Несенсибилизированная матричная суспензия для получения взрывчатого вещества на водной основе, взрывчатая суспензия на водной основе и способ ее получения (варианты) - RU2715869C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к категории взрывчатых веществ гражданского назначения для применения в горных и строительных работах. Более конкретно, оно относится к взрывчатой смеси на водной основе, используемой специально для заряжания восходящих скважин. Эта взрывчатая смесь представляет собой суспензию/гель и содержит один или несколько водорастворимых полимеров, придающих смеси специальные реологические свойства, которые обеспечивают возможность заряжания данной смесью указанных восходящих скважин.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Применение взрывчатых веществ в строительных и горных работах настолько широко распространено, что выполнение указанных работ без использования взрывчатых веществ на сегодняшний день трудно представить. При использовании взрывчатых веществ для разрушения горных пород посредством взрывных работ способ заключается в выполнении скважин с определенным шагом, заполнении скважин патронированными или непатронированными взрывчатыми веществами и последующим подрывом взрывчатых веществ.

На рынке наблюдается тенденция к переходу от использования чувствительных к детонатору патронированных продуктов к гораздо менее чувствительным непатронированным продуктам, для инициации которых применяется патрон-пальник. Непатронированные взрывчатые вещества применяются наиболее широко. Непатронированные взрывчатые вещества могут представлять собой АСДТ (смесь нитрата аммония с жидким углеводородом) или взрывчатые вещества на водной основе. Взрывчатые вещества на водной основе относятся к двум типам, а именно суспензиям/гидрогелям и эмульсиям.

Взрывчатые составы в эмульсии типа масло в воде представляют собой гомогенные смеси двух несмешивающихся жидкостей, в состав которых входят следующие компоненты: а) дисперсная водная фаза в форме мелких капель, состоящая из перенасыщенного или концентрированного раствора окисляющих солей, b) органическая фаза, не смешивающаяся с водной фазой, в которой распределены капли водной фазы, с) эмульгатор или смесь эмульгаторов, поддерживающих капли водной фазы диспергированными в масляной фазе на протяжении определенного периода времени.

Взрывчатые суспензии/гидрогели состоят по существу из вязкого и насыщенного водного раствора окисляющих и восстанавливающих солей и полимера, в котором диспергированы окисляющие твердые частицы и в некоторых случаях горючее вещество. Взрывчатая или матричная (т.е. несенсибилизированная) суспензия представляет собой текучую смесь, как описано выше, которая является перекачиваемой и водорастворимой. Взрывчатый гидрогель - это твердое вещество с мягкой консистенцией, полученное из суспензии, как описано выше, посредством добавления сшивающего агента, вызывающего ретикуляцию полимера.

Одним из наиболее распространенных способов заполнения скважин непатронированными взрывчатыми веществами на водной основе является закачка взрывчатых веществ посредством насоса, нагнетающего продукт по полой и гибкой линии на дно скважины. Для упрощения операции закачки взрывчатого вещества из хранилища на дно скважины по линии, которая, как правило, представляет собой рукав, вязкость взрывчатого вещества должна быть достаточно низкой, чтобы исключить избыточный перепад давления в рукаве. При избыточном давлении нагнетания производительность насоса может оказаться недостаточной или возможно возникновение насосной рециркуляции. Избыточное давление нагнетания снижает запасы прочности при выполнении операции заряжания скважины взрывчатым веществом. Кроме того, взрывчатое вещество должно иметь относительно высокую вязкость, чтобы, при заряжании скважин, в частности, наклонных скважин, взрывчатое вещество не вытекало через возможные трещины в грунте. Однако, в случае заряжания восходящих скважин с верхнего конца скважины (сверху вниз), вязкость взрывчатого вещества должна быть выше для самоподдержки взрывчатого вещества, чтобы исключить свободное течение взрывчатого вещества под действием силы тяжести и его вытекание из скважины.

Часто применяемым способом снижения давления при нагнетании продукта в скважину является впрыск смазочной жидкости между продуктом и внутренней поверхностью загрузочного рукава или линии. В качестве этой смазочной жидкости, как правило, применяется вода или водный раствор.

Восходящие скважины применяются в подземных горных работах, и под ними понимаются скважины с углом наклона к горизонтали в диапазоне от 0° до 90°. Заряжание таких скважин сопряжено со значительными сложностями, и настоящее изобретение относится к заряжанию сверху вниз указанных скважин с верхнего конца скважины. Сложность заключается в том факте, что взрывчатое вещество должно обладать очень высокой вязкостью или густой консистенцией для самоподдержки в скважине. Однако, продукт с высокой вязкостью обусловливает слишком высокий перепад давления в загрузочном рукаве, нарушающий подходящие условия работы загрузочного насоса. Кроме того, продукт с высокой вязкостью значительно осложняет его логистику. В целом следует иметь в виду, что матричная или взрывчатая суспензия производится на промышленном предприятии с последующей перевозкой на участок применения в металлических или пластиковых емкостях различного объема (цистернах, контейнерах большой грузоподъемности, и.т.д.). В процессе перевозки может несколько раз потребоваться перекачка продукта для его переноса. Как правило, эта проблема устраняется посредством использования процессов, обеспечивающих низкую вязкость матричной или взрывчатой суспензии до выхода из загрузочного насоса с последующим изменением вязкости продукта до очень высокого значения на момент закачки в скважину.

В случае матричных или взрывчатых эмульсий часто применяемое решение заключается в установке одного или нескольких устройств, создающих сдвиг, после загрузочного насоса на конце загрузочного рукава (US 4615752) или до него (WO 96/13698). Воздействие сдвига на эмульсию приводит к разделению ее капель на более мелкие капли, значительно увеличивая площадь поверхности капель и снижая толщину непрерывной фазы, существующей между каплями. Это снижение толщины непрерывной фазы между каплями и тот факт, что содержание дискретной фазы во взрывчатой эмульсии в процентном отношении превышает 90%, приводят к значительному повышению вязкости эмульсии при ее прохождении через сдвигающие устройства. Таким образом, эмульсия, оседающая на стенках или поступающая на дно скважины, обладает густой консистенцией.

В случае матричных или взрывчатых веществ суспензионного типа в патенте US 3303738 описан процесс производства суспензии/гидрогеля на месте, при котором компоненты доставляются на участок загрузки по отдельности, после чего компоненты, включая загуститель, смешивают перед заряжанием. В связи с тем, что с момента добавления загустителя до достижения необходимой вязкости проходит определенное время, при закачке продукт имеет очень низкую вязкость, которая повышается в скважине до значения, предотвращающего осаждение твердых частиц суспензии. Однако данный способ не применим для заряжания восходящих скважин с верхнего конца скважины, поскольку увеличение вязкости происходит слишком медленно и вязкость продукта на выходе из рукава остается слишком низкой, исключая его фиксацию в скважине.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к матричной (т.е. несенсибилизированной) или взрывчатой суспензии на водной основе, обладающей такими реологическими свойствами, которые устраняют затруднения, возникающие при заряжании восходящих скважин с верхнего конца. Эта суспензия ведет себя как жидкость низкой вязкости при нагнетании под действием загрузочного насоса, однако обладает характеристиками твердого вещества с мягкой консистенцией в состоянии покоя внутри скважины. Вязкоупругие свойства этой суспензии кардинально изменяются в зависимости от скорости сдвига. Эта суспензия включает в себя или, по существу, состоит из водного раствора одной или нескольких окисляющих солей, например, одного или нескольких окисляющих нитратов и в некоторых случаях одного или нескольких водорастворимых горючих и/или сенсибилизирующих веществ и одного или нескольких водорастворимых полимеров, которые способны обеспечивать снижение вязкости при сдвиге, таких как один или несколько полимеров галактоманнанового типа или гуаровых камедей, улучшающих требуемые реологические характеристики. Частицы одной или нескольких окисляющих солей, например, неорганических окисляющих нитратов с таким размером зерна и процентным содержанием, которые обеспечивают специальные реологические свойства данной суспензии, диспергируются в этом растворе. После нагнетания в скважину суспензия может преобразовываться во взрывчатое вещество посредством выделения газовых пузырей в процессе химической газификации.

Настоящее изобретение также относится к взрывчатой суспензии, образующейся при введении воздушных пузырей, пористых или полых частиц в несенсибилизированную матричную суспензию, рассмотренную в предыдущем пункте перед нагнетанием в скважину. Настоящее изобретение также относится к взрывчатой суспензии, образующейся при введении газовых пузырей в несенсибилизированную матричную суспензию, рассмотренную в предыдущем пункте при нагнетании суспензии в скважину.

После заряжания скважины матричной или взрывчатой суспензией также возможна стимуляция ретикуляции полимеров, имеющихся в суспензии, с целью повышения водостойкости взрывчатого вещества.

Предложена несенсибилизированная матричная или взрывчатая суспензия, образованная твердой фазой и жидкой водной фазой, отличающаяся тем, что в ее составе:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы суспензии,

b) твердая фаза содержит частицы окислительной соли со средним размером зерна от 100 мкм до 500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий, по меньшей мере, одну окисляющую соль и, по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может сообщать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, и

тем, что он имеет определенные реологические свойства:

a) значение вязкости, равное или большее 10000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равное или меньшее 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) предел текучести, равный или больший 1 Па.

Согласно частному варианту осуществления:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы,

b) твердая фаза содержит частицы неорганической окисляющей соли, выбранной из группы, включающей в себя нитраты, хлораты или перхлораты аммония, щелочные металлы или щелочноземельные металлы и их смеси, со средним размером зерна 100-500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий: (i) по меньшей мере, одну неорганическую окисляющую соль, выбранную из группы, включающей в себя нитраты, хлораты или перхлораты аммония, щелочные металлы, или щелочноземельные металлы и их смеси; (ii) по меньшей мере, одно водорастворимое сенсибилизирующее вещество или горючее вещество, выбранное из группы, включающей в себя нитрат алкиламина, нитрат алканоламина, нитрат водорастворимого амина, выбранный из гексамина, диэтилентриамина и этилендиамина, и их смеси; (iii) по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, выбранный из натуральных или синтетических продуктов и их смесей;

и имеет определенные реологические свойства:

a) значение вязкости, равное или большее 10000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равное или меньшее 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) предел текучести, равный или больший 1 Па.

Согласно частному варианту осуществления:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы,

b) твердая фаза содержит частицы нитрата аммония со средним размером зерна от 100 мкм до 500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий: (i) по меньшей мере, один неорганический нитрат (ii) по меньшей мере, один нитрат амина, выбранный из нитрата алкиламина, нитрата алканоламин, нитрата гексамина, диэтилентриамина или триэтиленамина и их смесей, (iii) по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, выбранный из группы, включающей в себя галактоманнановую камедь, ксантановую камедь и их смеси;

и имеет определенные реологические свойства:

a) значение вязкости, равное или большее 10000 Па*с, предпочтительно равным или больше 20000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равное или меньшее 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) предел текучести, равный или больший 1 Па.

Согласно частному варианту осуществления реологические свойства суспензии также отличаются тем, что при испытаниях по колебательному воздействию сдвига в линейном вязкоупругом диапазоне, значения модуля G'^, упругости выше значений модуля вязкости G'' во всем интервале угловых частот, составляющем 0,01-100 рад/с.

Также предложен способ получения несенсибилизированной матричной суспензии, образованной твердой фазой и жидкой водной фазой, по любому из пп. 1-4, который включает в себя смешивание жидкой фазы, содержащей, по меньшей мере, одну окисляющую соль, с твердой фазой, содержащей частицы, по меньшей мере, одной окисляющей соли, и растворение, по меньшей мере, одного водорастворимого полимера, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге.

Согласно частному варианту осуществления указанная жидкая фаза дополнительно содержит, по меньшей мере, одно водорастворимое горючее и/или сенсибилизирующее вещество, а указанная твердая фаза в некоторых случаях может содержать частицы, по меньшей мере, одного горючего вещества.

Также предложен способ получения взрывчатой суспензии, образованной твердой и жидкой водной фазой, по любому из пп. 1-4, который включает в себя введение в несенсибилизированную матричную суспензию, полученную в соответствии со способом по п. 5 или п. 6, газообразующей добавки и в некоторых случаях сшивающего агента при закачке суспензии в скважину.

Согласно частному варианту осуществления указанная газообразующая добавка представляет собой соль азотистой кислоты.

Также предложен способ получения взрывчатой суспензии, образованной твердой и жидкой водной фазой, по любому из пп. 1-4, который включает в себя введение в несенсибилизированную матрицу, полученную в соответствии со способом по п. 5 или п. 6, воздушных пузырей посредством механического перемешивания с добавлением добавки для стабилизации воздушных пузырей перед закачкой суспензии в скважину; и в некоторых случаях введение в сенсибилизированную суспензию сшивающего агента при закачке в скважину.

Согласно частному варианту указанная добавка для стабилизации воздушных пузырей представляет собой раствор или дисперсию одного или нескольких поверхностно-активных веществ, одного или нескольких белков или смесей продуктов обоих типов.

Также предложен способ получения взрывчатой суспензии, образованной твердой и жидкой водной фазой, по любому из пп. 1-4, который включает в себя введение в несенсибилизированную матричную суспензию, полученную в соответствии со способом по п. 5 или п. 6 перед закачкой суспензии в скважину пористых или полых твердых частиц; и, в некоторых случаях, введение в сенсибилизированную суспензию сшивающего агента при закачке в скважину.

Согласно частному варианту указанные пористые или полые твердые частицы представляют собой полые стеклянные микросферы, полые пластиковые микросферы, керамические микросферы или перлит.

Согласно частному варианту указанный сшивающий агент представляет собой органическое соединение, содержащее сурьму.

Согласно частному варианту указанная взрывчатая суспензия имеет плотность, составляющую 0,5-1,2 г/см3, предпочтительно 0,8-1,1 г/см³.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 и фиг. 3 соответственно показана зависимость вязкости от скорости сдвига для стандартной суспензии, предназначенной для применения в открытых горных выработках, и суспензии в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2 и фиг.4 соответственно показана зависимость модуля G' упругости и модуля G'' вязкости от испытательной частоты колебаний для стандартной суспензии, предназначенной для применения в открытых горных выработках, и суспензии в соответствии с настоящим изобретением.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Термины «матрица» и «несенсибилизированная матрица» известны специалистам в области техники согласно изобретению и относятся к невзрывчатому составу, в частности, к невзрывчатой суспензии в контексте настоящего изобретения, которая должна быть сенсибилизирована (т.е. преобразована во взрывчатое вещество). В целом несенсибилизированная матричная суспензия может быть классифицирована как окислитель 5.1

Основная цель настоящего изобретения заключается в создании несенсибилизированной матричной или взрывчатой суспензии на водной основе, отличающейся тем, что она является неньютоновской жидкостью с выраженными свойствами снижения вязкости при сдвиге. Такие свойства отличаются снижением вязкости по мере повышения скорости сдвига. Таким образом, в состоянии покоя внутри скважины суспензия обладает достаточно высокой вязкостью, обеспечивающей самоподдержку в восходящей скважине без отекания вниз под действием силы тяжести. При этом, при поступлении суспензии через загрузочную линию в скважину под действием насоса, высокая скорость сдвига значительно снижает вязкость суспензии таким образом, что значения перепада давления при закачке остаются приемлемыми.

В связи с этим, согласно одному объекту, изобретение относится к матричной или взрывчатой суспензии, далее именуемой «суспензией в соответствии с изобретением», представляющей собой суспензию на водной основе, содержащую жидкую фазу, в которой суспензирована твердая фаза, отличающаяся тем, что представляет собой неньютоновскую жидкость с выраженными свойствами снижения вязкости при сдвиге, которые отличаются снижением вязкости по мере повышения скорости сдвига, как описано выше в предыдущем пункте. Жидкая фаза представляет собой водный раствор, по меньшей мере, одной окисляющей соли и, по меньшей мере, одного водорастворимого полимера, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге. В некоторых случаях в указанном водном растворе также может содержаться, по меньшей мере, одно водорастворимое горючее и/или сенсибилизирующее вещество. Твердая фаза содержит частицы малого размера, по меньшей мере, одной окисляющей соли, а в некоторых случаях также могут присутствовать частицы, по меньшей мере, одного горючего вещества. Более конкретно, суспензия в соответствии с настоящим изобретением, образованная из твердой фазы и жидкой водной фазы, отличается составом, отличающимся тем, что:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы суспензии,

b) твердая фаза состоит из частиц окислительной соли со средним размером зерна от 100 мкм до 500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий, по меньшей мере, одну окисляющую соль и, по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может сообщать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, и

тем, что он имеет определенные реологические свойства, отличающиеся:

a) значением вязкости, равным или больше 10000 Па-с при скорости сдвига 0,001 с-1 и равным или меньше 10 Па-с для скорости сдвига 100 с-1,

b) пределом текучести, равным или больше 1 Па.

Вязкость суспензии возрастает при повышении содержания твердых частиц и снижении среднего размера суспендированных твердых частиц. С учетом данных зависимостей были выбраны предельные значения процентного содержания твердых частиц и среднего размера суспендированных твердых частиц, обеспечивающие такие значения вязкости суспензий, которые облегчают заряжание скважины посредством перекачки и одновременно улучшают способность суспензии к самоподдержке в восходящих скважинах.

Особенно предпочтительно, чтобы указанная суспензия в соответствии с настоящим изобретением, как несенсибилизированная матричная, так и взрывчатая суспензия, имела вязкость выше 10000 Па-с, или, более предпочтительно, выше 20000 Па-с при скорости сдвига 0,001 с-1 и меньше 10 Па-с, или, более предпочтительно, менее 5 Па-с при скорости сдвига 100 с-1. Если не указано иное, термин «вязкость», используемый в настоящем документе, относится к «динамической вязкости».

В частности, в неограничительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная суспензия в соответствии с настоящим изобретением, как несенсибилизированная матричная, так и взрывчатая суспензия, при испытаниях по колебательному воздействию сдвига имеет в линейном вязкоупругом диапазоне значения модуля G' упругости, которые всегда выше значений модуля G" вязкости для всех угловых частот, составляющих 0,01-100 рад/с, и, предпочтительно, 0,005-500 рад/с, указывающих на преимущественно свойства упругости.

Для повышения способности к самоподдержке суспензии, подробно рассмотренной в описании изобретения, данная суспензия имеет значительный предел текучести. Иными словами, усилие, которое необходимо приложить к суспензии, чтобы она начала течь, должно иметь значение выше указанного предела текучести. В отдельном варианте осуществления указанная суспензия имеет предел текучести больше 1 Па.

В качестве окисляющих солей могут быть использованы нитраты, хлораты и перхлораты аммония, щелочные металлы, а также щелочноземельные металлы и их смеси. Неограничительные наглядные примеры указанных солей включают в себя, помимо прочего, нитраты, хлораты и перхлораты аммония, натрия, калия, лития, магния или кальция. Суммарная концентрация окисляющих солей, как правило, может составлять от 50% до 90% по массе суспензии изобретения, предпочтительно от 60% до 80%. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что указанные окисляющие соли используются в форме водного раствора, который входит в состав жидкой фазы суспензии изобретения, и в форме частиц со средним размером зерна от 100 мкм до 500 мкм, которые входят в состав твердой фазы суспензии изобретения.

В качестве водорастворимых полимеров, которые могут придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, могут использоваться натуральные или синтетические продукты, например, натуральные продукты, полученные из семян или микроорганизмов, производные целлюлозы или синтетические полимеры и их смеси. Более конкретно, в качестве этих полимеров могут использоваться, помимо прочего, галактоманнаны, такие как гуаровая камедь, ксантановая камедь, или карбоксиметилцеллюлоза и их производные. Некоторые из этих полимеров могут образовывать сетчатую структуру для повышения конечной водостойкости взрывчатого вещества. Суммарная концентрация растворенного полимера, как правило, может составлять от 0,4% до 5% по массе суспензии изобретения, предпочтительно от 0,6% до 3%.

При необходимости суспензия в соответствии с настоящим изобретением может содержать одно или несколько горючих веществ. Горючие вещества, в некоторых случаях присутствующие в суспензии, могут представлять собой жидкости или твердые вещества, например, органические соединения, принадлежащие к группе, состоящей из насыщенных и ненасыщенных алифатических углеводородов и ароматических углеводородов, масел, нефтепродуктов, или вещества растительного происхождения, такие как крахмал, мука, древесные опилки, патоки и сахара, либо тонкодисперсные металлические горючие вещества, такие как алюминий, кремний или ферросилиций. Суспензия в соответствии с настоящим изобретением может содержать в некоторых случаях смеси указанных горючих веществ. В целом, суммарная концентрация горючего вещества в суспензии изобретения, если она содержит горючие вещества, может составлять от 1% до 20% по массе суспензии, предпочтительно от 3% до 10%. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что, если суспензия в соответствии с настоящим изобретением содержит одно или несколько жидких или растворенных (в воде) горючих веществ, они входят в состав жидкой фазы суспензии; аналогичным образом указанному специалисту в данной области техники должно быть понятно, что, если суспензия в соответствии с настоящим изобретением содержит одно или несколько твердых горючих веществ в форме частиц, они входят в состав твердой фазы суспензии. В соответствии с настоящим изобретением суспензия в соответствии с настоящим изобретением может содержать: (i) одно или несколько горючих веществ в жидкой фазе, (ii) частицы одного или нескольких горючих веществ в твердой фазе или (iii) одно или несколько горючих веществ в жидкой фазе и частицы одного или нескольких горючих веществ в твердой фазе.

При необходимости суспензия в соответствии с настоящим изобретением содержит одно или несколько сенсибилизирующих веществ. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, указанные сенсибилизирующие вещества являются водорастворимыми и входят в состав жидкой фазы. Следовательно, в предпочтительном частном варианте осуществления возможно использование дополнительных сенсибилизирующих веществ, являющихся широко распространенными в производстве таких взрывчатых веществ на водной основе. В частном варианте осуществления указанные сенсибилизирующие вещества могут представлять собой нитраты алкиламинов, такие как, например, нитрат монометиламин, нитат диметиламина и т.д., или нитраты алканоламинов, такие как, например, нитрит этаноламина, нитрат диэтаноламина, нитрат триэтаноламина и т.д., а также нитраты других водорастворимых аминов, таких как гексамин, диэтилентриамин, этилендиамин, и их смеси Суммарная концентрация сенсибилизирующих веществ в суспензии изобретения, если она содержит указанные вещества, как правило, может составлять от 0,5% до 40% по массе суспензии, предпочтительно от 2% до 30%.

Водная суспензия в соответствии с настоящим изобретением может представлять собой несенсибилизированную матричную суспензию, т.е. невзрывчатую, перед закачкой в скважину и преобразованием во взрывчатое вещество в скважине в связи с химическим выделением в нем газовых пузырей, ее плотность снижается. Для этой цели в процессе заряжания скважины вводится газообразующая добавка. В качестве газообразующей добавки могут использоваться пероксиды, такие как, например, перекись водорода и т.д., карбонаты, такие как, например, бикарбонат натрия и т.д., азотистая кислота или ее соли, такие как, например, нитрит натрия и т.д., нитрозамины, такие как, например, N,N-динитрозопентаметилентетрамин и т.д., и изоцианаты. Суспензия в соответствии с настоящим изобретением также может включать в данном случае катализатор для химической реакции выделения газовых пузырей, например, тиомочевину или тиоцианат, когда в качестве газообразующей добавки используется нитрит или соль азотистой кислоты. В целом, газообразующая добавка может присутствовать в суспензии изобретения, заряжаемой в скважину, в концентрации от 0,01% до 3% по массе, предпочтительно от 0,05% до 1% по массе относительно общей массы суспензии изобретения. Газообразующая добавка доставляется на участок сенсибилизации в подходящей емкости, такой как накопительный резервуар. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, газообразующая добавка вносится в суспензию в конце рукава.

Аналогичным образом, в соответствии с настоящим изобретением, водная суспензия в соответствии с настоящим изобретением может представлять собой взрывчатую суспензию до закачки в скважину. Несенсибилизированная матричная суспензия может быть преобразована во взрывчатую суспензию посредством добавления пористых или полых твердых частиц или посредством введения воздушных пузырей путем механического перемешивания с добавлением добавки для стабилизации воздушных пузырей. Преобразование несенсибилизированной суспензии во взрывчатую суспензию может осуществляться как на производственном участке, так и в насосном агрегате. Этот насосный агрегат должен иметь подходящую емкость для пористых или полых твердых частиц и смешивающий элемент для включения этих частиц в несенсибилизированную суспензию или подходящую емкость для добавки для стабилизации воздушных пузырей и перемешивающий элемент для включения воздушных пузырей и стабилизирующего вещества в несенсибилизированную суспензию.

В качестве пористых или полых твердых частиц могут использоваться полые стеклянные микросферы, полые пластиковые микросферы, керамические микросферы или перлит. Суммарная концентрация этих частиц во взрывчатой суспензии, если она содержит указанные частицы, как правило, может составлять от 0,5% до 10% по массе взрывчатой суспензии, предпочтительно от 1% до 7%.

В качестве добавки для стабилизации газовых/воздушных пузырей могут использоваться растворы или дисперсии поверхностно-активных веществ, таких как, например, лауриламинацетат и т.д., белки, такие как, например, яичный альбумин, лактоальбумин, коллаген, соевый белок, гуаровый белок или модифицированная гуаровая камедь гидроксипропилгуарового типа и т.д., или смеси указанных продуктов. Концентрация добавки для стабилизации газовых/воздушных пузырей может составлять от 0,01% до 5% по массе относительно взрывчатой суспензии, заряжаемой в скважину, предпочтительно от 0,1% до 2% по массе.

Если для конечного взрывчатого состава внутри скважины предусмотрено образование сетчатой структуры, возможно включение, по меньшей мере, одного сшивающего агента. В качестве сшивающего агента могут использоваться соединения сурьмы, такие как пироантимонат калия, тартрат сурьмы и калия, дихромат натрия или калия и т.д., или соединения циркония, такие как сульфат циркония или диизопропиламинлактат циркония и т.д., или соединения титана, такие как хелатное соединение триэтаноламина и титана и т.д., или соединения алюминия, такие как сульфат алюминия, и т.д. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что выбирается сшивающий агент, подходящий для сшивки полимерных цепочек в водорастворимом полимере, для которого возможна сшивка. Как правило, сшивающий агент может присутствовать в суспензии, заряжаемой в скважину, в концентрации от 0,01% до 5% по массе, предпочтительно от 0,01% до 2% по массе относительно общей массы указанной смеси. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, сшивающий агент вносится в суспензию в конце рукава.

В частном варианте осуществления изобретения, суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой взрывчатую суспензию с плотностью, составляющей при нормальных условиях 0,5-1,2 г/см3, предпочтительно 0,8-1,1 г/см³.

В частном варианте осуществления изобретения, суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой матричную или взрывчатую суспензию, образованную твердой фазой и жидкой водной фазой, состав которой отличается тем, что:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы,

b) твердая фаза содержит частицы неорганической окисляющей соли, выбранной из группы, включающей в себя нитраты, хлораты или перхлораты аммония, щелочные металлы или щелочноземельные металлы и их смеси, со средним размером зерна 100-500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий: (i) по меньшей мере, одну неорганическую окисляющую соль, выбранную из группы, включающей в себя нитраты, хлораты или перхлораты аммония, щелочные металлы или щелочноземельные металлы и их смеси; (ii) по меньшей мере, одно водорастворимое сенсибилизирующее вещество или горючее вещество, выбранное из группы, включающей в себя нитрат алкиламина, нитрат алканоламина, нитрат водорастворимого амина, выбранный из гексамина, диэтилентриамина и этилендиамина, и их смеси; (iii) по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, выбранный из натуральных или синтетических продуктов и их смесей;

и имеет определенные реологические свойства, отличающиеся:

a) значением вязкости, равным или больше 10000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равным или меньше 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) пределом текучести, равным или больше 1 Па.

В частном варианте осуществления суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой матричную или взрывчатую суспензию, образованную твердой фазой и жидкой водной фазой, состав которой отличается тем, что:

а) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы,

b) твердая фаза содержит частицы неорганической окисляющей соли, такой как нитрат, хлорат или перхлорат аммония, щелочного металла или щелочноземельного металла, или их смесей, предпочтительно нитрата аммония, со средним размером зерна 100-500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий, по меньшей мере, одну неорганическую окисляющую соль, такую как нитрат, хлорат или перхлорат аммония, щелочной металл или щелочноземельный металл, или их смеси, предпочтительно неорганический нитрат, более предпочтительно нитрат аммония; по меньшей мере, одно водорастворимое сенсибилизирующее вещество, такое как нитрат алкиламина, нитрат алканоламина, нитраты других водорастворимых аминов, таких как гексамин, диэтилентриамин, этилендиамин и т.д., или их смеси, предпочтительно нитрат амина, более предпочтительно нитрат монометиламина; по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, такой как натуральный или синтетический продукт, например, натуральный продукт, полученный из семян или микроорганизмов, производная целлюлозы, синтетический полимер или их смеси, предпочтительно галактоманнановая камедь, такая как гуаровая камедь, ксантановая камедь и т.д., или карбоксиметилцеллюлоза или их производные, более предпочтительно полимер, выбранный из группы, включающей в себя галактоманнановую камедь, ксантановую камедь и их смеси;

и имеет определенные реологические свойства, отличающиеся:

a) значением вязкости, равным или больше 10000 Па*с, предпочтительно равным или больше 20000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равным или меньше 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) пределом текучести, равным или больше 1 Па.

В другом частном варианте осуществления изобретения, суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой матричную или взрывчатую суспензию, образованную твердой фазой и жидкой водной фазой, состав которой отличается тем, что:

a) процентное содержание твердой фазы составляет от 35% до 55% по массе относительно общей массы,

b) твердая фаза содержит частицы нитрата аммония со средним размером зерна от 100 мкм до 500 мкм,

c) жидкая фаза представляет собой водный раствор, содержащий: (i) по меньшей мере, один неорганический нитрат (ii), по меньшей мере, один нитрат амина, выбранный из нитрата алкиламина, нитрата алканоламин, нитрата гексамина, диэтилентриамина или триэтиленамина и их смесей, (iii) по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, выбранный из группы, включающей в себя галактоманнановую камедь, ксантановую камедь и их смеси;

и имеет определенные реологические свойства, отличающиеся:

a) значением вязкости, равным или больше 10000 Па*с, предпочтительно равным или больше 20000 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1 и равным или меньше 10 Па*с для скорости сдвига 100 с^-1,

b) пределом текучести, равным или больше 1 Па.

Суспензия в соответствии с настоящим изобретением в любом из вариантов осуществления (взрывчатая или несенсибилизированная матричная суспензия) может быть получена традиционными способами для получения суспензий на одной основе посредством смешивания различных компонентов в подходящих количествах и в соответствующих условиях.

В частном варианте осуществления изобретения, в котором суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой несенсибилизированную матричную суспензию, она может быть легко получена с применением способа, который включает в себя смешивание жидкой фазы, содержащей, по меньшей мере, одну окисляющую соль и, по меньшей мере, один водорастворимый полимер, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, с твердой фазой, содержащей частицы, по меньшей мере, одной окисляющей соли. В качестве альтернативы, когда суспензия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой несенсибилизированную матричную суспензию, она может быть легко получена с применением способа, который включает смешивание жидкой фазы, содержащей, по меньшей мере, одну окисляющую соль, с твердой фазой, содержащей частицы, по меньшей мере, одной окисляющей соли, и растворение, по меньшей мере, одного водорастворимого полимера, который может сообщать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге. В частном варианте осуществления указанного способа указанная жидкая фаза дополнительно содержит, по меньшей мере, одно водорастворимое горючее и/или сенсибилизирующее вещество, а указанная твердая фаза дополнительно может содержать частицы, по меньшей мере, одного горючего вещества. Характеристики указанной окисляющей соли, водорастворимого полимера, который может придавать суспензии выраженные свойства снижения вязкости при сдвиге, горючего вещества и сенсибилизирующего вещества, а также концентрации, в которых они могут присутствовать в суспензии, уже были указаны ранее и включены в настоящий документ посредством ссылки.

В другом частном варианте осуществления изобретения, несенсибилизированная суспензия может быть преобразована во взрывчатое вещество в скважине, это может быть легко достигнуто с применением способа, который включает в себя приготовление матричной суспензии и введение в указанную суспензию при заряжании скважины газообразующей добавки и в некоторых случаях сшивающего агента в соответствующих пропорциях для получения необходимой плотности и в некоторых случаях водостойкости. Характеристики указанных газообразующей добавки и сшивающего агента, а также концентрации, в которых они могут присутствовать во взрывчатой суспензии, уже были указаны ранее и включены в настоящий документ посредством ссылки. В частном варианте осуществления указанная газообразующая добавка представляет собой соль азотистой кислоты; в другом варианте осуществления указанный сшивающий агент представляет собой неорганическое соединение, содержащее сурьму, например, тартрат сурьмы и калия и т.д.; в еще одном варианте осуществления указанная взрывчатая суспензия имеет плотность, составляющую при нормальных условиях применения 0,5-1,2 г/см³, предпочтительно 0,8-1,1 г/см³.

В другом частном варианте осуществления изобретения, суспензия в соответствии с изобретением представляет собой взрывчатую суспензию, которая может быть легко получена с применением способа, включающего в себя приготовление несенсибилизированной матричной суспензии и введение в указанную суспензию на производственном участке или в насосном агрегате перед закачкой суспензии в скважину пористых или полых твердых частиц в соответствующих пропорциях для получения необходимой плотности и, в некоторых случаях, введение в сенсибилизированную суспензию сшивающего агента в соответствующих пропорциях при закачке в скважину для получения необходимой водостойкости. Характеристики указанных пористых или полых твердых частиц и сшивающего агента, а также концентрации, в которых они могут присутствовать во взрывчатой суспензии, уже были указаны ранее и включены в настоящий документ посредством ссылки. В частном варианте осуществления изобретения, указанные пористые или полые твердые частицы представляют собой полые стеклянные микросферы, полые пластиковые микросферы, керамические микросферы или перлит; в другом варианте осуществления указанный сшивающий агент представляет собой неорганическое соединение, содержащее сурьму, например, тартрат сурьмы и калия и т.д.; в еще одном варианте осуществления указанная взрывчатая суспензия имеет плотность, составляющую при нормальных условиях применения 0,5-1,2 г/см3, предпочтительно 0,8-1,1 г/см³.

В другом частном варианте осуществления изобретения, суспензия в соответствии с изобретением представляет собой взрывчатую суспензию, которая может быть легко получена с применением способа, включающего в себя приготовление несенсибилизированной суспензии и введение в указанную суспензию на производственном участке или в насосном агрегате перед закачкой суспензии в скважину воздушных пузырей посредством механического перемешивания с добавлением добавки для стабилизации воздушных пузырей в соответствующих пропорциях для получения необходимой плотности и, в некоторых случаях, введение в сенсибилизированную суспензию сшивающего агента в соответствующих пропорциях при закачке в скважину для получения необходимой водостойкости. Характеристики указанных добавок для стабилизации воздушных пузырей и сшивающего агента, а также концентрации, в которых они могут присутствовать во взрывчатой суспензии, уже были указаны ранее и включены в настоящий документ посредством ссылки. В частном варианте осуществления изобретения, указанная добавка для стабилизации воздушных пузырей представляет собой раствор или дисперсию одного или нескольких поверхностно-активных веществ, одного или нескольких белков или смесей продуктов обоих типов; в другом варианте осуществления указанный сшивающий агент представляет собой неорганическое соединение, содержащее сурьму, например, тартрат сурьмы и калия и т.д.; в еще одном варианте осуществления указанная взрывчатая суспензия имеет плотность, составляющую при нормальных условиях применения 0,5-1,2 г/см³, предпочтительно 0,8-1,1 г/см³.

Далее, изобретение будет проиллюстрировано с помощью следующих двух сравнительных примеров, которые никак не ограничивают объем изобретения.

Пример 1 (сравнительный) - уровень техники

В данном примере рассмотрены реологические свойства стандартной суспензии, которая может быть использована для заряжания наклонных скважин в открытых горных выработках или карьерах, и состав которой приведен в таблице 1. Твердые частицы нитрата аммония в суспензии имели средний размер зерна 600 мкм, а их процентное содержание в суспензии составляло 42% по массе при температуре 20°С.

Зависимость вязкости от скорости сдвига показана на фиг. 1. Как видно на графике, эта суспензия имеет вязкость около 3,9 Па*с при скорости сдвига 100 с^-1 и около 3300 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1.

Зависимость модуля упругости, или накопления, и модуля вязкости, или потерь, от частоты показана на фиг.2. Как можно видеть, кривые модуля G' упругости (модуль упругости, или накопления) и модуля G'' вязкости (модуль вязкости, или потерь) пересекаются при угловой частоте 0,6 рад/с, при более низких значениях частоты модуль вязкости выше модуля упругости. Эти характеристики можно считать типовыми для вязкой жидкости.

Кроме того, можно считать, что эта суспензия практически не имеет предела текучести, поскольку расчетное значение составляло 0,5 Па.

Была предпринята попытка заполнить этой суспензией пластиковую трубку, запаянную с верхнего конца. Трубка имела высоту 6 м и диаметр 100 мм и была запаяна с верхнего конца. Способ заполнения трубки включал в себя введение шланга с внутренним диаметром 25 мм до верхнего конца трубки и закачку суспензии с расходом 50 кг/мин. По мере заполнения трубки шланг равномерно опускается. При заполнении трубки часть суспензии вытекла из трубки. По достижении нижнего конца трубки шланг был удален. Суспензия, имеющаяся в трубке, опустилась через несколько секунд с опорожнением трубки.

Пример 2 - изобретение

В данном примере рассмотрены реологические свойства типовой суспензии, описанной в настоящем изобретении и предназначенной для заряжания восходящих скважин, состав которой приведен в таблице 2. Твердые частицы нитрата аммония в суспензии имели средний размер зерна 400 мкм, а их процентное содержание в суспензии составляло 44% по массе при температуре 20°С.

Зависимость вязкости от скорости сдвига показана на фиг. 3. Как видно на графике, эта суспензия имеет вязкость около 5,4 Па*с при скорости сдвига 100 с^-1 и около 14 700 Па*с при скорости сдвига 0,001 с^-1. На основании сравнения полученных значений с соответствующими значениями из примера 1 можно сделать вывод, что обе суспензии должны быть одинаково простыми в закачке, поскольку они обладают аналогичной вязкостью при высоких скоростях сдвига. Однако суспензия из примера 2 имеет вязкость (14700 Па*с), существенно превышающую вязкость суспензии из примера 1 (3300 Па*с), на основании чего можно сделать логичный вывод, что она обладает большей способностью к самоподдержке в скважине.

Зависимость модуля упругости, или накопления, и модуля вязкости, или потерь, от частоты показана на фиг. 4. Как можно видеть, модуль упругости выше модуля вязкости во всем измеренном интервале угловой частоты. Эти свойства напоминают свойства твердого веществ с мягкой консистенцией, как в случае геля. Иными словами, эта суспензия проявляет намного меньшую тенденцию к текучести по сравнению с суспензией из примера 1.

Эта суспензия имела предел текучести 3,4 Па - достаточно значительная величина.

Пластиковая трубка, описанная в примере 1, была заполнена этой суспензией с использованием того же способа. При загрузке суспензии капли продукта появлялись редко. По достижении шлангом нижнего конца трубки он был удален, а трубка оставалась наполненной на протяжении еще 30 мин.

Реферат

Изобретение относится к несенсибилизированной матричной суспензии для получения взрывчатого вещества на водной основе. Суспензия состоит из твердой фазы в виде частиц окислительной соли и жидкой фазы в виде водного раствора, по меньшей мере, одной окисляющей соли и, по меньшей мере, одного водорастворимого полимера, сообщающего необходимые реологические характеристики. Дополнительно в суспензию могут быть введены горючие и/или сенсибилизирующие вещества. Суспензия ведет себя как вязкая жидкость при нагнетании под действием загрузочного насоса, однако обладает характеристиками твердого вещества с мягкой консистенцией в состоянии покоя внутри скважины. Изобретение также относится в взрывчатой суспензии, включающей несенсибилизированную матричную суспензию, которая обладает такими реологическими свойствами, которые обеспечивают ее применение для механического заряжания восходящих скважин с верхнего конца. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 ил.

Формула