鉆井機(jī)械柴油稀土添加劑節(jié)能規(guī)律

侯卓識(shí)（中國石油大慶油田分公司采油工程研究院）

1 概況

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，水平井、超深井工藝得到了長效的發(fā)展，后續(xù)復(fù)雜油氣藏環(huán)境下的甜點(diǎn)區(qū)鉆探更是需要現(xiàn)場(chǎng)鉆井工藝的不斷發(fā)展。在鉆井工程中柴油鉆機(jī)的穩(wěn)定性和耐久性是保障單井成功率的關(guān)鍵[1]。而相應(yīng)節(jié)能添加劑的運(yùn)用能在節(jié)約單耗成本的同時(shí)降低鉆井故障率。提高工作效率，保障安全生產(chǎn)[2]。

在柴油機(jī)節(jié)能添加劑研究領(lǐng)域。國內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)，朱國朝等人在Y4100Q 自然吸氣柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上使用0#柴油及加入6 種不同添加劑的0#柴油，對(duì)兩者進(jìn)行比較。給出了柴油機(jī)排放物CO，HC，NOX，PM 及燃油消耗率的測(cè)試結(jié)果。分析了排放物的生成機(jī)理及不同成分或不同量的添加劑對(duì)柴油機(jī)排放和燃油消耗率的影響[3]。廖梓珺等人開展了低壓氧彈燃燒法評(píng)定柴油添加劑的節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)，采用發(fā)熱量變化率和每克柴油燃燒后殘余物質(zhì)量變化率進(jìn)行模擬評(píng)定，并將該模擬評(píng)定結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和鍋爐試驗(yàn)進(jìn)行灰色相關(guān)分析[4]。張鴻超等人對(duì)柴油添加劑節(jié)能與消煙問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，運(yùn)用實(shí)例進(jìn)行了“力恒柴油添加劑”和“科林凱尾氣凈化裝置”的組合式運(yùn)用對(duì)比[5]。

國外相關(guān)研究，Chao Z H 等人以節(jié)能環(huán)保為立足點(diǎn)，對(duì)柴油添加劑的節(jié)能降煙進(jìn)行試驗(yàn)研究[6]。Lin Y C 等人選擇大豆生物柴油作為試驗(yàn)生物柴油。以96.5 wt%天然有機(jī)酶-7F（NOE-7F）和3.5 wt%水（NOE-7F 水）為燃料添加劑。通過在燃料混合物中添加1%的表面活性劑，利用納米技術(shù)形成乳化生物溶液/大豆生物柴油/PDF 混合物，為柴油機(jī)提供燃料。首次探討降低油耗率和排放量的有效方法[7]。Chen K S 等人通過實(shí)驗(yàn)論證了乳化生物液/棕櫚生物柴油/柴油混合燃料在降低柴油機(jī)多環(huán)芳烴（PAHs）和顆粒物（PM）排放和節(jié)能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8]。

鑒于國內(nèi)化工技術(shù)和合成工藝等影響，相關(guān)節(jié)能添加劑產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，主要集中在鉑、鈀、銠的有機(jī)配體的配方式研制上，其中長時(shí)間工作的不穩(wěn)定性較為突出，若是運(yùn)用在鉆井工程領(lǐng)域極易誘發(fā)安全問題。從原理上來開，相關(guān)燃油節(jié)能添加劑主要集中在催化劑類、表面活性劑類、由稀土配體化合物和表面活性劑、核磁處理納米稀土活性催化劑四大類。而鑒于成本與使用環(huán)境的不同。研究納米稀土活性催化劑和核磁處理納米稀土活性催化劑等高附加值產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)和個(gè)人較多，成果可靠性也較好[9-11]。基于前人研究所得，以石油工程鉆井機(jī)械為研究框架，設(shè)立相關(guān)添加劑樣品，并作實(shí)驗(yàn)研究。為石油石化節(jié)能領(lǐng)域的發(fā)展提供建設(shè)性意見。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

研究基于現(xiàn)有節(jié)能、潤滑性試驗(yàn)臺(tái)架，運(yùn)用0#柴油為實(shí)驗(yàn)載體添加不同節(jié)能添加劑進(jìn)行4 種樣品的制備。并在通用鉆井機(jī)械平臺(tái)上進(jìn)行可測(cè)物理量的多維參數(shù)測(cè)定，并作對(duì)比性數(shù)據(jù)分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在此首先進(jìn)行樣品制備，取同批次0#柴油，分別分為4 等份，并加入3 種燃油添加劑作為節(jié)能性能與潤滑性能對(duì)比評(píng)價(jià)。不同規(guī)格燃油試驗(yàn)樣品見表1。

表1 不同規(guī)格燃油試驗(yàn)樣品

在設(shè)備與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建方面，為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)添加劑節(jié)能與潤滑效果[12]。選用通用型4190ZLC 型柴油機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下的不同樣品對(duì)比，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)能分析，通過對(duì)樣品一的比對(duì)，以節(jié)油率為可變參數(shù)計(jì)算分析論證不同節(jié)能添加劑的好壞，節(jié)能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)見表2。在選用東風(fēng)牌4135AD 型柴油機(jī)4 種樣品四0 h/80 h/120 h/160 h/200 h 的運(yùn)行，并以柴油中鐵的含量為可測(cè)物理量參考，從而判定發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑性能，其中潤滑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)缸徑X 行程為135 mm×150 mm。標(biāo)定轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

表2 節(jié)能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先取同批次、同質(zhì)量的0#柴油4 份，依次編號(hào)。然后分別添加不同對(duì)比性添加劑。依據(jù)表1 進(jìn)行不同規(guī)格燃油試驗(yàn)樣品制備。最后將4 份試驗(yàn)樣加入預(yù)定柴油機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下的節(jié)油率參數(shù)對(duì)比，并實(shí)驗(yàn)考察運(yùn)行后柴油含鐵情況評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑性能。

自制納米活性稀土催化復(fù)合物添加劑（NAC-26）主要由納米稀土活性催化劑、表面活性劑、助溶劑和穩(wěn)定劑幾大類組成。而主體納米稀土的制備純化過程參考主流制備過程運(yùn)用氯化稀土為原料，通過有機(jī)酸和有機(jī)胺的混合反應(yīng)，最終在洗滌、除水、除油后再次通過溶膠提純得到合規(guī)納米稀土。在納米活性稀土催化復(fù)合物添加劑配方上參考國內(nèi)外主流研究成果，進(jìn)行多次室內(nèi)試驗(yàn)。最終得出納米活性稀土催化復(fù)合物添加劑配比見表3。

表3 納米活性稀土催化復(fù)合物添加劑配比

試驗(yàn)配方主要以納米稀土活性催化劑為主并在溶液載體下，配以司盤80 為主的油溶性表面活性劑，與ST154 和硝基苯等混合助溶劑。

3 結(jié)果與討論

3.1 機(jī)體損耗實(shí)驗(yàn)

基于前期實(shí)驗(yàn)方案，分別配制不同添加劑的樣品，倒入節(jié)能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)與潤滑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，獲取多組可測(cè)物理量，并通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行結(jié)果計(jì)算[13-15]。

表4 不同樣品變負(fù)荷下節(jié)油率核算

由不同樣品變負(fù)荷下節(jié)油率核算表4 可以看出，多種樣品評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，普遍存在節(jié)油率與負(fù)荷成反比，且英國某品牌節(jié)能添加劑產(chǎn)品與現(xiàn)存國產(chǎn)同類產(chǎn)品節(jié)能效果相差不大，區(qū)別僅僅在25%負(fù)荷時(shí)英國產(chǎn)品相對(duì)優(yōu)于國產(chǎn)產(chǎn)品。而本研究最新研制的（NAC-26）能產(chǎn)品在25%負(fù)荷、50%負(fù)荷、75%負(fù)荷及100%負(fù)荷下均起到優(yōu)良節(jié)能效果，且在同批次產(chǎn)品25%負(fù)荷時(shí)節(jié)油率達(dá)5%，在100%負(fù)荷時(shí)節(jié)油率仍然能達(dá)到2%。

柴油煉制較為簡(jiǎn)單，所以相關(guān)雜質(zhì)較多。以硫、水分、微生物、蠟質(zhì)等為代表的雜質(zhì)極易損壞柴油機(jī)本體。產(chǎn)生燃燒沉淀物，通俗來講為積碳。積碳形式可分為燃燒后直接沉積物堆積和膠狀物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化。該種物質(zhì)能黏附在燃油濾清器上導(dǎo)致輸油效果不佳，霧化性不良最終誘發(fā)柴油機(jī)工作異常。同時(shí)進(jìn)氣門、活塞各處、燃燒室以及火花塞等處的積碳還會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)故障。雖然積碳不能避免但是可以通過節(jié)能添加劑進(jìn)行保護(hù)可以預(yù)防或者減少積碳的產(chǎn)生，降低熱損失提高機(jī)械效率[16]。

本次實(shí)驗(yàn)所研NAC-26 添加劑在節(jié)能效果上能強(qiáng)化柴油霧化程度，保證燃油連續(xù)供給。而該種添加劑中含有大量靜磁作用的稀土金屬催化劑，能在納米稀土微粒表面提高負(fù)離子或親核試劑的配合物成功率。在保證催化活性的同時(shí)利于永久活性中心的形成。有效減少積碳，同時(shí)強(qiáng)化烴類有用成分的燃燒。

3.2 含鐵量測(cè)定實(shí)驗(yàn)

對(duì)四種樣品在40 h、80 h、120 h、160 h、200 h進(jìn)行含鐵量測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表5、表6，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越久磨損越嚴(yán)重。但隨著油品潤滑膜的形成柴油中含鐵量會(huì)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而相對(duì)降低。通過直觀的柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間與含鐵量測(cè)定可知使用樣品一、二、三的柴油含鐵相對(duì)樣品四顯著偏高，而對(duì)比柴油中鐵的降低率與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間關(guān)系可知，運(yùn)用上述產(chǎn)品的柴油機(jī)機(jī)械磨損較為嚴(yán)重。而觀測(cè)樣品四后的參數(shù)運(yùn)行時(shí)間可知，相同運(yùn)行時(shí)間下不同樣品的含鐵降低率明顯不同。樣品四優(yōu)于其他產(chǎn)品，特別是在200 h 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間后含鐵降低率高達(dá)39.7%相比不添加任何節(jié)能產(chǎn)品的樣品一，成明顯優(yōu)勢(shì)。

表5 柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間與含鐵量測(cè)定 單位：mg/L

表6 柴油中鐵的降低率與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間關(guān)系 單位：%

通過上述實(shí)驗(yàn)可知，節(jié)能效果會(huì)在柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行下凸顯，且最高為5%。而運(yùn)用同種柴油添加不同節(jié)能添加劑會(huì)得到較大差別的節(jié)能效果體驗(yàn)。所以在產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域，需要同時(shí)關(guān)注優(yōu)化不同負(fù)荷運(yùn)行工況下的燃燒效率和潤滑性能，以綜合配比達(dá)到添加劑的經(jīng)濟(jì)效能，以得到市場(chǎng)認(rèn)可[17]。

4 結(jié)論

1）通過實(shí)驗(yàn)研究，該實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)節(jié)能添加劑可有效解決柴油燃燒不完全、發(fā)動(dòng)機(jī)磨損等技術(shù)難題。

2）最新研制的自制納米活性稀土復(fù)合物添加劑在25%負(fù)荷、50 負(fù)荷、75%負(fù)荷及100%負(fù)荷下均起到優(yōu)良的節(jié)能效果。

3）在機(jī)油中的痕量金屬鐵含量測(cè)定中，NAC-26 添加劑在設(shè)備運(yùn)行200 h 后鐵降低率為39.7%，相比不添加任何節(jié)能產(chǎn)品的柴油，有一定的優(yōu)勢(shì)。