Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пиротехнические составы и средства для интенсификации нефтедобычи. Монография
.pdf
магниевого термита в жидкой среде от содержания в ней нефти
Скорость нарастания давления,
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
Максимальное давление, МПа
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.34. Зависимость максимального давления при горении
железомагниевого термита в жидкой среде от содержания
в ней нефти
0,033
0,031
0,029
0,027
0,025
МПа/с*г
0,023
0,021
0,019
0,017
0,015
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.35. Зависимость скорости нарастания давления при
горении железомагниевого термита в жидкой среде
91
от содержания в ней нефти
Рис. 7.36. Зависимость газопроизводительности при горении
железомагниевого термита в жидкой среде от содержания в ней
нефти
Последнее обстоятельство вызвано тем, что при горении железомагниевого термита часть тепла затрачивается на возгонку и крекинг
нефти, что приводит к дополнительному газовыделению и
повышению давления с увеличением содержания нефти в воде.
Возгонка нефти идет с затратами тепла (рис. 7.37 и 7.38), при этом
скорость горения падает с увеличением содержания нефти. Невысокая
скорость нарастания давления обусловлена относительно низкой
скоростью горения термита.
3400
3200
3000
2800
2600
Температура, K
2400
2200
2000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10
0
Содержание нефти, %
Рис. 7.37. Зависимость расчетной температуры горения железо-
92
магниевого термита от содержания нефти в воде
Теплота сгорания, кДЖ/кг
4500
4000
3500
3000
2500
2000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.38. Зависимость расчетной теплоты сгорания железо-
магниевого термита от содержания нефти в воде
Особенностью железомагниевого термита является то, что
максимальные характеристики газопроизводительности, давления и
скорости нарастания давления достигаются в эмульсии при
содержании нефти 70%. При сжигании в эмульсии с содержанием
нефти 70% появляется в 1,17 раза больше продуктов возгонки, чем в
чистой нефти (рис. 7.36). Таким образом, можно предположить, что в
эмульсии с содержанием нефти 70% создаются оптимальные условия
для возгонки нефтепродуктов (при горении пороха и большинства
безметальных составов – в эмульсии с 50%-ным содержанием нефти).
Закон скорости горения железомагниевого термита в интервале
давлений от 1 до 3 МПа имеет вид: в воде – Ил=1,2*Р
водонефтяной эмульсии с концентрацией нефти 50% – Ил=1,02*Р
нефти – Ил=1,2*Р
0,26
. Термит горит в условиях скважины с низкой
0,30
0,25
скоростью, слабо зависящей от внешнего давления и состава жидкой
среды. Известно, что горение термита в воздухе практически не
зависит от давления. Полученные нами результаты свидетельствуют о
влиянии среды не столько на горение самого термита, сколько на
поведение системы «жидкость – термит».
Интересно также отметить и тот факт, что после сгорания термита
оставались твердые шлаки, размер и масса которых практически была
сопоставима массе и размерам самой шашки до сжигания, не зависимо
от жидкой среды, в которой проводились исследования.
,
,
93
7.4 Горение металлизированных составов
2
С точки зрения термодинамики горение высокометаллизированных составов в водной среде при повышенных
давлениях протекает с выделением сравнительно большего количества
тепла, чем при атмосферном давлении и является энергетически
выгодным процессом [38]. С практической точки зрения наиболее
выгодным металлическим горючим при разработке составов для
интенсификации нефтедобычи является магний, наиболее легко и
полно окисляющийся при реакции с водой. Составы со сплавом
алюминия с магнием и с алюминием в условиях близких к
скважинным либо не воспламеняются, либо горят неустойчиво. В
качестве окислителя могут применяться нитраты щелочных и
щелочноземельных металлов.
Нитратно-магниевые смеси с содержанием металлического
горючего от 13 до 75% (кислородным балансом от +32 до -38)
горят устойчиво в условиях скважин (табл. 7.2).
Таблица 7.2
Соотношение и кислородный баланс металлсодержащих
составов
Содержание
магния, %
Содержание
нитрата натрия, %
13 20 30 40 53,5 63 68 75
87
80 70 60 46,5 37 32 25
Кислородный
баланс, г. О
+32 +24 +13 +2 -13 -24 -30 -38
Зависимости скорости горения от содержания металлического
горючего в различных жидких средах приведены на рис. 7.39 и 7.40.
Сравнивая зависимости скорости горения от содержания магния
можно выделить две характерные области. Первая область характерна
для составов с низким содержанием металлического горючего, когда
содержание магния составляет 30% (кислородный баланс +13).
Максимум по скоростям горения наблюдается при горении в чистой
нефти и в эмульсии с содержанием в ней нефти 70%.
Вторая область характерна для высокометаллизированных
составов, содержанием металлического горючего 53,5% (кислородный
баланс -13). Видно, что для высокометаллизированных составов с
отрицательным кислородным балансом максимальные скорости
94
горения наблюдаются при горении опытных образцов в воде и
Рис. 7.39. Зависимость линейной скорости горения от
80
Содержание магния, %
эмульсиях с содержанием нефти 30 и 50%.
30
25
20
15
скорость
Линейная
горения, мм/с
10
5
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Содержание магния, %
содержания магния состава Mg+NaNO3 в различных
жидких средах:
Вода Эмульсия 30/70
Эмульсия 50/50 Эмульсия 70/30
Нефть
10
8
6
4
2
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Массовая скорость горения, г/с
Рис. 7.40. Зависимость массовой скорости
горения от содержания магния состава
Mg+NaNO3 в различных жидких средах:
95
Наличие двух областей с ярко выраженными положительными и
отрицательными областями по кислородному балансу для
различных жидкостей можно объяснить различными по природе
свойствами исследуемых жидкостей. Это может быть связано с
тем, что вода, в отличие от нефти, является окислительной средой в
процессе горения металлизированных составов. В общем случае
горение составов в воде складывается из нескольких, взаимно
обуславливающих процессов: собственное (первичное) горение и
вторичное горение, горение (выгорание) среды.
При первичном горении происходит окисление горючего за счет собственных
окислительных элементов. Вторичное горение происходит за счет окислительных
элементов воды в образующемся газовом пузыре. При горении в воде нагретые
частицы магния попадают в окислительную среду и догорают за счет кислорода воды.
При этом происходит увеличение температуры горения и количества выделяемого
тепла (рис. 7.41 и 7.42), и скорость горения возрастает. Поэтому можно предположить,
что более высокая скорость горения составов в воде, в отрицательной области
обусловлена добавочной порцией тепла за счет вторичных процессов горения, а именно
реакцией избыточного магния с водой.
При дальнейшем увеличении магния скорость горения в воде и в эмульсиях, где
содержание воды составляет 70 и 50% уменьшается. Так как теплоемкость воды
высокая (теплоемкость воды 4,180 кДж/кг*К, теплоемкость нефти 1,672
кДж/кг*К) то, скорее всего, количество тепла, передаваемого из пламени в
конденсированную фазу уменьшается и, когда в составе содержание магния достигает
53,5%, теплоотвод из зоны горения начинает превышать теплоприход от окисления
магния и скорость горения снижается. При горении смесей в нефти и в эмульсии, где
концентрация нефти составляет 70%, происходит окисление магния за счет
окислительных элементов состава. По этой причине максимум по скоростям горения
достигается в области с положительным кислородным балансом +13, т.е. при
содержании магния 30%. С увеличением содержания магния в составе начинает
сказывается нехватка окислителя, и магний, попадая в нефть, не окисляется. Это
приводит к снижению тепловыделения и скорости горения.
Из-за высокой вязкости нефти отток газов при горении ухудшается,
вследствие чего в газовом пузыре возникает давление, превышающее
давление окружающей среды.
96
горения состава Mg+NaNO3 от содержания нефти
Tемпература, K
сгорания состава Mg+NaNO3 от содержания
Теплота сгорания, кДж/кг
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.41. Зависимость расчетной температуры
в воде:
Mg=30% Mg=53% Mg=75%
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Содержание нефти, %
Рис. 7.42. Зависимость расчетной теплоты
нефти в воде:
Mg=30% Mg=53% Mg=75%
97
При большем давлении скорость реакции в газовой фазе больше и
зона высокой температуры приближается к поверхности
конденсированной фазы. Соответственно возрастает и количество
тепла, передаваемое в единицу времени из газовой фазы в
конденсированную, вероятно, поэтому с увеличением внешнего
давления скорость горения состава возрастает. Тепла на нагрев
жидкости при сгорании состава в нефти расходуется меньше, чем в
воде, так как теплоемкость нефти ниже. Предполагается, что еще
одним из факторов, которые повышают скорость горения смесей в
нефти, является использование в составах с положительным
кислородным балансом избыточного окислительного компонента –
нитрата натрия. Кислород нитрата натрия способен вступать во
взаимодействие с нефтью.
Максимальное давление и скорость нарастания давления продуктов
сгорания при горении составов существенно зависят от содержания
металлического горючего и от состава жидкой среды, причем в
отдельных случаях зависимости носят нелинейный характер (рис. 7.43
и 7.44). Можно предположить, что такой характер зависимостей
связан со сложностью процессов, протекающих при горении образцов
в жидкой среде, и зависит от ее состава.
Одними из возможных факторов, влияющих на величину давления
в условиях бомбы постоянного объема, могут быть следующие:
образование газообразных продуктов за счет реакции части
недоокисленного металлического горючего с водой, образование
газообразных продуктов за счет реакции избыточного окислительного
агента с нефтью. Нельзя исключать вероятность и протекания реакции
гидротермального окисления (окисление нефти сверхкритической
водой, т.е. парообразной водой, находящейся в сверхкритическом
состоянии) нефти в высокотемпературной зоне горения образца.
Одним из источников появления большого количества
газообразных продуктов является процесс крекинга нефти, так как
температура горения нитратно-магниевых составов относительно
выше,чем у других составов и может достигать 3000 К и более.
Из рис. 7.45 видно, что с увеличением содержания магния
газопроизводительность в воде увеличивается, это, по-видимому,
можно объяснить тем, что вода является дополнительной
окислительной средой.
98
30
Эмульсия 50/50
Эмульсия 70/30
а
П
М
,
я
20
и
н
е
л
в
а
10
д
е
о
н
ь
л
а
0
м
и
с
к
а
М
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Содержание магния, %
Рис. 7.43. Зависимость максимального давления
от содержания магния состава Mg+NaNO3 в
различных жидких средах:
Вода Эмульсия 30/70
3
2,5
2
1,5
1
МПа/с*г
0,5
0
Скорость нара ста ния давления,
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Содержание магния, %
Рис. 7.44. Зависимость скорости нарастания
давления от содержания магния состава
Mg+NaNO3 в различных жидких средах:
Вода Эмульсия 30/70 Эмульсия 50/50
Эмульсия 70/30 Нефть
99
1400
1200
1000
800
600
400
200
Газопроизводительность, л/кг
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Содержание магния, %
Рис. 7.45. За висимость газопроизводительности от
содержания магния состава Mg+NaNO3 в ра зличных
жидких средах:
Вода Эмульсия 30/70 Эмульсия 50/50
Эмульсия 70/30 Нефть
В этом случае важную роль играют вторичные процессы, где
происходит окисление (горение) шлаков за счет воды при этом
происходит дополнительное выделение газообразных продуктов
сгорания, которые увеличивают газопроизводительность до
содержания магния 75%. Газопроизводительность в нефти и в трех
эмульсиях с концентрацией нефти 30, 50 и 70% носят экстремальный
характер. В нефти максимум газопроизводительности достигается при
содержании магния 53,5% в эмульсиях с концентрацией нефти 50 и
70% максимум достигается при содержании магния 63%, в эмульсии с
концентрацией нефти 30% максимальная точка по
газопроизводительности достигается при содержании металла 68%.
Газопроизводительность в нефти, в эмульсиях больше, чем в воде, это
можно объяснить тем, что дополнительным источником
газовыделения являются продукты крекинга нефти.
Сложный вид зависимостей линейной скорости горения и скорости
нарастания давления (рис. 7.46 и 7.47) от концентрации нефти в
жидкости можно объяснить многостадийностью и сложностью
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]