電石渣制G級油井水泥實(shí)驗(yàn)研究

曾憲軍，陳 鵬，朱先均，喬陸軍，尤文軍

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 神木 719319）

當(dāng)下水泥產(chǎn)能處于過剩的嚴(yán)峻形勢，但高等級的水泥卻較為短缺。傳統(tǒng)石灰石生產(chǎn)油井水泥技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而采用電石渣生產(chǎn)油井水泥較為少見，多受到區(qū)域和資源限制。電石渣作為優(yōu)質(zhì)的鈣質(zhì)原料，生產(chǎn)油井水泥理論上可行，但要實(shí)際生產(chǎn)，需要開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。陜北地區(qū)鹽井、油井較多，油井水泥具有銷售市場，為開發(fā)新產(chǎn)品、提高公司競爭力，我們采用電石渣配料，開展相關(guān)研究，各項(xiàng)檢測指標(biāo)滿足要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

1 實(shí)驗(yàn)原料、儀器及方法、原理

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

電石渣、黃矸石、鋼渣、硅石以及煤粉。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

顎式破碎機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)小磨、振動磨、、振動篩、電子分析天平、電子天平、電熱恒溫干燥箱、箱式電阻爐（1 600℃）、箱式電阻爐（1 100℃）、火焰光度計(jì)、葉片式攪拌器、常壓稠度計(jì)、增壓稠化儀、高溫高壓養(yǎng)釜、壓力試驗(yàn)機(jī)、勃氏透氣比表面積儀、負(fù)壓篩析儀、X射線衍射儀、金相試樣拋光機(jī)、金相顯微鏡、水泥成型模具、電風(fēng)扇、化學(xué)分析及物理檢驗(yàn)等相關(guān)儀器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照G級油井水泥熟料礦物組成要求，在實(shí)驗(yàn)室用電石渣、黃矸石、硅石、鋼渣和煤灰分別粉磨后，進(jìn)行配料、混合、成型、烘干、高溫煅燒成熟料，粉磨后，性能檢測，滿足G級油井水泥的要求后，將粉磨后的熟料，摻入一定比例的石膏制成G級油井水泥，對水泥進(jìn)行常規(guī)物理性能檢驗(yàn)和油井水泥特殊性能檢測。所使用的原材料提供了G級油井水泥熟料所需的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3主要氧化物組分，通過煅燒，各氧化物以礦物組分的形式生成C3S、C2S、C3A、C4AF四類基本的礦物成分，其水化后形成水化膠凝材料。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

初步配料計(jì)算（確定現(xiàn)有原料是否能夠滿足配料要求）→各種原材料單獨(dú)粉磨→對粉磨好的原料進(jìn)行全分析→再次配料計(jì)算（確定試樣配料方案）→制成小樣進(jìn)行煅燒、分析→根據(jù)小樣分析結(jié)果確定大樣配料方案→進(jìn)行配料→混樣（加水拌合）→制樣→干燥→煅燒→極冷→破碎→熟料全分析→選擇滿足要求的熟料樣制成水泥（熟料加石膏進(jìn)行粉磨，不添加混合材）→水泥物理檢驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 生料制備

（1）原材料化學(xué)分析。對原材料進(jìn)行化學(xué)全分析，數(shù)據(jù)見表1。

表1 原材料化學(xué)分析數(shù)據(jù)（% ）

表2 干基配比

（2）干基配比。

根據(jù)表1的原材料成分，按照國標(biāo)要求，進(jìn)行配料，干基配比見表2。

（3）主要步驟。

①各原材料單獨(dú)粉磨，煤粉灼燒成煤灰。根據(jù)煤的工業(yè)分析以及原煤消耗，將煤灰摻加定為2%，其余灼燒生料占98%。測量各原料粉磨后水分：電石渣干粉0.8%，黃矸石1.8%，鋼渣0.6%，硅石0.8%。

②制取小樣。按照表3的實(shí)物配比比例，制取生料30g、加適量水，制成小樣，干燥后進(jìn)行煅燒。煅燒后熟料做化學(xué)全分析，分析結(jié)果，四個試樣化學(xué)成分均滿足要求。圖1為制取的小試樣，圖2為煅燒后的小試樣。

圖1 制取的小試樣

圖2 煅燒后的小試樣

③各原料按比例進(jìn)行稱取、實(shí)物配料。實(shí)物配料見表3。

表3 實(shí)物配料（kg）

④制樣。依次稱取各類物料倒入盆中保證混合均勻，并添加約2 700ml水，拌合均勻。

⑤成型、干燥。將拌合均勻的物料放入水泥成型模具中搗實(shí)、脫模，制成長條狀試樣，并放入烘干箱中烘干（250℃至少3h）。圖3為烘干后的生料試樣。

圖3 烘干后的生料試樣

2.2 熟料煅燒

（1）主要步驟。

①煅燒。將烘干好的試塊裝入箱式電阻爐中，按照0～300℃升溫1h，300℃～1 450℃升溫5～6h，1 450℃保溫30～60min進(jìn)行升溫煅燒。

②急冷。煅燒時間到后，待爐膛溫度降至1 300℃時打開爐門，用事先準(zhǔn)備好的鉤子將熟料試塊勾在鐵锨上，立即放在冷卻風(fēng)扇下進(jìn)行急冷。圖4為高溫熟料，圖5為冷卻后的熟料。

圖4 高溫熟料

圖5 冷卻后的熟料

③破碎。將冷卻后的熟料在顎式破碎機(jī)中進(jìn)行破碎，使粒徑小于5mm。

④熟料分析。對破碎的熟料進(jìn)行混樣，用實(shí)驗(yàn)室振動磨磨細(xì)，取樣，做化學(xué)全分析和熟料礦物組分。

（2）熟料全分析數(shù)據(jù)。表4為熟料的全分析數(shù)據(jù)。

表4 熟料的全分析數(shù)據(jù)（%）

表5 熟料礦物組份數(shù)據(jù)

（3）熟料礦物組分?jǐn)?shù)據(jù)，表5為熟料礦物組份數(shù)據(jù)。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，所制取的熟料3、熟料4樣礦物組分滿足《油井水泥》國家標(biāo)準(zhǔn)要求。分別取熟料3、熟料4的合格樣品，編號分別為1號樣、2號樣，做XRD和巖相分析。熟料巖相分析見圖6、圖7，XRD分析見圖8、圖9。

圖6 1號樣品 巖相圖

圖7 2號樣巖相圖

巖相檢驗(yàn)結(jié)果：1號樣A礦大小不均齊，成堆分布，數(shù)量偏少，且包裹有B礦，B礦成堆聚集，可見貫穿交叉的雙晶紋。2號樣A礦大小均齊，尺寸在20～50μm之間，邊棱不夠整齊，棱角圓鈍，內(nèi)部常包裹B礦，部分被熔蝕，六角板狀、長柱狀A(yù)礦晶體偏少，B礦偏少，且成堆聚集；兩個樣都有“港灣狀”A礦的現(xiàn)象，邊棱不太整齊，失去多邊形特征，中間相分布不均勻，有時可見fCaO礦巢。原因是生料混合不均勻、煤灰集中、煅燒溫度較高或時間較長。

從兩個熟料樣的XRD圖譜分析可以看出，主要礦物C3S、C2S、C3A、C4AF基本相近，但2號樣的C3S特征峰明顯強(qiáng)于1號樣；2號樣的C3S含量較1號樣高；對比發(fā)現(xiàn)2號樣的成礦情況要比1號樣好些，說明2號樣的易燒性要比1號樣好，與化學(xué)分析和巖相檢驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖8 1號樣XRD圖譜

圖9 2號樣XRD圖譜

表6 油井水泥物理性能檢測結(jié)果

2.3 水泥制備

（1）主要步驟。

①選取熟料3、熟料4粉磨制成水泥1號、水泥2號。

②將熟料3、熟料4用顎式破碎機(jī)進(jìn)行破碎，使入磨熟料粒度＜5mm。

③稱取破碎后的熟料和天然石膏（SO3含量35.91%），天然石膏按3.6%比例摻加，入小磨粉磨，水泥比表面積在300～320m2/Kg，細(xì)度（80μm篩余0.2%，45μm篩余30.36%）。

（2）水泥物理性能數(shù)據(jù)（主要限制指標(biāo)）。表6為油井水泥的物理性能檢測數(shù)據(jù)。

由表6數(shù)據(jù)可以看出，所制成的油井水泥物理性能完全滿足《油井水泥》（GB/T 10238-2015）要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及注意事項(xiàng)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）使用100%電石渣代替石灰石生產(chǎn)油井水泥完成可行的。

（2）所制取的油井水泥熟料和油井水泥各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，此次實(shí)驗(yàn)研究制備油井水泥取得成功。

3.2 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1）盡管事先我們做了小樣來驗(yàn)證配料情況，但是按照原配比制作的大樣當(dāng)中有兩個試樣成分超出范圍，這正體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的不確定性，我們認(rèn)為原料不均勻、以及試樣混樣不均勻，化驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差都是導(dǎo)致指標(biāo)超出范圍的原因，這也是我們在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)中所要重視的。

（2）在實(shí)驗(yàn)過程中遇到試樣如何成型、如何大批量制樣、如何煅燒和燒透熟料以及熟料如何極冷、大量煤粉如何煅燒成煤灰等問題，經(jīng)過反復(fù)探討，最終確定了最佳的實(shí)驗(yàn)方案，最大程度的縮短了實(shí)驗(yàn)時間。

3.3 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1）原材料化學(xué)分析一定要準(zhǔn)確，粉磨后原料應(yīng)混合均勻，取樣要有代表性。

（2）在做大樣之前應(yīng)先做小樣并進(jìn)行生料全分析，在進(jìn)行煅燒實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行熟料全分析，以確定滿足要求的大樣配料方案。

（3）大量煤粉在燒制煤灰時一定要燒透，避免影響配料。

（4）生料配料在混樣時，應(yīng)先稱取所占比例少的，應(yīng)多人配合，每多加一種原料保證混樣均勻。

（5）高溫爐內(nèi)放置生料試塊時，應(yīng)保證試塊之間間距，確保試塊能夠煅燒透。

（6）保證煅燒后的熟料進(jìn)行急冷。

（7）生料配料時保證C3A在2.5%以下，最好在2.0%以下。

3.4 生產(chǎn)注意事項(xiàng)

實(shí)驗(yàn)制取與實(shí)際生產(chǎn)有所不同，實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)確保各原材料成分穩(wěn)定，計(jì)量設(shè)備計(jì)量準(zhǔn)確，尤其是黃矸石和鋼渣的含量，一旦偏差較大，將造成熟料中C3A和C4AF超標(biāo)，生料配料時保證C3A在2.5%以下，最好在2.0%以下；合理控制預(yù)熱器各級溫度，相比于通用水泥熟料的煅燒，生產(chǎn)油井水泥熟料時預(yù)熱器各級溫度相對低40℃左右，生料易燒，液相量大，應(yīng)時刻關(guān)注系統(tǒng)溫度和負(fù)壓，避免出現(xiàn)紅料和結(jié)球等事故，在保證入窯分解率滿足要求的情況下，盡量降低分解爐用煤；水泥粉磨過程中要選擇三氧化硫（＞38%）含量高的石膏，限定不溶物＜10%，合理控制水泥比表面積，確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求。