1.2.6. Термическое разложение взрывчатых веществ.

С бурением глубоких и сверхглубоких скважин для поиска и разведки новых месторождений углеводородов на территориях РФ связана основная перспектива прироста запасов. В этой связи целесообразно оценить реальные возможности взрывных устройств, которые могут быть эффективно использованы при высоких температурах и давлениях в скважинах.

Сопоставление свойств различных по своему строению классов ВВ, проведённое рядом авторов, привело к следующим выводам.

Нитроэфиры имеют наибольшую мощность (теплоту взрыва, скорость детонации) и наименьшую термостабильность (до 100 ⁰ С); нитроамины (гексоген,октоген) по мощности не уступают нитроэфирам, но обладают большей термостабильностью (190 – 200 ⁰ С ).

Взрывчатые вещества типа неорганических солей (азиды, перхлораты) и солей, содержащих органический анион (пикраты, стифнаты), обладают наименьшей мощностью, но, предположительно, наибольшей термостабильностью.

Ароматические нитросоединения считаются наиболее перспективными в отношении оптимального сочетания мощности и термостабильности.

Для мономолекулярных реакций, когда только один вид молекул претерпевает превращение и стехиометрический коэффициент в уравнении реакции равен единице, т.е.для реакций вида АВ закон действующих масс при скорости реакции позволяет записать

(1.5)

Разделив левую и правую части уравнения на m получим

(1.6)

где: - степень распада (отношение количества разложившегося вещества к его исходному количеству); , - константа скорости реакции.

Проведём теоретический анализ и оценим максимальную температуру, при которой распавшееся количество вещества не превысит 2% от начального при следующих выдержках: 6 часов и двое суток. Сроки выдержки при высоких температурах продиктованы использованием взрывных устройств, спускаемых в скважину на геофизическом кабеле и на НКТ.

Разделяя переменные и интегрируя в пределах 0- и 0–t из (1.6) получим

или - (1.7)

Из (1.7)получим связь между k и задаваемыми из практики ведения работ временем пребывания взрывного устройства в скважине -t и величиной допустимой степени распада ВВ -

(1.8) Принимаем t = 6ч = 2∙10⁴ с, = 0,02. Тогда k₆ = 10 ^-6 c^-1

t = 48ч= 1,76· 10⁵ с, = 0,02. Тогда k₄₈ = 1,14· 10^-7 с^-1 При подстановке этих значений в выражение (1.8) для скорости реакции получим

10^-6= и 1,14·10^-7 = (1.9)

Окончательно для максимальной температуры применения данного ВВ в изотермических условиях из (1.9), после логарифмирования, получим

(1.10)

Проведём расчёт максимальной температуры применения ВВ со следующими характеристиками: энергия активации Е = 200 кДж/моль, lg k₀ (логарифм предэкспонента равен 13с^-1), универсальная газовая постоянная R = 8, 31 10³ Дж∙ ( ⁰К )^-1∙ кмоль^-1

После подстановки в формулу указанных значений получим = 550 ⁰К или Т = 277⁰С. и = 523 ⁰ К или 250 ⁰ С

Следует учесть, что предэкспонент вычисляют по частоте валентных колебаний конкретного ВВ и его логарифм lgk₀ варьирует в диапазоне от 6,8 до 19 с^-1.

В Таблице № 1.12 приведены кинетические параметры реальных ВВ, определённые в изотермических условиях экспериментальным путём , а также максимальные расчётные температуры.

Таблица №1.12

Кинетические характеристики термораспада некоторых ВВ

и расчётные значения максимальных температур.

№ п/п	Взрывчатое вещество	Температура плавления 0С	Энергия активации кДж/моль	, с -1	Макси- мальная Т, 0С
1	Тротил	80	144	10,2	209
2	Тринитробензол	122,5	179	10.9	283
3	ГНДС	234	178	12	261
4	Термол	380	200	11,7	320
5	НТФА	346	187	11.5	285

Выполненные расчёты показывают, что предельные температуры применения взрывных устройств падают с ростом времени нахождения последних в скважинах. Так, увеличение времени нахождения заряда ВВ в скважине с 6-и часов до 2-х суток, снизило предельную температуру применения на 27 ⁰С.