工程機(jī)械柴油機(jī)油在壓裂車(chē)上的應(yīng)用研究

郭鵬,金鵬,焦軍平,張勤

(中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

工程機(jī)械設(shè)備種類(lèi)眾多，目前我國(guó)的工程機(jī)械主要以柴油機(jī)為動(dòng)力。工程機(jī)械主要由工作裝置、底盤(pán)、液壓系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、空調(diào)等組成，在行駛、工作過(guò)程中，各部分都有進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)(相互接觸，且接觸面的垂直方向受壓力)的零部件，這些零部件都需要加注與其運(yùn)動(dòng)工況相適應(yīng)的潤(rùn)滑材料，我國(guó)的工程機(jī)械設(shè)備種類(lèi)較多，對(duì)潤(rùn)滑油品種的要求也比較多[1-8]。壓裂車(chē)是壓裂施工作業(yè)中的核心部件,在降低油氣開(kāi)采成本、提高開(kāi)采效率方面具有非常重要的作用。壓裂車(chē)主要用于油氣田的深井區(qū)、中深井區(qū)及淺井區(qū)的各種壓裂作業(yè)，它既可以進(jìn)行單車(chē)壓裂作業(yè)，也可聯(lián)機(jī)作業(yè)。我國(guó)的壓裂車(chē)組主要分布在中國(guó)石油和中國(guó)石化的石油工程技術(shù)公司，為保障我國(guó)石油和天然氣的開(kāi)采發(fā)揮著重要作用[9-10]。

壓裂車(chē)主要由運(yùn)載、動(dòng)力、傳動(dòng)、泵體等4大部分組成，壓裂車(chē)工作時(shí),由臺(tái)上發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變速箱,通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)五缸柱塞泵,而由混砂車(chē)混合好的壓裂液通過(guò)管匯連接到五缸柱塞泵的低壓4寸吸入口,低壓壓裂液經(jīng)五缸柱塞泵增壓,再通過(guò)五缸柱塞泵的高壓管匯注入井下。現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)壓裂車(chē)的技術(shù)性能要求很高，壓裂車(chē)必須具有壓力高、排量大、耐腐蝕、抗磨損性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，鑒于壓裂車(chē)的重要性和工況的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)油氣田作業(yè)的壓裂車(chē)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)油為國(guó)外某品牌的HBW-1號(hào)且價(jià)格較高。因此，為了降低壓裂車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)成本，需要開(kāi)發(fā)一款性?xún)r(jià)比高且滿(mǎn)足壓裂車(chē)使用要求的工程機(jī)械柴油機(jī)油[11-14]。

1 工程機(jī)械柴油機(jī)油的研制

壓裂車(chē)作為高成本特種設(shè)備，在井下的工作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油的要求非常高,不僅要求油品具有良好的黏溫性、抗腐蝕性等，還得有優(yōu)異的抗氧化性和長(zhǎng)的換油期，以保證壓裂車(chē)能夠在不同環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，保障油氣的開(kāi)采工作順利進(jìn)行。因此，工程機(jī)械油品的研制需要特別考慮油品的抗氧化性和換油期[15]。

以烷基水楊酸鹽清凈劑、多種抗氧劑及防老劑復(fù)配其他添加劑研制了一款工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A，將該產(chǎn)品與HBW-1號(hào)進(jìn)行理化對(duì)比分析和模擬性能評(píng)價(jià)，理化分析結(jié)果見(jiàn)表1，模擬評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

表1 工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A與HBW-1號(hào)理化性能分析

從表1的理化分析可以看出，研制的工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A傾點(diǎn)為-42 ℃，低溫動(dòng)力黏度(-25 ℃)為5600 mPa·s，說(shuō)明油品具有很好的黏溫性能，能在較低的環(huán)境溫度下使用。

表2 工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A與HBW-1號(hào)的性能模擬評(píng)價(jià)

從表2的抗氧化和清凈性評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A的氧化誘導(dǎo)期和旋轉(zhuǎn)氧彈測(cè)試的結(jié)果明顯優(yōu)于HBW-1，說(shuō)明工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A的抗氧化性能要優(yōu)于HBW-1，2者的熱管氧化測(cè)試結(jié)果相當(dāng)，說(shuō)明2者的清凈性能也相當(dāng)。

2 壓裂車(chē)實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)選用8臺(tái)型號(hào)相同的壓裂車(chē)，車(chē)輛型號(hào)為YLC1860-140，發(fā)動(dòng)機(jī)是由德國(guó)MTU公司生產(chǎn)的16V4000，燃料噴射系統(tǒng)為高壓共軌，滿(mǎn)足國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)要求，壓裂車(chē)運(yùn)行區(qū)域?yàn)榇ㄎ髂秤吞铩＼?chē)輛具體參數(shù)見(jiàn)表3，車(chē)輛使用油品編號(hào)見(jiàn)表4。

表3 壓裂車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表4 壓裂車(chē)試驗(yàn)使用油品編號(hào)

2.2 試驗(yàn)取樣

按照試驗(yàn)要求，運(yùn)行前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗，更換濾芯后裝新油。將新油裝入發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)行10～20 min后，取出約200 mL樣品作為0 h油樣。在車(chē)輛運(yùn)行后，定期進(jìn)行油樣取樣，每次采樣200 mL，對(duì)油樣進(jìn)行分析檢測(cè)，參考GB/T 7607-2010中的換油指標(biāo)，判斷油品的各項(xiàng)指標(biāo)是否正常，壓裂車(chē)運(yùn)行是否繼續(xù)，換油指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 GB/T 7607-2010柴油機(jī)油推薦換油指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)運(yùn)動(dòng)黏度變化

柴油機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢(shì)是反映油品實(shí)際使用效能的重要理化指標(biāo)之一，柴油機(jī)油在實(shí)際使用過(guò)程中的抗剪切能力、抗氧化等能力可通過(guò)運(yùn)動(dòng)黏度的變化程度來(lái)表征。壓裂車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中油品100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 油品運(yùn)動(dòng)黏度隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

從圖1可以看出1#～5#壓裂車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在0～500 h黏度有輕微的剪切下降，后期的黏度基本沒(méi)有變化，說(shuō)明油品的使用性能良好。搭載HBW-1油品的6#～8#車(chē)油品黏度變化與XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的黏度也基本保持平穩(wěn)。

(2)酸值變化

柴油機(jī)油的酸值增加源于油品在使用中高溫氧化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物及燃燒產(chǎn)生的部分酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)存在表現(xiàn)為油品的酸值增大。油品總酸值的變化反映其氧化衰變的程度，油品的酸值逐漸增大，不僅會(huì)造成機(jī)械腐蝕，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)潤(rùn)滑油變質(zhì)，生成油泥，增加機(jī)械磨損，通過(guò)酸值的變化程度可以判斷油品在使用中的變質(zhì)程度。壓裂車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中油品酸值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 油品酸值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

從圖2可以看出1#～5#壓裂車(chē)在1000 h的運(yùn)行過(guò)程中，XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的酸值增加不到一個(gè)單位，油品酸值變化不明顯，說(shuō)明油品具有很好的酸中和能力。搭載HBW-1號(hào)的6#～8#車(chē)油品的酸值變化與XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的酸值變化情況類(lèi)似。

(3)堿值變化

柴油機(jī)油的堿值來(lái)源于油品中的堿性添加劑，油品堿值的變化反映出油品中某些有效組分被消耗的情況，也反映油品清凈能力衰變的程度。在使用中由于柴油機(jī)油中的堿性添加劑要中和氧化及燃燒而產(chǎn)出的酸性物質(zhì)，從而使堿添加劑損耗，致使油品的堿值下降。壓裂車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中油品堿值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 油品堿值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

從圖3可以看出1#～5#壓裂車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的堿值基本保持平穩(wěn)，后期堿值略有上升，可能是在油品中混入了冷卻液的原因。搭載HBW-1號(hào)的6#～8#車(chē)油品的酸值變化與XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的堿值變化情況類(lèi)似，后期可能是油品中混入了冷卻液，導(dǎo)致油品的堿值略有增加。

(4)元素變化

通過(guò)對(duì)在用油品中元素含量的監(jiān)測(cè)，可判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑狀態(tài)，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況，磨損元素的變化情況也可以直接反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各摩擦副的磨損情況，直觀反映機(jī)油的抗磨性能。壓裂車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程油品銅、鐵、硅、鈉含量的變化見(jiàn)圖4～7所示。

圖4 油品銅含量隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

圖5 油品鐵含量隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

圖6 油品硅含量隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

圖7 油品鈉含量隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

從圖4～7的元素含量變化可以看出，壓裂車(chē)在1000 h的運(yùn)行過(guò)程中，搭載工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A車(chē)輛的銅元素含量在0～500 h內(nèi)略有增加，后期的運(yùn)行中銅元素含量基本保持穩(wěn)定；鐵元素含量很小，說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生明顯的磨損；硅元素的含量變化緩和，說(shuō)明油品沒(méi)有大量沙塵混進(jìn)油品；在后期鈉含量增加，說(shuō)明有冷卻液混入油品中。搭載HBW-1號(hào)油品的車(chē)輛銅元素含量增加較為明顯，其中8#車(chē)銅元素含量增加到30 μg/g，較其他車(chē)輛的含量高些，鐵元素含量增加不明顯，硅含量、鈉含量變化與XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的變化情況類(lèi)似。

(5)氧化值、硝化值變化

氧化值、硝化值反映油品使用過(guò)程中生成氧化物和硝化物的含量。氧化物、硝化物會(huì)導(dǎo)致油品黏度增高、酸值增加、漆膜和油泥生成，造成濾網(wǎng)堵塞、顏色變深、磨損加劇、潤(rùn)滑性變差、機(jī)件生銹和腐蝕等。壓裂車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程氧化值、硝化值變化趨勢(shì)如圖8、圖9所示。

圖8 油品氧化值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

圖9 油品硝化值隨壓裂車(chē)運(yùn)行時(shí)間的變化

從圖8、圖9的氧化值、硝化值變化可以看出，隨著試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的增加，氧化物和硝化物平穩(wěn)變化，油品沒(méi)有發(fā)生明顯的氧化衰敗，說(shuō)明XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油性能優(yōu)良，能夠滿(mǎn)足壓裂車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑需求。搭載HBW-1號(hào)的6#～8#車(chē)油品的氧化值、硝化值變化與XS-A工程機(jī)械柴油機(jī)油的情況類(lèi)似。

4 結(jié)論

(1)壓裂車(chē)在保障油氣田的開(kāi)采方面具有重要的意義，研制開(kāi)發(fā)了一款性?xún)r(jià)比高的工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A，具有優(yōu)異的抗氧化性能和較長(zhǎng)的換油周期。

(2)研制的工程機(jī)械柴油機(jī)油XS-A在YLC1860-140型壓裂車(chē)上運(yùn)行了1000 h，油液檢測(cè)結(jié)果表明油品的性能可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均在換油指標(biāo)范圍內(nèi)，可滿(mǎn)足壓裂車(chē)的使用要求。通過(guò)本次應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閴毫衍?chē)機(jī)油的加注量大，所以機(jī)油的理化指標(biāo)變化比較緩和，但到后期明顯發(fā)現(xiàn)有較多的冷卻液混入，這與壓裂車(chē)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行工況是有關(guān)系的，因此為了保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)該在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候?qū)C(jī)油進(jìn)行更換。