钻井机械柴油稀土添加剂节能规律

侯卓识（中国石油大庆油田分公司采油工程研究院）

1 概况

随着石油工业的发展，水平井、超深井工艺得到了长效的发展，后续复杂油气藏环境下的甜点区钻探更是需要现场钻井工艺的不断发展。在钻井工程中柴油钻机的稳定性和耐久性是保障单井成功率的关键[1]。而相应节能添加剂的运用能在节约单耗成本的同时降低钻井故障率。提高工作效率，保障安全生产[2]。

在柴油机节能添加剂研究领域。国内进行了大规模基础研究实验，朱国朝等人在Y4100Q 自然吸气柴油机试验台架上使用0#柴油及加入6 种不同添加剂的0#柴油，对两者进行比较。给出了柴油机排放物CO，HC，NOX，PM 及燃油消耗率的测试结果。分析了排放物的生成机理及不同成分或不同量的添加剂对柴油机排放和燃油消耗率的影响[3]。廖梓珺等人开展了低压氧弹燃烧法评定柴油添加剂的节能效果实验，采用发热量变化率和每克柴油燃烧后残余物质量变化率进行模拟评定，并将该模拟评定结果与发动机台架试验和锅炉试验进行灰色相关分析[4]。张鸿超等人对柴油添加剂节能与消烟问题进行实验研究，运用实例进行了“力恒柴油添加剂”和“科林凯尾气净化装置”的组合式运用对比[5]。

国外相关研究，Chao Z H 等人以节能环保为立足点，对柴油添加剂的节能降烟进行试验研究[6]。Lin Y C 等人选择大豆生物柴油作为试验生物柴油。以96.5 wt%天然有机酶-7F（NOE-7F）和3.5 wt%水（NOE-7F 水）为燃料添加剂。通过在燃料混合物中添加1%的表面活性剂，利用纳米技术形成乳化生物溶液/大豆生物柴油/PDF 混合物，为柴油机提供燃料。首次探讨降低油耗率和排放量的有效方法[7]。Chen K S 等人通过实验论证了乳化生物液/棕榈生物柴油/柴油混合燃料在降低柴油机多环芳烃（PAHs）和颗粒物（PM）排放和节能方面具有明显的优势[8]。

鉴于国内化工技术和合成工艺等影响，相关节能添加剂产品质量参差不齐，主要集中在铂、钯、铑的有机配体的配方式研制上，其中长时间工作的不稳定性较为突出，若是运用在钻井工程领域极易诱发安全问题。从原理上来开，相关燃油节能添加剂主要集中在催化剂类、表面活性剂类、由稀土配体化合物和表面活性剂、核磁处理纳米稀土活性催化剂四大类。而鉴于成本与使用环境的不同。研究纳米稀土活性催化剂和核磁处理纳米稀土活性催化剂等高附加值产品的机构和个人较多，成果可靠性也较好[9-11]。基于前人研究所得，以石油工程钻井机械为研究框架，设立相关添加剂样品，并作实验研究。为石油石化节能领域的发展提供建设性意见。

2 室内实验

研究基于现有节能、润滑性试验台架，运用0#柴油为实验载体添加不同节能添加剂进行4 种样品的制备。并在通用钻井机械平台上进行可测物理量的多维参数测定，并作对比性数据分析。

2.1 实验材料

在此首先进行样品制备，取同批次0#柴油，分别分为4 等份，并加入3 种燃油添加剂作为节能性能与润滑性能对比评价。不同规格燃油试验样品见表1。

表1 不同规格燃油试验样品

在设备与实验台架搭建方面，为了系统评价添加剂节能与润滑效果[12]。选用通用型4190ZLC 型柴油机进行不同转速负荷下的不同样品对比，并记录相关数据进行节能分析，通过对样品一的比对，以节油率为可变参数计算分析论证不同节能添加剂的好坏，节能评价实验台参数见表2。在选用东风牌4135AD 型柴油机4 种样品四0 h/80 h/120 h/160 h/200 h 的运行，并以柴油中铁的含量为可测物理量参考，从而判定发动机润滑性能，其中润滑性能评价实验台缸径X 行程为135 mm×150 mm。标定转速1 500 r/min。

表2 节能评价实验台参数

2.2 实验步骤

首先取同批次、同质量的0#柴油4 份，依次编号。然后分别添加不同对比性添加剂。依据表1 进行不同规格燃油试验样品制备。最后将4 份试验样加入预定柴油机进行不同转速负荷下的节油率参数对比，并实验考察运行后柴油含铁情况评估发动机润滑性能。

自制纳米活性稀土催化复合物添加剂（NAC-26）主要由纳米稀土活性催化剂、表面活性剂、助溶剂和稳定剂几大类组成。而主体纳米稀土的制备纯化过程参考主流制备过程运用氯化稀土为原料，通过有机酸和有机胺的混合反应，最终在洗涤、除水、除油后再次通过溶胶提纯得到合规纳米稀土。在纳米活性稀土催化复合物添加剂配方上参考国内外主流研究成果，进行多次室内试验。最终得出纳米活性稀土催化复合物添加剂配比见表3。

表3 纳米活性稀土催化复合物添加剂配比

试验配方主要以纳米稀土活性催化剂为主并在溶液载体下，配以司盘80 为主的油溶性表面活性剂，与ST154 和硝基苯等混合助溶剂。

3 结果与讨论

3.1 机体损耗实验

基于前期实验方案，分别配制不同添加剂的样品，倒入节能评价实验台与润滑性能评价实验台，获取多组可测物理量，并通过实验方法进行结果计算[13-15]。

表4 不同样品变负荷下节油率核算

由不同样品变负荷下节油率核算表4 可以看出，多种样品评测数据显示，普遍存在节油率与负荷成反比，且英国某品牌节能添加剂产品与现存国产同类产品节能效果相差不大，区别仅仅在25%负荷时英国产品相对优于国产产品。而本研究最新研制的（NAC-26）能产品在25%负荷、50%负荷、75%负荷及100%负荷下均起到优良节能效果，且在同批次产品25%负荷时节油率达5%，在100%负荷时节油率仍然能达到2%。

柴油炼制较为简单，所以相关杂质较多。以硫、水分、微生物、蜡质等为代表的杂质极易损坏柴油机本体。产生燃烧沉淀物，通俗来讲为积碳。积碳形式可分为燃烧后直接沉积物堆积和胶状物质热转化。该种物质能黏附在燃油滤清器上导致输油效果不佳，雾化性不良最终诱发柴油机工作异常。同时进气门、活塞各处、燃烧室以及火花塞等处的积碳还会导致柴油机故障。虽然积碳不能避免但是可以通过节能添加剂进行保护可以预防或者减少积碳的产生，降低热损失提高机械效率[16]。

本次实验所研NAC-26 添加剂在节能效果上能强化柴油雾化程度，保证燃油连续供给。而该种添加剂中含有大量静磁作用的稀土金属催化剂，能在纳米稀土微粒表面提高负离子或亲核试剂的配合物成功率。在保证催化活性的同时利于永久活性中心的形成。有效减少积碳，同时强化烃类有用成分的燃烧。

3.2 含铁量测定实验

对四种样品在40 h、80 h、120 h、160 h、200 h进行含铁量测定，测定结果见表5、表6，柴油机运转时间越久磨损越严重。但随着油品润滑膜的形成柴油中含铁量会随着运行时间的增加而相对降低。通过直观的柴油机运行时间与含铁量测定可知使用样品一、二、三的柴油含铁相对样品四显著偏高，而对比柴油中铁的降低率与运转时间关系可知，运用上述产品的柴油机机械磨损较为严重。而观测样品四后的参数运行时间可知，相同运行时间下不同样品的含铁降低率明显不同。样品四优于其他产品，特别是在200 h 运转时间后含铁降低率高达39.7%相比不添加任何节能产品的样品一，成明显优势。

表5 柴油机运行时间与含铁量测定 单位：mg/L

表6 柴油中铁的降低率与运转时间关系 单位：%

通过上述实验可知，节能效果会在柴油机低负荷运行下凸显，且最高为5%。而运用同种柴油添加不同节能添加剂会得到较大差别的节能效果体验。所以在产品研发领域，需要同时关注优化不同负荷运行工况下的燃烧效率和润滑性能，以综合配比达到添加剂的经济效能，以得到市场认可[17]。

4 结论

1）通过实验研究，该实验预设节能添加剂可有效解决柴油燃烧不完全、发动机磨损等技术难题。

2）最新研制的自制纳米活性稀土复合物添加剂在25%负荷、50 负荷、75%负荷及100%负荷下均起到优良的节能效果。

3）在机油中的痕量金属铁含量测定中，NAC-26 添加剂在设备运行200 h 后铁降低率为39.7%，相比不添加任何节能产品的柴油，有一定的优势。