快硬早强油井水泥生产与应用关键技术研究荣获2016年度电力行业技术市场金桥项目二等奖

项目科技水平

为提高低温井的固井质量，长期以来国内各研究机构做了大量工作，也取得了一定成果。大多成果采用的方法是在普通油井水泥中加入大量的促凝、早强等外加剂，此法虽然达到了预期的效果，但在外加剂等方面的投入较大，应用操作繁琐。本项目根据固井实际需要，通过改善油井水泥自身性能，固井后达到水泥浆快凝早强的预期效果，从而节省外加剂等方面的投入，同时减少现场作业的复杂局面。

通过对我公司周边原材料资源进行考察、取样、检验，比较多种原材料作生料生产油井水泥的可行性，原创性地将磷渣引入硅酸盐熟料煅烧体系，研究磷渣对熟料矿物形成机理的影响，并结合当地原材料资源特性，确定生产快硬早强油井水泥熟料较为适宜的技术方案，并不断优化工艺流程；制定了最佳的配料方案，确定了利用磷渣、钢渣等工业废渣制备快硬早强油井水泥熟料的各工序控制参数及窑系统操作规范。从强化水泥粉磨工艺、优化水泥颗粒组成及SO₃控制等方面解决快硬早强油井水泥与外加剂配伍相容性较差的难题，保证水泥浆在不同环境中的施工性能，填补了国内利用预分解窑煅烧快硬早强油井水泥熟料的技术空白。

项目实施效果

本项目为满足低温固井施工对水泥早期强度高，凝结硬化快等要求，以开发一种新型特种油井水泥为研究目的。旨在解决我国目前1500m以内，井下空环温度45℃以下的固井作业所面临的凝结时间过长，早期强度偏低等问题，为我国油井固井作业提供更可靠的技术品质保证。为我国油井水泥的发展提供理论依据和实践指导。

我公司开发的快硬早强油井水泥与常用油井水泥添加剂配伍性好，现场操作方便，并且使用外加剂量少，固井质量好。通过在油田固井项目中的应用，解决了油井窜槽、返水封固质量差等问题。应用固井443口，固井优良率达88.2%，合格率达到100%。2014年以来，我公司与中原油田分公司、中国石油玉门油田分公司等多家单位保持良好的合作关系，2014-2015年期间为我公司和固井企业节约生产成本超过1亿元，经济效益显著。

我公司生产的快硬早强油井水泥，应用在各大油田（如长庆、中原、江汉、玉门、青海等油田），施工中得到了普遍好评，固井质量优良，各项技术指标均优于G级高抗硫酸盐水泥检测指标。专家一致认为该水泥具有较高的实用性和创新性，社会和环境效益显著，总体上达到国际先进水平。已被长庆油田固井公司确定为气井的唯一指定产品。我公司生产的油井水泥满足油田固井需要，适用面较广，具备如下优点:生产工艺先进、产品质量稳定；原浆早期强度高，稠化时间适中；水泥与外加剂配伍性能好，水泥浆性能易于调节；并且产品价格适中，广泛应用可大大降低固井成本。经国家水泥质量监督检测中心检测，各项产品性能均满足相应技术规范要求。

经济效益

本项目研发产品主要从以下两方面节约成本：

（1）生产节约成本：采用本项目开发的技术后，熟料产量可以增加约20%，日产2500吨熟料的生产线产量将达到日产3000吨，每吨水泥生产中可节省原燃材料费用31元，每吨水泥销售价格相较普通油井水泥提高26元。按平均每年生产95万吨计算，每年节约费用：95×（31+26）=5415万。两年累计节约：5415×2=10830万。

（2）固井工程节约成本：本项目研发的快硬早强油井水泥，使用过程中可减少高密度早强剂的用量，与G级高抗油井水泥相比每吨水泥可节约固井成本约10.83元。2014至2015年间，我公司为中国石油玉门分公司、中原油田分公司、西部钻探青海钻井公司、长庆固井公司、长庆钻探庆阳项目部等五家单位提供油井水泥近160万吨，共节约固井成本：160×10.83=1732.8万。

近2年累计新增利润与节支：10830+1732.8=12562.8万。

社会效益

该种油井水泥的成功应用填补了国内在油井水泥生产方面的一项技术空白，对服务油田，推动固井作业不断向深层次发展具有重大意义。能够有效降低能源消耗，提高产品性能，减少二氧化碳及氮氧化物的排放，具有显著的社会和环境效益，值得大力推广使用。

1.5主要科技创新

水泥在油田上的应用已有100多年的历史，随着油田开发过程中井深的不同，其所处环境千变万化，因此在水泥使用的过程中，出现的问题层出不穷，石油界称其为注水泥技术。油气井注水泥技术目的是保证套管与井壁之间的稳定，隔绝油、气层和水层，或者隔绝易坍及易漏地层，所要解决的核心问题是如何提高井壁与管套间水泥环的密封质量。注水泥作业一般分为套管注水泥、尾管注水泥、挤水泥和打水泥塞等作业过程。而水泥浆在注替和凝结过程中能否稳定油、气、水层，以致不产生井漏，同时保护好生产管柱，其关键在于油井水泥质量的好坏。油井水泥作为油气井固井专用水泥，是整个固井工程至关重要的材料，因此研究优质、适用的油井水泥，具有十分重要的现实意义。

本项目研究的快硬早强油井水泥适用于低温条件下固井施工作业，低温条件下固井一般指的是井深1500m以内，井下循环温度45℃以下的固井作业，在这种条件下，普通油井水泥的水泥浆凝结时间长，硬化后早期抗压强度低，胶结质量差。为提高低温井的固井质量，大多科研工作者采用的方法是在普通油井水泥中加入大量促凝剂、早强剂等外加剂，此法虽然达到了预期的效果，但在外加剂等方面的投入较大，应用操作繁琐、配伍复杂，且不同区域油井要做大量试验去筛选、摸索。在国外，推崇的同样是应用基础油井水泥加外加剂进行调配，真正意义上满足固井需要的快凝早强水泥未见实质性的报道。根据我国固井实际情况，固井后实现水泥浆的快凝早强是发展的必然趋势。通过改进水泥性能，减少外加剂等方面的投入，降低现场作业的复杂程度，从技术上来说也是可行的。本项目为解决传统油井水泥在低温固井工程中适应性差的问题，在现有水泥生产设备的基础上进行改进。控制生产成本的同时保证产品质量，不断突破创新。本项目主要有以下三个创新点：

创新点1 结合普通硅酸盐水泥熟料的生产工艺特点，开创性的用磷渣、钢渣等工业废渣制备快硬早强油井水泥熟料。通过提高煤粉细度，稳定煤粉输送和称量系统，利用低品质原料替代高品质原料生产油井水泥熟料，进一步降低了油井水泥生产成本。

针对引入磷渣后油井水泥熟料出现液相量大、粘度小、烧成范围窄等问题，在实际生产中我们采取了如下措施：

（1）降低煤粉细度。控制煤粉细度，由原来的12.6%降低到8%以下，使入窑煤粉能够充分燃烧。若煤粉粗，在窑烧成带内煤粉燃烧不完全，煤粉颗粒沉落在熟料中，随熟料出窑进入篦冷机，形成液相，使出窑熟料有粘性，易堆积成堆。降低煤粉细度后，煤粉燃烧充分，并在后部均匀落入熟料中，不会影响出窑熟料的粘性。为进一步降低煤粉细度，我们在密封环顶部固定端四周加装一圈橡胶皮，预留2～3mm，定期更换橡胶皮，有效降低煤粉细度（80um）至8%左右，为煅烧油井水泥熟料创造有利条件，此项技术获得实用新型技术专利（专利号：ZL201320443265.X）。

（2）保证煤秤下煤和输送稳定。PFISTER秤上下密封板的间距不合理导致头、尾煤不稳，经常发生蹿煤现象导致炉温波动较大。通过在煤秤下料管与煤粉仓之间增加1个小仓，用锁风阀控制卸料，减少煤秤腔体串风，保证下煤稳定，原理图如图1所示。此项技术获得实用新型技术专利（专利号：ZL201320443763.4）。

图1  煤粉输送改进型效果图

（3）加强预热器巡检工作。油井水泥熟料的特殊化学成分决定了预热器4级、5级和烟室结皮几率远高于生产硅酸盐水泥熟料，加强对预热器3、4、5级预热器锥部及烟室的检查和结皮清理，保证下料管翻板阀动作灵活，确保下料管空气炮工作正常。

创新点2 在快硬早强油井水泥生料配料和水泥粉磨过程中掺入工业废渣，以达到降低熟料烧成温度，提高熟料强度，改善水泥性能，实现节能降耗，最终制备出各方面性能优异同时满足施工要求的油井水泥。

在油井水泥生产过程中，主要从以下两个方面来实现质量控制：

（1）严把原燃材料品质关，细化物料均化处理过程，精心选择配料方案，加强熟料烧成操作。快硬早强油井水泥，要求C₃A≤3.0%，不但要求原料中的Al₂O₃含量低，而且要求燃料中煤的灰份低，发热量高。快硬早强油井水泥中的C₃A比中热水泥要求的还要低（低50%左右），容易在煅烧过程中产生“飞砂料”，因此对煅烧的要求更高。在保证入窑料浆成分和窑内热工制度稳定的情况下，着重加强看火操作，采用“薄料快转、长焰顺烧”，避免：“厚料慢转、顶火急烧”的工艺方法。提高窑转速，窑内料层变薄，通风顺畅，来料均匀，窑皮平整，不会出现窑皮大起大落。窑主电机转速提高，窑转速由2.6r/min，提高到 3.0r/min，窑皮平整面厚薄均匀。同时将窑喷煤管向外拉出，使火点位置经常变换，避免热力集中于一点，避免窑皮的粘挂。在操作上，拉大排风，将火焰拉长。减少头煤用量，适当增加窑尾用煤，减轻窑烧成带的热力负荷，增加分解炉的负荷，提高入窑生料的分解率，将分解炉温度出口温度由原来的820℃提高到890℃。同时，注意风煤配合，保持一定形状的火焰，加强熟料的预烧。升重控制在1350～1550g/L时，熟料中的f-CaO能够控制在小于1.0%范围内，如果升重大于1550 g/L时，将会导致熟料中已形成的矿物又进一步熔蚀，造成稠化时间偏短，强度不高。反之升重低于1350g/L时，则熟料中矿物晶体小，结晶不完全，使稠化时间偏长，强度降低。通过此项技术发表学术论文一篇：刘生超，邹兴芳， 预分解窑生产D级油井水泥熟料的生产实践. 新世纪水泥导报，2014，116（4）：36-39。

（2）结合熟料中f-CaO与石膏纯度，选择水泥磨的质量控制指标。研究油井水泥熟料在水泥粉磨制备时掺入1%～2%硅灰，加入3%的石膏（精石膏+纤维膏=1：1），通过调整、改进油井水泥自身性能，生产快硬早强油井水泥。粉磨过程中，尽量避免熟料和磨机温度过高引起二水石膏脱水。石膏脱水后，所生成的CaSO₄•1/2H₂O和CaSO₄会使水泥的稠度急剧增大，稠化时间缩短。为保证出磨水泥比表面积、SO₃达到质量要求，出磨水泥的温度必须控制小于115oC，避免水泥中的石膏继续脱水。通过此项技术发表学术论文一篇：邹兴芳. 快硬早强油井水泥生产与应用的试验研究. 建材发展导向，2015，185（4）：61-66。

创新点3 本项目研发的快硬早强油井水泥能有效改善低温条件下的封固质量，提高与外加剂的配伍性，减少外加剂的使用量，极大降低油田固井的施工成本，满足快速钻井或提前生产开采的需要。

根据目前已掌握的油井水泥与各种性能外加剂相容性的原理，本项目主要采取如下针对性措施：

（1）建立各种原燃料评价体系，此项技术获得一项发明专利（专利号：201510392758.9）。

经过对原燃料的优选，建立健全系统的技术评价体系，满足生产优质油井水泥的基本要求，且可以通过及时调整适当的原料配比，实现最优配料方案。

（2）结合实际改善生产条件及工艺，此项技术获得一项发明专利（专利号：201510338948.2）。

充分利用我厂生产油井水泥的优势，开展油井水泥熟料的试生产工作。在掌握油井水泥熟料煅烧制度后，严控各种生产参数，不断改进生产工艺，保证出窑熟料质量的稳定性，提高生产效率，具体改进措施如下：

①均化方式由传统的机械搅拌改为压缩空气搅拌，可以有效的提高均化效果；

②设计采用大型原型伞棚，对熟料进行保管，防止其结块；

③对原燃材料进行预均化处理，使传统的生产工艺增添新的质量控制手段；

④对生料配料采用微机配料方式，实现其智能型的管控，有效提高配料精度；

⑤水泥粉磨过程中增加预粉磨系统，优化水泥磨系统的工艺配置，改善水泥品质，提高生产效率。

（3）建立良好的熟料煅烧制度，此项技术获得实用新型技术专利（专利号：ZL201310517346.4）。

油井水泥的熟料煅烧制度，一直是我们非常重视的环节。主要通过以下几个方面保证熟料煅烧质量：

①明确建立了煅烧制度必须服从油井水泥熟料相对固定的配料方案；

②采取适当控制熟料产量的措施，来循序渐进地优化操作参数，逐步提升产品质量；

③针对四通道燃烧器的煤粉燃烧效果，专人负责系统用风量，保证生产制度的连续稳定。

（4）配伍性研究

本项目研究的快硬早强油井水泥虽然抛弃了传统的油井水泥所需要使用的促凝剂和早强剂，但是其他外加剂的使用，在绝大多数情况下，是不可避免的。固井施工作业一般远离城区，且环境较为恶劣，加上外加剂的品种繁多，导致了油井水泥即使组成相同，在不同时期，也可能出现一定的差异性。而只有保证了油井水泥本身的稳定性，才能在一定程度上保证施工的顺利进行，将不确定性因素的影响降至最低。依固井现场要求，为有效应对各种井下复杂情况，采用本项目所产油井水泥与低温下固井中必需的各种油井水泥添加剂如氯化钙、分散剂USZ、低温膨胀剂G502、低温降失水剂TW200S及东北现场用水等进行配伍实验。其中稠化实验条件为40℃*21MPa*20min，抗压强度试验条件为38℃*常压*8h和38℃*常压*24h。对比试验结果发现，本项目研究的快硬早强油井水泥与普通油井水泥相比，除了凝结时间短、水泥石具有微膨胀作用，抗压强度高以外，还与固井必需的各种添加剂配伍性好、水泥浆综合性能高，在一定程度上节省了外加剂，提高了水泥浆综合性能，完全可以满足施工单位的固井需求。

本项目开发的油井水泥相较国内外同类产品而言，各方面性能较为突出，对比情况如表1所示。

知识产权状况

本项目共申请发明专利3项，其中1项已授权，2项已受理；授权实用新型技术专利4项。

摘要（一定要把业绩的重点内容浓缩、概括在500字以内）

我公司在本项目实施过程中，拟订试制方案，并组织方案的实施和协调工作，及时分析试制过程中出现的问题并研究解决办法；研究设计配料方案、试制并指导煅烧，对关键技术与创新点作出创造性贡献；及时跟踪水泥市场使用情况，为油田提供良好的技术服务。项目研发成果已通过湖北省科技成果鉴定会，鉴定委员会审阅了相关鉴定资料后形成如下意见:1.通过精选与优化原燃材料及适宜工业废渣，降低了快硬早强油井水泥燃料的烧成温度，提高了熟料质量；2.快硬早强油井水泥具有稠化时间短、早期抗压强度高、微膨胀等优点，与外加剂配伍性好，施工方便；3.项目技术已经在该公司多条水泥生产线获得实际应用，产品已通过国家权威机构检测，符合国家质量标准。4.该项目解决了油井窜槽、返水封固质量差的难题，在油田固井工程中得到了广泛应用，经济、环境效益显著。鉴定委员会一致认为其整体达到国际先进水平，建议尽快推进在行业中的推广应用。本项目开发的快硬早强油井水泥通过在长庆、青海、内蒙等油田固井工程上的应用，解决了油井窜槽、返水封固质量差的问题，固井433口，合格率高达到100%，为油田整体注采方案的实施提供了有力保障。