CC BY
103
Р. Ш. Гарифуллин, А. С. Сальников, В. Я. Базотов,
В. М. Борисов
АНАЛИЗ РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СГОРАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НИТРАТА АММОНИЯ И ПОРОШКООБРАЗНОГО ЭЛАСТОМЕРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН
Ключевые слова: твердое топливо; порошкообразный эластомер; нитрат аммония; температура горения; интенсификация
нефтедобычи.
Энергонасыщенные сгораемые материалы находят широкое применение в технологиях интенсификации нефтедобычи, среди которых по комплексу положительных свойств значительный интерес представляют составы на основе нитрата аммония и порошкообразного эластомера. В работе проведен анализ основных расчетных характеристик удельного газообразования, температуры горения и удельной теплоты сгорания трехкомпонентной системы нитрат аммония - бутадиен-нитрильный каучук - бихромат калия и выявлены закономерности влияния состава трехкомпонентной системы на указанные характеристики.
Keywords: solid fuel; powdery elastomer; ammonium nitrate; burning temperature; an oil extracting intensification.
High energetic combustible compositions find wide application in technologies of an intensification of oil extracting among which structures on the basis of ammonium nitrate and powdery elastomer are rather perspective. In work researches on studying of influence of structure of three-componental system ammonium nitrate - butadiene-nitril rubber - potassium bichromate on specific gas-generation are executed, temperature of burning and specific warmth of combustion and laws of influence of structure of three-componental system on the specified characteristics are revealed.
The optimum maintenance of an oxidizer - the ammonium nitrate, equal 85 % is established.
Энергонасыщенные сгораемые материалы находят широкое применение в технологиях интенсификации нефтеотдачи нефтяных пластов. Эффективность их применения подтверждена длительной практикой использования таких устройств, как аккумуляторов давления скважинных (АДС), термогенераторов химического воздействия (ТГХВ), пороховых генераторов давления (ПГД). Однако используемые энергонасыщенные композиции, применяемые в указанных устройствах обладают рядом недостатков: повышенной взрывоопасностью (относятся к классу взрывчатых веществ), образуют твердые продукты горения, ухудшающие фильтрационные характеристики призабойной зоны. В работе [1] предложены перспективные сгораемые составы -двойные смеси нитрата аммония с порошкообразным эластомером (бутадиен-нитрильным каучуком марки СКН-26), предназначенные для обработки нефтяных скважин. Эти составы не обладают взрывчатыми характеристиками, сгорают с выделением значительного количества теплоты, практически не образуя твердофазных продуктов, при этом эластомер как термопластичная основа позволяет перерабатывать составы высокопроизводительным методом экструзии. Однако предложенные рецептуры термопластичных твердых топлив обладают существенным недостатком, характерным для всех составов на основе нитрата аммония - нестабильный характер горения, особенно при низких давлениях. В работах [2, 3], затрагивающих эту проблему, отмечено, что стабилизация режима горения в составах на основе нитрата аммония возможна путем введения в состав катализаторов горения, наиболее эффективным из которых является бихромат калия. Данный катализатор может быть использован и в составах на основе нитрата аммония и порошкообразного эластомера, однако его влияние на энерге-
тические характеристики предложенных систем не изучено. Кроме этого, можно предположить, что бихромат калия, содержащий металлические элементы снизит удельное газообразование состава по причине образования в процессе горения твердофазных продуктов.
В данной работе проведен анализ основных расчетных характеристик удельного газообразования, температуры горения и удельной теплоты сгорания трехкомпонентной системы нитрат аммония -бутадиен-нитрильный каучук - бихромат калия и выявлены закономерности влияния состава трехкомпонентной системы на указанные характеристики. Выявление закономерностей влияния рецептуры трехкомпонентного состава на удельное газообразование представляет трудоемкую задачу, требующую проведения значительного количества расчетов. В этой связи исследования проводились с использованием метода симплексных решеток, определением функциональных зависимостей с использованием программных приложений Surfer для Windows и построением диаграмм "состав-свойство" [4]. Содержание компонентов в составах изменяли в следующих пределах, %:
нитрат аммония: 82 - 92, бихромат калия: 1 - 11, каучук СКН-26: 7 - 17.
Таким образом, проводились исследования локальных участков треугольных диаграмм с вершинами: Zj (0,82;0,01;0,17), Z2 (0,92;0,01;0,07), Z3 (0,82;0,11;0,07). Для описания поверхности отклика использована модель второго порядка с центральной точкой внутри решетки, составлен соответствующий план в переменных Zb Z2, Z3 удовлетворяющих условиям:
0 < Zi < 1, (i =1,2,3), Zj + Z2 + Z3 = 1, где Zi - точки плана в псевдокомпонентах.
Диаграмма «состав-свойство» для значений удельного газообразования представлена на рис. 1.
Из данных рисунка видно, что удельное газообразование увеличивается с ростом содержания нитрата аммония и уменьшается с ростом содержания бихромата калия. При этом максимальное значение удельного газообразования в составах с бихроматом калия составляет 1250 л/кг. Следует отметить, что максимальное удельное газообразование у состава, не содержащего бихромат калия имеет значение 1400 л/кг [1]. При увеличении содержания каучука с 7 до 11 % замечено уменьшение удельного газообразования, при дальнейшем увеличении его содержания наблюдается несущественное изменение удельного газообразования.
НА
Рис. 1 - Диаграмма «состав-свойство» (функция отклика - удельное газообразование)
Значительный диапазон содержаний всех трех компонентов обеспечивает высокий выход газообразных продуктов (более 1000 л/кг), что позволяет варьировать состав с целью получения оптимальных энергетических, технологических и функциональных характеристик. Анализ диаграммы также показывает, что для обеспечения высокого уровня удельного газообразования содержание нитрата аммония в смеси рекомендуется обеспечивать на уровне не менее 85%.
Аналогичным образом были проведены исследования по влиянию рецептуры состава на температуру горения и удельную теплоту сгорания Установлено, что закономерность влияния соотношения компонентов на температуру и удельную теплоту сгорания практически одинакова. В исследуемом диапазоне содержание каучука мало влияет на энергетические характеристики, а влияние нитрата аммония и бихромата калия носит противоположный характер. С увеличением содержания бихромата
аммония от 1 до 11 % возрастает значение температуры и удельной теплоты сгорания. С увеличением же содержания нитрата аммония от 82 до 92 % обе энергетические характеристики уменьшаются.
Такая закономерность, по-видимому, может быть объяснена смещением соотношения компонентов от стехиометрического, что при недостатке катализатора (бихромата калия) приводит к неполному использованию потенциальной химической энергии смеси. При этом следует отметить, что наибольшие значения энергетических характеристик ограничиваются минимальным содержанием нитрата аммония. Следует заметить, что при содержании нитрата аммония менее 85% температура горения составляет более 2000 К, а теплота сгорания более 3500 кДж/кг, что с учетом высокого значения удельного газообразования обеспечит повышенную эффективность твердого топлива при очистки призабойной зоны от АСПО.
Выводы
По результатам выполненных исследований получены закономерности влияния состава трехкомпонентной системы нитрат аммония - бутадиен-нитрильный каучук - бихромат калия на удельное газообразование, температуру горения и удельную теплоту сгорания. Установлено оптимальное содержание окислителя - нитрата аммония, равное 85%. При данном содержании окислителя при высоких значениях температуры горения и теплоты сгорания твердого топлива обеспечивается высокий выход газообразных продуктов. Оптимальное содержание каучука и бихромата калия, будут определены при поиске технологических режимов изготовления топлива и изучении характеристик его горения.
Литература
1. Гарифуллин, Р.Ш. Перспективные составы для обработки нефтяных скважин с применением порошкообразного эластомера / Р.Ш. Гарифулин [и др.] // Вестник КГТУ им. Кирова / Казан. гос. технол. ун-т. - Казань, выпуск №9, 2010. - С.873-876
2. Попок, В.Н. Исследовано в России [Электронный ре-
сурс] : многопредмет. науч. журн. / Моск. физ.-техн. ин-т. - Электрон. журн. - Долгопрудный: МФТИ / В.Н. Попок Горение высокоэнергетических материалов на основе нитрата аммония и инертной связки - режим доступа к журн.:
http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2007/035.pdf
3. Е Зо Тве Закономерности горения композиций на основе активного связующего и нитрата аммония: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.17.07) / Е Зо Тве;Российский хим.-технол. ун-т им. Д.И. Менделеева. - Москва, 2007. - 20 с.
4 . Аввакумова Н.И. и др. Основы планирования и обработки результатов эксперимента в работах по химии, технологии и переработки пластмасс/ Учебное пособие. Казань: КХТИ, 1982, 59с.
© Р. Ш. Гарифуллин - доц. КНИТУ, ttxb@mail.ru; А. С. Сальников - асп. КНИТУ; В. Я. Базотов - д-р техн. наук, проф. КНИТУ; В. М. Борисов - канд. техн. наук, доц. КНИТУ.
