頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置(TDS)是當(dāng)今石油鉆井的前沿技術(shù)與裝備，代表鉆井工藝技術(shù)，機(jī)電一體化石油專用設(shè)備的最高水平，已經(jīng)成為深井、復(fù)雜井以及出國鉆機(jī)的必備設(shè)備之一。頂驅(qū)鉆井裝置能顯著提高鉆井作業(yè)的能力和效率，已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。
減速齒輪箱作為動(dòng)力傳遞裝置，是頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的主體部件，負(fù)責(zé)將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的回轉(zhuǎn)速度，并起著增大扭矩的作用，所以頂驅(qū)減速箱性能的好壞直接關(guān)系著頂驅(qū)裝置的驅(qū)動(dòng)能力。
頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置多集中應(yīng)用在西北和東北地區(qū)，高低溫跨度大，環(huán)境復(fù)雜，作為頂驅(qū)關(guān)鍵傳動(dòng)部件的減速箱在工作中承受著巨大的載荷，其使用性能和壽命直接影響著頂驅(qū)的工作效率和維修周期。因此，在現(xiàn)場開采過程當(dāng)中，必須保證頂驅(qū)裝置運(yùn)行的可靠性和工作效率，延長維修周期，這凸顯出對(duì)高性能頂驅(qū)齒輪油的需求，要求油品具有優(yōu)異的黏溫特性，保證頂驅(qū)裝置在低寒高溫環(huán)境下平穩(wěn)啟動(dòng)、運(yùn)行和潤滑保護(hù);優(yōu)異的泡沫特性和控制溫升的能力，防止泡沫溢出和設(shè)備超溫報(bào)警、降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、提高機(jī)械效率;良好的抗磨極壓性，保證重載齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)順暢、減少齒面擦傷和磨損等。
一、合成頂驅(qū)齒輪油的研制
基礎(chǔ)油的選擇
基礎(chǔ)油與油品的性能息息相關(guān)，為保證油品具有良好的潤滑效果和溫升特性，頂驅(qū)齒輪油一般分為冬季用油和夏季用油，按照40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度分類，分別選用68號(hào)和150號(hào)可滿足正常工作需要。
在開采作業(yè)時(shí)，環(huán)境溫度和工況復(fù)雜多變，頂驅(qū)齒輪油溫度變化范圍很大，黏度也隨之升高或降低，不利于齒輪箱的平穩(wěn)運(yùn)行，要求油品具有良好的黏溫特性。此外，由于開采地理位置的不確定性，頂驅(qū)裝置在戶外長周期運(yùn)行情況較多，同時(shí)考慮到高海拔地區(qū)和北方冬季的寒冷天氣，要求頂驅(qū)齒輪油的傾點(diǎn)不高于-45 ℃。
合成聚α-烯烴(PAOs)傾點(diǎn)低，低溫流動(dòng)性好，剪切安定性和氧化安定性較好，但無法同時(shí)滿足頂驅(qū)齒輪油的性能要求，同時(shí)考慮到對(duì)添加劑的溶解能力，合成頂驅(qū)齒輪油采用了 PAO4，茂金屬 PAO(mPAO)及飽和多元醇酯(POE)等3種黏溫特性及抗氧化性能較好的全合成基礎(chǔ)油作為調(diào)合基礎(chǔ)油。
PAO4，茂金屬 PAO(mPAO)及飽和多元醇酯(POE)等合成基礎(chǔ)油的主要典型性能見表1。
從表 1 中可以看到，PAO4，mPAO 及 POE 等合成基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)較高，傾點(diǎn)較低，均具有良好的黏溫特性和低溫流動(dòng)性。
復(fù)合劑的選擇
通過對(duì)頂驅(qū)裝置在用油品理化分析，發(fā)現(xiàn)市場在用齒輪油的質(zhì)量性能滿足 ISO 12925-1 CKD 以及 AGMA9005-E02 的規(guī)格要求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性因素，經(jīng)綜合考慮后選擇昆侖 RHY4026 工業(yè)齒輪油復(fù)合劑作為擬研制的合成頂驅(qū)齒輪油的復(fù)合劑。
RHY4026 是一種多功能，通用型工業(yè)齒輪油復(fù)合劑，為無灰型添加劑配方體系，不僅具有優(yōu)異的抗磨極壓性、減摩性和良好的防銹抗腐蝕性能，而且具有優(yōu)異的熱安定性、抗乳化性和抗泡性，性價(jià)比優(yōu)于國內(nèi)外同類復(fù)合劑，其典型性能見表2。
在全合成基礎(chǔ)油(PAO4+mPAO+POE)中添加2.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RHY4026工業(yè)齒輪油復(fù)合劑即可得到滿足抗磨極壓、防銹抗腐蝕等性能要求的合成頂驅(qū)齒輪油(為方便，簡稱基礎(chǔ)頂驅(qū)齒輪油，以下同)。
頂驅(qū)裝置通常是在荒郊野嶺等惡劣工況條件下工作，齒輪箱容易受到泥漿、水分和粉塵等外界污染，加速油品老化和起泡等，因此要求頂驅(qū)齒輪油具有良好的泡沫特性，對(duì)頂驅(qū)齒輪油抑制泡沫產(chǎn)生和加快泡沫消散的能力都提出了很高要求。
采用烘箱高溫加速油品氧化的方法(恒溫 72 h，3輪試驗(yàn))，并按照《潤滑油泡沫特性測定法》：GB/T 12579 國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)頂驅(qū)齒輪油的泡沫特性進(jìn)行了考察，并與市場上在用的進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油的泡沫特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表3。
從表3中可以看到，市場在用的進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油經(jīng)過2輪高溫氧化試驗(yàn)(144 h)后，泡沫特性仍然較好;而基礎(chǔ)頂驅(qū)齒輪油在第 1 輪氧化(72 h)后泡沫特性滿足指標(biāo)要求，但第2輪氧化(144 h)后泡沫特性下降明顯，已不滿足指標(biāo)要求。
如果頂驅(qū)裝置在長時(shí)間高溫運(yùn)行狀態(tài)下泡沫無法及時(shí)消除，可能會(huì)造成裝置超溫報(bào)警而停機(jī)，或因油中氣泡無法及時(shí)消除導(dǎo)致潤滑油膜變薄，出現(xiàn)齒輪箱軸承及齒面間的異常磨損等潛在風(fēng)險(xiǎn)，為此對(duì)抗泡劑進(jìn)行了考察。
抗泡劑的考察
有機(jī)硅型抗泡劑的消泡能力強(qiáng)，空氣釋放性和抗泡持久性差，對(duì)調(diào)和工藝敏感;而非硅型抗泡劑 與有機(jī)硅型抗泡劑相比，抗泡持久性和空氣釋放性較好，對(duì)調(diào)和方式要求不高。
考慮到頂驅(qū)設(shè)備運(yùn)行工況的復(fù)雜性及惡劣性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取了 2 種硅油(加入量 20 μg/g)和其他非硅型/改性硅聚合物(加入量 100 μg/g)組成的復(fù)合抗泡劑加入到基礎(chǔ)頂驅(qū)齒輪油中進(jìn)行了考察，通過烘箱老化試驗(yàn)篩選復(fù)合抗泡劑，結(jié)果見表4。
從表4的考察中可以看到，由甲基硅油(T901，20 μg/g)+改性硅聚合物(加入量 100 μg/g)組成的復(fù)合抗泡劑的泡沫特性達(dá)到進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油泡沫特性的水平(參見表 3)且更穩(wěn)定，由此確定擬研制的頂驅(qū)齒輪油的復(fù)合抗泡劑為20 μg/g的甲基硅油與100 μg/g的改性硅聚合物。
合成頂驅(qū)齒輪油組成
通過對(duì)基礎(chǔ)油，復(fù)合劑的選擇及對(duì)復(fù)合抗泡劑的考察，擬研制的合成頂驅(qū)齒輪油由全合成基礎(chǔ)油(PAO4+ 茂金屬 PAO+ 飽和多元醇酯)，2.5% 的 RHY4026復(fù)合劑及120 μg/g的復(fù)合抗泡劑(20 μg/g 甲基硅油+100 μg/g改性硅聚合物)組成。
二、合成頂驅(qū)齒輪油的性能
對(duì)研制的 68 號(hào)合成頂驅(qū)齒輪油和 150 號(hào)合成頂驅(qū)齒輪油的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油的性能進(jìn)行了對(duì)比，見表5。
從表5的對(duì)比中可以看到，研制的 68號(hào)和150號(hào)合成頂驅(qū)齒輪油具有良好的低溫性能，黏溫特性，泡沫特性，抗磨極壓性以及抗氧化性能，與市場在用的進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油的性能相當(dāng)。
此外，溫升也是合成頂驅(qū)齒輪油的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。在頂驅(qū)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，齒輪油受到剪切和壓縮產(chǎn)生熱量，會(huì)引起溫度升高，從而導(dǎo)致油品黏度下降，使用壽命縮短，進(jìn)而影響到齒輪油的承載能力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起設(shè)備超溫報(bào)警，因此在實(shí)際使用過程中，還需要嚴(yán)格控制頂驅(qū)齒輪油的溫升。
采用 VKA110 四球試驗(yàn)機(jī)繪制了研制的合成頂驅(qū)齒輪油的溫度隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線，并與進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油進(jìn)行了對(duì)比，見圖1。
從圖1的溫升曲線可以看到，研制的合成頂驅(qū)齒輪油(68 號(hào)和 150 號(hào))的溫度低于相應(yīng)的進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油(68號(hào)和150號(hào))的溫度，說明研制的合成頂驅(qū)齒輪油(68 號(hào)和 150 號(hào))具有更好的溫度控制能力，可降低齒輪油的工作溫度。
三、合成頂驅(qū)齒輪油的應(yīng)用
研制的合成頂驅(qū)齒輪油(150號(hào))在某鉆探公司頂驅(qū)裝置上進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，經(jīng)過260余天的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，頂驅(qū)裝置現(xiàn)場的輸出扭矩最高為14.3 kN·m，工作轉(zhuǎn)速最高為 98.2 r/min，齒輪箱油的溫度穩(wěn)定在34.8 ℃～49.6 ℃之間(頂驅(qū)減速箱油溫報(bào)警值為 60 ℃)，說明研制的合成頂驅(qū)齒輪油有良好的溫度控制能力，完全能夠滿足頂驅(qū)裝置的潤滑要求。
四、結(jié)論
(1)合成頂驅(qū)齒輪油由合成基礎(chǔ)油(PAO4+ mPAO+飽和多元醇酯)，2.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RHY4206工業(yè)齒輪油復(fù)合劑以及120 μg/g的復(fù)合抗泡劑(20 μg/g 的甲基硅油+100 μg/g的改性硅聚合物)組成;
(2)研制的合成頂驅(qū)齒輪油具有優(yōu)異的黏溫特性，氧化安定性，防銹抗腐蝕性和良好的抗磨極壓性，其性能與同類進(jìn)口頂驅(qū)齒輪油的性能相當(dāng);
(3)應(yīng)用表明，研制的合成頂驅(qū)齒輪油具有良好的溫度控制能力，完全能夠滿足頂驅(qū)齒輪箱的潤滑要求。
參考文獻(xiàn)略.