НЕДЕТОНАЦИОННОСПОСОБНЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ СОСТАВ
NON-DETONABLE SOLID FUEL COMPOSITION

Изобретение относится к области разработки твердых топлив, а именно к созданию недетонационноспособного твердотопливного состава, применяемого в системах интенсификации добычи нефти, в том числе в камерах пневматического привода шлипсовых пакеров, используемых для изоляции нефтяных пластов.
Известно низкотемпературное твердое топливо, содержащее нитрат аммония в качестве окислителя, каучук СКДМ-80 в качестве полимерного горючего, ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол в качестве отверждающего агента и динитрофеноксиэтанол в качестве катализатора скорости горения при следующем соотношении компонентов, мас. %:
нитрат аммония
80,7
каучук марки СКДМ-80
19,3
динитрофеноксиэтанол
(1,0-1,5) сверх 100%
отверждающий агент
0,2 сверх 100%,
см. патент RU 2389714, МПК С06В 31/30 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), 2010.
Недостатками известного топлива являются высокое содержание твердых продуктов горения и повышенные сложность и длительность переработки топлива в изделия, связанные с применением высоковязкого связующего и необходимостью его отверждения специальным агентом.
Наиболее близким по техническому воплощению к предлагаемому изобретению является 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 С09K 8/60 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), С06В 31/30 (2006.01), С09K 8/594 (2006.01), С09K 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 достигается 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.
В предлагаемом изобретении решается задача устранения детонационной способности твердотопливного состава при повышенных (более 30 МПа) давлениях с сохранением способности к послойному горению и снижение эрозионной способности продуктов горения, обусловленной высоким содержанием оксидов хрома.
Задача решается тем, что предлагаемый твердотопливный состав, включающий нитрат аммония, порошкообразный бутадиен-нитрильный и катализатор горения, в качестве катализатора горения содержит натрий салициловокислый при следующем соотношении компонентов:
нитрат аммония
75-85
порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук
24-10
натрий салициловокислый
1-5
Отличительной особенностью изобретения является то, что применяемый в твердотопливном составе натрий салициловокислый при давлениях, меньших 30 МПа, является катализатором процесса горения, обеспечивая скорость горения на уровне известного твердотопливного состава, а при давлениях более 30 МПа становится стабилизатором процесса горения, обеспечивающим постоянство значения скорости горения, что исключает переход режима послойного горения в детонацию. Кроме того, натрий салициловокислый не содержит молекул хрома в составе, что исключает образование в процессе горения твердых частиц оксидов хрома.
Таким образом, решение технической задачи позволяет устранить детонационную способность твердотопливного состава при повышенных давлениях (более 30 МПа) и снизить эрозионную способность продуктов горения, благодаря отсутствию в их составе оксидов хрома.
В предлагаемом недетонационноспособном твердотопливном составе используются следующие компоненты: нитрат аммония (в виде измельченной гранулированной аммиачной селитры, соответствующей ГОСТ 2-85), каучук бутадиен-нитрильный порошкообразный (ТУ 38.30328-2008), натрий салициловокислый (ГОСТ 17628-72).
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Заявляемый недетонационноспособный твердотопливный состав приготавливают путем механического смешивания в барабанном смесителе при следующем соотношении компонентов, мас. %:
нитрат аммония
75
порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук
24
натрий салициловокислый
1
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 2,5 МПа и 35 МПа. 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. Содержание твердых частиц оксидов в продуктах горения 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 скорость горения предлагаемого твердотопливного состава при давлении 2,5 МПа составляет 2,5-3,8 мм/с, что соответствует уровню скоростей твердотопливного состава-прототипа. При давлении 35 МПа предлагаемый твердотопливный состав не способен к детонации в отличие от состава-прототипа. В продуктах горения предлагаемого твердотопливного состава не содержится оксидов хрома, в продуктах горения состава-прототипа содержание оксидов хрома составляет 2,0-4,8 мас. %.
Таким образом, предлагаемый твердотопливный состав сохраняет скорость горения на уровне твердотопливного состава-прототипа, что позволяет использовать его в системах интенсификации нефтедобычи, при этом предлагаемый состав в отличие от состава-прототипа не обладает детонационной способностью при давлениях более 30 МПа, что позволяет использовать его в камерах пневматического привода шлипсовых пакеров, используемых для изоляции нефтяных пластов. Отсутствие в продуктах горения твердых частиц оксидов хрома позволяет снизить эрозионную способность продуктов горения по отношению к конструкционным материалам и, таким образом, повысить их эксплуатационный ресурс. Применение предлагаемого твердотопливного состава позволяет расширить область применения твердотопливных составов в системах интенсификации нефтедобычи, обеспечить надежность, успешность применения этих систем и повысить эксплуатационный ресурс конструкционных элементов.