顶部驱动钻井装置(TDS)是当今石油钻井的前沿技术与装备，代表钻井工艺技术，机电一体化石油专用设备的最高水平，已经成为深井、复杂井以及出国钻机的必备设备之一。顶驱钻井装置能显著提高钻井作业的能力和效率，已成为石油钻井行业的标准配置。
减速齿轮箱作为动力传递装置，是顶部驱动钻井装置的主体部件，负责将电机转速转化为负载所需的回转速度，并起着增大扭矩的作用，所以顶驱减速箱性能的好坏直接关系着顶驱装置的驱动能力。
顶部驱动钻井装置多集中应用在西北和东北地区，高低温跨度大，环境复杂，作为顶驱关键传动部件的减速箱在工作中承受着巨大的载荷，其使用性能和寿命直接影响着顶驱的工作效率和维修周期。因此，在现场开采过程当中，必须保证顶驱装置运行的可靠性和工作效率，延长维修周期，这凸显出对高性能顶驱齿轮油的需求，要求油品具有优异的黏温特性，保证顶驱装置在低寒高温环境下平稳启动、运行和润滑保护;优异的泡沫特性和控制温升的能力，防止泡沫溢出和设备超温报警、降低设备运转温度、提高机械效率;良好的抗磨极压性，保证重载齿轮运转顺畅、减少齿面擦伤和磨损等。
一、合成顶驱齿轮油的研制
基础油的选择
基础油与油品的性能息息相关，为保证油品具有良好的润滑效果和温升特性，顶驱齿轮油一般分为冬季用油和夏季用油，按照40 ℃运动黏度分类，分别选用68号和150号可满足正常工作需要。
在开采作业时，环境温度和工况复杂多变，顶驱齿轮油温度变化范围很大，黏度也随之升高或降低，不利于齿轮箱的平稳运行，要求油品具有良好的黏温特性。此外，由于开采地理位置的不确定性，顶驱装置在户外长周期运行情况较多，同时考虑到高海拔地区和北方冬季的寒冷天气，要求顶驱齿轮油的倾点不高于-45 ℃。
合成聚α-烯烃(PAOs)倾点低，低温流动性好，剪切安定性和氧化安定性较好，但无法同时满足顶驱齿轮油的性能要求，同时考虑到对添加剂的溶解能力，合成顶驱齿轮油采用了 PAO4，茂金属 PAO(mPAO)及饱和多元醇酯(POE)等3种黏温特性及抗氧化性能较好的全合成基础油作为调合基础油。
PAO4，茂金属 PAO(mPAO)及饱和多元醇酯(POE)等合成基础油的主要典型性能见表1。
从表 1 中可以看到，PAO4，mPAO 及 POE 等合成基础油的黏度指数较高，倾点较低，均具有良好的黏温特性和低温流动性。
复合剂的选择
通过对顶驱装置在用油品理化分析，发现市场在用齿轮油的质量性能满足 ISO 12925-1 CKD 以及 AGMA9005-E02 的规格要求，同时兼顾经济性因素，经综合考虑后选择昆仑 RHY4026 工业齿轮油复合剂作为拟研制的合成顶驱齿轮油的复合剂。
RHY4026 是一种多功能，通用型工业齿轮油复合剂，为无灰型添加剂配方体系，不仅具有优异的抗磨极压性、减摩性和良好的防锈抗腐蚀性能，而且具有优异的热安定性、抗乳化性和抗泡性，性价比优于国内外同类复合剂，其典型性能见表2。
在全合成基础油(PAO4+mPAO+POE)中添加2.5%质量分数的RHY4026工业齿轮油复合剂即可得到满足抗磨极压、防锈抗腐蚀等性能要求的合成顶驱齿轮油(为方便，简称基础顶驱齿轮油，以下同)。
顶驱装置通常是在荒郊野岭等恶劣工况条件下工作，齿轮箱容易受到泥浆、水分和粉尘等外界污染，加速油品老化和起泡等，因此要求顶驱齿轮油具有良好的泡沫特性，对顶驱齿轮油抑制泡沫产生和加快泡沫消散的能力都提出了很高要求。
采用烘箱高温加速油品氧化的方法(恒温 72 h，3轮试验)，并按照《润滑油泡沫特性测定法》：GB/T 12579 国家标准对基础顶驱齿轮油的泡沫特性进行了考察，并与市场上在用的进口顶驱齿轮油的泡沫特性进行了对比，结果见表3。
从表3中可以看到，市场在用的进口顶驱齿轮油经过2轮高温氧化试验(144 h)后，泡沫特性仍然较好;而基础顶驱齿轮油在第 1 轮氧化(72 h)后泡沫特性满足指标要求，但第2轮氧化(144 h)后泡沫特性下降明显，已不满足指标要求。
如果顶驱装置在长时间高温运行状态下泡沫无法及时消除，可能会造成装置超温报警而停机，或因油中气泡无法及时消除导致润滑油膜变薄，出现齿轮箱轴承及齿面间的异常磨损等潜在风险，为此对抗泡剂进行了考察。
抗泡剂的考察
有机硅型抗泡剂的消泡能力强，空气释放性和抗泡持久性差，对调和工艺敏感;而非硅型抗泡剂 与有机硅型抗泡剂相比，抗泡持久性和空气释放性较好，对调和方式要求不高。
考虑到顶驱设备运行工况的复杂性及恶劣性，根据经验选取了 2 种硅油(加入量 20 μg/g)和其他非硅型/改性硅聚合物(加入量 100 μg/g)组成的复合抗泡剂加入到基础顶驱齿轮油中进行了考察，通过烘箱老化试验筛选复合抗泡剂，结果见表4。
从表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)组成的复合抗泡剂的泡沫特性达到进口顶驱齿轮油泡沫特性的水平(参见表 3)且更稳定，由此确定拟研制的顶驱齿轮油的复合抗泡剂为20 μg/g的甲基硅油与100 μg/g的改性硅聚合物。
合成顶驱齿轮油组成
通过对基础油，复合剂的选择及对复合抗泡剂的考察，拟研制的合成顶驱齿轮油由全合成基础油(PAO4+ 茂金属 PAO+ 饱和多元醇酯)，2.5% 的 RHY4026复合剂及120 μg/g的复合抗泡剂(20 μg/g 甲基硅油+100 μg/g改性硅聚合物)组成。
二、合成顶驱齿轮油的性能
对研制的 68 号合成顶驱齿轮油和 150 号合成顶驱齿轮油的性能进行了评价，并与进口顶驱齿轮油的性能进行了对比，见表5。
从表5的对比中可以看到，研制的 68号和150号合成顶驱齿轮油具有良好的低温性能，黏温特性，泡沫特性，抗磨极压性以及抗氧化性能，与市场在用的进口顶驱齿轮油的性能相当。
此外，温升也是合成顶驱齿轮油的重要评价指标之一。在顶驱装置运转过程中，齿轮油受到剪切和压缩产生热量，会引起温度升高，从而导致油品黏度下降，使用寿命缩短，进而影响到齿轮油的承载能力，严重时会引起设备超温报警，因此在实际使用过程中，还需要严格控制顶驱齿轮油的温升。
采用 VKA110 四球试验机绘制了研制的合成顶驱齿轮油的温度随试验时间的变化曲线，并与进口顶驱齿轮油进行了对比，见图1。
从图1的温升曲线可以看到，研制的合成顶驱齿轮油(68 号和 150 号)的温度低于相应的进口顶驱齿轮油(68号和150号)的温度，说明研制的合成顶驱齿轮油(68 号和 150 号)具有更好的温度控制能力，可降低齿轮油的工作温度。
三、合成顶驱齿轮油的应用
研制的合成顶驱齿轮油(150号)在某钻探公司顶驱装置上进行了现场应用，经过260余天的跟踪监测发现，顶驱装置现场的输出扭矩最高为14.3 kN·m，工作转速最高为 98.2 r/min，齿轮箱油的温度稳定在34.8 ℃～49.6 ℃之间(顶驱减速箱油温报警值为 60 ℃)，说明研制的合成顶驱齿轮油有良好的温度控制能力，完全能够满足顶驱装置的润滑要求。
四、结论
(1)合成顶驱齿轮油由合成基础油(PAO4+ mPAO+饱和多元醇酯)，2.5%质量分数的RHY4206工业齿轮油复合剂以及120 μg/g的复合抗泡剂(20 μg/g 的甲基硅油+100 μg/g的改性硅聚合物)组成;
(2)研制的合成顶驱齿轮油具有优异的黏温特性，氧化安定性，防锈抗腐蚀性和良好的抗磨极压性，其性能与同类进口顶驱齿轮油的性能相当;
(3)应用表明，研制的合成顶驱齿轮油具有良好的温度控制能力，完全能够满足顶驱齿轮箱的润滑要求。
参考文献略.