工程機械柴油機油在壓裂車上的應用研究

郭鵬,金鵬,焦軍平,張勤

(中國石油蘭州潤滑油研究開發中心，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

工程機械設備種類眾多，目前我國的工程機械主要以柴油機為動力。工程機械主要由工作裝置、底盤、液壓系統、發動機系統、傳動系統、電氣系統、空調等組成，在行駛、工作過程中，各部分都有進行相對運動(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動工況相適應的潤滑材料，我國的工程機械設備種類較多，對潤滑油品種的要求也比較多[1-8]。壓裂車是壓裂施工作業中的核心部件,在降低油氣開采成本、提高開采效率方面具有非常重要的作用。壓裂車主要用于油氣田的深井區、中深井區及淺井區的各種壓裂作業，它既可以進行單車壓裂作業，也可聯機作業。我國的壓裂車組主要分布在中國石油和中國石化的石油工程技術公司，為保障我國石油和天然氣的開采發揮著重要作用[9-10]。

壓裂車主要由運載、動力、傳動、泵體等4大部分組成，壓裂車工作時,由臺上發動機驅動變速箱,通過傳動軸帶動五缸柱塞泵,而由混砂車混合好的壓裂液通過管匯連接到五缸柱塞泵的低壓4寸吸入口,低壓壓裂液經五缸柱塞泵增壓,再通過五缸柱塞泵的高壓管匯注入井下。現場施工對壓裂車的技術性能要求很高，壓裂車必須具有壓力高、排量大、耐腐蝕、抗磨損性強等特點。因此，鑒于壓裂車的重要性和工況的復雜性，國內油氣田作業的壓裂車使用的發動機油為國外某品牌的HBW-1號且價格較高。因此，為了降低壓裂車發動機保養成本，需要開發一款性價比高且滿足壓裂車使用要求的工程機械柴油機油[11-14]。

1 工程機械柴油機油的研制

壓裂車作為高成本特種設備，在井下的工作時間長，對發動機油的要求非常高,不僅要求油品具有良好的黏溫性、抗腐蝕性等，還得有優異的抗氧化性和長的換油期，以保證壓裂車能夠在不同環境下長時間連續運行，保障油氣的開采工作順利進行。因此，工程機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配其他添加劑研制了一款工程機械柴油機油XS-A，將該產品與HBW-1號進行理化對比分析和模擬性能評價，理化分析結果見表1，模擬評價見表2。

表1 工程機械柴油機油XS-A與HBW-1號理化性能分析

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

表2 工程機械柴油機油XS-A與HBW-1號的性能模擬評價

從表2的抗氧化和清凈性評價結果可以看出，工程機械柴油機油XS-A的氧化誘導期和旋轉氧彈測試的結果明顯優于HBW-1，說明工程機械柴油機油XS-A的抗氧化性能要優于HBW-1，2者的熱管氧化測試結果相當，說明2者的清凈性能也相當。

2 壓裂車實驗部分

2.1 試驗車輛

試驗選用8臺型號相同的壓裂車，車輛型號為YLC1860-140，發動機是由德國MTU公司生產的16V4000，燃料噴射系統為高壓共軌，滿足國Ⅲ排放標準要求，壓裂車運行區域為川西某油田。車輛具體參數見表3，車輛使用油品編號見表4。

表3 壓裂車發動機主要參數

表4 壓裂車試驗使用油品編號

2.2 試驗取樣

按照試驗要求，運行前對發動機進行清洗，更換濾芯后裝新油。將新油裝入發動機，運行10～20 min后，取出約200 mL樣品作為0 h油樣。在車輛運行后，定期進行油樣取樣，每次采樣200 mL，對油樣進行分析檢測，參考GB/T 7607-2010中的換油指標，判斷油品的各項指標是否正常，壓裂車運行是否繼續，換油指標見表5。

表5 GB/T 7607-2010柴油機油推薦換油指標

3 試驗結果與討論

(1)運動黏度變化

柴油機油運動黏度的變化趨勢是反映油品實際使用效能的重要理化指標之一，柴油機油在實際使用過程中的抗剪切能力、抗氧化等能力可通過運動黏度的變化程度來表征。壓裂車試驗過程中油品100 ℃運動黏度隨發動機運行時間的變化趨勢如圖1所示。

圖1 油品運動黏度隨壓裂車運行時間的變化

從圖1可以看出1#～5#壓裂車運行過程中，在0～500 h黏度有輕微的剪切下降，后期的黏度基本沒有變化，說明油品的使用性能良好。搭載HBW-1油品的6#～8#車油品黏度變化與XS-A工程機械柴油機油的黏度也基本保持平穩。

(2)酸值變化

柴油機油的酸值增加源于油品在使用中高溫氧化產生的中間產物及燃燒產生的部分酸性物質，這些物質存在表現為油品的酸值增大。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，不僅會造成機械腐蝕，同時還會促進潤滑油變質，生成油泥，增加機械磨損，通過酸值的變化程度可以判斷油品在使用中的變質程度。壓裂車試驗過程中油品酸值隨壓裂車運行時間的變化趨勢如圖2所示。

圖2 油品酸值隨壓裂車運行時間的變化

從圖2可以看出1#～5#壓裂車在1000 h的運行過程中，XS-A工程機械柴油機油的酸值增加不到一個單位，油品酸值變化不明顯，說明油品具有很好的酸中和能力。搭載HBW-1號的6#～8#車油品的酸值變化與XS-A工程機械柴油機油的酸值變化情況類似。

(3)堿值變化

柴油機油的堿值來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油中的堿性添加劑要中和氧化及燃燒而產出的酸性物質，從而使堿添加劑損耗，致使油品的堿值下降。壓裂車試驗過程中油品堿值隨壓裂車運行時間的變化趨勢如圖3所示。

圖3 油品堿值隨壓裂車運行時間的變化

從圖3可以看出1#～5#壓裂車在運行過程中，XS-A工程機械柴油機油的堿值基本保持平穩，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號的6#～8#車油品的酸值變化與XS-A工程機械柴油機油的堿值變化情況類似，后期可能是油品中混入了冷卻液，導致油品的堿值略有增加。

(4)元素變化

通過對在用油品中元素含量的監測，可判斷發動機的潤滑狀態，判斷發動機的磨損情況，磨損元素的變化情況也可以直接反映發動機運行過程中各摩擦副的磨損情況，直觀反映機油的抗磨性能。壓裂車運行試驗過程油品銅、鐵、硅、鈉含量的變化見圖4～7所示。

圖4 油品銅含量隨壓裂車運行時間的變化

圖5 油品鐵含量隨壓裂車運行時間的變化

圖6 油品硅含量隨壓裂車運行時間的變化

圖7 油品鈉含量隨壓裂車運行時間的變化

從圖4～7的元素含量變化可以看出，壓裂車在1000 h的運行過程中，搭載工程機械柴油機油XS-A車輛的銅元素含量在0～500 h內略有增加，后期的運行中銅元素含量基本保持穩定；鐵元素含量很小，說明沒有發生明顯的磨損；硅元素的含量變化緩和，說明油品沒有大量沙塵混進油品；在后期鈉含量增加，說明有冷卻液混入油品中。搭載HBW-1號油品的車輛銅元素含量增加較為明顯，其中8#車銅元素含量增加到30 μg/g，較其他車輛的含量高些，鐵元素含量增加不明顯，硅含量、鈉含量變化與XS-A工程機械柴油機油的變化情況類似。

(5)氧化值、硝化值變化

氧化值、硝化值反映油品使用過程中生成氧化物和硝化物的含量。氧化物、硝化物會導致油品黏度增高、酸值增加、漆膜和油泥生成，造成濾網堵塞、顏色變深、磨損加劇、潤滑性變差、機件生銹和腐蝕等。壓裂車運行試驗過程氧化值、硝化值變化趨勢如圖8、圖9所示。

圖8 油品氧化值隨壓裂車運行時間的變化

圖9 油品硝化值隨壓裂車運行時間的變化

從圖8、圖9的氧化值、硝化值變化可以看出，隨著試驗運行時間的增加，氧化物和硝化物平穩變化，油品沒有發生明顯的氧化衰敗，說明XS-A工程機械柴油機油性能優良，能夠滿足壓裂車發動機的潤滑需求。搭載HBW-1號的6#～8#車油品的氧化值、硝化值變化與XS-A工程機械柴油機油的情況類似。

4 結論

(1)壓裂車在保障油氣田的開采方面具有重要的意義，研制開發了一款性價比高的工程機械柴油機油XS-A，具有優異的抗氧化性能和較長的換油周期。

(2)研制的工程機械柴油機油XS-A在YLC1860-140型壓裂車上運行了1000 h，油液檢測結果表明油品的性能可靠，各項指標均在換油指標范圍內，可滿足壓裂車的使用要求。通過本次應用研究發現，因為壓裂車機油的加注量大，所以機油的理化指標變化比較緩和，但到后期明顯發現有較多的冷卻液混入，這與壓裂車長時間的運行工況是有關系的，因此為了保護發動機，應該在適當的時候對機油進行更換。