电石渣制G级油井水泥实验研究

曾宪军，陈 鹏，朱先均，乔陆军，尤文军

（陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 神木 719319）

当下水泥产能处于过剩的严峻形势，但高等级的水泥却较为短缺。传统石灰石生产油井水泥技术已经非常成熟，而采用电石渣生产油井水泥较为少见，多受到区域和资源限制。电石渣作为优质的钙质原料，生产油井水泥理论上可行，但要实际生产，需要开展相关的实验研究。陕北地区盐井、油井较多，油井水泥具有销售市场，为开发新产品、提高公司竞争力，我们采用电石渣配料，开展相关研究，各项检测指标满足要求，达到了预期效果。

1 实验原料、仪器及方法、原理

1.1 实验原料

电石渣、黄矸石、钢渣、硅石以及煤粉。

1.2 实验仪器

颚式破碎机、标准小磨、振动磨、、振动筛、电子分析天平、电子天平、电热恒温干燥箱、箱式电阻炉（1 600℃）、箱式电阻炉（1 100℃）、火焰光度计、叶片式搅拌器、常压稠度计、增压稠化仪、高温高压养釜、压力试验机、勃氏透气比表面积仪、负压筛析仪、X射线衍射仪、金相试样抛光机、金相显微镜、水泥成型模具、电风扇、化学分析及物理检验等相关仪器。

1.3 实验方法

按照G级油井水泥熟料矿物组成要求，在实验室用电石渣、黄矸石、硅石、钢渣和煤灰分别粉磨后，进行配料、混合、成型、烘干、高温煅烧成熟料，粉磨后，性能检测，满足G级油井水泥的要求后，将粉磨后的熟料，掺入一定比例的石膏制成G级油井水泥，对水泥进行常规物理性能检验和油井水泥特殊性能检测。所使用的原材料提供了G级油井水泥熟料所需的CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3主要氧化物组分，通过煅烧，各氧化物以矿物组分的形式生成C3S、C2S、C3A、C4AF四类基本的矿物成分，其水化后形成水化胶凝材料。

1.4 实验步骤

初步配料计算（确定现有原料是否能够满足配料要求）→各种原材料单独粉磨→对粉磨好的原料进行全分析→再次配料计算（确定试样配料方案）→制成小样进行煅烧、分析→根据小样分析结果确定大样配料方案→进行配料→混样（加水拌合）→制样→干燥→煅烧→极冷→破碎→熟料全分析→选择满足要求的熟料样制成水泥（熟料加石膏进行粉磨，不添加混合材）→水泥物理检验。

2 实验内容

2.1 生料制备

（1）原材料化学分析。对原材料进行化学全分析，数据见表1。

表1 原材料化学分析数据（% ）

表2 干基配比

（2）干基配比。

根据表1的原材料成分，按照国标要求，进行配料，干基配比见表2。

（3）主要步骤。

①各原材料单独粉磨，煤粉灼烧成煤灰。根据煤的工业分析以及原煤消耗，将煤灰掺加定为2%，其余灼烧生料占98%。测量各原料粉磨后水分：电石渣干粉0.8%，黄矸石1.8%，钢渣0.6%，硅石0.8%。

②制取小样。按照表3的实物配比比例，制取生料30g、加适量水，制成小样，干燥后进行煅烧。煅烧后熟料做化学全分析，分析结果，四个试样化学成分均满足要求。图1为制取的小试样，图2为煅烧后的小试样。

图1 制取的小试样

图2 煅烧后的小试样

③各原料按比例进行称取、实物配料。实物配料见表3。

表3 实物配料（kg）

④制样。依次称取各类物料倒入盆中保证混合均匀，并添加约2 700ml水，拌合均匀。

⑤成型、干燥。将拌合均匀的物料放入水泥成型模具中捣实、脱模，制成长条状试样，并放入烘干箱中烘干（250℃至少3h）。图3为烘干后的生料试样。

图3 烘干后的生料试样

2.2 熟料煅烧

（1）主要步骤。

①煅烧。将烘干好的试块装入箱式电阻炉中，按照0～300℃升温1h，300℃～1 450℃升温5～6h，1 450℃保温30～60min进行升温煅烧。

②急冷。煅烧时间到后，待炉膛温度降至1 300℃时打开炉门，用事先准备好的钩子将熟料试块勾在铁锨上，立即放在冷却风扇下进行急冷。图4为高温熟料，图5为冷却后的熟料。

图4 高温熟料

图5 冷却后的熟料

③破碎。将冷却后的熟料在颚式破碎机中进行破碎，使粒径小于5mm。

④熟料分析。对破碎的熟料进行混样，用实验室振动磨磨细，取样，做化学全分析和熟料矿物组分。

（2）熟料全分析数据。表4为熟料的全分析数据。

表4 熟料的全分析数据（%）

表5 熟料矿物组份数据

（3）熟料矿物组分数据，表5为熟料矿物组份数据。

通过以上数据可以看出，所制取的熟料3、熟料4样矿物组分满足《油井水泥》国家标准要求。分别取熟料3、熟料4的合格样品，编号分别为1号样、2号样，做XRD和岩相分析。熟料岩相分析见图6、图7，XRD分析见图8、图9。

图6 1号样品 岩相图

图7 2号样岩相图

岩相检验结果：1号样A矿大小不均齐，成堆分布，数量偏少，且包裹有B矿，B矿成堆聚集，可见贯穿交叉的双晶纹。2号样A矿大小均齐，尺寸在20～50μm之间，边棱不够整齐，棱角圆钝，内部常包裹B矿，部分被熔蚀，六角板状、长柱状A矿晶体偏少，B矿偏少，且成堆聚集；两个样都有“港湾状”A矿的现象，边棱不太整齐，失去多边形特征，中间相分布不均匀，有时可见fCaO矿巢。原因是生料混合不均匀、煤灰集中、煅烧温度较高或时间较长。

从两个熟料样的XRD图谱分析可以看出，主要矿物C3S、C2S、C3A、C4AF基本相近，但2号样的C3S特征峰明显强于1号样；2号样的C3S含量较1号样高；对比发现2号样的成矿情况要比1号样好些，说明2号样的易烧性要比1号样好，与化学分析和岩相检验结果吻合。

图8 1号样XRD图谱

图9 2号样XRD图谱

表6 油井水泥物理性能检测结果

2.3 水泥制备

（1）主要步骤。

①选取熟料3、熟料4粉磨制成水泥1号、水泥2号。

②将熟料3、熟料4用颚式破碎机进行破碎，使入磨熟料粒度＜5mm。

③称取破碎后的熟料和天然石膏（SO3含量35.91%），天然石膏按3.6%比例掺加，入小磨粉磨，水泥比表面积在300～320m2/Kg，细度（80μm筛余0.2%，45μm筛余30.36%）。

（2）水泥物理性能数据（主要限制指标）。表6为油井水泥的物理性能检测数据。

由表6数据可以看出，所制成的油井水泥物理性能完全满足《油井水泥》（GB/T 10238-2015）要求。

3 实验结论及注意事项

3.1 实验结论

（1）使用100%电石渣代替石灰石生产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项性能均满足标准要求，此次实验研究制备油井水泥取得成功。

3.2 实验总结

（1）尽管事先我们做了小样来验证配料情况，但是按照原配比制作的大样当中有两个试样成分超出范围，这正体现了实验的不确定性，我们认为原料不均匀、以及试样混样不均匀，化验数据的偏差都是导致指标超出范围的原因，这也是我们在实验室和生产中所要重视的。

（2）在实验过程中遇到试样如何成型、如何大批量制样、如何煅烧和烧透熟料以及熟料如何极冷、大量煤粉如何煅烧成煤灰等问题，经过反复探讨，最终确定了最佳的实验方案，最大程度的缩短了实验时间。

3.3 实验注意事项

（1）原材料化学分析一定要准确，粉磨后原料应混合均匀，取样要有代表性。

（2）在做大样之前应先做小样并进行生料全分析，在进行煅烧实验，并进行熟料全分析，以确定满足要求的大样配料方案。

（3）大量煤粉在烧制煤灰时一定要烧透，避免影响配料。

（4）生料配料在混样时，应先称取所占比例少的，应多人配合，每多加一种原料保证混样均匀。

（5）高温炉内放置生料试块时，应保证试块之间间距，确保试块能够煅烧透。

（6）保证煅烧后的熟料进行急冷。

（7）生料配料时保证C3A在2.5%以下，最好在2.0%以下。

3.4 生产注意事项

实验制取与实际生产有所不同，实际生产过程中应确保各原材料成分稳定，计量设备计量准确，尤其是黄矸石和钢渣的含量，一旦偏差较大，将造成熟料中C3A和C4AF超标，生料配料时保证C3A在2.5%以下，最好在2.0%以下；合理控制预热器各级温度，相比于通用水泥熟料的煅烧，生产油井水泥熟料时预热器各级温度相对低40℃左右，生料易烧，液相量大，应时刻关注系统温度和负压，避免出现红料和结球等事故，在保证入窑分解率满足要求的情况下，尽量降低分解炉用煤；水泥粉磨过程中要选择三氧化硫（＞38%）含量高的石膏，限定不溶物＜10%，合理控制水泥比表面积，确保各项指标满足要求。