ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА,, 2014, том 33, № 5, с. 54-61
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 532.5
ДЕТОНАЦИЯ ВЗРЫВНОГО ПРОППАНТА - ГЕКСОГЕНСОДЕРЖАЩЕГО
ВОДОНАСЫЩЕННОГО ПЕСКА
© 2014 г. А. А. Сулимов1*, Б. С. Ермолаев1, С. Б. Турунтаев2, А. А. Борисов1, М. К. Сукоян1
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Институт динамики геосфер Российской академии наук, Москва *E-mail: aasul@center.chph.ras.ru Поступила в редакцию 17.04.2013
Проведены экспериментальные исследования и термодинамические расчеты детонации взрывного проппанта — гексогенсодержащего водонасыщенного песка. Исследуемый материал представляет интерес для использования в качестве взрывчатой добавки к расклинивающему наполнителю, который закачивается в трещины гидравлического разрыва нефтеносных пластов. Опыты проводились в дюралюминиевых оболочках с цилиндрическим и плоским каналами. Изучена зависимость скорости детонации от содержания гексогена в смеси в диапазоне от 14 до 74 вес. %, размеров частиц гексогена, песка и начальной температуры. Критический диаметр заряда, способного детонировать, снижается при увеличении содержания гексогена в смеси, составляя всего несколько миллиметров при содержании гек-согена от 30 вес. % и выше. Полидисперсный гексоген обеспечивает высокую детонационную способность смесей; фракции частиц гексогена в узком диапазоне размеров, в особенности крупный гексоген с частицами размером 0.4—0.7 мм, заметно повышают критический диаметр детонации. При повышении начальной температуры смеси от +20°C до +90°C критическая толщина детонации снижается в несколько раз. Детонация исследуемых смесей в сужающемся плоском канале протекает с постоянной скоростью, которая мало отличается от скорости детонации, измеренной в цилиндрическом канале. Достигнув участка, где раскрытие канала оказывается меньше критического, детонация резко обрывается. Термодинамические расчеты детонации взрывного проппанта проведены с использованием уравнения состояния BKWS в предположении, что песок является инертной добавкой, которая находится в механическом равновесии с продуктами детонации смеси гексоген + вода. Получено удовлетворительное согласие с экспериментом по скорости детонации и ее зависимости от содержания гексогена. Это позволяет заключить, что гексоген в смеси с водонаполненным песком детонирует в пределах узкой зоны реакции, без существенных потерь тепла на нагрев инертной добавки путем конвекции.
Ключевые слова: детонация, водонасыщенный песок, гексоген, взрывной проппант.
Б01: 10.7868/80207401X14050136
ВВЕДЕНИЕ
В статье рассматривается одно из возможных направлений использования взрывчатых материалов в технологии нефтедобычи, в частности при гидроразрыве нефтеносного пласта. Гидроразрыв пласта представляет собой технологический процесс увеличения проницаемости призабойной зоны скважины путем образования в пласте новых трещин или углубления и расширения уже имеющихся естественных трещин. С этой целью в при-забойную зону пласта под давлением закачивают специальную жидкость (в основном это вода с некоторыми добавками, повышающими вязкость), которая разрывает пласт, после чего образующиеся трещины заполняют наполнителем — проп-пантом, препятствующим закрытию трещин после снятия давления закачиваемой жидкости. В качестве проппанта обычно используют инерт-
ный гранулированный материал, состоящий из частиц песка или керамики.
Одной из задач, связанных с гидроразрывом, является оценка параметров образующихся трещин. Решение, предлагаемое в патентах [1, 2], основано на том, чтобы вместе с проппантом ввести в зону гидроразрыва взрывчатый материал, при детонации которого создается акустический сигнал. Сигнал улавливается дистанционными сей-смодатчиками и после обработки используется для получения информации о размерах гидроразрыва и его ориентации. Вместе с тем, если взрывчатый материал обладает достаточной энергией, то он может быть использован также для создания дополнительных трещин в результате дробления породы в области, примыкающей к трещине гидроразрыва.
Водонасыщенная смесь взрывчатого материала и песка получила название "взрывной проп-
пант" (от английского термина "explosive prop-pant"). Взрывной проппант должен устойчиво детонировать в узких трещинах с раскрытием менее 10 мм. Взрывчатый материал, входящий в состав смеси, должен обладать высокой детонационной способностью, высокой энергетикой, термостойкостью, приемлемой стоимостью и безопасностью транспортировки и обращения при наличии воды. Детонационные свойства тройных смесей, аналогичных взрывному проппанту, ранее не исследовались. Известно, что скорость детонации двойных смесей ВВ с инертной дисперсной добавкой существенно снижается при увеличении содержания и уменьшении размера частиц последней [3]. Критический диаметр детонации для жидких ВВ типа нитрометана с добавками дисперсных инертных частиц также снижается при уменьшении размера частиц добавки [4]. При наполнении водой промышленных ВВ обычно возрастают как скорость детонации, так и критический диаметр. Так, например, критический диаметр детонации для водонапол-ненных зерногранулитов превышает 50 мм [5].
Цель настоящего исследования состоит в определении критических условий и параметров детонации трехкомпонентной взрывчатой смеси гексоген/вода/песок, предлагаемой для использования в качестве взрывного проппанта. В качестве взрывчатого материала был выбран стандартный полидисперсный гексоген; песок с размером частиц 0.63—1.0 мм моделировал расклинивающий проппант марки 16/30. В опытах исследовались смеси, в которых содержание гексогена и песка варьировалось в широких пределах. Вода вводилась в количестве, обеспечивающем заполнение поровых промежутков между частицами дисперсной фазы; для смесей разного состава содержание воды составило от 12 до 18 вес. %. Исследуемый образец помещался в канал толстостенной оболочки из дюралюминия, — материала, близкого по динамическим свойствам к известняку — наиболее распространенной породе нефтеносных пластов. Ка-
нал оболочки имел цилиндрическую форму или форму плоской щели. Дополнительные серии опытов были проведены с гексогеном, рассеянным с помощью сит на узкие фракции и содержащим мелкий песок, а также при начальной температуре, повышенной до 90°С. Экспериментальные данные по детонации исследуемых тройных смесей сопоставлены с термодинамическими расчетами.
1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИИ ВОДОНАПОЛНЕННЫХ СМЕСЕЙ ГЕКСОГЕНА С ПЕСКОМ
Расчеты проводились с помощью программы DNITREM [6] с уравнением состояния продуктов детонации ВК^^. Использовались следующие предположения.
1. Продукты детонации содержат продукты химического превращения смеси ВВ и воды и инертную добавку (песок).
2. Продукты химического превращения находятся в полном термодинамическом равновесии.
3. Песок рассматривается как инертная сжимаемая добавка, которая находится в механическом равновесии с продуктами детонации (т.е. их давление и массовая скорость одинаковы), но не участвует в химических взаимодействиях и имеет температуру, отличную от температуры продуктов детонации. Термодинамические свойства песка определяются ударной адиабатой, в качестве которой использована ударная адиабата кварца с начальной плотностью 2.65 г/см3, имеющая вид Б[км/с] = 3.71 + 1.24 К
Содержание песка в тройной смеси варьировалось от 0 до 72 вес. %. Содержание воды оставалось постоянным и равным 14 вес. %. Результаты расчетов даны в табл. 1, где введены следующие обозначения: р0 — начальная плотность смеси, Б — скорость детонации, Р — давление детона-
Таблица 1. Расчет параметров детонации смесей гексогена с песком, насыщенных 14% воды
Смесь Po, г/см3 D, км/с P, ГПа n T, K V, см3/г U, км/с Q, мДж/кг f, мДж/кг моль/кг Vs> л/кг
Гексоген/вода 86/14 1.62 7.92 23.3 3.36 3420 0.476 1.82 4.52 1.106 38.9 871
Гексоген/вода/кварц 1.67 7.54 21.5 3.43 3400 0.464 1.69 3.8 1.07 39.4 777
74/14/12
Гексоген/вода/кварц 1.77 6.84 18.1 3.6 3030 0.442 1.46 2.66 1.0 40.4 615
54/14/32
Гексоген/вода/кварц 1.88 5.99 13.7 4.0 2600 0.425 1.17 1.51 0.872 42.1 453
34/14/52
Гексоген/вода/кварц 1.94 5.45 11.0 4.34 2260 0.42 0.97 0.92 0.755 43.6 371
24/14/62
Гексоген/вода/кварц 2.01 4.72 7.43 5.12 1700 0.423 0.66 0.31 0.515 46.5 292
14/14/72
ции, п — показатель политропы продуктов детонации, Т — температура, V — удельный объем продуктов детонации, и — массовая скорость, О — удельный тепловой эффект реакций химического превращения при замороженном составе продуктов детонации в расчете на килограмм смеси, / — сила пороха в расчете на 1 кг продуктов
детонации, N —количество молей газообразных компонентов в одном килограмме продуктов химического превращения и ^ — объем газообразных компонентов в расчете на 1 кг смеси. Ниже приведен состав (в моль/кг) продуктов детонации (указаны лишь компоненты с содержанием свыше 0.01 моль/кг):
Гексоген/вода 1ексоген/вода/кварц Гексоген/вода/кварц Гексоген/вода/кварц Гексоген/вода/кварц Гексоген/вода/кварц
смесь 86/14 74/14/12 54/14/32 34/14/52 24/14/62 14/14/72
[N2] 10.6 10.25 9.63 8.4 7.26 5.22
[Н2О] 13.5 14.7 17.1 21.5 25.8 34.4
[С02] 6.67 6.57 6.4 6.15 5.84 4.56
[СО] 4.11 3.87 3.36 2.27 1.24 0.1
[Н2] 1.09 1.18 1.31 1.38 1.22 0.43
№3] 2.08 2.0 1.84 1.59 1.36 0.815
[СН4] 0.86 0.8 0.78 0.8 0.86 0.97
Нами ниже будет показано, что рассчитанные скорости детонации находятся в близком согласии с измеренными значениями. Это позволяет использовать результаты расчетов, приведенные в табл. 1, для оценки других характеристик детонации, включая давление, теплоту взрыва, газообразование.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Полидисперсный гексоген заводского изготовления, который был использован в качестве взрывчатого компонента, имеет в основной массе размер частиц менее 0.2 мм. Фракционный состав, полученный путем рассева с помощью сит, приведен в табл. 2. Песок имел частицы размером 0.63—1.0 мм и был рассеян, так же как и гексоген, с помощью сит.
Для измерения скорости детонации использовались оболочки из дюралюминия длиной 20
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.