CN105884562B - 二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源动力开发与利用领域，具体涉及一种二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法。所述二氧化碳基强活性聚能剂是由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂颗粒和惰性气体按质量比为12:0~3:0~1:1~2的比例混合而成；所述金属粉末为金属钠粉末、金属镁粉末、金属钾粉末和金属铝粉末中的一种或几种；所述金属粉末的粒径为纳米级、微米级和毫米级中的一种或几种。将本发明所述二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳按照1:1~2的质量配比混合发生氧化还原反应，产生瞬时二氧化碳爆炸冲击波和相变冲击波，形成高温高压动力源，可以为建筑、土木工程、机械、汽车、航空、船舶、海洋等领域提供强劲动力，是一种新的绿色动力源。

Description

二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于新能源动力开发与利用领域，具体涉及一种二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法和应用。

背景技术

政府气候变化专门委员会(IPCC)的系列研究指出，全球气候变化是无可置疑的事实，而温室气体的大量排放是影响全球气候变暖的主要因素之一。二氧化碳捕集、封存与利用技术(CCS或CCUS)已经成为国际上降低二氧化碳排放量的关键技术之一。二氧化碳作为温室气体的主要成分，已经成为了国际上各国政府关注的焦点。加强二氧化碳的捕集与利用已经成为了国内外共识。二氧化碳驱水、二氧化碳驱油、二氧化碳驱煤层气、页岩气等油气资源、二氧化碳地热开发等项目均是降低二氧化碳排放量的具体措施。

目前在中国许多地下深部储层非常规油气资源开发并不具备水力化条件，二氧化碳压裂技术得到重视，美国和加拿大是最早应用二氧化碳增产技术的国家，特别是在特低渗、低压油藏的改造方面，二氧化碳增产技术显示出更加优越的特点。当温度超过31.1摄氏度，压力超过7.38兆帕，二氧化碳气体就变成超临界态。超临界流体既不同于气体也不同于液体，具有许多独特物理化学性：密度接近于水，能够为井下马达提供足够扭矩；溶剂化能力强；黏度非常低，接近于气体，易流动、摩阻系数低；扩散系数大于液体，传热、传质性能良好；表面张力接近于零，可进入到任何大于超临界流体分子的空间。

深部地层压裂技术是开发非常规油气资源的有效方式，目前压裂技术主要有水力压裂技术、二氧化碳压裂技术、高能气体压裂技术、一体式增效射孔技术、多级脉冲增效射孔技术等。水力压裂技术或二氧化碳压裂技术的原理是对压裂层段输入强大水力压力或二氧化碳压力，超过地层岩石破裂极限，产生新的缝隙沟通油层天然裂缝，并随之填加压裂砂到裂缝中，巩固压裂效果，达到增产和稳产的效果。高能气体压裂技术是利用特殊装药结构的发射药装药或火箭推进剂装药在油井中按一定规律燃烧，产生大量的高温高压的燃烧气体产物，燃气以脉冲加载的方式压裂油气层使油气层产生多方位的辐射状的裂缝，使这些裂缝与天然裂缝相沟通，形成裂缝网络，从而有效地改善油气层的渗透性和导流能力，降低油流阻力，使油、气井得到大幅度的增产。一体式增效射孔器是利用炸药爆炸与发射药燃烧2种能量结合作用的原理而设计的。多级脉冲增效射孔技术采用油管输送或电缆输送工艺将射孔器传输到油气井的目的层位，点火起爆射孔，形成初级射孔孔道，随后，多种燃速组合的火药依次分别燃烧，产生的高温高压气体以冲击荷载的形式沿射孔孔道挤压冲击地层，使射孔孔道以裂缝的形式延伸扩展；通过反复加载，使射孔后的孔道与天然裂缝沟通。

除了二氧化碳压裂技术外，国内外也有学者研究并开发了二氧化碳相变爆破装置，最新利用二氧化碳相变作为动力的学者来自于英国和德国，后来，国内企业和学者将该技术引进中国，并不断拓展了二氧化碳相变爆破利用的新方向。河南理工大学等研究机构利用二氧化碳相变技术开发了致裂增渗设备，并成功应用于矿井瓦斯致裂和煤与瓦斯动力灾害防治领域。该技术方案是通过一种化学加热设备给超临界二氧化碳加热，使得超临界二氧化碳产生瞬时高温，从而发生相变，产生爆炸冲击波，二氧化碳相变过程实际上是一物理爆炸过程。后来，也有一些企业和研究机构，利用该原理开发出许多新的产品，在国防、消防、煤矿和矿山等领域开发出相应的衍生产品，例如矿山炸抛石、开挖隧道、武器弹射、人工降雨、消防设备等。该原理及技术以二氧化碳作为特种能源，为二氧化碳在各个领域的应用前景奠定了基础，并开启了二氧化碳利用新的方向。产生的高温高压动力源可以为建筑、土木工程、机械、汽车、航空、船舶、海洋和能源开发等领域提供强劲动力，实际上是一种新的动力能源，能够为需要提供冲击动力的工程项目提供绿色动力源。

超临界二氧化碳相变，作为二氧化碳特性的基本物理现象，是一个物理变化过程。但是，利用二氧化碳相变的物理过程产生的动能和炸药爆炸产生的动能仍然具有一定的差异，比炸药爆炸产生的冲击威力要低一个数量级，这个对于动力需求不高的领域是优点，同时对于需求高动能的领域也是一个缺点。另外，从德国或英国引进的技术，由于化学加热设备释放的能量有限，并且加热设备产生的热量在超临界二氧化碳内部通过热扩散和对流传播需要一个过程。因此，在短时间内使得二氧化碳相变的二氧化碳量有限，这进一步制约了二氧化碳相变产生的物理爆炸威力。更重要的是，加热器作为一个局部装置，只能位于二氧化碳的局部空间，产生的能量辐射和对流需要时间，从而导致二氧化碳相变爆炸的时间无法精确控制，对于需要起爆时间精确控制的领域，具有明显的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种二氧化碳基强活性聚能剂及其制备方法和应用。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种二氧化碳基强活性聚能剂，是由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂颗粒和惰性气体按质量比为12:0～3:0～1:1～2的比例混合而成。

上述方案中，所述金属粉末为金属钠粉末、金属镁粉末、金属钾粉末和金属铝粉末中的一种或几种。

上述方案中，所述金属粉末的粒径纳米级、微米级和毫米级中的一种或几种。进一步地，金属粉末的粒径主要以1um至50um为主，可以选择50um至0.5mm的金属粉末或者纳米级的金属粉末作为辅助控制粒径级配，用于调节二氧化碳与二氧化碳基强活性聚能剂发生氧化还原的反应速率。

上述方案中，所述高能氧化剂为过氧化钠、氧气或高锰酸钾粉末。

上述方案中，所述拟爆剂为阻燃材料。所述阻燃材料为氯化镁或氯化钙。

上述方案中，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、或氮气。

上述二氧化碳基强活性聚能剂的制备方法，具体包括如下步骤：将强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性气体注入到已抽真空的密闭容器中，密封封装后混合均匀，即得二氧化碳基强活性聚能剂。

根据现场对气爆(或者燃烧)温度和压力的需求，选定并设定强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性试剂的质量配比，例如1um的金属镁粉、过氧化钠粉末、氯化钙和氦气分别按照12:3:1:1的质量配比，准备一个能够承受高压的密闭容器，并将其抽真空，将选定好的强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性试剂按照规定的质量配比注入密闭容器内，并待密封封装好以后均匀混合搅拌，制备成二氧化碳基强活性聚能剂。

上述二氧化碳基强活性聚能剂的应用方法：将本发明所述二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳按照1:1～2的质量配比经混合物生成器和增压泵注入燃烧爆炸室，采用电火花点火，引发二氧化碳与二氧化碳基强活性聚能剂反应，产生瞬时二氧化碳爆炸冲击波和二氧化碳相变冲击波，形成高温高压动力源。

采用本发明所述二氧化碳基强活性聚能剂与二氧化碳反应获得动力能源的原理为：二氧化碳基强活性聚能剂以悬浮的状态均匀分布于超临界二氧化碳内，从而形成二氧化碳和二氧化碳基强活性聚能剂的混合物。一方面，二氧化碳基强活性聚能剂能够与一部分二氧化碳发生剧烈的氧化还原反应，瞬间释放大量热量，形成高温高压的环境，进一步地，激烈的燃烧反应可以转化为爆炸冲击波；另一方面，高温条件下使得未参加反应的二氧化碳瞬间相变，产生二氧化碳相变爆炸冲击波。本发明中通过控制二氧化碳基强活性聚能剂的成分及金属粉末的粒径级配，可以调节氧化还原反应速率，调整二氧化碳和强活性聚能剂混合物的燃烧速率和燃烧反应剧烈程度，实现气爆温度和压力的精确控制。其中，加入高能氧化剂可以增强二氧化碳与强活性金属粉末的反应激烈程度；拟爆剂颗粒的添加可以更加有效地调节二氧化碳与聚能剂反应产生的气爆速度、气爆上下限、最小点火能量和静电火花感度等参数；惰性气体的添加可以提高强活性聚能剂在运输、混合、储存、充注时的安全性。

本发明的有益效果：

(1)一方面，本发明所述二氧化碳基活性聚能剂能够与一部分二氧化碳发生激烈的氧化还原反应，瞬间释放大量热量，使得未参加反应的二氧化碳在高温条件下瞬间膨胀和相变，产生高压射流(即二氧化碳相变爆炸冲击波)，具有高压水射流的特点；另一方面，激烈的氧化还原燃烧反应可以转化为爆炸冲击波，进一步增强了流体压力，具有炸药爆炸的特点，因此，可以形成爆炸冲击波和二氧化碳快速膨胀和相变的高压射流共同作用的动静组合荷载；

(2)二氧化碳与强活性聚能剂形成的混合物，各相态间在空间上均匀混合，通过控制二氧化碳基聚能剂的成分及级配，可以调节二氧化碳和聚能剂混合物的燃烧速率，实现气爆温度和压力的精确控制。

(3)采用本发明所述二氧化碳基聚能剂，利用二氧化碳作为动力燃料，即可降低二氧化碳排放量，同时二氧化碳爆燃相变形成的高温高压动力源，可以为建筑、土木工程、机械、汽车、航空、船舶、海洋和能源开发等领域提供强劲动力，可以在许多领域替代常规炸药的功能，增加作业的安全性，是一种新的绿色动力源。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种二氧化碳基强活性聚能剂，由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性气体组成，所述各组分的质量配比为12:3:1:1；所述金属粉末为金属镁粉和金属铝粉，质量比为2:1；所述金属粉末的粒径为镁粉1um，铝粉50nm；所述高能氧化剂为过氧化钠粉末；所述拟爆剂为氯化钙；所述惰性气体为氦气。

将本实施例所述二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳以1:2的比例经混合物生成器和增压泵注入燃烧爆炸室，采用电火花点火，引发二氧化碳与强活性聚能剂的反应，反应时间1ms，最小点火能量在5mJ。二氧化碳与强活性聚能剂瞬间发生剧烈反应形成爆炸冲击波，同时瞬间释放的能量使得未参与反应的二氧化碳快速膨胀和相变，产生相变爆炸冲击波，形成高温高压动力源。经压力和温度传感器测定，二氧化碳与强活性聚能剂燃烧时产生的高温波阵面温度可达1500℃，在爆炸冲击波和超临界二氧化碳瞬间膨胀相变冲击波的共同作用下，形成的压力可达初始超临界二氧化碳压力的25倍(若初始二氧化碳压力为30Mpa，则经测试二氧化碳冲击泄压片出口时压力可达750MPa)。二氧化碳膨胀相变后的气流，经过气流振荡器和旋转射流器，形成脉冲高压振荡射流和定向旋转射流。在有限空间形成激烈气体脉冲振荡，同时沿固定方向形成高压旋转气流，可作为高压脉冲振荡定向射流，可作为一种新的绿色动力源。

实施例2

一种二氧化碳基强活性聚能剂，由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性气体组成，所述各组分的质量配比为12:0:1:1；所述金属粉末为镁粉；所述金属粉末的粒径为镁粉10um；所述高能氧化剂为过氧化钠粉末；所述拟爆剂为氯化钙；所述惰性气体为氮气。

将本实施例所述二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳以1:1.5的比例经混合物生成器和增压泵注入燃烧爆炸室，采用电火花点火，引发二氧化碳与二氧化碳基强活性聚能剂反应，反应时间10ms，最小点火能量约为50mJ。二氧化碳与强活性聚能剂瞬间发生剧烈反应，释放大量热量，使得未参与反应的二氧化碳快速膨胀和相变，形成高温高压动力源。经压力和温度传感器测定，二氧化碳与强活性聚能剂燃烧时燃烧面产生的高温可达1000℃，在高温下超临界二氧化碳瞬间膨胀相变，形成的压力可达初始超临界二氧化碳压力的15倍(若初始二氧化碳压力为30Mpa，则经测试二氧化碳冲击泄压片出口时压力可达450MPa)。二氧化碳膨胀相变后的气流，经过气流振荡器和旋转射流器，形成脉冲高压振荡射流和定向旋转射流。在有限空间形成激烈气体脉冲振荡，同时沿固定方向形成高压旋转气流，可作为高压脉冲振荡定向射流，可作为一种新的绿色动力源。

实施例3

一种二氧化碳基强活性聚能剂，由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性气体组成，所述各组分的质量配比为12:1:0:2；所述金属粉末为镁粉；所述金属粉末的粒径为50um；所述高能氧化剂为氧气；所述惰性气体为氦气。

将本实施例所述二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳以1:1.2的比例经混合物生成器和增压泵注入燃烧爆炸室，采用电火花点火，引发二氧化碳与二氧化碳基强活性聚能剂反应，镁粉在二氧化碳内部稳定燃烧，反应时间0.4s，最小点火能量1000mJ。二氧化碳与强活性聚能剂瞬间发生燃烧反应，释放大量热量，使得未参与反应的二氧化碳快速膨胀和相变，形成高温高压动力源。经压力和温度传感器测定，二氧化碳与强活性聚能剂燃烧时产生的高温可达750℃，在高温下超临界二氧化碳瞬间膨胀相变，形成的压力可达初始超临界二氧化碳压力的10倍(初始压力为15Mpa，则经测试二氧化碳冲击泄压片出口时压力可达150MPa)。二氧化碳膨胀相变后的气流，经过气流振荡器和旋转射流器，形成脉冲高压振荡射流和定向旋转射流。在有限空间形成激烈气体脉冲振荡，同时沿固定方向形成高压旋转气流，可作为高压脉冲振荡定向射流，可作为一种新的绿色动力源。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种二氧化碳基强活性聚能剂的应用方法，其特征在于，将二氧化碳基强活性聚能剂和二氧化碳按照1:1~2的质量配比经混合物生成器和增压泵注入到燃烧爆炸室，采用电火花点火，引发二氧化碳与二氧化碳基强活性聚能剂发生反应，产生瞬时二氧化碳爆炸冲击波和二氧化碳相变冲击波，形成高温高压动力源；所述二氧化碳基强活性聚能剂是由强活性金属粉末、高能氧化剂、拟爆剂和惰性气体按质量比为12:0~3:0~1: 1~2的比例混合而成；所述金属粉末为金属镁粉末和金属铝粉末中的一种或几种；所述高能氧化剂为过氧化钠、氧气或高锰酸钾粉末；所述拟爆剂为阻燃材料。

2.根据权利要求1所述二氧化碳基强活性聚能剂的应用方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径为纳米级、微米级和毫米级中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述二氧化碳基强活性聚能剂的应用方法，其特征在于，所述阻燃材料为氯化镁或氯化钙。

4.根据权利要求1所述二氧化碳基强活性聚能剂的应用方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、或氮气。