兵器科技促进油气田民爆器材创新发展

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摘 要：兵器科学与技术作为一个较为完整的学科知识体系，包含了弹药技术等5个专业技术领域和燃烧与爆轰学、含能材料技术、防护技术、弹道学、兵器信息技术、兵器材料与制造技术、兵器基础技术7个基础性支撑技术领域。近年来该学科领域取得了许多技术成果。油气田用民爆器材作为一个技术应用领域，其发展尤其离不开兵器科学与技术的“滋养”，借鉴吸收当代兵器科学技术成果，是促进油气田用民爆器材技术创新，推动油气田用民爆器材向更先进、更可靠、更有效方向发展的重要途径。

关键词：油气田 民爆器材 创新 兵器科学与技术 成果

中图分类号：TJ510 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0115-03

Abstract：Weapoy science and technology as a more complete subject system， including the ammunition technology etc.，five professional technical fields，and combustion and detonation science， energetic materials technology， protection technology，ballistics，weapoy information technology，weapoy materials and manufacturing technology，weapoy basic technology seven basic support technology fields.In recent years，many achievements have been made in this field.Oil and gas fields with explosive materials as a technical application field，its development especially inseparable from science and technology of weapoy of "nourishing"，absorb from contemporary weapoy achievements of science and technology is an important way to promote the technology innovation of explosive materials in oil and gas field，to promote explosive materials in oil and gas field to more advanced，more reliable and more effective direction of development.

Key Words：Oil and gas field；Explosive materials；Innovation；Weapoy scienc and technological；Achievements

兵器科学技术是以兵器工程技术为研究对象，形成了一个较为完整的学科知识体系。兵器科学技术的研究内涵是指各类兵器的构造原理、战术技术性能以及在兵器方案选择、论证、工程研制、试验、生产、使用、储存、维修过程中需要的理论和技术，包括新概念、新原理、新技术、新材料、新型元器件和新装置等。兵器科学技术的范围即学科构成包括装甲兵器技术、身管兵器技术、制导兵器技术、弹药技术、水中兵器技术5个专业技术领域和燃烧与爆轰学、含能材料技术、防护技术、弹道学、兵器信息技术、兵器材料与制造技术、兵器基础技术7个基础性支撑技术领域[1-3]。

在人类社会发展的进程中，通常是将最先进的科学技术首先用于军事和战争中。从这个意义上说，兵器科学技术既是一门历史悠久的传统学科，又是一门极富时代特色的现代综合性工程技术学科，它在整个科学技术发展进程中占有十分重要的地位。

1 油气田用民爆器材技术特点及发展需求

油气田勘探、测试、生产等上游产业领域都离不开射孔弹、压裂弹、切割弹、震源药柱、雷管、导爆索、桥塞药柱等民爆器材。油气田用民爆作业由于在特定的油气井中进行，油气井筒空间有限，水下深度深（地下数百米至数千米），环境温度高（数十度至260 ℃），充满各种物性的井液[4]。在这样特定的条件下进行爆破，要求爆破器材设计制造非常精细，结构严密，可靠度高，抗恶劣环境能力强。

（1）油气田用民爆作业一般在特定的套管井筒或裸眼井中进行，空间有限。API标准的套管规格有：4-1/2″、5″、5-1/2″、6-5/8″、7″、7-5/8″、8-5/8″、9-5/8″、10-3/4″、11-3/4″、13-3/8″、16″、18-5/8″、20″。

（2）油气田用民爆作业在复杂的外界环境中进行。陆上油井井场，高空有高压电缆线，地面有各种施工设备，常伴有感应电流、杂散电流、射频电流等，安全性要求很高。海上油气田的油气井爆破施工是在固定式钻井平台、自升式平台或半潜式钻井平台上进行，其作业环境更受限制，施工要求更加严格[5]。

（3）油气田用民爆器材要求良好的耐压耐温性能。目前，世界上最深的井是位于俄罗斯科拉半岛上的（CY一3）科拉3井，井深12 260 m。油气井最大压力可达140 MPa，最高温度可达250 ℃，这就要求高温高压下的民爆器材的热安定性、发火感度、燃烧爆炸性能能够达到使用要求。

（4）油气田用民爆器材要求良好密封、绝缘性能。油气田勘探开发领域的发展趋势是向超深井、水平井、海洋油气田发展。对油气田用民爆器材提出了更高的要求。超深井温度可达260 ℃以上，压力可达172 MPa以上。

2 弹药技术促进射孔弹类油气田用民爆器材技术创新

我国弹药技术的研究主要集中在底排/火箭增程弹、激光半主动末制导炮弹、非致命杀伤弹药、弹药信息化、弹药射击精度、弹药威力、引信技术、火工品技术等方面。总体上弹药性能处于20世纪90年代水平，其中底排增程技术、弹道修正技术、穿破甲弹技术等达到国际先进水平[1-2，6]。

弹药技术所涉及的爆破性能、聚能效应、弹丸倾彻特性等有关技术均已融合入油气田用民爆器材的研发过程中。比如震源药柱、压裂弹、整形弹、爆松弹、尾声弹、射孔弹、切割弹、穿孔弹等油气田用民爆器材均是弹药技术吸收转化的范例。

弹药技术在成型装药技术方面，有关射流（JET）装药、爆炸成型弹丸（EFP）装药、高速杆式射流（JPG）装药、K装药、分离式装药、多功能装药、多药型罩装药、活性材料药型罩装药和W装药等技术，均能对有关民爆器材研发有所启发。尤其稀土合金纵火、活性材料药型罩等技术应当吸收转化为油气田活性射孔、多功能射孔概念的民爆器材上。另外，模块化、系列化、通用化的设计思想也应当贯彻到油气田用民爆器材的设计研发过程中去，有利于油气田用民爆器材规模化生产，设计灵活丰富，施工服务高效，器材组织方便快捷。

3 燃烧与爆轰学促进油气田用压裂器材技术创新

燃烧与爆轰学主要进展包括：扩散火焰的理论研究、燃烧现象物理解释和化学解释的统一、炸药爆轰产物性质和化学反应过程的模拟、反应流动理论、脉冲爆轰发动机研究等。

燃烧理论研究的最新进展，显示的一个突出特点就是，努力将燃烧现象的物理解释和化学解释统一起来，而理论研究、实验研究、数值计算三方面之间存在很强的相互影响。在确定化学速率常数以及层流火焰速度等方面，消除理论、实验和计算之间的差异的努力都给出了新的研究成果[3]。火炸药燃烧学的基础研究成果能够对压裂器材、气体发生器的设计及施工工艺产生普遍的、积极的影响，吸收燃烧学的先进成果，能够拓宽压裂器材、气体发生器等油气田用民爆器材的作用效果和适用范围，研发出具有更高燃速或更低燃速的技术产品，研发出适用于更高环境压力（60～105 MPa或更高）或更低环境压力（0～5 MPa）的技术产品。

燃烧与爆轰学有关燃烧向爆轰转换（DDT）、延迟起爆（XDT）等发展成果，对压裂器材、气体发生器等油气田用民爆器材的燃-爆转换、爆-燃转换、爆燃控制设计等有所启发，吸收转化这些先进成果，能够设计出功能更加独特、爆燃性能更加稳定可靠的先进技术产品，水平井脉冲爆燃压裂技术就是包含了燃-爆转换、爆-燃转换、爆燃控制等技术的范例。

4 含能材料技术促进油气田用民爆器材技术创新

含能材料按用途可分为火药、炸药、燃气发生剂、烟火药剂和火工品，有时还包括可燃军械元器件。目前习惯上称高能量密度物质（HEDM）。

含能材料技术的主要研究进展包括高能量密度材料、高能低感材料、钝感炸药、量子化学在含能材料领域中的应用、炸药量子化学、新概念与新结构的发射装药、运用发射药燃面和燃速的调控技术、含能材料制备工艺等方面[1-2]。

含能材料的发展趋势是发射药、炸药和推进剂在组成上的差别将缩小，并向由黏合剂、高能添加剂和性能添加剂组成的复合型含能材料方向发展；含能材料研究的主导方向仍然是提高能量及其利用率。

近年来，制备的CL-20（HNIW）、DNTF、AND、TNAZ和正在制备的八硝基立方烷、N5+等高能量密度材料其性能显著提升，但由于成本原因不能用于民爆器材。

目前油气田用民爆器材常用的耐热炸药有HNS、PYX及其高聚物炸药，存在能量不足，尤其在高温下能量下降明显（下降25%～30%）的问题。LLM-105、TATB炸药能量性能方面有优势，NONA、TACOT炸药耐高温性能（熔点分别是440 ℃、401 ℃）有优势。研发出适用于超深井的耐热炸药（温度可达260 ℃以上，时间72～120 h）依赖于单质与混合炸药研制技术，更加依赖于批量制造生产技术，制造出价格适中的工业品，就能在超深井应用的高端领域占据领先地位[5]。

火药产品需要在高温高压下具有特定爆燃性能的复合火药，压力60～105 MPa或更高、温度180 ℃～260 ℃。耐温性能没有问题，问题在于高压下的稳定燃烧研究缺乏研究手段和验证实验条件。

制备技术方面，火药原材料超细化技术、混合炸药的自动化熔铸、浇铸、压装工艺、火药连续、柔性制造工艺。

总之，含能材料作为油气田用民爆器材的能量来源，犹如民爆器材的血液，其产生的每一项技术成果，都将对油气田用民爆器材技术发展产生普遍而深远的影响。

5 兵器材料与制造技术促进油气田用民爆器材技术创新

兵器材料与制造技术重点开展了与兵器材料使用性能密切相关的金属材料、非金属材料、复合材料和隐身材料以及实现兵器装备产品特性的精密成型、焊接、特种加工、机械加工、精密超精密及微细加工、表面工程等研究，橡胶材料、氢化丁腈橡胶等的关键性能指标达到国外先进水平[1-3]。

获得发展的兵器材料有：金属材料、非金属材料、复合材料等。金属材料包括高强钢、铝合金、镁合金、钨合金等材料。非金属材料包括橡胶、工程塑料、陶瓷等材料。复合材料包括金属基复合材料、树脂基复合材料等。

尤其7A52、2519A装甲铝合金材料、耐热铝合金、喷射沉积高强度铝合金在油气田用民爆器材点火、传火、爆燃转换等元件设计上将有所作为。

6 兵器基础技术促进油气田用民爆器材技术创新

兵器基础技术包括兵器试验与测试技术、兵器可靠性技术、兵器维修性技术、兵器标准化技术、兵器计量技术等。

兵器试验与测试技术方面的进展包括微型化的存储测试系统或近场遥测系统、弹载遥测系统、兵器测试专用仪器等；兵器维修性技术方面，重点研究了基于数字样机的维修性设计、分析、评价的方法和技术，得到初步推广应用；兵器可靠性技术方面，制订了相关的可靠性标准，可靠性增长试验和可靠性试验已进入装备研制工程领域。兵器标准化和兵器计量技术取得了长足进步。

存储测试技术、虚拟试验技术等可以延伸应用于油气田用民爆器材的试验检测技术。而可靠性技术、标准化、计量技术等发展成果的吸收有助于油气田用民爆器材加快规模化、集成化方向的发展趋势。

7 结语

综上所述，发展最活跃，技术水平最高之一的兵器科学技术，经过学习借鉴、评估论证和延伸转化，必将引发油气田用民爆器材技术创新，延伸出更加丰富多样、具有独特结构及作用效果的民爆技术，推动油气田用民爆器材向更先进、更可靠、更有效方向更快地发展。

参考文献

[1]中国科学技术协会，中国兵工学会编.2008—2009年兵器科学技术学科发展报告[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[2]许毅达.兵器科学技术的最新进展与时代特征[J].四川兵工学报，2003（2）：11-13.

[3]张嘉浩，于立志.以科技进步促进民爆器材行业的发展[J].爆破器材，2003（6）：1-4.

[4]张双计，王玮.油气井燃烧爆破技术[M].西安：陕西科学技术出版社，2003.

[5]景振禹，张双计.油气井特种爆破技术[J].工程爆破，2003（1）：32-37.

[6]龚西菊.科技创新对民爆行业的推进作用[J].科技致富向导，2011（5）：183，197.

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