RU2616654C1 - Non-detonable solid fuel composition - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: non-detonable solid fuel composition comprises components in the following ratios, mass.%: ammonium nitrate 75-85, powdery NBR 10-24, and sodium salicylate 1-5 as the combustion catalyst, providing non-detonablility and combustion products in the absence of chromium oxide.

EFFECT: elimination of detonation capacity of the solid composition at elevated pressures while maintaining the ability to layer-burning capacity and reduced erosion of combustion products by removing the chromium oxides content in combustion products.

1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of development of solid fuels, and in particular to the creation of a non-detonating solid fuel composition used in oil production intensification systems, including in pneumatic drive chambers of slip-type packers used to isolate oil reservoirs.

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. %:Known low-temperature solid fuel containing ammonium nitrate as an oxidizing agent, rubber SKDM-80 as a polymer fuel, di-N-oxide-1,3-dinitrile-2,4,6-triethylbenzene as a curing agent and dinitrophenoxyethanol as a speed catalyst combustion in the following ratio of components, wt. %:

нитрат аммонияammonium nitrate 80,780.7 каучук марки СКДМ-80rubber of the SKDM-80 brand 19,319.3 динитрофеноксиэтанолdinitrophenoxyethanol (1,0-1,5) сверх 100%(1.0-1.5) in excess of 100% отверждающий агентcuring agent 0,2 сверх 100%,0.2 over 100%

см. патент RU 2389714, МПК С06В 31/30 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), 2010.see patent RU 2389714, IPC 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.The disadvantages of the known fuel are the high content of solid combustion products and the increased complexity and duration of the processing of fuel into products associated with the use of a highly viscous binder and the need for its curing by a special agent.

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. %:The closest to the technical embodiment of the present invention is a thermoplastic solid fuel composition for treating oil wells, containing ammonium nitrate as an oxidizing agent, powdered butadiene-nitrile rubber with particle sizes of 0.4-2.0 mm as a combustible binder and potassium dichromate or dichromate ammonium as a catalyst for the combustion process in the following ratio of components, wt. %:

нитрат аммонияammonium nitrate 79-8879-88 порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук сnitrile butadiene rubber powder with размерами частиц 0,4-2,0 ммparticle sizes 0.4-2.0 mm 8-188-18 бихромат калия или бихромат аммонияpotassium dichromate or ammonium dichromate 1-11,1-11,

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.see RU Patent 2444554, IPC C09K 8/60 (2006.01), C06D 5/06 (2006.01), C06B 31/30 (2006.01), C09K 8/594 (2006.01), C09K 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.A disadvantage of the known thermoplastic solid fuel composition is the detonation ability at elevated pressures. This is due to the use of potassium or ammonium dichromate as a combustion catalyst, which at pressures of more than 30 MPa contribute to a significant increase in the combustion rate and the transition of layer-by-layer combustion to detonation. The detonation ability of the known composition limits the scope of its application in some devices, for example, in chambers of pneumatic drive slips packers, in which during operation a pressure of up to 35 MPa is reached. Detonation of solid fuel can create a sharp pressure pulse inside the chamber, exceeding the tensile strength of the chamber material, which will lead to its destruction.

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.Another disadvantage of the known thermoplastic solid fuel composition is the increased erosion ability of the combustion products in relation to the structural elements of systems for intensifying oil production, which leads to rapid wear and a significant reduction in the service life of these elements. This disadvantage is due to the high content in the combustion products of the thermoplastic solid fuel composition of solid particles of chromium oxides formed from chromium molecules released during the decomposition of catalysts of potassium dichromate or ammonium dichromate.

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.The present invention solves the problem of eliminating the detonation ability of a solid fuel composition at elevated (more than 30 MPa) pressures while maintaining the ability to layer-by-layer combustion and reducing the erosion ability of combustion products due to the high content of chromium oxides.

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:The problem is solved in that the proposed solid fuel composition, including ammonium nitrate, powdered butadiene-nitrile and a combustion catalyst, contains sodium salicylic acid as a combustion catalyst in the following ratio of components:

нитрат аммонияammonium nitrate 75-8575-85 порошкообразный бутадиен-нитрильный каучукnitrile butadiene rubber powder 24-1024-10 натрий салициловокислыйsalicylic acid sodium 1-51-5

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.A distinctive feature of the invention is that sodium salicylic acid used in the solid fuel composition at pressures less than 30 MPa is a catalyst for the combustion process, providing a burning rate at the level of the known solid fuel composition, and at pressures of more than 30 MPa it becomes a stabilizer of the combustion process, ensuring a constant burning rate , which excludes the transition of layer-by-layer combustion to detonation. In addition, sodium salicylic acid does not contain chromium molecules in the composition, which eliminates the formation of solid particles of chromium oxides during combustion.

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.Thus, solving the technical problem allows eliminating the detonation ability of the solid fuel composition at elevated pressures (more than 30 MPa) and reducing the erosive ability of combustion products due to the absence of chromium oxides in their composition.

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).In the proposed non-detonating solid fuel composition, the following components are used: ammonium nitrate (in the form of crushed granulated ammonium nitrate in accordance with GOST 2-85), nitrile butadiene rubber powder (TU 38.30328-2008), salicylic acid sodium (GOST 17628-72).

Примеры конкретного выполненияCase Studies

Пример 1Example 1

Заявляемый недетонационноспособный твердотопливный состав приготавливают путем механического смешивания в барабанном смесителе при следующем соотношении компонентов, мас. %:The inventive non-detonating solid fuel composition is prepared by mechanical mixing in a drum mixer in the following ratio of components, wt. %:

нитрат аммонияammonium nitrate 7575 порошкообразный бутадиен-нитрильный каучукnitrile butadiene rubber powder 2424 натрий салициловокислыйsalicylic acid sodium 1one

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,

From the obtained mass, cylindrical specimens with a diameter of 30 mm, armored along the side surface, are formed by the method of blind pressing. The burning rate and detonation ability were determined in a constant pressure setting in a nitrogen atmosphere at pressures of 2.5 MPa and 35 MPa. The burning rate was calculated by the ratio of the height of the sample composition to the burning time, which was determined as the difference between the end and the beginning of the combustion process, recorded using a photometric sensor. The detonation ability was determined by a sharp jump in pressure in the constant pressure installation chamber, recorded using a PSI high-frequency piezoelectric pressure sensor, a PCB signal conversion system, and L-graph graphical representation software. The content of solid particles of oxides in the combustion products was determined by the calculation method. Examples of specific performance 2 and 3 are similar to example 1. The data in examples 1-3, indicating the characteristics of the proposed solid fuel composition are presented in the table,

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. %.The table shows that the burning rate of the proposed solid fuel composition at a pressure of 2.5 MPa is 2.5-3.8 mm / s, which corresponds to the speed level of the solid fuel composition of the prototype. At a pressure of 35 MPa, the proposed solid fuel composition is not capable of detonation, in contrast to the prototype composition. In the combustion products of the proposed solid fuel composition does not contain chromium oxides, in the combustion products of the prototype composition the content of chromium oxides is 2.0-4.8 wt. %

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.Thus, the proposed solid fuel composition retains the burning rate at the level of the solid fuel composition of the prototype, which allows it to be used in oil production intensification systems, while the proposed composition, in contrast to the prototype composition, does not have a detonation ability at pressures of more than 30 MPa, which allows it to be used in chambers of pneumatic drive slips packers used for isolation of oil reservoirs. The absence of solid particles of chromium oxides in the combustion products makes it possible to reduce the erosion ability of the combustion products in relation to structural materials and, thus, increase their operational life. The use of the proposed solid fuel composition allows us to expand the scope of solid fuel compositions in oil production intensification systems, to ensure reliability, successful application of these systems and increase the operational life of structural elements.

Claims (2)

Недетонационноспособный твердотопливный состав для систем интенсификации добычи нефти, включающий нитрат аммония, порошкообразный бутадиен-нитрильный каучук, катализатор горения, отличающийся тем, что он в качестве катализатора горения, содержит натрий салициловокислый при следующих соотношениях компонентов, мас.%:Non-detonating solid fuel composition for oil production intensification systems, including ammonium nitrate, powdered butadiene-nitrile rubber, a combustion catalyst, characterized in that it contains sodium salicylic acid as a combustion catalyst in the following ratios of components, wt.%: нитрат аммонияammonium nitrate 75-8575-85 порошкообразный бутадиен-нитрильный каучукnitrile butadiene rubber powder 10-2410-24 натрий салициловокислыйsalicylic acid sodium 1-51-5