CN114920613B - 一种超高燃速反应性材料传火药柱及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超深油气井开采技术领域，特别涉及一种超高燃速反应性传火药柱及其制备方法和应用。其中，一种超高燃速反应性传火药柱，由铝粉、聚四氟乙烯及添加剂混合均匀后压铸烧结制得；超高燃速反应性传火药柱室温常压燃速为600～10000mm/s。本发明采用特殊设计的铝/氟活性料制备超高燃速反应性传火药柱，提高了压裂弹产品传火部件的传火可靠性和耐温耐压性能，在更高压力和更高温度的地下油气藏压裂开采中高效、可靠发挥传火作用的技术效果，扩展了压裂弹产品的应用场景。

Description

一种超高燃速反应性材料传火药柱及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及超深油气井开采技术领域，特别涉及一种超高燃速反应性传火药柱及其制备方法和应用。

背景技术

本世纪兴起的铝/氟聚合物材料是一类在特定外界刺激下反应速度快、能量释放量高、使用安全性优良的反应性材料。这类材料在常温常压下组分呈现惰性，彼此不发生反应；在施加一定程度强冲击或其它物理机械作用可引发材料快速燃烧或者爆炸，同时释放出大量的化学能，对目标具有化学能和机械能双重毁伤效果。主要应用于军事爆破和防护领域。目前已被广泛地应用于增强战斗部破片能量和装甲防护中降低攻击武器穿透力，实现对目标内部结构和人员造成灾难性伤害和破坏、且后效作用和毁伤效果强烈。

民用石油、燃气等油气田开采中，采用先进压裂弹高能气体压裂技术冲击波加载于地层，使近井区域形成多条不受地应力控制的放射状裂缝群，达到体积改造效果。地层破裂后裂缝延伸过程中气体加速消耗，为增加裂缝延伸距离，需要在压裂弹内置药柱同步加速燃烧，需要使用中心传火管，管内装填高燃速的点火药柱或药粒。现有的传火药剂耐温耐压较低，容易燃爆和爆轰，不适宜在深井作业，且其燃速慢且传火速率不可控、安全性低。

发明内容

为解决上述现有技术中耐温耐压低、燃速慢且传火速率不可控、安全性低的问题，本发明提供一种超高燃速反应性传火药柱，由铝粉、聚四氟乙烯及添加剂混合均匀后压铸烧结制得；

所述超高燃速反应性传火药柱室温常压燃速为600～10000mm/s。

在一些实施例中，所述铝粉与所述聚四氟乙烯的质量比为1:3～9。

在一些实施例中，所述添加剂与所述聚四氟乙烯的质量比为1:10～20。

在一些实施例中，所述添加剂为碳纤维及非铝金属粉体中的至少一种或组合。

在一些实施例中，所述非铝金属粉体为铜粉、钛粉、镁粉中的至少一种或组合。

在一些实施例中，所述碳纤维长度为1～3mm；所述非铝金属粉体粒径D₉₈为15～80μm。

在一些实施例中，所述铝粉粒径D₉₈为15～80μm。

在一些实施例中，所述聚四氟乙烯分子量为5*10⁵g/mol～2*10⁶g/mol。

一种制备如上任意所述的超高燃速反应性传火药柱的制备方法，步骤如下：

S1、按比例称取铝粉、聚四氟乙烯和添加剂，在室温条件下进行均匀混合，然后加入模具中，压铸成粗坯。

S2、将粗坯室温下放入烧结装置中，向烧结装置中通入惰性气体，进行程序升温，当温度达到200～400℃后，保温2～4小时，随后程序降温，降至室温出料。得到相应形状大小的传火药柱。

在一些实施例中，铝粉先与聚四氟乙烯混合均匀后，再将初步混合粉体与添加剂混匀。

在一些实施例中，升温速率为45～55℃/h，降温速率为35～45℃/h。

本发明还提供一种在超深油气井开采技术领域的应用，采用如上任意所述的高燃速反应性传火药柱或如上任意所述的制备方法所制备的高燃速反应性传火药柱。

基于上述，与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1、本发明采用特殊设计的铝/氟活性材料制备超高燃速反应性传火药柱，提高了压裂弹产品传火部件的传火可靠性和耐温耐压性能，在更高压力和更高温度的地下油气藏压裂开采中高效、可靠发挥传火作用的技术效果，扩展了压裂弹产品的应用场景。

2、本发明通过控制组分配比，并匹配易于工业实施的压铸和烧结成型的制备方法，得到设定结构的传火药柱。能够实现依据不同油气井压裂开采中压力和温度环境来设计和控制传火药柱的传火速率、确保压裂弹获得中心贯穿式点火和增面燃烧特性，达到对油气井体积改造的技术效果，突破了传统传火药剂的使用条件。

3、本发明的制备方法效率高，使得油气生产过程和下井作业的安全可靠，同时本发明具备易于实施、低成本的技术效果，有效增强了新型油气井压裂弹的综合竞争力。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书中所指出的结构和/或组分来实现和获得。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

实施例1：

在1L高速搅拌机中，分别加入20g铝粉，铝粉粒径D₉₈为26μm，加入180g聚四氟乙烯，分子量为10*10⁵g/mol。搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟。以上步骤重复3次，然后加入铜粉9g，铜粉粒径D98为30μm，搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟，以上步骤重复3次。将混合好的物料，加入到模具中，压紧后制备成方坯，将粗方坯放入烧结装置中，向烧结装置中通入惰性气体N₂，按55℃/h进行程序升温，当温度达到200℃条件后，保温2小时，随后按45℃/h进行程序降温，降至室温出料，得到所需超高燃速反应性传火药柱。

实施例2：

在1L高速搅拌机中，分别加入40g铝粉，铝粉粒径D98为45μm，加入160g聚四氟乙烯，搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟，以上步骤重复3次，然后加入碳纤维粉10g，碳纤维长度小于2mm，搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟，以上步骤重复3次。将混合好的物料，加入到模具中，压紧后制备成方坯，将粗方坯放入烧结装置中，向烧结装置中通入惰性氩气，按55℃/h进行程序升温，当温度达到350℃条件后，保温3小时，随后按45℃/h进行程序降温，降至室温出料，得到所需超高燃速反应性传火药柱。

实施例3：

在1L高速搅拌机中，分别加入50g铝粉，铝粉粒径D₉₈为75μm，加入150g聚四氟乙烯，搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟，以上步骤重复3次，然后加入钛粉15g，钛粉粒径D₉₈为80μm，搅拌5分钟，然后停止，静置5分钟，以上步骤重复3次。将混合好的物料，加入到模具中，压紧后制备成方坯，将粗方坯放入烧结装置中，向烧结装置中通入惰性气体氩气，按55℃/h进行程序升温，当温度达到400℃条件后，保温4小时，随后按45℃/h进行程序降温，降至室温出料，得到所需超高燃速反应性传火药柱。

对比例1

市售常规B/KNO3传火药柱。

需要说明的是，上述实施例中的具体参数或一些常用试剂，为本发明构思下的具体实施例或优选实施例，而非对其限制；本领域技术人员在本发明构思及保护范围内，可以进行适应性调整。

此外，若无特殊说明，所采用的原料也可以为本领域常规市售产品、或者由本领域常规方法制备得到。

对实施例1～3及对比例1进行测试，测试项目及标准见表1，测试结果见表2。

表1测试项目及标准

测试项目	测试标准(测试方法)
		燃烧速率	GJB 770B～2005 706.1

表2测试结果

	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1
					燃烧速率(mm/s)	9800	5600	630	50

由表2可以看出，通过调整改变铝粉、聚四氟乙烯及添加剂的配比及粒径，超高燃速反应性传火药柱的燃速可进行宽范围调节，并且制得的超高燃速反应性传火药柱燃速远大于市售常规传火药柱。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的超高燃速反应性传火药柱的燃速高出市售常规传火药柱1～2个数量级，能够提高压裂弹产品传火部件的传火可靠性和耐温耐压性能，在更高压力和更高温度的地下油气藏压裂开采中高效、可靠发挥传火作用的技术效果，确保压裂弹获得中心贯穿式点火和增面燃烧特性，扩展了压裂弹产品的应用场景。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如铝粉、聚四氟乙烯及添加剂等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的；本发明实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种超高燃速反应性传火药柱，其特征在于：由铝粉、聚四氟乙烯及添加剂混合均匀后压铸烧结制得；

所述超高燃速反应性传火药柱室温常压燃速为600～10000mm/s；

所述铝粉与所述聚四氟乙烯的质量比为1:3～9；

所述添加剂与所述聚四氟乙烯的质量比为1:10～20；

所述添加剂为碳纤维及非铝金属粉体中的至少一种或组合；

所述非铝金属粉体为钛粉、镁粉、铜粉中的至少一种或组合；

所述碳纤维长度为1～3mm，直径为5~10μm;所述非铝金属粉体粒径D98为15～80μm；

所述铝粉粒径D98为15～80μm。

2.根据权利要求1所述的超高燃速反应性传火药柱，其特征在于：所述聚四氟乙烯分子量为5*10⁵g/mol～2*10⁶ g/mol。

3.一种制备如权利要求1～2任一项所述的超高燃速反应性传火药柱的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1、按比例称取铝粉、聚四氟乙烯和添加剂，在室温条件下进行均匀混合，然后加入模具中，压铸成粗坯；

S2、将粗坯室温下放入烧结装置中，向烧结装置中通入惰性气体，进行程序升温，当温度达到200~400℃后，保温2~4小时，随后程序降温，降至室温出料，得到相应形状大小的传火药柱。