合成G级中抗硫酸盐油井水泥的制备

　　1.项目背景
　　油井水泥又称堵塞水泥，是专用于油井、气井的固井工程的水泥。它具有合适的密度与凝结时间以及较低的稠度，用其配制的预拌油井混凝土具有良好的抗沉降性和可泵性。将油井水泥注入预定（温度、压力）的井段，能迅速凝结硬化并产生一定的机械强度，混凝土固化后具有良好的抗渗性、稳定性和耐腐蚀性。油井水泥属特种水泥，它由硅酸盐水泥熟料（主要成分为水硬性硅酸钙），加入适量石膏和助磨剂磨细制成。油井水泥分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型3类，A~H8个等级。其中，A 级油井水泥只有普通型；B 级油井水泥有中抗硫酸盐和高抗硫酸盐2种类型；C 级油井水泥有普通型和中抗硫酸盐、高抗硫酸盐3种类型；D、E、F 级油井水泥分别用作中温、中压，高温、高压，超高温、高压等不同条件和不同井深的油井，分中抗硫酸盐和高抗硫酸盐2种类型；G、H级属基本油井水泥，分中抗硫酸盐和高抗硫酸盐2种类型。因注入油井的条件不同，油井水泥有时还与促凝剂或缓凝剂一起使用。

　　进入新世纪以来，国产石油的缺口越来越大，国家需要动用大量外汇用于进口石油，石油进口量已占国内产量的一半。为此，国家正在大力加强石油和天然气的生产。随着石油、天然气开发工作的推进，油井水泥的需求量也在不断增长。由于油井水泥的生产一般是采用特殊化学成分配料煅烧的方法，生产的熟料密实度高，熟料难磨，且粉磨水泥时不允许加入混合材，因此，水泥窑的台时产量低，质量难控制，水泥磨台时产量也低。与生产通用硅酸盐水泥相比，资源消耗高，能耗高，台时产量低，生产效率低，会引起严重的温室气体排放。

　　目前，国家大力提倡节能减排和资源的综合利用、循环利用，水泥工业应将产业结构调整与节能减排有机结合起来。山东宏艺科技股份有限公司为顺应形势发展的需要，特制订了企业科技攻关计划项目，开发出合成G级中抗硫酸盐油井水泥。

　　2.设计要求
　　从GB10238-2005《油井水泥》标准中可知，其物理性能要求中的混合水、游离液含量、8小时养护抗压强度（38℃、60℃）、稠化时间等指标是为满足油井混凝土工作性和坚固性的需要，而化学要求则主要是为了满足油井混凝土的抗硫酸盐性能的需要。由此可见，只要满足了抗硫酸盐性能以及工作性、坚固性（强度）的要求，就可用于油井混凝土的施工。这样，就可以设计一种合成水泥，采用普通硅酸盐水泥熟料，用合成的方法满足其性能方面的要求。

　　根据硫酸盐侵蚀的特点，通用硅酸盐水泥熟料中的C₃A （铝酸三钙）含量较高，可掺入部分混合材降低其C₃A含量，减少水泥水化后单硫铝酸钙的生成数量，以降低其在硫酸盐侵蚀下转化为钙矾石的几率，减少浆体内部体积膨胀，使膨胀产生的内应力小于混凝土的应力强度。在加入混合材时还应注意，不能因混合材的加入而带入较多的Al₂O₃（三氧化二铝），从而遭受硫酸盐的侵蚀，形成钙矾石，破坏混凝土的结构。因此，粉煤灰、煤矸石等Al₂O₃含量较高的混合材不宜选用，宜选用Al₂O₃含量低的矿渣、磷矿渣等混合材。

　　外加剂在水泥工业中已广泛应用，其主要作用是降低生产成本、改善水泥性能，还可以增加混合材的掺量。在通用硅酸盐水泥熟料中掺入部分混合材后，水泥中C₃S（硅酸三钙）含量降低，会影响水泥的8小时净浆强度，这时加入外加剂可激发混合材的活性，提高水泥强度，满足其坚固性的要求。

　　矿渣是钢铁厂冶炼生铁时产生的废渣，是一种具有“潜在水硬性”的材料，是水泥厂经常使用的优质混合材。而电炉磷渣则是采用磷矿石、硅石、焦炭，在电炉内以电升华法制取黄磷所得到的废渣。在熔融状态下（1400℃～1600℃）水淬急冷而得到的粒化电炉磷渣，它的化学成分与矿渣相似，主要不同点是CaO （氧化钙，45%～48%）和SiO₂（二氧化硅，38%～43%）含量稍高，Al₂O₃（2%～7%）含量稍低，其活性比矿渣略低。将其作为水泥混合材使用时，会使水泥早期强度偏低，但后期强度增进率较大，凝结较慢。粒化电炉磷渣的应用与粒化高炉矿渣相同，除可以作为活性混合材掺入通用水泥里之外，也可以作为水泥原料的配料组分用于特种水泥的生产（如抗硫酸盐水泥、低热水泥、道路水泥、彩色水泥等）。

　　针对矿渣和磷矿渣等混合材的结构特征，在粉磨时采用固体高效复合矿渣活化剂对其进行活化处理，激发它们的潜在活性，以提高水泥强度、降低生产成本。

　　3.研发过程
　　研发过程主要包括以下方面：
　　（1）抗硫酸盐材料的筛选。

　　（2）研制功能外加剂。

　　（3）制备抗硫酸盐高细混合材。

　　（4）合成G级中抗硫酸盐油井水泥。用选出的功能外加剂制备高细混合材，并与熟料粉按不同比例混合，用于在满足8小时养护强度与14天膨胀率的条件下，调整水泥的稠化时间和稠度，调整合格得到合成G级中抗硫酸盐油井水泥的基准配比。

　　（5）工业性试验。通过调整配比试验，得出混合材的适宜掺量范围，并得出混合材及熟料的化学成分最大波动范围。据此，制订出生产工艺控制参数，进行工业试验。将工业试验生产的产品，按G级中抗硫酸盐油井水泥的物料性能要求进行检测，并进行膨胀率检测，检验产品是否达到要求，最终获得水泥配比控制范围。

　　在试验过程中，课题组专家们提出了多种试验方案，通过P D C A 循环试验分析，不断地改进和优选，终于解决了各项难题，保证了试验的顺利进行。

　　课题组在有关部门的配合下，经过通力合作、群体攻关，终于成功研制出新产品——合成G级中抗硫酸盐油井水泥。该产品已顺利通过相关检验部门的检验，并已投入生产使用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

　　4.产品特点
　　合成G 级中抗硫酸盐油井水泥具有以下特点：
　　（1）采用“通用硅酸盐水泥熟料+高细混合材+功能外加剂→合成G 级中抗硫酸盐油井水泥”的方法，各功能组分有机组合，实现了功能的优势互补，使得G级中抗硫酸盐油井水泥的生产工艺简化。一般水泥企业甚至水泥粉磨站都可以生产，为水泥企业的多品种水泥生产开辟了一条捷径。

　　（2）该合成水泥的生产，既能提高特种水泥产量，又能增加混合材的使用量，且可完全满足油井混凝土对水泥相关性能的要求，有利于发展循环经济和保护环境。

　　（3）生产该产品可提高水泥磨台时产量，与生产G级中抗硫酸盐油井水泥相比，降低水泥粉磨电耗10%~20%，可节约熟料并多掺大量混合材，具有较大的节能降耗、减排利废的作用。其中，减少水泥生产中的熟料用量，本身就是水泥工业节能减排的重要措施和有效手段。

　　合成G级中抗硫酸盐油井水泥是一项崭新的应用技术，成本低廉，效果明显，在国内同行业中尚属首创，技术处于国内领先水平。该项目的研制成功，为水泥企业节能降耗、减排利废、降低成本、提高经济效益、实现多品种生产，提供了极为有利的条件，为水泥企业在激烈的市场竞争中立于不败之地注入了强大的活力。