G級高抗硫酸鹽油井水泥的生產實踐

張紅巍

我公司地處黑龍江省，自1961 年即開始生產油井水泥供大慶油田使用，至今已有六十余年的生產歷史。公司目前仍以生產油井水泥為主，除供大慶油田使用外，還供吉林油田使用，近年來銷售范圍更是不斷擴展。回顧我公司油井水泥生產發展歷程，1961 年，以生產75℃（熱堵）油井水泥為主；1963 年，開發冷井22℃油井水泥并批量生產；1978年，按國家新標準生產45℃油井水泥；1984 年，按照美國API 規范中A 級油井水泥要求進行試驗研究，并進行小批量試生產；1991 年，全部過渡到生產美國API 規范所規定的油井水泥；2016 年，開始研制G 級油井水泥；2018 年，G 級油井水泥投入試生產。

G級油井水泥是一種“基本油井水泥”，適用于井深0~2 440m 的油井“注水泥”，與促凝劑或緩凝劑一起，能夠適應于更大的井深和溫度范圍。在生產該類型水泥時，除允許摻加適量石膏外，不允許摻入其他任何水泥添加劑。G 級油井水泥分為中抗硫酸鹽油井水泥和高抗硫酸鹽油井水泥，我公司生產的G級高抗硫酸鹽油井水泥2019年的銷售量為3 000余噸，2020年銷售量達1萬余噸，逐漸形成了穩定的生產銷售局面。現將我公司生產G 級高抗硫酸鹽油井水泥的熟料燒成、水泥制成的過程簡述如下。

1 G級高抗硫酸鹽油井水泥的熟料燒成

1.1 原材料的選擇

G 級高抗硫酸鹽油井水泥主要由硅酸三鈣C3S、鋁酸三鈣C3A、鐵鋁酸四鈣C4AF 等礦物組成。GB/T 10238-2015《油井水泥》中規定了G級高抗硫酸鹽油井水泥礦物組成的比例，要求C3S 含量48%~65%，C3A 含量＜3%，C4AF+2C3A＜24%，堿含量＜0.75%。

在選擇原材料時，應優先選擇堿含量低的原材料。石灰石原料要求：CaO 含量≥50%，MgO＜2%，堿含量＜0.3%，青石率＜3%；硅質原料要求：SiO2＞80%，堿含量＜1.0%；鐵質原料要求：Fe2O3含量＞28%；鋁礬土為鋁質校正原料。

石灰石原料來自于自有礦山，品位較高，堿含量低，質量穩定；硅質原料可選的幾個礦點堿含量差別較大，經過篩選，煙筒山硅石符合質量要求。對原材料實施優化措施后，生料、熟料的堿含量能控制在較好水平，其中生料堿含量＜0.3%，熟料堿含量＜0.5%。

選擇優質原煤制備煤粉，原煤質量要求：灰分＜27%，熱值＞22 000kJ/kg，煤粉水分＜1.0%。原材料、生料、熟料化學成分全分析見表1。

表1 原材料、生料、熟料化學成分全分析，%

1.2 熟料三率值的選擇

G 級高抗硫酸鹽油井水泥熟料要求應具有較高的C3S含量和較低的C3A含量，因此，在設計配料方案時，應選擇高飽和比、中硅酸率和低鋁氧率的配料方案，這樣才能保證G級高抗硫酸鹽油井水泥熟料四種礦物組成符合生產指標要求。我公司G級高抗硫酸鹽油井水泥熟料三率值控制指標為KH=0.93±0.01，SM=2.20±0.1，AM=0.75±0.1。

1.3 熟料的生產

（1）嚴格按照設計的三率值進行配料，嚴格控制進廠原材料質量，加大進廠原材料檢驗和抽查頻次，對不同品位的原材料實施均化處理。

我公司在生產初期，進廠鐵礦石的品位較低，Fe2O3含量僅為25%，導致生產的熟料鋁氧率偏高，C3A 含量偏高，給油井水泥的質量控制增加了難度。之后要求進廠鐵礦石Fe2O3含量＞30%，調整配料后，熟料Fe2O3含量＞28%，所生產的熟料實際三率值與設計三率值相符，熟料四種礦物組成滿足了生產指標要求。生料配比（干基）見表2，生料、熟料三率值與熟料礦物組成見表3。

表2 生料配比（干基），%

表3 生料、熟料三率值與熟料礦物組成，%

（2）若要使熟料中四種礦物組成滿足配料要求，除了嚴格控制進廠原材料質量外，還需原、燃材料成分穩定，生料系統的配料計量準確，出磨生料均化，燃煤灰分含量較低。此外，在制備生料時，需控制出磨生料細度＜8%，出磨生料合格率＞85%，保證生料在煅燒過程中具有良好的反應能力。

（3）在雨季生產時，應嚴格控制入磨原材料水分，必要時要對水分高的原材料進行晾曬，防止儲庫下料不暢，影響配料的準確性。

（4）在油井水泥熟料與普通水泥熟料切換生產時，應控制較低的普通水泥生料庫位。一般情況下，應在普通水泥生料庫存量控制在50%以下后再開始改變生產原料，以保證在最短的時間內切換生產出質量合格的油井水泥生料，從而減少生產過渡期間產生的廢料。

（5）為了適應高鈣、低鋁和低液相量熟料煅燒的要求，需采用合理的操作方法和嚴格穩定的窯內熱工制度。

a嚴格控制煤、風的最佳配合比，保持火焰的合理形狀（煤粉細度控制在＜5%為宜）。

b采用“長焰順燒”的操作制度，使生料在進入燒成帶之前，得到充分分解和預燒，使物料在燒成帶中進行充分的固相反應。

c根據生料的易燒性，優化燒成溫度，調整工藝控制參數。由于G 級高抗硫酸鹽油井水泥采用較低鋁氧率、高鐵率配料，生料的易燒性較好，在生料的燒成過程中應控制適宜的溫度。一般分解爐出口溫度控制在870℃±5℃（比普通水泥熟料低10℃~15℃），窯尾溫度控制在950℃±5℃（比普通水泥熟料低30℃~50℃），以防止G級高抗硫酸鹽油井水泥燒成過程中溫度過高、液相量提前出現，導致發生結圈、結大球等情況，窯內通風不良。熟料燒結時應控制熟料顆粒，以“細小均齊”為宜。

（6）出窯熟料應迅速冷卻，以有利于熟料晶體的有序排列和提高熟料的活性。

（7）嚴格控制熟料升重≥1 450g/L，控制游離氧化鈣≤0.5%。

（8）不合格熟料分開堆放，以免影響水泥質量。

2 G級高抗硫酸鹽油井水泥的制成

2.1 水泥粉磨系統的選擇

為了有效控制水泥粉磨細度，獲得較好的油井水泥顆粒組成，應優先選擇閉路系統進行粉磨。據此，我公司選用了能力為70t/h（35t/h×2）的水泥粉磨系統，產能適中，生產質量易于調節。

2.2 石膏的選擇

在G級高抗硫酸鹽油井水泥生產過程中，除使用油井水泥熟料和天然石膏外，不再添加其他任何混合材料，因此對天然石膏的品質要求非常高，尤其需要嚴格控制石膏中的不溶物含量，從而保證生產的油井水泥各項質量指標合格。經嚴格篩選，確定使用山東精石膏，其中SO3≥38%，結晶水≥12%，不溶物＜2%，能夠滿足生產要求。

在油井水泥生產過程中，一是重點做好精石膏的存放工作，不得與其他石膏或混合材料混放；二是加強制成車間和運輸隊伍間的配合，嚴格執行化驗室指令進行倒運；三是加強現場監督檢查，保證各環節的工作質量，防止不溶物含量超標。

2.3 生產過程的質量控制

（1）為了保證出磨油井水泥具有良好的物理性能，對水泥粉磨工藝條件提出以下要求。一是入磨熟料粒度＜20mm；二是熟料溫度應接近環境溫度，油井水泥熟料提前儲存在聯合儲庫內，實施陳化處理，盡量延長陳化時間，以達到自然降溫的目的；三是使用過程中堅持“先檢先用，先儲先用”的原則，若熟料溫度過高可噴水，但要適量；四是采取水霧噴水并控制水量，防止熟料隨儲存時間的延長在庫壁結塊，影響水泥質量，導致庫內下料不暢。五是加強磨機的降溫和出磨水泥的降溫，以防止或減少水泥中的二水石膏的脫水。

（2）確定合理的油井水泥粉磨細度（比表面積），對于保證油井水泥的強度十分重要。試驗表明，在石膏摻量相同的條件下，水泥漿的初始稠度及8h 抗壓強度，基本上是隨著粉磨細度的提高而增加，凝結時間也相應變短。因此，在生產G 級高抗硫酸鹽油井水泥時，必須嚴格執行磨機操作制度，嚴格控制出磨水泥的粉磨細度和水泥的溫度。

（3）根據油井水泥的特性，必須對生產過程采取更精細化的控制，每1h監控水泥的比表面積、細度和出磨溫度，每2h 監控SO3含量，每24h 做全部項目的物理檢驗。一旦發現指標有偏差，應及時采取措施，并將合格率、不合格品、廢品產生率納入車間考核，提高操作員的質量意識。

3 G級高抗硫酸鹽油井水泥的儲存及發運

3.1 水泥樣品的儲存

我們在水泥生產過程中發現出磨水泥和出廠水泥在凝結時間上存在偏差，特別是在保存條件不一樣時，試驗結果相差較大。試驗發現，儲存的環境溫度和濕度對油井水泥的性能影響明顯。同樣的水泥，露天存放與密閉存放，達到同樣的試驗條件時，凝結時間可相差20~30min，露天放置的水泥由于吸潮導致凝結時間偏長。水泥儲存的環境溫度越高，凝結時間越短。水泥生產和樣品儲存過程中應對以上因素加以控制。

生產過程留樣措施是，將樣品用密封塑料袋封好后，再放入帶有密封條的留樣桶內，最大限度地保持樣品的干燥狀態，以保證樣品的代表性，有效指導生產，同時保證出磨水泥和出廠水泥試驗的一致性。

3.2 出廠水泥的質量控制

根據市場需求，選擇了4 座單庫儲量為3 000t的混凝土庫儲存油井水泥，儲存能力合計1.2萬噸。分庫儲存可以降低出廠水泥溫度，減少凝結時間指標的變化。

為了保證出廠水泥質量的穩定性，增加了油井水泥火車和汽車專用提貨通道，避免與其他品種水泥混合使用提貨通道。

4 結語

根據市場和客戶的實際需求，通過近三年的G級高抗硫酸鹽油井水泥的生產實踐，我公司及時調整和優化了水泥生產過程質量控制，完善了質量控制標準和生產工藝，使水泥產品質量不斷提升。2020年，我公司生產的G級高抗硫酸鹽油井水泥開始供應中石化松原區域用戶，實現5 000t/年銷量。隨著銷售量的不斷增加，G級高抗硫酸鹽油井水泥的市場銷售地域逐步擴大，西北至300km外的齊齊哈爾市泰來縣，東南至700km 外的吉林省琿春市，為我公司打造特種水泥生產基地奠定了良好的基礎。