Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОСТОЙКИЙ ДЕТОНИРУЮЩИЙ ШНУР

Изобретение относится к области средств взрывания и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности при ведении прострелочно-взрывных работ в скважинах для инициирования зарядов кумулятивных перфораторов.

Известны выпускаемые отечественной промышленностью в соответствии с ТУ 84-711-83 [1] термостойкие детонирующие шнуры (ДШ) марок ДШТ-165, ДШТ-200, ДШУ-33. Сердцевина этих ДШ выполнена из сыпучих термостойких мощных бризантных взрывчатых веществ (ВВ) и заключена сначала в нитяную, а затем в полимерную оболочку с герметизирующими колпачками на торцах.

Основным недостатком шнуров марок ДШТ-165, ДШТ-200 и ДШУ-33 является то, что при нарушении целостности оболочки, возможном вследствие даже незначительных механических воздействий, скважинная жидкость проникает в сердцевину шнура, за счет капиллярных эффектов происходит практически полная пропитка сердцевины жидкостью, что закономерно приводит к отказу шнуров.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термостойкий ДШ марки ДШТТ, выпускаемый по ТУ 84-825-79 [2]. Его сердцевина выполнена из прессованного термостойкого мощного бризантного ВВ - набора цилиндрических таблеток, размещенных внутри многослойной гидроизолирующей оболочки, торец к торцу практически без зазоров. Торцы же самого шнура защищаются герметизирующими колпачками.

Ввиду большой плотности ВВ таблеток, составляющих сердцевину шнура, он менее «чувствителен» к замоканию при нарушении целостности внешней оболочки. Тем не менее, при работе с ним при высоких температурах и давлениях скважинной жидкости, в случае прокола полимерной оболочки возможно частичное вымывание ВВ с торцов таблеток, что является причиной отказов.

Повышенная мощность таблеточных шнуров (масса ВВ на 1 м ДШ составляет 45…80 г/м) приводит к повышенному расходу дорогостоящего термостойкого мощного бризантного ВВ, а также к большому количеству газообразных продуктов взрыва, сильной ударной волне и, как следствие, значительной деформации корпусов перфораторов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение навески сердцевины дорогостоящего термостойкого мощного бризантного ВВ при одновременном повышении надежности срабатывания в случае замокания сердцевины.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном детонирующем шнуре, содержащем заключенную в многослойную внешнюю оболочку взрывчатую сердцевину, выполненную из набора цилиндрических таблеток из термостойкого мощного бризантного ВВ, в соответствии с изобретением между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ размещены таблетки-разделители, спрессованные из неорганических окислителей.

К неорганическим окислителям относятся соли кислородсодержащих кислот азота - нитраты, хлора - перхлораты, а также перманганаты, дихроматы, пероксиды и ряд других соединений.

Практически все неорганические окислители под воздействием высоких температур разлагаются с выделением газообразного кислорода, окислов азота и других газов. Причем их удельное газообразование и термостойкость сопоставимы соответственно с удельным газообразованием (по продуктам взрыва) мощных бризантных ВВ и их термостойкости (в качестве примера далее в табл. 1 приведены свойства нитратов и перхлоратов).

Поэтому размещенные между таблетками из термостойкого ВВ таблетки-разделители из неорганических окислителей при передаче детонационного импульса по сухой сердцевине шнура будут являться не пассивной, а активной преградой, благодаря чему при взрыве отдельной таблетки из термостойкого ВВ в сердцевине шнура передача детонационного импульса к последующей будет осуществляться не просто по механизму передачи через пассивную преграду, а с усилением эффекта за счет высокотемпературных продуктов разложения неорганических окислителей.

Так, при нагревании твердых нитратов все они, за исключением нитрата аммония, разлагаются с выделением кислорода.

Нитраты щелочных металлов разлагаются на нитриты и кислород:

Большинство нитратов от щелочноземельных металлов до меди включительно разлагаются на оксид металла, NO₂ и кислород:

Нитраты наиболее тяжелых металлов (AgNO₃ и Hg(NO₃)₂ разлагаются до свободного металла, NO₂ и кислорода:

Нитрат аммония разлагается на газообразные компоненты:

Типичная реакция разложения перхлоратов щелочных металлов протекает по следующему механизму:

KClO₄→KCl+2O₂↑

Аналогичным образом, т.е. с выделением большого количества газообразных компонентов протекают реакции разложения перманганатов, дихроматов, пероксидов и т.п. неорганических окислителей.

В случае же замокания сердцевины шнура при повреждении внешней защитной оболочки таблетки-разделители, спрессованные из неорганических окислителей, будут частично растворяться, и т.к. растворение осуществляется в ограниченном объеме, промежуток между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ в итоге будет заполнен концентрированным солевым раствором с некоторым остаточным содержанием твердой фазы, т.е. фактически водонаполненным взрывчатым веществом [4].

Таким образом, при инициировании замокшего ДТП передача детонации между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ будет осуществляться через «активный» промежуток, заполненный водонаполненным ВВ.

Известно [4], что с энергетической точки зрения благоприятным является введение в состав водонаполненных ВВ алюминия (акваналы). В этом случае вода по отношению к алюминию служит окислителем. Теплота реакции взаимодействия воды с алюминием 8710 кДж/кг, а реакция окисления алюминия нитратом аммония составляет 9750 кДж/кг. В составы подобного типа добавляют высокодисперсную алюминиевую пудру.

Из отечественных сортов пудры высокую детонационную способность акваналов обеспечивает пудра марок ПАК-3 и ПАК-4, а также близкая к ним по характеристикам пудра марок ПАП-1 и ПАП-2. Так, критический диаметр акванала, содержащего 20% пудры марки ПАК-3, при плотности ВВ 1,2 г/см³ составил 5 мм [4].

По итогам анализа физико-химических свойств солей и нитросоединений неорганических веществ, применяемых в составе современных энергонасыщенных материалов (табл. 1), а также опыта использования в промышленности водонаполненных ВВ [4], можно сделать вывод, что наиболее целесообразно в качестве материала таблеток-разделителей, размещаемых в сердцевине ДТП между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ, использовать нитрат аммония с добавкой до 20% алюминиевой пудры. Причем для обеспечения максимальной энергии при передаче детонационного импульса таблетка-разделитель должна содержать при заданных геометрических характеристиках максимальную массу активного вещества, т.е. иметь максимальную плотность.

Выполненные исследования по прессованию солей нитратов показали, что максимальная масса прессовки в рабочих интервалах давления до 200 МПа достигается при введении в исходный материал стандартного гранулометрического состава до 25% того же вещества в нанодисперсном состоянии. Так плотность таблеток из нитрата аммония смесевого состава составила - 1,68 г/см³, а для соответствующего стандарту - 1,66 г/см³. Поэтому в конструкции шнура целесообразно использовать таблетки-разделители, спрессованные из смеси исходного вещества, содержащей до 25% нанодисперсной фазы. При прессовании таблеток-разделителей из смеси, содержащей наряду нанодисперсным нитратом аммония 20% алюминиевой пудры ПАП-1, достигнута плотность прессовки 1,79…1,80 г/см³.

Исследования по передаче детонации между таблетками термостойкого ВВ, с размещенными между ними таблетками-разделителями из нитрата аммония с 20% алюминиевой пудры ПАП-1 проводились по следующей методике.

В трубку из термоусаживаемого пластика последовательно размещались таблетки из термостойкого состава марки ГФГ-2 (состав на основе гексогена, флегматизированного лаком, применяемый для снаряжения термостойкого ДШ по ТУ 84-825-79) и таблетки-разделители из нитрата аммония с алюминиевой пудрой (различной высоты/массы), после чего трубка подвергалась термоусадке, таким образом, чтобы таблетки плотно примыкали торцами. Далее производили подрыв с торца трубки электродетонатором ЭД-8 в сухих условиях и с имитацией замокания сердцевины. Имитацию замокания сердцевины осуществлялась путем прокола стенки трубки в месте расположения таблеток-разделителей из нитрата аммония и последующего размещения поврежденного участка оболочки в горячую воду (исходно кипящую) с выдержкой 30 минут. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Из вышеприведенных экспериментальных данных следует, что в случае использования в ДШ таблеток-разделителей из смеси нитрата аммония с алюминиевой пудрой, сопоставимых по плотности прессовки с таблетками основного заряда из термостойкого мощного бризантного ВВ (в частности, марки ГФГ-2), высота (масса) таблетки разделителя должна составлять не более 0,25 от соответствующего показателя таблетки основного заряда.

Наиболее применяемыми для изготовления различных зарядов промышленного применения в качестве термостойких мощных бризантных ВВ в настоящее время являются гексоген и октоген, а также составы на их основе [4].

Наряду с упомянутым выше, использованным в экспериментальных целях продуктом марки ГФГ-2, представляющим собой гексоген, флегматизированный специальным лаком, отечественной промышленностью выпускается и ряд других марок продуктов обладающих как высокой термостойкостью, так и близкими соответствующими взрывчатыми характеристиками (см. например список, приведенный в источнике [5]), пригодных для снаряжения термостойкого детонирующего шнура предложенной конструкции. На основе гексогена - марок A-IX-1 ОСТ В84-636-81, A-IX-2 ОСТ В84-1067-74, Гексоген ВДТУ 75-11903-551-91 и т.п., на основе октогена - Октоген ГОСТ РВ 1376-011-2008, Октоген высокодисперсный ТУ 7276-841-08628424-2006, Окфол ТУ 7276-221-07508405-2009 и т.п. Выбор конкретного продукта, естественно, будет определяться с учетом конкретных условий работы детонирующего шнура, а также экономических возможностей.

Изобретение иллюстрируется принципиальной схемой конструкции ДШ, приведенной на фиг. 1.

Термостойкий детонирующий шнур содержит многослойную внешнюю оболочку 1 и взрывчатую сердцевину из набора цилиндрических таблеток из термостойкого мощного бризантного ВВ 2, между которыми размещены таблетки-разделители 3.

При инициировании ДШ детонационный импульс распространяется по сердцевине вследствие поочередного взрывания таблеток из термостойкого мощного бризантного ВВ 2. В случае если замокание сердцевины отсутствует, при взрыве отдельной таблетки из термостойкого мощного бризантного ВВ 2 в сердцевине шнура передача детонационного импульса к последующей будет осуществляться не просто по механизму передачи через пассивную преграду, а с усилением эффекта за счет высокотемпературных продуктов разложения солей окислителей, а также теплового эффекта реакции окисления алюминия, входящих в состав таблетки-разделителя 3.

Кроме того, для некоторых нитратов и окислителей возможен и взрывной механизм передачи импульса. При повреждении внешней оболочки 1 и попадании скважинной жидкости в сердцевину шнура таблетки-разделители 3 частично растворяются. Т.к. растворение осуществляется в ограниченном объеме, промежуток между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ 2 заполняется концентрированным солевым раствором с некоторым остаточным содержанием твердой фазы, т.е. фактически водонаполненным взрывчатым веществом, и передача детонационного импульса осуществляется по взрывному механизму.

Таким образом, введение в конструкцию термостойкого таблеточного шнура таблеток-разделителей, спрессованных из неорганических окислителей и размещенных между таблетками из термостойкого мощного бризантного ВВ, позволяет снизить расход последнего ориентировочно на 25%.

Одновременно повышается и надежность срабатывания шнура в случае замокания сердцевины, т.к. продукты растворения таблеток-разделителей представляют собой водонаполненное взрывчатое вещество.

Источники информации

1. ТУ 84-711-83 Шнур детонирующий термостойкий.

2. ТУ 84-825-79 Шнуры детонирующие термостойкие таблеточные ДШТТ (прототип).

3. Д.И. Дементьева, И.С. Кононов, Р.Г. Мамашев, В.А. Харитонов. Введение в технологию энергонасыщенных материалов: учебное пособие - Бийск: Изд-во Алтайского государственного технического университета БТИ, 2009, 254 с.

4. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1988. - 358 с.

5. Рекомендации по заполнению заявки потребности во взрывчатых материалах промышленного назначения. Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, 2015 г.