Классификация взрывных процессов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЗРЫВА

К взрывам относятся процессы физического или химического превращения при которых накопленная в системе потенциальная энергия выделяется в течение очень короткого интервала времени в окружающую среду.

К простейшим взрывам можно отнести разрушение баллона, заполненного газом высокого давления, или корпуса парового котла, в котором под большим давлением находилась перегретая вода. Быстрый переход воды в пар будет сопровождаться достаточно длительным поддержанием высокого давления в системе и, соответственно, возникновением высокой плотности потока энергии в окружающую воздушную среду. Сюда же можно отнести и быстрое горение порохов или смесей газов с образованием продуктов сгорания высокого давления.

К более сложным взрывам относятся процессы, характеризующиеся “размазанной ” накопленной энергией и локальным выделением этой энергии. Примером может служить накопление электрического заряда в облаке, а затем локальное выделение энергии в виде молнии с колоссальной плотностью потока энергии. Аналогично этому в глубокозалегающих породах происходит накопление энергии и локальное выделение её при землетрясениях.

Еще более сложным взрывом является детонация, процесс при котором фронт химической реакции движется со скоростями, превышающими скорость звука в данном веществе.

В практике разведки и разработки месторождений углеводородов используются как физические, так и химические взрывы. Что касается процессов в самом источнике взрыва, то они наиболее сложны при химическом взрыве. Это же относится и к процессам, протекающим на границах раздела взрывчатое вещество – окружающая среда. В удалённых от поверхности источников зонах действия физических и химических взрывов имеют полную аналогию.

Поэтому, химические взрывы, и прежде всего детонация, заслуживают того чтобы процессам в самом взрывчатом веществе и на его границах было уделено большое внимание. Интерес к детонации подогревается ещё и тем фактом, что тепло-массоперенос за фронтом детонации во многом схож с тепло-массопереносом в пористых средах (нефтегазовых пластах находящихся в метастабильном состоянии) при всякого рода воздействиях на последние. Физические взрывы представляют интерес только с позиции воздействия на окружающую среду, в том числе на нефтегазовые пласты.

В разделе I будут рассмотрены только химические взрывы и процессы внутри самого источника взрыва, а также на его границе. Детонации, относящейся к химическим взрывам, но имеющей более сложную физическую природу будет уделено особое внимание.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

Явление взрыва

Взрывчатые вещества представляют собой системы, в которых содержится горючее и окислитель и их взрывное превращение связано с окислительными реакциями без привлечения кислорода воздуха. Они относятся к неустойчивым с точки зрения термодинамики системам. Внешние воздействия, способные сыграть роль «спускового крючка», могут запустить в них быстрые экзотермические превращения, сопровождающиеся образованием газов или паров.

Газообразные продукты взрыва в зависимости от скорости химической реакции и квантово – механических процессов в первоначальный момент могут занимать объём соизмеримый с объёмом самого ВВ или даже меньший и характеризуются сильно сжатым состоянием. Поэтому в месте бывшего нахождения ВВ возникает газовая область с резко повышенным давлением.

Таким образом, способность систем к взрывчатым превращениям определяется следующими основными факторами: независимостью окислительного процесса от кислорода воздуха, экзотермичностью процесса, большой скоростью его распространения и наличием газообразных (парообразных) продуктов реакции. Каждое из этих свойств может быть выражено более или менее ярко у различных ВВ, однако только их совокупность придаёт явлению химического превращения характер взрыва.

Для подтверждения данного положения рассмотрим значение каждого из этих факторов.

Экзотермичность реакции.Выделение тепла при химическом превращении является первым необходимым условием протекания взрывного процесса. Только благодаря выделяющейся теплоте происходит спонтанное развитие взрыва. Химические превращения, требующие постоянного подтока тепловой энергии извне, естественно, не могут быть отнесены к взрывным.

Выделяющееся при экзотермической реакции тепло расходуется на разогрев образующихся газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов. Но в то же время экзотермичность реакциии не является достаточным признаком взрыва, поскольку теплота взрыва даже самых мощных взрывчатых вещества не превосходит, а часто даже ниже, теплотворной способности обычных горючих. Так, например, теплота взрыва современных взрывчатых детонирующих веществ варьирует в диапазоне от 900 до 1800 ккал/кг, взрывчатых горючих смесей может достигать 3000 ккал/ кг, но при этом теплотворная способность нефти превышает 10 000 ккал/кг. В таблице №1.1 для сравнения приведены теплоты взрыва детонирующих веществ, теплотворная способность горючих взрывчатых смесей и нефти.

Большая скорость процессов.Отличительной особенностьювзрывного процесса является протекание химической реакции от начала до образования конечных продуктов за кратчайшие промежутки времени.

Таблица №1.1

Учитывая значительное возрастание скорости горения горючих смесей с ростом внешнего давления можно утверждать, что взрывной процесс в таких смесях происходит при горении их в ограниченном пространстве или в условиях действия достаточно большого внешнего давления. Образование газообразных продуктов реакции из всего объёма горючей смеси за миллисекунды приводит к тому, что они в первоначальный момент занимают объём, занятый самой исходной смесью. Разогретые до высокой температуры и находящиеся при высоком давлении газообразные продукты реакции обеспечивают очень высокую концентрацию энергии, которая не сопоставима с концентрацией энергии при обычных химических реакциях.

Детонация взрывчатых веществ не зависит от внешних условий, если последние не приводят к разложению (разрушению) самих веществ или изменению их насыщенности в результате проникновения в поровый объём посторонних флюидов. Взрывчатое превращение при детонации даже достаточно больших объёмов вещества происходит за доли миллисекунды. Поэтому начальная концентрация энергии при детонации может быть ещё большей, чем при самом быстром горении. О скорости взрывчатого превращения в отдельных случаях можно судить по скорости распространения взрыва по заряду ВВ. Максимальная скорость распространения фронта детонации по веществу для современных ВВ может достигать 9000м/c.

Газообразование.Образующиеся при взрывах газообразные продукты являются именно теми агентами, в процессе расширения которых осуществляется быстрый переход потенциальной энергии ВВ в кинетическую или в механическую работу.При детонации потенциальная энергия ВВ переходит не только в кинетическую энергию расширяющихся продуктов взрыва, но и в ударную волну, движущуюся на начальной стадии со сверхзвуковыми скоростями, намного превышающими скорость расширения продуктов взрыва. Кажущийся естественным вывод об отсутствии необходимости газообразования при детонации является ошибочным, поскольку именно из газообразных продуктов черпается энергия для поддержания ударной волны, ведущей химическую реакцию. В то же время следует отметить, что в основе подпитки ударной волны от продуктов взрыва лежит сложный квантовомеханический процесс, но не простой удар расширяющихся продуктов по исходному взрывчатому веществу.

Классификация взрывных процессов

Все быстропротекающие взрывные процессы подразделяются на горение и взрыв. Характерным признаком горения является зависимость скорости химического превращения вещества от внешнего давления. Рост последнего вызывает существенное возрастание скорости горения.

Для того чтобы горючие вещества могли производить значительную работу, их заключают в ограниченный объём, добиваясь направленного истечения продуктов горения. Такой подход применяется в метательных системах (пулевых перфораторах) и системах, производящих работу против гидростатического давления для направленной деформации узлов механических устройств (взрывных пакеров).

В скважинах при сжигании зарядов на большой глубине инерционность столба жидкости обеспечивает интенсивное воздействие раскалённых газов высокого давления на продуктивные пласты через фильтры или перфорационные каналы.

Взрыв от горения отличается не только количественными характеристиками и независимостью скорости химической реакции от внешних условий, но является совершенно иным физическим процессом. И, прежде всего, это отличие связано с возникновением при взрыве между частицами продуктов реакции специфического взаимодействия, которое обеспечивает тепло – массоперенос в продуктах реакции в сторону большего давления, то есть в сторону фронта реакции. Таким образом, на движущемся фронте реакции постоянно происходит концентрация выделяющейся энергии. Такая концентрация энергии достигает огромных величин и является главной причиной сверхзвуковых скоростей химического превращения и возникновения локальных давлений в несколько тысяч МПа.

Взрывной процесс, распространяющийся с постоянной и максимально возможной для данного вещества скоростью называется детонацией. Скорость детонации для каждого вещества является константой и одной из важнейших его характеристик. Все взрывные процессы, происходящие с меньшей скоростью являются нестационарными и в конечном счёте затухают.

Детонация газовых смесей отличается тем, что объём газообразных продуктов может не претерпевать существенных изменений или быть меньше объёма исходной смеси. Условно процесс взрыва газовой смеси можно разделить на две стадии. На первой стадии из – за специфического взаимодействия между частицами продуктов реакции тепло - массоперенос в продуктах осуществляется в сторону большего давления (в сторону фронта реакции), что делает возможным само распространение взрывного превращения по газовой смеси. На второй стадии возможны два процесса: простое расширение разогретых продуктов взрыва или изменение направления массопереноса продуктов реакции за счёт изменения характера специфического взаимодействия между частицами продуктов. В последнем случае за зоной сжатия в окружающей среде возникнет зона глубокого вакуума.