利用煤矸石生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)G級油井水泥的試驗(yàn)研究

陳 杉，楊莉榮，邢婉婉，高詩瑩，吳安冉，童 昊（中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

由于油井水泥屬專用水泥，用于油田固井施工，井下環(huán)境復(fù)雜，施工難度大，對水泥性能要求高，水泥生產(chǎn)質(zhì)量控制嚴(yán)格，難度大，生產(chǎn)中原材料均選擇優(yōu)質(zhì)天然材料硅石，生產(chǎn)成本高，尤其是天然原料日益緊缺，以及客戶施工的個(gè)性化需求，國家政策對節(jié)能降耗的重視，急需尋找一種成本低性能優(yōu)的材料替代硅石生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油井水泥。中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司為全國最大特種水泥生產(chǎn)基地，2014年油井水泥生產(chǎn)搬遷到湖南石門生產(chǎn)，石門縣是湖南省重點(diǎn)產(chǎn)煤縣，目前全縣年產(chǎn)原煤約100萬t，石門縣境內(nèi)煤礦經(jīng)過多年開采，產(chǎn)生了大量的煤矸石，煤矸石量約占煤炭產(chǎn)量的25%，煤矸石被長期隨意堆放，不僅浪費(fèi)大量的土地資源，而且在風(fēng)、雨的作用下，嚴(yán)重污染周邊大氣和土壤[1]。本文通過對我公司周邊原材料資源進(jìn)行考察、取樣、檢驗(yàn)，原創(chuàng)性地將煤矸石引入油井熟料煅燒體系，研究煤矸石對油井熟料礦物形成機(jī)理的影響[2]，并結(jié)合當(dāng)?shù)卦牧腺Y源特性，確定生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油井水泥熟料的技術(shù)方案；制定了最佳的配料方案，確定了利用煤矸石等工業(yè)廢渣制備優(yōu)質(zhì)油井水泥熟料的各工序控制參數(shù)及窯系統(tǒng)操作[3]，填補(bǔ)了國內(nèi)利用煤矸石生產(chǎn)油井水泥的技術(shù)空白。

1 利用煤矸石生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)G級油井水泥的試驗(yàn)研究

1.1 周邊煤矸石成分及其特性分析

針對石門縣附近三大煤礦煤矸石進(jìn)行了成分分析見表1，微量元素分析見表2，工業(yè)分析見表3，燃燒特性見圖1和掃描電鏡見圖2。

表1 煤矸石成分分析 %

表2 煤矸石微量元素分析

由表1可知，熊輝軍和皂市礦點(diǎn)煤矸石與硅石成分相似，主要成分均為SiO2，Al2O3、CaO的物質(zhì)，且含量相近；從表2可以看出煤矸石中Ti、Mn、Zn、Ni、V、Ba等含量較高，這些微量元素的氧化物能對水泥熟料的煅燒具有良好的礦化作用[4]，降低石灰石的分解溫度，減少分解石灰石所需的活化能，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。由表3煤矸石工業(yè)分析可知，煤矸石含有一定熱值（在2000J/g以下），可提供部分熱源。由圖1煤矸石熱重分析曲線可以看出，煤矸石DTA曲線與煤類似，具有一定的熱焓。

表3 煤矸石工業(yè)分析

圖1 煤矸石熱重分析曲線

1.2 煤矸石不同摻量對油井熟料性能影響試驗(yàn)

將原材料組成采用煤矸石摻量逐級遞增的方法，煤矸石摻量從0%、4%、8%到12%，原材料成分見表4，煤矸石相對于硅石成分鋁高硅低，在配料中可適當(dāng)降低鋁質(zhì)校正材料的摻量，降低生產(chǎn)成本，生料具體配方見表5。

通過生產(chǎn)實(shí)際中生料成分見表6，熟料化學(xué)成分見表7。可以看出，煤矸石作為硅質(zhì)原材料代替硅石生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油井水泥是可行的，并且可完全替代硅質(zhì)材料，生料易磨性明顯提高，粉磨時(shí)間下降，生料的易燒性提高，熟料中游離氧化鈣下降，升重增加，熟料液相量增加，煤矸石不同摻量的熟料巖相圖見圖3～6，從圖中可以看出隨著煤矸石摻量增加A礦數(shù)量增加，熟料中硅酸三鈣晶體更規(guī)則，分布均勻，A礦棱柱狀減少板狀增加，晶體尺寸適宜，一般在20～40μm之間，A礦邊緣清晰，A礦出現(xiàn)在空洞周圍的現(xiàn)象減少。

1.3 油井熟料生產(chǎn)配料及三率值情況

根據(jù)原材料成分和熟料性能要求，最終確定采用高飽和比，高硅酸率的配料方案，熟料三率值：KH=0.930±0.02，SM=2.70±0.1，嚴(yán)格控制熟料w（C3A）在（2.0±0.5）%。

1.4 遇到的問題分析及采取的措施

（1）摻入煤矸石燒成油井熟料與未摻相比，因煤矸石的礦化效應(yīng)，液相形成溫度降低，液相量相對升高，且熟料嚴(yán)格限制鋁酸三鈣的含量，熟料中的鋁含量低，使熟料的液相粘度降低，在燒成帶溫度較高的條件下，燒成帶不易粘掛窯皮，窯皮較煅燒普通油井熟料偏薄，使耐火磚受熱負(fù)荷增加，對磚的保護(hù)作用降低，不但增加了筒體的表面溫度，同樣縮短了燒成帶耐火磚的使用周期。

表4 原材料成分分析 %

表5 煤矸石生料的配方 %

表6 生料化學(xué)成分及率值

表7 熟料化學(xué)成分及率值

圖3 Z1 A礦組成

圖4 Z2 A礦組成

圖5 Z3 A礦組成

圖6 Z4 A礦組成

（2）出窯熟料溫度高，熟料液相量大，出窯熟料進(jìn)入篦冷機(jī)后，未能及時(shí)完全冷卻，有部分液相，落在篦冷機(jī)頭部后堆積成料堆，不易散開，形成一體，會隨著出窯熟料的增加，越積越高，造成熟料不能及時(shí)冷卻，同時(shí)篦冷機(jī)通風(fēng)不暢，易燒損篦板。使篦冷機(jī)篦板、充氣梁變形，用空氣炮不能進(jìn)行處理，只好停窯進(jìn)行冷卻后人工處理。

（3）主要是窯尾預(yù)熱器溫度偏高，煤矸石摻入后易使生料在窯尾過早地出現(xiàn)液相，在錐體部位出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，影響下料，在下料管處出現(xiàn)結(jié)皮，使管徑變小。

（4）三次風(fēng)閥擋墻有積灰，由于此處溫度高，熟料在此有液相產(chǎn)生，粘附在擋墻上，在擋墻上產(chǎn)生結(jié)皮，使通風(fēng)面積減小，相當(dāng)于三次閥門開度變小，三次風(fēng)量減小，窯前熱風(fēng)抽不走，亦造成窯前溫度高，出窯熟料溫度高，冷卻不及時(shí)，容易造成熟料出窯有粘性。

采取的工藝改進(jìn)措施如下：

（1）降低煤粉細(xì)度。控制煤粉細(xì)度，由原來的12.6%降低到8%以下，使入窯煤粉能夠充分燃燒。

（2）增大三次風(fēng)的用量。清理窯三次風(fēng)管內(nèi)結(jié)皮及積灰，特別是三次風(fēng)閥擋墻附近結(jié)皮，每次停窯打開三次風(fēng)閥檢查門進(jìn)行檢查清理。

（3）提高篦床速度。提高篦床速度，使熟料在篦床上的厚度減小，熟料的阻力減小，有利于通風(fēng)，減少堆積的機(jī)會，同時(shí)增加篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，加快熟料的冷卻，減少熟料的粘性。

（4）調(diào)整工藝操作參數(shù)。

①適當(dāng)放低分解爐溫度，分解爐出口溫度以入窯分解率在93%±2%為控制依據(jù)，分解爐出口溫度由（875±10）℃降低到（860±5）℃；

②適度多用頭煤，減輕窯燒成帶的熱力負(fù)荷；窯速控制上適度降低，由3.8 r/min降低到3.6 r/min保證物料在窯內(nèi)停留時(shí)間，同時(shí)將窯噴煤管向外拉出，使火點(diǎn)位置經(jīng)常變換，避免熱力集中于一點(diǎn)，避免窯皮的粘掛。在操作上，適當(dāng)降低高溫風(fēng)機(jī)拉風(fēng)量，將火焰拉長；

③冷卻機(jī)操作上適當(dāng)降低一段料層厚度，二層篦下壓力由5200±200 Pa，降低到4800±200 Pa，一段風(fēng)機(jī)盡可能滿負(fù)荷運(yùn)行，提高熟料急冷效果，二段根據(jù)推動電流考慮適當(dāng)降低速度，增加料層厚度，給風(fēng)盡量充足，降低熟料溫度；一段風(fēng)機(jī)盡量用滿，同時(shí)降低一段料層厚度，提高熟料急冷效果，二段根據(jù)推動電流考慮適當(dāng)降低速度，增加料層厚度，給風(fēng)盡量充足，降低熟料溫度。

1.5 水泥的磨制和水泥性能

表8 出磨油井水泥物理性能表

2 結(jié)論

（1）煤矸石化學(xué)成分與硅石相似，可以替代硅石當(dāng)做硅質(zhì)材料。

（2）用煤矸石工業(yè)廢渣配料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油井水泥，由于煤矸石礦化作用，改善了生料的易燒性，降低了燒成溫度，有利于A礦晶體的生成。

（3）熟料控制指標(biāo)根據(jù)煤矸石礦化特性采用高飽和比，高硅酸率的配方進(jìn)行配料。

（4）用煤矸石配料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)油井水泥熟料，由于生料易燒性有較大改變，窯工藝操作參數(shù)要隨之相應(yīng)調(diào)整。

（5）水泥磨生產(chǎn)確定比表面積310±15m2/kg，w（SO3）：2.0%±0.2%，石膏采用天然二水石膏。

（6）利用煤矸石生產(chǎn)油井水泥不僅可以消耗工業(yè)廢渣，節(jié)能環(huán)保，并且生產(chǎn)的油井水泥強(qiáng)度高，性能好。