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(fā)展歷程，1961 年，以生產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；1978年，按國家新標準生產45℃油井水泥；1984 年，按照美國API 規(guī)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(guī)范所規(guī)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(wěn)定的生產銷售局面。現(xiàn)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(guī)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(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(wěn)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(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，F(xiàn)e2O3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(wěn)定，生料系統(tǒng)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(wěn)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(jù)生料的易燒性，優(yōu)化燒成溫度，調整工藝控制參數(shù)。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(xiàn)，導致發(fā)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(tǒng)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(yōu)先選擇閉路系統(tǒng)進行粉磨。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)，產能適中，生產質量易于調節(jié)。

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(zhí)行化驗室指令進行倒運；三是加強現(xiàn)場監(jiān)督檢查，保證各環(huán)節(jié)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(huán)境溫度，油井水泥熟料提前儲存在聯(lián)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(zhí)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(jù)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(jiān)控水泥的比表面積、細度和出磨溫度，每2h 監(jiān)控SO3含量，每24h 做全部項目的物理檢驗。一旦發(fā)現(xiàn)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(fā)運

3.1 水泥樣品的儲存

我們在水泥生產過程中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，儲存的環(huán)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(huán)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(tài)，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(jù)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(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 結語

根據(jù)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(yōu)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(qū)域用戶，實現(xiàn)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。