頂部驅動鉆井裝置(TDS)是當今石油鉆井的前沿技術與裝備，代表鉆井工藝技術，機電一體化石油專用設備的最高水平，已經成為深井、復雜井以及出國鉆機的必備設備之一。頂驅鉆井裝置能顯著提高鉆井作業的能力和效率，已成為石油鉆井行業的標準配置。
減速齒輪箱作為動力傳遞裝置，是頂部驅動鉆井裝置的主體部件，負責將電機轉速轉化為負載所需的回轉速度，并起著增大扭矩的作用，所以頂驅減速箱性能的好壞直接關系著頂驅裝置的驅動能力。
頂部驅動鉆井裝置多集中應用在西北和東北地區，高低溫跨度大，環境復雜，作為頂驅關鍵傳動部件的減速箱在工作中承受著巨大的載荷，其使用性能和壽命直接影響著頂驅的工作效率和維修周期。因此，在現場開采過程當中，必須保證頂驅裝置運行的可靠性和工作效率，延長維修周期，這凸顯出對高性能頂驅齒輪油的需求，要求油品具有優異的黏溫特性，保證頂驅裝置在低寒高溫環境下平穩啟動、運行和潤滑保護;優異的泡沫特性和控制溫升的能力，防止泡沫溢出和設備超溫報警、降低設備運轉溫度、提高機械效率;良好的抗磨極壓性，保證重載齒輪運轉順暢、減少齒面擦傷和磨損等。
一、合成頂驅齒輪油的研制
基礎油的選擇
基礎油與油品的性能息息相關，為保證油品具有良好的潤滑效果和溫升特性，頂驅齒輪油一般分為冬季用油和夏季用油，按照40 ℃運動黏度分類，分別選用68號和150號可滿足正常工作需要。
在開采作業時，環境溫度和工況復雜多變，頂驅齒輪油溫度變化范圍很大，黏度也隨之升高或降低，不利于齒輪箱的平穩運行，要求油品具有良好的黏溫特性。此外，由于開采地理位置的不確定性，頂驅裝置在戶外長周期運行情況較多，同時考慮到高海拔地區和北方冬季的寒冷天氣，要求頂驅齒輪油的傾點不高于-45 ℃。
合成聚α-烯烴(PAOs)傾點低，低溫流動性好，剪切安定性和氧化安定性較好，但無法同時滿足頂驅齒輪油的性能要求，同時考慮到對添加劑的溶解能力，合成頂驅齒輪油采用了 PAO4，茂金屬 PAO(mPAO)及飽和多元醇酯(POE)等3種黏溫特性及抗氧化性能較好的全合成基礎油作為調合基礎油。
PAO4，茂金屬 PAO(mPAO)及飽和多元醇酯(POE)等合成基礎油的主要典型性能見表1。
從表 1 中可以看到，PAO4，mPAO 及 POE 等合成基礎油的黏度指數較高，傾點較低，均具有良好的黏溫特性和低溫流動性。
復合劑的選擇
通過對頂驅裝置在用油品理化分析，發現市場在用齒輪油的質量性能滿足 ISO 12925-1 CKD 以及 AGMA9005-E02 的規格要求，同時兼顧經濟性因素，經綜合考慮后選擇昆侖 RHY4026 工業齒輪油復合劑作為擬研制的合成頂驅齒輪油的復合劑。
RHY4026 是一種多功能，通用型工業齒輪油復合劑，為無灰型添加劑配方體系，不僅具有優異的抗磨極壓性、減摩性和良好的防銹抗腐蝕性能，而且具有優異的熱安定性、抗乳化性和抗泡性，性價比優于國內外同類復合劑，其典型性能見表2。
在全合成基礎油(PAO4+mPAO+POE)中添加2.5%質量分數的RHY4026工業齒輪油復合劑即可得到滿足抗磨極壓、防銹抗腐蝕等性能要求的合成頂驅齒輪油(為方便，簡稱基礎頂驅齒輪油，以下同)。
頂驅裝置通常是在荒郊野嶺等惡劣工況條件下工作，齒輪箱容易受到泥漿、水分和粉塵等外界污染，加速油品老化和起泡等，因此要求頂驅齒輪油具有良好的泡沫特性，對頂驅齒輪油抑制泡沫產生和加快泡沫消散的能力都提出了很高要求。
采用烘箱高溫加速油品氧化的方法(恒溫 72 h，3輪試驗)，并按照《潤滑油泡沫特性測定法》：GB/T 12579 國家標準對基礎頂驅齒輪油的泡沫特性進行了考察，并與市場上在用的進口頂驅齒輪油的泡沫特性進行了對比，結果見表3。
從表3中可以看到，市場在用的進口頂驅齒輪油經過2輪高溫氧化試驗(144 h)后，泡沫特性仍然較好;而基礎頂驅齒輪油在第 1 輪氧化(72 h)后泡沫特性滿足指標要求，但第2輪氧化(144 h)后泡沫特性下降明顯，已不滿足指標要求。
如果頂驅裝置在長時間高溫運行狀態下泡沫無法及時消除，可能會造成裝置超溫報警而停機，或因油中氣泡無法及時消除導致潤滑油膜變薄，出現齒輪箱軸承及齒面間的異常磨損等潛在風險，為此對抗泡劑進行了考察。
抗泡劑的考察
有機硅型抗泡劑的消泡能力強，空氣釋放性和抗泡持久性差，對調和工藝敏感;而非硅型抗泡劑 與有機硅型抗泡劑相比，抗泡持久性和空氣釋放性較好，對調和方式要求不高。
考慮到頂驅設備運行工況的復雜性及惡劣性，根據經驗選取了 2 種硅油(加入量 20 μg/g)和其他非硅型/改性硅聚合物(加入量 100 μg/g)組成的復合抗泡劑加入到基礎頂驅齒輪油中進行了考察，通過烘箱老化試驗篩選復合抗泡劑，結果見表4。
從表4的考察中可以看到，由甲基硅油(T901，20 μg/g)+改性硅聚合物(加入量 100 μg/g)組成的復合抗泡劑的泡沫特性達到進口頂驅齒輪油泡沫特性的水平(參見表 3)且更穩定，由此確定擬研制的頂驅齒輪油的復合抗泡劑為20 μg/g的甲基硅油與100 μg/g的改性硅聚合物。
合成頂驅齒輪油組成
通過對基礎油，復合劑的選擇及對復合抗泡劑的考察，擬研制的合成頂驅齒輪油由全合成基礎油(PAO4+ 茂金屬 PAO+ 飽和多元醇酯)，2.5% 的 RHY4026復合劑及120 μg/g的復合抗泡劑(20 μg/g 甲基硅油+100 μg/g改性硅聚合物)組成。
二、合成頂驅齒輪油的性能
對研制的 68 號合成頂驅齒輪油和 150 號合成頂驅齒輪油的性能進行了評價，并與進口頂驅齒輪油的性能進行了對比，見表5。
從表5的對比中可以看到，研制的 68號和150號合成頂驅齒輪油具有良好的低溫性能，黏溫特性，泡沫特性，抗磨極壓性以及抗氧化性能，與市場在用的進口頂驅齒輪油的性能相當。
此外，溫升也是合成頂驅齒輪油的重要評價指標之一。在頂驅裝置運轉過程中，齒輪油受到剪切和壓縮產生熱量，會引起溫度升高，從而導致油品黏度下降，使用壽命縮短，進而影響到齒輪油的承載能力，嚴重時會引起設備超溫報警，因此在實際使用過程中，還需要嚴格控制頂驅齒輪油的溫升。
采用 VKA110 四球試驗機繪制了研制的合成頂驅齒輪油的溫度隨試驗時間的變化曲線，并與進口頂驅齒輪油進行了對比，見圖1。
從圖1的溫升曲線可以看到，研制的合成頂驅齒輪油(68 號和 150 號)的溫度低于相應的進口頂驅齒輪油(68號和150號)的溫度，說明研制的合成頂驅齒輪油(68 號和 150 號)具有更好的溫度控制能力，可降低齒輪油的工作溫度。
三、合成頂驅齒輪油的應用
研制的合成頂驅齒輪油(150號)在某鉆探公司頂驅裝置上進行了現場應用，經過260余天的跟蹤監測發現，頂驅裝置現場的輸出扭矩最高為14.3 kN·m，工作轉速最高為 98.2 r/min，齒輪箱油的溫度穩定在34.8 ℃～49.6 ℃之間(頂驅減速箱油溫報警值為 60 ℃)，說明研制的合成頂驅齒輪油有良好的溫度控制能力，完全能夠滿足頂驅裝置的潤滑要求。
四、結論
(1)合成頂驅齒輪油由合成基礎油(PAO4+ mPAO+飽和多元醇酯)，2.5%質量分數的RHY4206工業齒輪油復合劑以及120 μg/g的復合抗泡劑(20 μg/g 的甲基硅油+100 μg/g的改性硅聚合物)組成;
(2)研制的合成頂驅齒輪油具有優異的黏溫特性，氧化安定性，防銹抗腐蝕性和良好的抗磨極壓性，其性能與同類進口頂驅齒輪油的性能相當;
(3)應用表明，研制的合成頂驅齒輪油具有良好的溫度控制能力，完全能夠滿足頂驅齒輪箱的潤滑要求。
參考文獻略.