高能气体压裂液体火药理论配方优选设计_王安仕

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1、高能气体压裂液体火药理论配方优选设计 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?王安仕刘发喜西安石油学院高能气体压裂技术中心西安? ? ?摘要本文从理论的角度,对 高能 气体压裂用液体火药的组分,氧化剂与燃烧剂以及水的比例进行 理论计葬,应用内能法对 氧化剂、燃烧剂及配 方进 行 计早、筛选,讨论了水含 量对液体火 药能量的影响,指出水含量以? ? ? ?为宜,从而优选出 了合理的液体火药配方?主题词高能气 体压裂,液 体火 药,配方,设 计中国图书资料分类号? ? ?作者简介王安 仕,副研究员,男,? ? !年生? ? !年毕业于北京理工大学化 工系,现 任 本院高能 气体压裂技术 中 心主 任

2、,从事 高能气体压 裂研究工作?曾获国防工委、兵器 工 业部技术进步一等奖?项,二等奖?项,发表论文? ?篇,集体取 得专利?项?己?性旨 ?二 ?氧化剂、燃烧剂及其配比的优选以往高能气体压裂 用药普遍采 用的是固体火药,就 国内外使用情况来讲,它有较多的优点,但其最大的缺 点在于 总 的燃烧时 间短,即压裂作 用 时间 短、处理规模小,且费用较高?而当前高能气体压裂技术的关键问题就是如何扩大处理规模,提高压裂效果和降低成本?为此,笔者等对液体火药用 于油气井压裂技术进行了研究,并于?年?月在 吉林油田前孤区新? ?预探井中进行的首次工艺性试验获得成功?液体火药用 于油气井高能气体压裂技术,与

3、以往的固体火药相比具有用药量大、能量高、产气量大、作用时间长、处理规模大、压裂效果显著以及成本低等显著优点?液体火药高能气体压裂集压力脉冲、机械压裂和热气化学作用于一体?因此,液体火药的研制成功将极大地推动 我 国高能气体压裂技术向高深领域发展?在研究和设计火药配方时,为了比较不 同配方 的能量和性能,就得知道不同配方的能量示性数?这些数据如 果 完全依靠实验测得,不仅有些数据?如爆温?一般难以测定,而且费时也不经济,因此要求通过理论计算,得 出已知配方的能量示性数?火药能量示性数的计算方法有基本法、内能法 和简化法,这?种方法的原理基本相似,只是对某些参数的处理方法不同,因而导致其计算结果的

4、精确度不 同?最精确 的是内能法,本文即采用此法计算?内能法计算的 基本原理?,?是对?、?、?、?组成 的火药,一千克元素组成为?,通常满足?粤的条件?现在把?,?。? ? ?。下,火药燃本文主要针对液体火药的不同组分及其不同的比例对液体火药能量示性数的 影响,从理论 的角度进行配方计算,从而优选出适用 于油气井高能压裂技术的合理理论配方,为地面模拟实验、液体火药性能测 试及油田应用性试验研究提供理论依据?西安石油学院学报? ?年? ?月烧变成燃烧产物 的过程看成这样两个过 程 的结果?首先火药分解成?、?、?、?单质,然后再 由这 些单质的原子结合成 燃烧产 物?根据火药的成份计算一千克火

5、药的 实验式,按水煤气反应平衡常数及质量平衡计算燃烧产物的成份和按盖斯定律计算爆热?根据各种燃气的热容来计算爆温和根据干克火药产生 的气体在标准状态下产生的体积计算火药的比容,再根据计算出 的爆热 和比容算出火药力?第?卷第?期? ? ? ? ?氧化剂和燃烧剂的优选? ? ? ? ? ? ?切洲。、工?污劲五氧化剂和燃烧剂选择的原则是? ?在溶剂?水?中的溶解度大? ?能量高?对温度及压力撞击等不敏感? ?成本低?对不同的氧化剂、燃烧剂及其不同的配比,采用 内能法进行了上百个配方的计算,根据能量特征要求高的原则,所选出的氧化剂 为?过氯酸按和硝酸钱?燃化剂为?二乙二醇、甘油和尿素?考虑到在溶剂

6、?水?中的溶解度、对压力撞击及温度的 敏感性、成本及分解温度等,笔者认为?氧化剂用硝酸按,然烧剂用甘油或尿素较为理 想?剂比例的增大而减小,但均不小于? ? ?,比固体双 基火药比容?小于?,?都大?因此选用甘油和 尿素作为燃烧剂都可以?但从经济的角度来考虑,用尿素可降低液体火药的成本? ?氧化剂与燃烧剂的合理配比氧化剂与燃烧剂的比例合理与否,是关系到能否保证液体火药充分燃烧的问题?氧化剂与嫩烧剂的比例 选择 的合适,液体火药就可以充分燃烧,且燃烧性能也好,放出的热量及火药力都大?为了从理论上解决这一 问题,我们采用 内能法,在含水量一 定的条件下,用硝酸钱作为氧化剂,甘油和 尿素分别作为燃烧

7、剂,在不同的配比下进行计算,并对其结果进行了分析?氧化剂?姚烧剂厂抓? ?一? ? ? ? ? ?受、只稼从? ? 氧化剂?嫉烧剂图?氧化剂与燃烧剂比例对火药力的影响图?仅是分别用甘油和 尿素作为燃烧剂,在含水量一定 的情况下,不 同的配比对液体火药的主要能量示性之 一火药力 的影 响?明显可以看 出?采 用这两种燃烧剂时,对火药力的影响不大,且都是随着氧化剂与燃烧剂比例的增大而增大?对液体火药的爆温的影响也具有同祥的规律?但对液体火药的产气量?即比容?的影响较大?如 图?所示?,且随着氧化剂与燃烧王安仕等高能气体压裂液体 火药理论配方优选 设计图?氧化剂与燃烧剂比例对比容的影响虽然液体火药的

8、火药力、爆热及爆温?个主要能量示性数均是随着氧化剂与燃烧剂的比例的增加而增大,但其增大的幅度并不相同?参 见 图?,在两者的比例较小时,曲线上升较快,在两者的比例较大时,曲线变化较平缓,而且在含水量较 高时曲线还出现突然的下降点?因此,必然存在某一点,在此点之后,随着氧化剂与燃烧剂比例的增加,液体火药的主要能量示性数变化不 大,此 点即 可作为理论上较合理的氧化剂与燃烧剂的比例?此外,从液体火药实 际使用 的角度来考虑,氧化剂与燃烧剂的比例越大,对使用条件提出的要求越高?这是由于硝酸钱比甘油和 尿素在水中的溶解度大的缘故,两者的比例越大,即硝酸按的相对含量越高,在一定的含水量下,就必须在较高的

9、温度下,才能使氧化剂和燃烧剂完全溶解,这就对液体火药的现场配制和 下井过程 中 的泵送提出了更高的要求,掌握不好就有可能在配制或泵送过程中由于温度的降低而有晶体颗粒析出?这不 仅直接影 响液体火药 的性能,而且是绝对不允许 出 现的 现象?根据理论计算结果,并考虑实际使用条件,笔者认为,较合理的氧化剂与燃烧剂 的配比范 围 如下?用甘油作为燃烧剂时是? ? 一?的?用尿素作为燃烧剂时为?一?火药中的含水量最大不应超过? ?水含量对液体火药能量的影响水是液体火药的溶剂?之所以选择水作为液体火药的溶剂,除水能满足液体火药 的燃烧性能的要求外,主要是考虑到水对氧化剂和燃烧剂的溶解度大,且成本低廉?

10、?入 ? ? ? ? ? ?,? ? ?卜,犷? ? ? ?卜,? ? ?。卜 ? ?众长铆拭? ? 妞? 祝 县?。长?含水? 图?含 水量对火药力的影响液体火药中含水量的大小将直接影响其能量的大小和使用条件?图?和 图?分别是用甘油和 尿素作为燃烧剂时,对液体火药的主要能量示性数之一的火药力 的影 响?对爆热和爆温的影响具有相同 的变化规律?可以看 出?随着含水量的 增加,液体火药的主要能量示性数是直线下降的?且在 计算中发现,当含水量大于?。? 时,液体火药的燃烧性能大大降低,甚至不能然烧?因此从火药能量 及然烧性能 的 角度出发,液体图?含水量对火药力的影响但是含水量减少,液体火药的可

11、使用温度就升高,使得现场应用 的难度加大?这是因为液体火药的性能要 求,氧化剂 和燃烧 剂必须从配制 到下井 的全过程 中处于 完 全溶解状态,而不能有 晶体存在?表?是实验所得 的氧化剂 和燃烧剂分别 为硝欲按和甘油,其比例为?,不同含水量时液体火药的 可使用温度,即各组份完全溶解时所需的最低温度?很 明显随着含水量的减小,液体火药的可使用温度大幅度提高?若增大硝酸按与甘油的比例,即硝酸按的相对含量增加,其可使用温度还将提高?另外恨据理论计算,当含水量低 于? ?时,液体火药的燃烧性能也变差?因此,无论是从使用 的角度来考虑,还是从燃烧性能方而 出发,液体火药的含水量都不 能低于? ?表?组

12、肆?竺军牛二生分?一全丝兰一斗三里生 ?环? ?液 体火药的可使用温度?一?、? ?一? ?!? ? 豁伴刽号抖瑞片器书羚书十黑 ?可使用温度?。? ?综合上所述,液体火药的含水量应保持在? ? 到?。? 的范 围 内,具体含量要根据所选用 的氧化剂和燃烧剂的种类及其不同配比,并结合密 闭爆发器测定及其有关实验来确 定?但在不影 响使用和火药燃烧性能的情况下,含水量越小越好?最终所得高能气体压裂用液体火药的理论配方范围如表?所示表?液体火药的理论配比氧氧化剂与燃烧剂的比例?重量比? ? ?含水量?重量百分数? ? ?硝硝酸钱?甘油油(3.17一4 )1 1 1203 0 0 0硝硝酸按:尿素素

13、(3.64.1).1 1 12030 0 0(下转第1 2页)西安石油学院学报( Jx AP I)199 4年,ChangGuizhao( Log gingCompany, ShengliOilf让ld )Pr e s s ur ea ndMe eha nie alProPe rt y,ZhangYongn:in,Lu Xingd: anAbstr a et:Va rio u sPres s u rePa rar nete rsa ndme eha niealProPe rtyPa ramete rsofthefo rmationa rene ededinwell drillinge ngin

14、e e ring,0 11f ie l dwe l lserv ie ingan do i lpro duet ion.The metho do fea leu latingthe brea kdownPressure,uniaxia leo mpressivestrength,in itia ls hearstrength,min i mu min一situpr ine ipa lstress,s ituPr ine ipa lstressandits direetion,e lastiePara meterssue has Yangl s mo du lus,s hear mo du lu

15、s1l l aXlll lUll lI n一ratioarepresentedinthispaper.Theapplieationo fthisteehn ique in we l ldr i l l ing,0 11produeti ion5001 115ana lysesintro duee dinthispaper.The limitationso fthetee hni quearea lso diseusse d.Onthean dinvestigation,so ftwareuse dinPro duetion havean dpo issonls, geo logyan dbasiso fthewithChinesee har aeters have been des igne dan dvar ioususe fu lin for mationbeenprogra mme d, graphhea dinghasb eenProv i de dforthe0 11fie l ds.Subje