанием и началом процесса горения, фиксируемым с помощью фотометрического датчика. Детонационная способность определялась по резкому скачку давления в камере установки постоянного давления, фиксируемому с помощью высокочастотного пьезоэлектрического датчика давления PSI, системы преобразования сигнала РСВ и программного обеспечения графического представления результатов измерений L-graph.
Прессуемость составов определяли путем измерения плотности цилиндрических образцов зпрессованных при различных удельных давлениях прессования на гидравлическом прессе 2ПГ-10, оснащенном манометром. Плотность определялась отношением массы прессованных цилиндрических образцов к их объему. Масса образцов определялась с помощью аналитических весов, а объем рассчитывался по геометрическим размерам цилиндра (высоте и диаметру), измеряемым с помощью микрометра. Фиксировалось минимальное давление, при котором плотность прессованных образцов достигала максимального значения и при дальнейшем увеличении удельного давления прессования не повышалась. Удельное объемное газообразование составов определяли расчетным методом. Примеры конкретного выполнения 2 и 3 аналогичны примеру 1. Данные по примерам 1-3 с указанием характеристик предлагаемого твердотопливного состава представлены в таблице
Из данных таблицы видно, что средняя скорость горения предлагаемого твердотопливного состава при давлении в диапазоне 4-11 МПа составляет 2,1-2,7 мм/с. При этом горение протекает стабильно в послойном режиме. В этом же диапазоне давлений состав-прототип тлеет со скоростью 0,04-0,11 мм/с. Плотность предлагаемого твердотопливного состава достигает 1520-1620 кг/м3 при удельном давлении прессования 120 МПа, плотность состава-прототипа достигает 1180-1280 кг/м3 при удельных давлениях прессования 130-170 МПа. Удельное объемное газообразование предлагаемого состава 1980-2063 л/л, что значительно превышает значения аналогичного параметра состава-прототипа, равные 1514-1630 л/л. При давлении 35 МПа предлагаемый твердотопливный состав так же как и состав-прототип не способен к детонации.
Таким образом, предлагаемый твердотопливный состав не обладает детонационной способностью при давлениях выше 30 МПа, как и твердотопливный состав - прототип, что позволяет использовать его в системах интенсификации нефтедобычи, функционирующих в условиях повышенных давлений, в частности в камерах пневматического привода шлипсовых пакеров и корпусах деформирующихся взрывных пакеров, используемых для изоляции нефтяных пластов. В отличие от состава-прототипа предлагаемый твердотопливный состав стабильно горит в диапазоне давлений 4-11 МПа со скоростями 2,1-2,7 мм/с без перехода в режим тления, что обеспечивает стабильное функционирование устройств для интенсификации нефтедобычи, например, пневмоприводов шлипсового пакера, в указанном диапазоне давлений. Повышенное значение плотности и удельного объемного газообразования позволяет обеспечить надежное функционирование в системах интенсификации нефтедобычи в условиях эксплуатации этих систем в глубоких скважин с повышенным уровнем забойного давления и повысить эффективность применения этих систем. Применение предлагаемого твердотопливного состава позволяет обеспечить стабильность и надежность функционирования систем интенсификации нефтедобычи, расширить область применения и диапазон условий эксплуатации, повысить эффективность применения этих систем.
Недетонационноспособный твердотопливный состав, включающий нитрат аммония, отличающийся тем, что он в качестве горючего содержит бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40%, содержит комбинированный катализатор, включающий натрий салициловокислый и калий двухромовокислый в соотношении 10:1, содержит технологическую добавку фторопласт-4 в соотношениях, мас. %:
| нитрат аммония | 70-85 |
| бутадиен-нитрильный каучук с содержанием | |
| нитрилакриловой кислоты в диапазоне 26-40% | 10-29 |
| комбинированный катализатор, включающий | |
| натрий салициловокислый и калий | |
| двухромовокислый в соотношении 10:1 | 1-5 |
| фторопласт-4 | 0,5-1,0 сверх 100% |
обладающий способностью к сохранению режима стационарного послойного горения в диапазоне давлений 4-11 МПа и более 30 МПа без перехода в режим тления или детонации, плотностью при удельном давлении прессования 120 МПа не менее 1520 кг/м3 и удельным объемным газообразованием не менее 1980 л/л.
