G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的生產(chǎn)實(shí)踐

張紅巍

我公司地處黑龍江省，自1961 年即開始生產(chǎn)油井水泥供大慶油田使用，至今已有六十余年的生產(chǎn)歷史。公司目前仍以生產(chǎn)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(kuò)展。回顧我公司油井水泥生產(chǎn)發(fā)展歷程，1961 年，以生產(chǎn)75℃（熱堵）油井水泥為主；1963 年，開發(fā)冷井22℃油井水泥并批量生產(chǎn)；1978年，按國家新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)45℃油井水泥；1984 年，按照美國API 規(guī)范中A 級(jí)油井水泥要求進(jìn)行試驗(yàn)研究，并進(jìn)行小批量試生產(chǎn)；1991 年，全部過渡到生產(chǎn)美國API 規(guī)范所規(guī)定的油井水泥；2016 年，開始研制G 級(jí)油井水泥；2018 年，G 級(jí)油井水泥投入試生產(chǎn)。

G級(jí)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(yīng)于更大的井深和溫度范圍。在生產(chǎn)該類型水泥時(shí)，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(jí)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(chǎn)的G級(jí)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(dá)1萬余噸，逐漸形成了穩(wěn)定的生產(chǎn)銷售局面。現(xiàn)將我公司生產(chǎn)G 級(jí)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(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的熟料燒成

1.1 原材料的選擇

G 級(jí)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(guī)定了G級(jí)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(shí)，應(yīng)優(yōu)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(zhì)原料要求：SiO2＞80%，堿含量＜1.0%；鐵質(zhì)原料要求：Fe2O3含量＞28%；鋁礬土為鋁質(zhì)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(zhì)量穩(wěn)定；硅質(zhì)原料可選的幾個(gè)礦點(diǎn)堿含量差別較大，經(jīng)過篩選，煙筒山硅石符合質(zhì)量要求。對(duì)原材料實(shí)施優(yōu)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(yōu)質(zhì)原煤制備煤粉，原煤質(zhì)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(xué)成分全分析見表1。

表1 原材料、生料、熟料化學(xué)成分全分析，%

1.2 熟料三率值的選擇

G 級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥熟料要求應(yīng)具有較高的C3S含量和較低的C3A含量，因此，在設(shè)計(jì)配料方案時(shí)，應(yīng)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(jí)高抗硫酸鹽油井水泥熟料四種礦物組成符合生產(chǎn)指標(biāo)要求。我公司G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥熟料三率值控制指標(biāo)為KH=0.93±0.01，SM=2.20±0.1，AM=0.75±0.1。

1.3 熟料的生產(chǎn)

（1）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的三率值進(jìn)行配料，嚴(yán)格控制進(jìn)廠原材料質(zhì)量，加大進(jìn)廠原材料檢驗(yàn)和抽查頻次，對(duì)不同品位的原材料實(shí)施均化處理。

我公司在生產(chǎn)初期，進(jìn)廠鐵礦石的品位較低，F(xiàn)e2O3含量僅為25%，導(dǎo)致生產(chǎn)的熟料鋁氧率偏高，C3A 含量偏高，給油井水泥的質(zhì)量控制增加了難度。之后要求進(jìn)廠鐵礦石Fe2O3含量＞30%，調(diào)整配料后，熟料Fe2O3含量＞28%，所生產(chǎn)的熟料實(shí)際三率值與設(shè)計(jì)三率值相符，熟料四種礦物組成滿足了生產(chǎn)指標(biāo)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(yán)格控制進(jìn)廠原材料質(zhì)量外，還需原、燃材料成分穩(wěn)定，生料系統(tǒng)的配料計(jì)量準(zhǔn)確，出磨生料均化，燃煤灰分含量較低。此外，在制備生料時(shí)，需控制出磨生料細(xì)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(yīng)能力。

（3）在雨季生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制入磨原材料水分，必要時(shí)要對(duì)水分高的原材料進(jìn)行晾曬，防止儲(chǔ)庫下料不暢，影響配料的準(zhǔn)確性。

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

（5）為了適應(yīng)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(yán)格穩(wěn)定的窯內(nèi)熱工制度。

a嚴(yán)格控制煤、風(fēng)的最佳配合比，保持火焰的合理形狀（煤粉細(xì)度控制在＜5%為宜）。

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

c根據(jù)生料的易燒性，優(yōu)化燒成溫度，調(diào)整工藝控制參數(shù)。由于G 級(jí)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(yīng)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(jí)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(xiàn)，導(dǎo)致發(fā)生結(jié)圈、結(jié)大球等情況，窯內(nèi)通風(fēng)不良。熟料燒結(jié)時(shí)應(yīng)控制熟料顆粒，以“細(xì)小均齊”為宜。

（6）出窯熟料應(yīng)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(yán)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(zhì)量。

2 G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的制成

2.1 水泥粉磨系統(tǒng)的選擇

為了有效控制水泥粉磨細(xì)度，獲得較好的油井水泥顆粒組成，應(yīng)優(yōu)先選擇閉路系統(tǒng)進(jìn)行粉磨。據(jù)此，我公司選用了能力為70t/h（35t/h×2）的水泥粉磨系統(tǒng)，產(chǎn)能適中，生產(chǎn)質(zhì)量易于調(diào)節(jié)。

2.2 石膏的選擇

在G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥生產(chǎn)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(duì)天然石膏的品質(zhì)要求非常高，尤其需要嚴(yán)格控制石膏中的不溶物含量，從而保證生產(chǎn)的油井水泥各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)合格。經(jīng)嚴(yán)格篩選，確定使用山東精石膏，其中SO3≥38%，結(jié)晶水≥12%，不溶物＜2%，能夠滿足生產(chǎn)要求。

在油井水泥生產(chǎn)過程中，一是重點(diǎn)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(qiáng)制成車間和運(yùn)輸隊(duì)伍間的配合，嚴(yán)格執(zhí)行化驗(yàn)室指令進(jìn)行倒運(yùn)；三是加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督檢查，保證各環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量，防止不溶物含量超標(biāo)。

2.3 生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

（1）為了保證出磨油井水泥具有良好的物理性能，對(duì)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(yīng)接近環(huán)境溫度，油井水泥熟料提前儲(chǔ)存在聯(lián)合儲(chǔ)庫內(nèi)，實(shí)施陳化處理，盡量延長陳化時(shí)間，以達(dá)到自然降溫的目的；三是使用過程中堅(jiān)持“先檢先用，先儲(chǔ)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(chǔ)存時(shí)間的延長在庫壁結(jié)塊，影響水泥質(zhì)量，導(dǎo)致庫內(nèi)下料不暢。五是加強(qiáng)磨機(jī)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(xì)度（比表面積），對(duì)于保證油井水泥的強(qiáng)度十分重要。試驗(yàn)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(qiáng)度，基本上是隨著粉磨細(xì)度的提高而增加，凝結(jié)時(shí)間也相應(yīng)變短。因此，在生產(chǎn)G 級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行磨機(jī)操作制度，嚴(yán)格控制出磨水泥的粉磨細(xì)度和水泥的溫度。

（3）根據(jù)油井水泥的特性，必須對(duì)生產(chǎn)過程采取更精細(xì)化的控制，每1h監(jiān)控水泥的比表面積、細(xì)度和出磨溫度，每2h 監(jiān)控SO3含量，每24h 做全部項(xiàng)目的物理檢驗(yàn)。一旦發(fā)現(xiàn)指標(biāo)有偏差，應(yīng)及時(shí)采取措施，并將合格率、不合格品、廢品產(chǎn)生率納入車間考核，提高操作員的質(zhì)量意識(shí)。

3 G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的儲(chǔ)存及發(fā)運(yùn)

3.1 水泥樣品的儲(chǔ)存

我們?cè)谒嗌a(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)出磨水泥和出廠水泥在凝結(jié)時(shí)間上存在偏差，特別是在保存條件不一樣時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果相差較大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)存的環(huán)境溫度和濕度對(duì)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(dá)到同樣的試驗(yàn)條件時(shí)，凝結(jié)時(shí)間可相差20~30min，露天放置的水泥由于吸潮導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間偏長。水泥儲(chǔ)存的環(huán)境溫度越高，凝結(jié)時(shí)間越短。水泥生產(chǎn)和樣品儲(chǔ)存過程中應(yīng)對(duì)以上因素加以控制。

生產(chǎn)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(nèi)，最大限度地保持樣品的干燥狀態(tài)，以保證樣品的代表性，有效指導(dǎo)生產(chǎn)，同時(shí)保證出磨水泥和出廠水泥試驗(yàn)的一致性。

3.2 出廠水泥的質(zhì)量控制

根據(jù)市場需求，選擇了4 座單庫儲(chǔ)量為3 000t的混凝土庫儲(chǔ)存油井水泥，儲(chǔ)存能力合計(jì)1.2萬噸。分庫儲(chǔ)存可以降低出廠水泥溫度，減少凝結(jié)時(shí)間指標(biāo)的變化。

為了保證出廠水泥質(zhì)量的穩(wěn)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(jié)語

根據(jù)市場和客戶的實(shí)際需求，通過近三年的G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的生產(chǎn)實(shí)踐，我公司及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化了水泥生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，完善了質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)工藝，使水泥產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升。2020年，我公司生產(chǎn)的G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥開始供應(yīng)中石化松原區(qū)域用戶，實(shí)現(xiàn)5 000t/年銷量。隨著銷售量的不斷增加，G級(jí)高抗硫酸鹽油井水泥的市場銷售地域逐步擴(kuò)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(chǎn)基地奠定了良好的基礎(chǔ)。