油井水泥产品工艺流程与研发分析

第一节 油井水泥生产工艺流程分析

油井水泥属特种水泥，由水硬性硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏和助磨剂磨细制成。

A级水泥具有可泵性好、凝结硬化快及早期强度高的特点，对于高压井效果特别好，有利于防止油、气上窜，提高固井质量。在没有特殊要求的条件下，使用深度从地面到井深1830m，仅作为普通类型水泥使用。下面介绍一下A级油井水泥的生产工艺。

A级油井水泥的生产对原料、燃料和生料的质量要求，熟料的煅烧，水泥的制成和装运等过程都有严格的要求。

1、原料、燃料和生料的质量要求

虽然APISpec10中对A级水泥没有明确的矿物组成规定，但水泥的性能要求对原料、燃料和生料有一定的质量控制。

石灰石：CaO≥52%

粘土：Al2O313%-14%

铁粉：Fe2O3≥55%

二水石膏:SO3≥40%

燃煤：灰分≤20% 热值≥25080kJ/kg

2、熟料的煅烧

严格规定窑的热工制度，适当提高烧成温度，在稳定料量前提下，采用“薄料快转长焰顺烧”的操作方法，使熟料结粒均齐，立升重保证在1450-1550g/L，f-CaO≤1.0%。值得注意的是窑灰应均匀入窑，避免造成熟料成分波动，且应剔除不合格熟料。

3、水泥的制成和装运

水泥细度按比表面积控制为35-370m2/kg，0.08mm方孔筛筛余4%-6%，水中SO3控制为2.2%-2.5%。包装和储运应注意避免混入杂物和受潮。

第二节 国外油井水泥生产工艺发展阶段比较

油井水泥的高性能化除了借鉴建筑水泥的高性能化研究成果外，还要针对固井过程中的特殊情况，如在油气井中不要求水泥石有特别高的强度，而是需要高的抗冲击能力和耐久性。所以，油井水泥形成水泥石的韧性好、抗阻裂性和抗腐蚀性更是固井工作者关注的焦点。

20世纪70代以来，研究人员相继采用了一些高技术的加工工艺，在提高水泥基材料的力学性能方面取得了重大突破，研制出了多种具有超高强度的水泥基材料。研究中不仅仅局限于改变水泥的化学成分与矿物组成，而且着重从制品的加工工艺上降低水泥石空隙率，提高其密实度；在开发高性能掺合材料等方面也展开了研究，从而大幅度地提高了水泥石强度、韧性及抗腐蚀性能等一系列性能指标。

80年代初以来，在水泥复合材料领域先后出现了MDF、DSP、RPC等一系列新型水泥基复合材料。英国的科学家Birchall发表了第一篇关于MPF（Macro—Defect FreeCement）水泥，即无宏观缺陷水泥的论文，并用该水泥制造了世界上第一根水泥弹簧，在水泥界引起了极大的震动。MDF材料的高抗弯曲强度、高断裂韧性、低渗透性、良好的抗溶剂、抗酸碱腐蚀性能等特点，给油井水泥高性能化研究带来了许多启发。

通过应用颗粒学原理，按照紧密堆积理论模型，力求提高固相颗粒的堆积密度，使浆体在成型时就具有高度密实的初始结构的方法经证实也有很好的效果，并已研制出超微密水泥，即DSP（DensifiedSystem Containing Homoge’一nously Arranged Ultrafine Particles）水泥。这是含有均匀分布的超细颗粒的致密材料的简称。它是在水泥中掺人颗粒极为细小的硅灰（Silicafume）等超细颗粒物料，同时采用超塑化剂降低浆体水灰比。硅灰等超细颗粒既充填孑L隙，又是高活性物料，与水泥水化产生的Ca（OH）：化合成C—S—H凝胶，提高了水泥石的密实性，与固井水泥中加入硅砂、硅粉和硅灰相似。其强度高，但脆性比较大，不过高性能油井水泥的开发还是可以借鉴。，国外学者利用紧密堆积理论对水泥及加重材料颗粒级配进行优化，制得了高性能的超高密度水泥并用于现场，都取得了良好的效果。

RPC（Reactive Powers Cement）是应用颗粒级配理论解决小颗粒级别最大紧密堆积问题，采用原材料平均颗粒尺寸在0．1μm～1 mm之间，目的在于尽量减少混凝土中的孔间距，从而使水泥石更加密实。RPC采用以下措施：增加颗粒细度；提高浆体和水泥石的均匀性；优化颗粒级配，在凝固期间加压，提高水泥致密性；凝固后在一定温度下养护，改善水泥石微观结构；掺入微细的钢纤维和有机或无机的纤维增加韧性等。Ch．Nolkr81利用RPC技术将G级油井水泥和2种不同粒径的硅粉合理级配，制备了能在180℃条件下长时间强度不衰退的水泥石，该水泥石的强度达100 MPa以上，渗透率在7×10-7μm2左右，水泥的耐久性得到大幅提高。

在提高水泥韧性和阻裂性方面，主要集中在对纤维水泥体系的开发。在油井水泥中掺合各种纤维材料提高水泥石性能。David．Laprade将紧密堆积技术与Micro—ribbon技术联合使用，使油井水泥的PVF值达到58％～60％，增加了水泥的用水量，使水泥浆流变性得到改善的同时，纤维类材料的加入使水泥石的强度、韧性、抗地层流体污染能力都得到很大的提高，在美国Los Angeles盆地的浅井中得到很好的应用。

第三节 我国油井水泥生产工艺创新历程与途径

国外部分企业的成功经验表明，用于研究开发的投资占企业销售额的1%时，企业难以生存，占2%时可勉强维持，占5%时才有竞争力，而我国油井水泥企业用于研究开发的投资平均还很低。

针对上述行业发展中存在的问题，我国油井水泥行业应走产学研相结合的道路，建立产业技术创新战略联盟。要健全产学研一体化的技术创新体系，要探索建立产业技术创新联盟，构建企业与优秀的研究院所和著名的高校相结合的共性技术创新平台，瞄准发展的共性关键技术与装置，共同开发、共担风险、联合竞争、共同受益。

第四节 国内油井水泥生产设备简介

我国油井水泥的生产设备有孰料细碎机、水泥回转窑、冷却机、预热机、输送机、烘干机、预分解窑等。

第五节 国内油井水泥生产设备应用现状

预分解窑是20世纪70年代发展起来的一种煅烧工艺设备。它是在悬浮预热器和回转窑之间，增设一个分解炉或利用窑尾烟室管道，在其中加入30～60%的燃料，使燃料的燃烧放热过程与生料的吸热分解过程同时在悬浮态或流化态下极其迅速地进行，使生料在入回转窑之前基本上完成碳酸盐的分解反应，因而窑系统的煅烧效率大幅度提高。这种将碳酸盐分解过程从窑内移到窑外的煅烧技术称窑外分解技术，这种窑外分解系统简称预分解窑。

自20世纪50年代初期德国洪堡公司（KHD）研究成功悬浮预热窑、70年代初期日本石川岛公司（IHI）发明预分解窑以来，水泥工业熟料煅烧激射获得了革命性的突破，并推动了水泥生产全过程的技术创新。

伴随着预分解技术的日趋成熟，各种类型的旋风预热器与各种不同的与预解方法相结合，发展成为许多类型的预分解窑。1973年国际石油危机之后，油源短缺，价格上涨，许多预分解窑被迫以媒代油，致使许多原来以石油为燃料研发的分解炉难以适应。通过总结改进，各种第二代、第三代分解炉应运而生，改善和提高了预热分解系统的功效。

预分解窑法生产具有均化、节能、环保、自动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系.随着预分解窑工艺设备大型化发展，使水泥工业向集约化方向发展。

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