合成G級中抗硫酸鹽油井水泥的制備

　　1.項目背景
　　油井水泥又稱堵塞水泥，是專用于油井、氣井的固井工程的水泥。它具有合適的密度與凝結(jié)時間以及較低的稠度，用其配制的預(yù)拌油井混凝土具有良好的抗沉降性和可泵性。將油井水泥注入預(yù)定（溫度、壓力）的井段，能迅速凝結(jié)硬化并產(chǎn)生一定的機械強度，混凝土固化后具有良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性和耐腐蝕性。油井水泥屬特種水泥，它由硅酸鹽水泥熟料（主要成分為水硬性硅酸鈣），加入適量石膏和助磨劑磨細制成。油井水泥分為普通型、中抗硫酸鹽型和高抗硫酸鹽型3類，A~H8個等級。其中，A 級油井水泥只有普通型；B 級油井水泥有中抗硫酸鹽和高抗硫酸鹽2種類型；C 級油井水泥有普通型和中抗硫酸鹽、高抗硫酸鹽3種類型；D、E、F 級油井水泥分別用作中溫、中壓，高溫、高壓，超高溫、高壓等不同條件和不同井深的油井，分中抗硫酸鹽和高抗硫酸鹽2種類型；G、H級屬基本油井水泥，分中抗硫酸鹽和高抗硫酸鹽2種類型。因注入油井的條件不同，油井水泥有時還與促凝劑或緩凝劑一起使用。

　　進入新世紀以來，國產(chǎn)石油的缺口越來越大，國家需要動用大量外匯用于進口石油，石油進口量已占國內(nèi)產(chǎn)量的一半。為此，國家正在大力加強石油和天然氣的生產(chǎn)。隨著石油、天然氣開發(fā)工作的推進，油井水泥的需求量也在不斷增長。由于油井水泥的生產(chǎn)一般是采用特殊化學成分配料煅燒的方法，生產(chǎn)的熟料密實度高，熟料難磨，且粉磨水泥時不允許加入混合材，因此，水泥窯的臺時產(chǎn)量低，質(zhì)量難控制，水泥磨臺時產(chǎn)量也低。與生產(chǎn)通用硅酸鹽水泥相比，資源消耗高，能耗高，臺時產(chǎn)量低，生產(chǎn)效率低，會引起嚴重的溫室氣體排放。

　　目前，國家大力提倡節(jié)能減排和資源的綜合利用、循環(huán)利用，水泥工業(yè)應(yīng)將產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與節(jié)能減排有機結(jié)合起來。山東宏藝科技股份有限公司為順應(yīng)形勢發(fā)展的需要，特制訂了企業(yè)科技攻關(guān)計劃項目，開發(fā)出合成G級中抗硫酸鹽油井水泥。

　　2.設(shè)計要求
　　從GB10238-2005《油井水泥》標準中可知，其物理性能要求中的混合水、游離液含量、8小時養(yǎng)護抗壓強度（38℃、60℃）、稠化時間等指標是為滿足油井混凝土工作性和堅固性的需要，而化學要求則主要是為了滿足油井混凝土的抗硫酸鹽性能的需要。由此可見，只要滿足了抗硫酸鹽性能以及工作性、堅固性（強度）的要求，就可用于油井混凝土的施工。這樣，就可以設(shè)計一種合成水泥，采用普通硅酸鹽水泥熟料，用合成的方法滿足其性能方面的要求。

　　根據(jù)硫酸鹽侵蝕的特點，通用硅酸鹽水泥熟料中的C₃A （鋁酸三鈣）含量較高，可摻入部分混合材降低其C₃A含量，減少水泥水化后單硫鋁酸鈣的生成數(shù)量，以降低其在硫酸鹽侵蝕下轉(zhuǎn)化為鈣礬石的幾率，減少漿體內(nèi)部體積膨脹，使膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小于混凝土的應(yīng)力強度。在加入混合材時還應(yīng)注意，不能因混合材的加入而帶入較多的Al₂O₃（三氧化二鋁），從而遭受硫酸鹽的侵蝕，形成鈣礬石，破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。因此，粉煤灰、煤矸石等Al₂O₃含量較高的混合材不宜選用，宜選用Al₂O₃含量低的礦渣、磷礦渣等混合材。

　　外加劑在水泥工業(yè)中已廣泛應(yīng)用，其主要作用是降低生產(chǎn)成本、改善水泥性能，還可以增加混合材的摻量。在通用硅酸鹽水泥熟料中摻入部分混合材后，水泥中C₃S（硅酸三鈣）含量降低，會影響水泥的8小時凈漿強度，這時加入外加劑可激發(fā)混合材的活性，提高水泥強度，滿足其堅固性的要求。

　　礦渣是鋼鐵廠冶煉生鐵時產(chǎn)生的廢渣，是一種具有“潛在水硬性”的材料，是水泥廠經(jīng)常使用的優(yōu)質(zhì)混合材。而電爐磷渣則是采用磷礦石、硅石、焦炭，在電爐內(nèi)以電升華法制取黃磷所得到的廢渣。在熔融狀態(tài)下（1400℃～1600℃）水淬急冷而得到的粒化電爐磷渣，它的化學成分與礦渣相似，主要不同點是CaO （氧化鈣，45%～48%）和SiO₂（二氧化硅，38%～43%）含量稍高，Al₂O₃（2%～7%）含量稍低，其活性比礦渣略低。將其作為水泥混合材使用時，會使水泥早期強度偏低，但后期強度增進率較大，凝結(jié)較慢。?；姞t磷渣的應(yīng)用與?；郀t礦渣相同，除可以作為活性混合材摻入通用水泥里之外，也可以作為水泥原料的配料組分用于特種水泥的生產(chǎn)（如抗硫酸鹽水泥、低熱水泥、道路水泥、彩色水泥等）。

　　針對礦渣和磷礦渣等混合材的結(jié)構(gòu)特征，在粉磨時采用固體高效復(fù)合礦渣活化劑對其進行活化處理，激發(fā)它們的潛在活性，以提高水泥強度、降低生產(chǎn)成本。

　　3.研發(fā)過程
　　研發(fā)過程主要包括以下方面：
　?。?）抗硫酸鹽材料的篩選。

　?。?）研制功能外加劑。

　?。?）制備抗硫酸鹽高細混合材。

　?。?）合成G級中抗硫酸鹽油井水泥。用選出的功能外加劑制備高細混合材，并與熟料粉按不同比例混合，用于在滿足8小時養(yǎng)護強度與14天膨脹率的條件下，調(diào)整水泥的稠化時間和稠度，調(diào)整合格得到合成G級中抗硫酸鹽油井水泥的基準配比。

　?。?）工業(yè)性試驗。通過調(diào)整配比試驗，得出混合材的適宜摻量范圍，并得出混合材及熟料的化學成分最大波動范圍。據(jù)此，制訂出生產(chǎn)工藝控制參數(shù)，進行工業(yè)試驗。將工業(yè)試驗生產(chǎn)的產(chǎn)品，按G級中抗硫酸鹽油井水泥的物料性能要求進行檢測，并進行膨脹率檢測，檢驗產(chǎn)品是否達到要求，最終獲得水泥配比控制范圍。

　　在試驗過程中，課題組專家們提出了多種試驗方案，通過P D C A 循環(huán)試驗分析，不斷地改進和優(yōu)選，終于解決了各項難題，保證了試驗的順利進行。

　　課題組在有關(guān)部門的配合下，經(jīng)過通力合作、群體攻關(guān)，終于成功研制出新產(chǎn)品——合成G級中抗硫酸鹽油井水泥。該產(chǎn)品已順利通過相關(guān)檢驗部門的檢驗，并已投入生產(chǎn)使用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　4.產(chǎn)品特點
　　合成G 級中抗硫酸鹽油井水泥具有以下特點：
　　（1）采用“通用硅酸鹽水泥熟料+高細混合材+功能外加劑→合成G 級中抗硫酸鹽油井水泥”的方法，各功能組分有機組合，實現(xiàn)了功能的優(yōu)勢互補，使得G級中抗硫酸鹽油井水泥的生產(chǎn)工藝簡化。一般水泥企業(yè)甚至水泥粉磨站都可以生產(chǎn)，為水泥企業(yè)的多品種水泥生產(chǎn)開辟了一條捷徑。

　?。?）該合成水泥的生產(chǎn)，既能提高特種水泥產(chǎn)量，又能增加混合材的使用量，且可完全滿足油井混凝土對水泥相關(guān)性能的要求，有利于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和保護環(huán)境。

　?。?）生產(chǎn)該產(chǎn)品可提高水泥磨臺時產(chǎn)量，與生產(chǎn)G級中抗硫酸鹽油井水泥相比，降低水泥粉磨電耗10%~20%，可節(jié)約熟料并多摻大量混合材，具有較大的節(jié)能降耗、減排利廢的作用。其中，減少水泥生產(chǎn)中的熟料用量，本身就是水泥工業(yè)節(jié)能減排的重要措施和有效手段。

　　合成G級中抗硫酸鹽油井水泥是一項嶄新的應(yīng)用技術(shù)，成本低廉，效果明顯，在國內(nèi)同行業(yè)中尚屬首創(chuàng)，技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。該項目的研制成功，為水泥企業(yè)節(jié)能降耗、減排利廢、降低成本、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)多品種生產(chǎn)，提供了極為有利的條件，為水泥企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地注入了強大的活力。