鉆井機械柴油稀土添加劑節能規律

侯卓識（中國石油大慶油田分公司采油工程研究院）

1 概況

隨著石油工業的發展，水平井、超深井工藝得到了長效的發展，后續復雜油氣藏環境下的甜點區鉆探更是需要現場鉆井工藝的不斷發展。在鉆井工程中柴油鉆機的穩定性和耐久性是保障單井成功率的關鍵[1]。而相應節能添加劑的運用能在節約單耗成本的同時降低鉆井故障率。提高工作效率，保障安全生產[2]。

在柴油機節能添加劑研究領域。國內進行了大規模基礎研究實驗，朱國朝等人在Y4100Q 自然吸氣柴油機試驗臺架上使用0#柴油及加入6 種不同添加劑的0#柴油，對兩者進行比較。給出了柴油機排放物CO，HC，NOX，PM 及燃油消耗率的測試結果。分析了排放物的生成機理及不同成分或不同量的添加劑對柴油機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定柴油添加劑的節能效果實驗，采用發熱量變化率和每克柴油燃燒后殘余物質量變化率進行模擬評定，并將該模擬評定結果與發動機臺架試驗和鍋爐試驗進行灰色相關分析[4]。張鴻超等人對柴油添加劑節能與消煙問題進行實驗研究，運用實例進行了“力恒柴油添加劑”和“科林凱尾氣凈化裝置”的組合式運用對比[5]。

國外相關研究，Chao Z H 等人以節能環保為立足點，對柴油添加劑的節能降煙進行試驗研究[6]。Lin Y C 等人選擇大豆生物柴油作為試驗生物柴油。以96.5 wt%天然有機酶-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，利用納米技術形成乳化生物溶液/大豆生物柴油/PDF 混合物，為柴油機提供燃料。首次探討降低油耗率和排放量的有效方法[7]。Chen K S 等人通過實驗論證了乳化生物液/棕櫚生物柴油/柴油混合燃料在降低柴油機多環芳烴（PAHs）和顆粒物（PM）排放和節能方面具有明顯的優勢[8]。

鑒于國內化工技術和合成工藝等影響，相關節能添加劑產品質量參差不齊，主要集中在鉑、鈀、銠的有機配體的配方式研制上，其中長時間工作的不穩定性較為突出，若是運用在鉆井工程領域極易誘發安全問題。從原理上來開，相關燃油節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品的機構和個人較多，成果可靠性也較好[9-11]。基于前人研究所得，以石油工程鉆井機械為研究框架，設立相關添加劑樣品，并作實驗研究。為石油石化節能領域的發展提供建設性意見。

2 室內實驗

研究基于現有節能、潤滑性試驗臺架，運用0#柴油為實驗載體添加不同節能添加劑進行4 種樣品的制備。并在通用鉆井機械平臺上進行可測物理量的多維參數測定，并作對比性數據分析。

2.1 實驗材料

在此首先進行樣品制備，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能性能與潤滑性能對比評價。不同規格燃油試驗樣品見表1。

表1 不同規格燃油試驗樣品

在設備與實驗臺架搭建方面，為了系統評價添加劑節能與潤滑效果[12]。選用通用型4190ZLC 型柴油機進行不同轉速負荷下的不同樣品對比，并記錄相關數據進行節能分析，通過對樣品一的比對，以節油率為可變參數計算分析論證不同節能添加劑的好壞，節能評價實驗臺參數見表2。在選用東風牌4135AD 型柴油機4 種樣品四0 h/80 h/120 h/160 h/200 h 的運行，并以柴油中鐵的含量為可測物理量參考，從而判定發動機潤滑性能，其中潤滑性能評價實驗臺缸徑X 行程為135 mm×150 mm。標定轉速1 500 r/min。

表2 節能評價實驗臺參數

2.2 實驗步驟

首先取同批次、同質量的0#柴油4 份，依次編號。然后分別添加不同對比性添加劑。依據表1 進行不同規格燃油試驗樣品制備。最后將4 份試驗樣加入預定柴油機進行不同轉速負荷下的節油率參數對比，并實驗考察運行后柴油含鐵情況評估發動機潤滑性能。

自制納米活性稀土催化復合物添加劑（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用氯化稀土為原料，通過有機酸和有機胺的混合反應，最終在洗滌、除水、除油后再次通過溶膠提純得到合規納米稀土。在納米活性稀土催化復合物添加劑配方上參考國內外主流研究成果，進行多次室內試驗。最終得出納米活性稀土催化復合物添加劑配比見表3。

表3 納米活性稀土催化復合物添加劑配比

試驗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 結果與討論

3.1 機體損耗實驗

基于前期實驗方案，分別配制不同添加劑的樣品，倒入節能評價實驗臺與潤滑性能評價實驗臺，獲取多組可測物理量，并通過實驗方法進行結果計算[13-15]。

表4 不同樣品變負荷下節油率核算

由不同樣品變負荷下節油率核算表4 可以看出，多種樣品評測數據顯示，普遍存在節油率與負荷成反比，且英國某品牌節能添加劑產品與現存國產同類產品節能效果相差不大，區別僅僅在25%負荷時英國產品相對優于國產產品。而本研究最新研制的（NAC-26）能產品在25%負荷、50%負荷、75%負荷及100%負荷下均起到優良節能效果，且在同批次產品25%負荷時節油率達5%，在100%負荷時節油率仍然能達到2%。

柴油煉制較為簡單，所以相關雜質較多。以硫、水分、微生物、蠟質等為代表的雜質極易損壞柴油機本體。產生燃燒沉淀物，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熱轉化。該種物質能黏附在燃油濾清器上導致輸油效果不佳，霧化性不良最終誘發柴油機工作異常。同時進氣門、活塞各處、燃燒室以及火花塞等處的積碳還會導致柴油機故障。雖然積碳不能避免但是可以通過節能添加劑進行保護可以預防或者減少積碳的產生，降低熱損失提高機械效率[16]。

本次實驗所研NAC-26 添加劑在節能效果上能強化柴油霧化程度，保證燃油連續供給。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離子或親核試劑的配合物成功率。在保證催化活性的同時利于永久活性中心的形成。有效減少積碳，同時強化烴類有用成分的燃燒。

3.2 含鐵量測定實驗

對四種樣品在40 h、80 h、120 h、160 h、200 h進行含鐵量測定，測定結果見表5、表6，柴油機運轉時間越久磨損越嚴重。但隨著油品潤滑膜的形成柴油中含鐵量會隨著運行時間的增加而相對降低。通過直觀的柴油機運行時間與含鐵量測定可知使用樣品一、二、三的柴油含鐵相對樣品四顯著偏高，而對比柴油中鐵的降低率與運轉時間關系可知，運用上述產品的柴油機機械磨損較為嚴重。而觀測樣品四后的參數運行時間可知，相同運行時間下不同樣品的含鐵降低率明顯不同。樣品四優于其他產品，特別是在200 h 運轉時間后含鐵降低率高達39.7%相比不添加任何節能產品的樣品一，成明顯優勢。

表5 柴油機運行時間與含鐵量測定 單位：mg/L

表6 柴油中鐵的降低率與運轉時間關系 單位：%

通過上述實驗可知，節能效果會在柴油機低負荷運行下凸顯，且最高為5%。而運用同種柴油添加不同節能添加劑會得到較大差別的節能效果體驗。所以在產品研發領域，需要同時關注優化不同負荷運行工況下的燃燒效率和潤滑性能，以綜合配比達到添加劑的經濟效能，以得到市場認可[17]。

4 結論

1）通過實驗研究，該實驗預設節能添加劑可有效解決柴油燃燒不完全、發動機磨損等技術難題。

2）最新研制的自制納米活性稀土復合物添加劑在25%負荷、50 負荷、75%負荷及100%負荷下均起到優良的節能效果。

3）在機油中的痕量金屬鐵含量測定中，NAC-26 添加劑在設備運行200 h 后鐵降低率為39.7%，相比不添加任何節能產品的柴油，有一定的優勢。