Композиция rdx и способ ее получения

Композиция rdx и способ ее получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится в целом к взрывчатым веществам и способам получения таких взрывчатых веществ.

Взрывчатое вещество гексагидро-1,3,5,-тринитро-s-триазин часто обозначают как RDX. Для промышленного получения RDX использовали два способа. Первый представляет собой прямое нитрование, которое дает RDX типа А. В этом способе гексаметилентетрамин взаимодействует с азотной кислотой при 30^оС или ниже. Метод прямого нитрования не используется широко в настоящее время по экономическим причинам. Второй способ, известный как процесс Бахманна, в настоящее время является наиболее распространенным способом, используемым для получения RDX. Он дает RDX типа В. В этом способе гексаметилентетрамин взаимодействует с азотной кислотой в присутствии нитрата аммония и уксусного ангидрида.

Основная разница между двумя типами RDX заключается в том, что тип А является практически чистым, тогда как тип В загрязнен НМХ. Однако для практических целей оба способа дают RDX практически одинаковой эффективности. В обоих способах сырой RDX дополнительно очищают, и морфологию кристаллов модифицируют перекристаллизацией.

RDX обычно получают в широком интервале размеров частиц (градаций) от 25 микрон до 600 микрон в диаметре путем перекристаллизации. Перекристаллизованный RDX может быть также размолот, например, в мельнице энергии потока для получения более мелких части в интервале от 2 до 25 микрон в диаметре. Однако весь производимый в настоящее время промышленно RDX состоит из орторомбических кристаллов с плотностью в интервале 1,80-1,82 г/см³. Эта форма RDX была обозначена как α-полиморф или RDX(I). Точная плотность кристаллов определенной партии RDX является функцией чистоты (т.е. содержания НМХ) и отсутствия или присутствия дефектов кристаллов и включений.

В литературе сообщалось о β-полиморфе RDX. Стабильность β- RDX неизвестна, и не сообщалось об измерениях физических свойств или чувствительности, кроме указаний, что морфология кристаллов является дендритной.

RDX является взрывчатым веществом, и поэтому используется в разных применениях, в которых используют регулируемые взрывчатые вещества. В этих применениях необходимо инициировать детонацию RDX и, конечно, важно делать это безопасным путем.

Детонатор хлопка представляет собой устройство, которое обеспечивает относительно высокую степень безопасности инициирования. Детонаторы хлопка работают путем быстрого разряда напряжения через цепь низкой индуктивности. Цепь включает высоковольтный искровой разрядник (обычно 500-3500 вольт), высоковольтный конденсатор низкой индуктивности (обычно 500-3500 вольт и 0,1-0,2 мкФ) и мостик взрывающегося фольгового инициатора (ВФИ). Полная индуктивность цепи обычно составляет 20-50 нH и иногда менее (1-20 нH). Разряд такой цепи заставляет ток в несколько тысяч ампер протекать через мостик ВФИ, что, в свою очередь, вызывает взрыв мостика ВФИ. Взрывающийся мостик затем придает ускорение полимерному флаеру (обычно тонкой полиамидной пленке) через короткий зазор, где он хлопает по таблетке вторичного взрывчатого вещества, заставляя вторичное взрывчатое вещество детонировать.

Многие взрывчатые вещества, такие как HNS, PETN, CL-20, TNT, RDX, HMX и различные композиции, изготовленные из этих взрывчатых веществ, детонировали в лабораторных установках. Однако такие лабораторные системы инициирования обычно работают при высоких напряжениях с большими конденсаторами и энергиями разряда от 250 мДж до 1225 мДж. Такие системы в общем случае непригодны для использования вне лаборатории. Опыт показывает, что для использования вне лаборатории желательно значительно понизить напряжение зажигания и размер конденсатора (энергию зажигания) цепи. Хотя это может быть до некоторой степени осуществлено путем разработки более эффективной электрической цепи зажигания, предельный минимум энергии зажигания определяется чувствительностью взрывчатого вещества.

Современным состоянием техники является низкоэнергетический фольговый инициатор (НЭФИ). Эти устройства обычно работают при энергии зажигания ниже 100 мДж. Для этой цели были разработаны взрывчатые вещества, которые имеют мелкий размер частиц и большую удельную поверхность, такие как HNS-IV, PETN и CL-20, которые могут быть инициированы при менее чем 100 мДж. Однако каждое из этих взрывчатых веществ имеет значительные недостатки. HNS-IV трудно производить и очищать, и поэтому он дорог. PETN имеет превосходную чувствительность и приемлемую цену, но имеет предельную для внелабораторных применений термическую стабильность. CL-20 дорог и не может быть перекристаллизован до частиц очень малого размера. Поэтому он лишь едва-едва достаточно чувствителен для применения НЭФИ.

Существует потребность в новых взрывчатых материалах, которые могут быть инициированы устройствами НЭФИ и которые преодолевают по меньшей мере некоторые из описанных выше затруднений.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним аспектом настоящего изобретения является способ изготовления взрывчатого вещества. Способ включает растворение RDX в объеме первого растворителя для образования первого раствора и добавление второго растворителя к первому раствору. Второй растворитель является смешиваемым с первым растворителем, но RDX является растворимым во втором растворителе до степени не больше чем 1 г RDX/100 г второго растворителя. Кристаллы RDX выпадают в осадок и могут быть извлечены.

Другим аспектом изобретения является взрывчатое вещество, приготовленное вышеописанным способом. Взрывчатое вещество включает главным образом RDX, но может содержать также более малые количества других веществ, таких как НМХ.

Другим аспектом изобретения являются кристаллы RDX, имеющие плотность кристаллов менее чем 1,80 г/см³.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1 представляет собой увеличенное изображение частиц RDX типа В.

Фиг.2 представляет собой увеличенное изображение частиц RDX по настоящему изобретению.

Фиг.3 представляет собой схему перфорационной системы по настоящему изобретению.

ОПИСАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЬНЫХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЙ

Настоящее изобретение относится к новой форме RDX, которая может быть использована для перфорации обсадных труб наряду с другими применениями.

Приготовление новой формы RDX начинается с дисперсной композиции RDX. Эта исходная композиция содержит главным образом RDX (например, по меньшей мере около 90 мас.% RDX в расчете на сухое твердое вещество, и в некоторых осуществлениях по меньшей мере около 99 мас.% RDX), но она может также содержать более малые количества других взрывчатых или невзрывчатых веществ, таких как НМХ. RDX типа В является одним из подходящих исходных материалов.

RDX растворяют в первом растворителе для образования первого раствора. RDX должен быть растворим в этом первом растворителе до степени больше чем примерно 1 г RDX/100 г растворителя. В различных осуществлениях изобретения растворимость RDX в первом растворителе больше чем 5 г/100 г, 10 г/100 г или 25 г/100 г. Все значения растворимости в этом патенте приведены при комнатной температуре, если не указано иное. Концентрация RDX в растворе должна в общем случае быть примерно 1-50 мас.%, хотя в некоторых ситуациях могут быть использованы более высокие или более низкие концентрации.

Первым растворителем обычно должен быть органический растворитель, например, растворитель, имеющий примерно 2-10 атомов углерода. Кетоны представляют одну группу подходящих растворителей. Конкретные примеры подходящих растворителей включают ацетон, диметилсульфоксид и диметилформамид.

Затем к раствору добавляют второй растворитель для того, чтобы вызвать "обвальное" осаждение частиц RDX. Второй растворитель является смешиваемым с первым растворителем, но RDX намного меньше растворим во втором растворителе, чем в первом растворителе. В различных осуществлениях изобретения RDX растворим во втором растворителе до степени не более чем 1 г RDX/100 г второго растворителя, или, в некоторых случаях, не больше чем 0,1 г/100 г. Примеры подходящего второго растворителя включают воду и различные разбавленные водные растворы.

Второй растворитель может быть добавлен в избытке по сравнению с объемом первого растворителя. Например, второй растворитель может быть добавлен в объеме, который в примерно 2-10 раз больше, чем объем первого растворителя. Можно использовать еще больше второго растворителя, хотя во многих случаях это может быть экономически нежелательно. Напротив, если использованное количество второго растворителя слишком мало, получаемые кристаллы не будут иметь желаемые свойства и не будут работать как EFI взрывчатое вещество. Раствор можно перемешивать во время и/или после добавления второго растворителя.

Добавление второго растворителя должно вызывать осаждение частиц RDX. Частицы могут быть извлечены, например, фильтрацией и затем промыты и высушены. Конечный состав RDX может быть практически чистым RDX или может содержать меньшие количества других веществ, таких как НМХ. В отличие от RDX, который был доступен в продаже в прошлом, RDX имеет плотность кристаллов меньше чем 1,80 г/см³. В некоторых случаях RDX имеет плотность кристаллов примерно 1,65-1,73 г/см³. В некоторых осуществлениях изобретения RDX имеет удельную поверхность больше чем 1,15 м²/г.

Детонация RDX, полученного по описанному выше способу, может, как правило, быть инициирована меньшей энергией, чем та, которая требуется для инициирования ранее известных композиций RDX. В некоторых осуществлениях изобретения детонация RDX могла инициироваться менее чем примерно 100 мДж или в некоторых случаях менее чем примерно 75 мДж.

Фиг.1 показывает образец RDX типа В при увеличении 100×, тогда как фиг.2 показывает образец RDX по настоящему изобретению при увеличении 790×.

Состав RDX по настоящему изобретению может быть использован в различных применениях. Например, он может быть использован при перфорации обсадных труб подземных скважин, горных работах, строительных подрывных работах и при многих других применениях, хорошо известных во взрывотехнике.

Фиг.3 показывает схематично применение состава RDX для перфорации обсадной трубы скважины. Ствол скважины 10 был пробурен с поверхности земли в подземный пласт 12. Ствол скважины был ограничен обсадной трубой 14, которая обычно принимает форму цилиндрической трубы. На некоторой глубине или на некоторых глубинах ствола скважины подземный пласт 12 содержит нефть и/или газ. Для того чтобы нефть и/или газ проходили из пласта в ствол скважины и вверх на поверхность, необходимо перфорировать обсадную трубу. Это может быть сделано скважинным перфоратором 16, который может быть опущен в скважину до желаемой глубины на талевом канате 18 или с помощью других средств, хорошо известных в нефтяной промышленности.

Скважинный перфоратор 16 включает множество формованных зарядов 20, каждый из которых содержит взрывчатое вещество. Этим взрывчатым веществом может быть RDX, полученный, как описано выше, один или в сочетании с другими материалами, которые пригодны для использования во взрывчатом составе. Детонация взрывчатого вещества в формованном заряде 20 может быть инициирована низкоэнергетическим фольговым инициатором 22. Когда электрический сигнал посылают по линии управления с управляющего устройства на поверхности (не показано на фиг.3), инициатор 22 вызывает детонацию формованного заряда 20. Сила взрыва формованного заряда 20 направлена главным образом горизонтально влево на фиг.3 таким образом, что в обсадной трубе образуется отверстие, позволяющее нефти и газу в пласте протекать в ствол скважины.

Должно быть понятно, что приспособление, показанное на фиг.3, является только одним примером того, как RDX по настоящему изобретению может быть использован для перфорации обсадной трубы скважины.

Конкретные осуществления настоящего изобретения могут быть дополнительно поняты из следующего примера.

Пример 1

Кристаллы RDX получали обвальным осаждением. RDX типа В растворяли в ацетоне, чтобы получить 10 мас.% раствор. К этому раствору при интенсивном перемешивании добавляли большой избыток деионизированной воды, чтобы осадить частицы RDX мелкого размера. Осажденные кристаллы RDX отфильтровывали из жидкости и промывали. Полученный RDX сушили в течение ночи в сушильном шкафу при 50-55°С. Измеренная методом БЭТ удельная поверхность осажденного RDX превышала 1,2 м²/г. При рассмотрении под оптическим микроскопом кристаллы RDX казались поликристалличными и орторомбическими. Однако, когда плотность кристаллов полученного обвальным осаждением RDX была определена гелиевым пикнометром, было найдено, что плотность кристаллов составляет 1,69 г/см³, что значительно отличалось от исходного вещества (1,80-1,82 г/см³)

Кристаллы RDX успешно детонировали в низкоэнергетическом взрывающемся фольговом инициаторе (НЭФИ) при 72 мДж (1300 вольт, 0,085 мкФ).

Предшествующее описание не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим перечнем всех возможных осуществлений настоящего изобретения. Специалисты в данной области должны видеть, что в описанных выше осуществлениях могут быть сделаны изменения, которые будут оставаться в рамках нижеследующей формулы изобретения.

1. Способ получения взрывчатой композиции, включающий растворение гексагидро-1,3,5-тринитро-s-триазина (RDX) в объеме первого растворителя с образованием первого раствора, где RDX растворим в первом растворителе до степени более 1 г RDX/100 г первого растворителя, добавление второго растворителя к первому раствору при интенсивном смешивании, чтобы вызвать быстрое осаждение, где второй растворитель является смешиваемым с первым растворителем и где RDX является растворимым во втором растворителе до степени не более 1 г RDX/100 г второго растворителя, и извлечение осажденных кристаллов RDX.

2. Способ по п.1, в котором RDX растворим в первом растворителе до степени более 5 г RDX/100 г первого растворителя.

3. Способ по п.1, в котором первым растворителем является органический растворитель, имеющий около 2-10 атомов углерода.

4. Способ по п.1, в котором первым растворителем является ацетон, диметилсульфоксид или диметилформамид.

5. Способ по п.1, в котором вторым растворителем является вода.

6. Способ по п.1, в котором второй растворитель добавляют в объеме, который составляет примерно 2-10 объемов первого растворителя.

7. Способ по п.1, в котором извлеченные кристаллы RDX имеют плотность кристаллов менее 1,80 г/см³.

8. Способ по п.7, в котором извлеченные кристаллы RDX имеют удельную поверхность больше, чем примерно 1,15 м²/г.

9. Взрывчатая композиция, полученная способом, включающим растворение RDX в объеме первого растворителя с образованием первого раствора, где RDX растворим в первом растворителе до степени более 1 г RDX/100 г первого растворителя, добавление второго растворителя к первому раствору при интенсивном смешивании, чтобы вызвать быстрое осаждение, где второй растворитель является смешиваемым с первым растворителем и где RDX является растворимым во втором растворителе до степени не больше, чем 1 г RDX/100 г второго растворителя, и извлечение осажденных кристаллов RDX.

10. Взрывчатая композиция по п.9, в которой RDX растворим в первом растворителе до степени более 5 г RDX/100 г первого растворителя.

11. Взрывчатая композиция по п.9, в которой первым растворителем является органический растворитель, имеющий около 2-10 атомов углерода.

12. Взрывчатая композиция по п.9, в которой первым растворителем является ацетон, диметилсульфоксид или диметилформамид.

13. Взрывчатая композиция по п.9, в которой вторым растворителем является вода.

14. Взрывчатая композиция по п.9, в которой второй растворитель добавляют в объеме, который составляет примерно 2-10 объемов первого растворителя.

15. Взрывчатая композиция по п.9, в которой извлеченные кристаллы RDX имеют плотность кристаллов менее 1,80 г/см³.

16. Взрывчатая композиция по п.15, в которой извлеченные кристаллы RDX имеют удельную поверхность больше, чем примерно 1,15 м²/г.

17. Взрывчатая композиция по п.9, в которой извлеченные кристаллы RDX имеют плотность в интервале 1,65-1,73 г/см³.

18. Взрывчатая композиция по п.17, в которой извлеченные кристаллы RDX имеют удельную поверхность больше, чем примерно 1,15 м²/г.

19. Взрывчатая композиция по п.17, в которой детонация кристаллов RDX может быть инициирована менее чем примерно 100 мДж.