何維帥

合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051

G、H級油井水泥熟料配料及旁路放風(fēng)設(shè)計

何維帥

合肥水泥研究設(shè)計院，安徽 合肥 230051

根據(jù)G、H級油井水泥控制參數(shù)要求，合理進(jìn)行配料計算，結(jié)合原料堿、氯含量高的特點，采取旁路放風(fēng)的措施，提出滿足哈薩克斯坦某廠2 500 t/d油井水泥熟料（G、H級）生產(chǎn)線要求的旁路放風(fēng)量，及采用五級旋風(fēng)預(yù)熱器+在線型分解爐+回轉(zhuǎn)窯+第四代篦式冷卻機(jī)的油井水泥熟料燒成系統(tǒng)控制參數(shù)。

G、H級油井水泥 配料計算 旁路放風(fēng)

0 引言

油井水泥專用于油井、氣井的固井工程，主要作用是將套管與周圍的巖層膠結(jié)封固，封隔地層內(nèi)油、氣、水層，防止相互串?dāng)_。G、H級油井水泥是兩種基本的油井水泥，適用于自地面至2 440 m井深的水泥注入。與促凝劑或緩凝劑一起使用，能適應(yīng)于較大的井深和溫度范圍。隨著哈薩克斯坦油田建設(shè)的蓬勃發(fā)展，油井水泥需求量激增，開發(fā)建設(shè)G、H級油井水泥熟料生產(chǎn)線具有重要的工程應(yīng)用前景。哈薩克斯坦屬于典型內(nèi)陸國家，沙漠覆蓋率高，水分蒸發(fā)量大，原、燃料有害成分高，影響熟料和水泥生產(chǎn)質(zhì)量。筆者根據(jù)哈薩克斯坦某廠2 500 t/d油井水泥熟料生產(chǎn)線的設(shè)計經(jīng)歷，通過計算來探討G、H級水泥熟料配料方案和旁路放風(fēng)設(shè)計參數(shù)。

1 G、H級油井水泥熟料控制參數(shù)

根據(jù)API 10A/ISO 10426-1（美國石油協(xié)會）關(guān)于油井水泥的化學(xué)要求，G、H級油井水泥組分含量：MgO≤6.0%、SO3≤3.0%、48%≤C3S≤65%、C3A≤3%、C4AF+2C3A≤24%、以鈉當(dāng)量表示的總堿含量應(yīng)不大于0.75%。油井水泥除了熟料外只允許加入3%～6%的二水石膏，因此油井水泥化學(xué)要求基本同樣適用于熟料。與普通硅酸水泥熟料生產(chǎn)線相比，G、H級油井水泥熟料在配料設(shè)計時應(yīng)保證較高的C3S和較低的C3A。根據(jù)油井水泥熟料礦物組成和收集國內(nèi)的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，確定油井水泥熟料率值控制范圍：KH=0.88±0.02、 SM=2.40±0.10、IM=0.80±0.10。

2 配料方案

該項目位于哈薩克斯坦南部，油井水泥熟料設(shè)計產(chǎn)能為2 500 t/d，經(jīng)計算正常情況下燒成熱耗3 093～3 114 kJ/kg，而本項目合同約定熟料燒成性能考核指標(biāo)為3 218 kJ/kg，考慮旁路放風(fēng)造成燒成熱耗增加的影響，配料、熱平衡計算時燒成熱耗宜取3 177～3 219 kJ/kg，本項目按3 198 kJ/kg進(jìn)行計算，采用石灰石、黏土、砂巖和黃鐵礦四組分配料。原、燃料化學(xué)成分見表1，煤的工業(yè)分析見表2。

為防止熟料因燒成范圍窄、液相量大、粘度小而造成結(jié)皮、結(jié)球和損害耐火材料，實際生產(chǎn)中，SM值與KH值相適應(yīng)，宜取上限值，IM值與KH值相適應(yīng)，KH值高，則降低IM值、但不能太低。因此本項目取熟料率值KH=0.90、SM=2.50、IM=0.80。G、H級油井水泥熟料干基配比：石灰石78.53%、黏土6.40%、黃鐵礦3.24%、砂巖11.83%、煤灰摻入量2.83%，每千克熟料理論料耗1.498 kg，配料結(jié)果見表3。

按此率值配料，燒成溫度1 400 ℃時，其液相量約為25%，窯皮值處于正常范圍，不易結(jié)圈，易燒性較好。熟料主要礦物組成基本滿足API 10A/ ISO 10426-1中關(guān)于G、H油井水泥的相關(guān)要求，MgO、SO3含量同樣滿足規(guī)范要求。

堿含量以鈉當(dāng)量表示時，即使不考慮石膏內(nèi)的堿含量，摻加94%的油井水泥熟料（最低含量）時，油井水泥堿含量數(shù)值為0.77%，也超過0.75%的限值。一般生產(chǎn)時還需考慮原料不均勻系數(shù)，最大限度降低產(chǎn)品不合格率，又要兼顧旁路放風(fēng)對系統(tǒng)熱耗的影響，因此，G、H級油井水泥熟料鈉當(dāng)量宜控制在0.65%～0.70%之間。API 10A/ISO 10426-1中未提及G、H油井水泥氯離子含量的控制要求，國外一些廠家生料中氯離子含量控制在0.015%～0.020%，本文以生料中氯離子含量不大于0.020%為控制指標(biāo)。顯然，熟料中總堿含量和氯離子含量均超標(biāo)，需要采取必要措施降低有害元素含量。

表1 原料化學(xué)成分 %

表2 煤的工業(yè)分析數(shù)據(jù)

表3 油井水泥熟料配料計算結(jié)果 %

眾所周知，由原、燃料中所帶入的堿、氯、硫化合物會在窯系統(tǒng)（回轉(zhuǎn)窯和預(yù)熱器）內(nèi)部循環(huán)和富集，較易發(fā)生結(jié)皮和堵塞等故障，給水泥熟料生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果。最容易發(fā)生結(jié)皮、堵塞的部位是在窯尾煙室、下料斜坡、縮口及最下一級旋風(fēng)筒的椎體、最下兩級旋風(fēng)筒的下料管等部位。旁路放風(fēng)（通過技術(shù)手段將窯尾煙室至分解爐上升管道的氣體放出一部分）可有效緩解由于原料、燃料堿、氯和硫偏高而引起的結(jié)皮問題。

3 旁路放風(fēng)比例計算

本文旁路放風(fēng)點選在位于窯中軸線的窯尾上升煙室的后側(cè)，便于處理結(jié)皮堵塞和工藝布置。由于旁路放風(fēng)會帶來額外的熱耗增加，因此通過計算確定合適的放風(fēng)比例最為關(guān)鍵。

堿含量循環(huán)富集系數(shù)計算公式：

K-1=ε1(1-V)/(1-ε2(1-V)

熟料中堿含量減少量計算公式：

式中： V—使預(yù)熱器不造成堿結(jié)皮的旁路放風(fēng)量；

ε1、ε2—揮發(fā)系數(shù)，見表4。

上式同樣適用氯離子的計算。

由于堿含量和氯離子同時超標(biāo)，計算K2O(Na2O)的減少量時，選取ε1=0.5（0.45）、ε2=0.9（0.8），計算氯離子時，取ε1=0.9、ε2=0.95，旁路放風(fēng)量分別為5.0%、7.5%、10.0%，結(jié)果見表5。其中Na2Oeqv= Na2O+0.658 K2O。

由此可見，放風(fēng)量5%時，G、H油井水泥熟料鈉當(dāng)量和生料中氯離子含量均接近控制指標(biāo)的上限值；放風(fēng)量7.5%時，其控制指標(biāo)均適中，宜在實際生產(chǎn)中采用；放風(fēng)量10%時，有害成分含量已很小，可作為旁路放風(fēng)設(shè)計極值考慮，生產(chǎn)富余系數(shù)1.3左右。

4 燒成系統(tǒng)熱工參數(shù)計算

旁路放風(fēng)時系統(tǒng)熱工參數(shù)需要通過熱平衡計算確定。燒成系統(tǒng)（五級旋風(fēng)筒、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、篦冷機(jī)）熱平衡計算基準(zhǔn)為1 kg熟料，熱耗3 198 kJ/kg，窯爐燃料比為4∶6。海拔、年均風(fēng)速、年均氣溫、相對濕度等均按常規(guī)情況考慮。由于旁路放風(fēng)帶走一部分粉塵不再進(jìn)入燒成系統(tǒng)，會帶來生料料耗和熱耗增加，資料顯示每1%的旁路放風(fēng)量會帶來約相當(dāng)于0.1%生料的窯灰損失[1]。本項目旁路窯灰通過袋收塵器收集后用于水泥配料。由于系統(tǒng)旁路放出一部分煙氣，相關(guān)系數(shù)取值可略大一些，窯尾、窯頭空氣過剩系數(shù)取1.14，篦冷機(jī)冷卻風(fēng)量2.0 Nm3/kg，窯頭一次風(fēng)比例取0.09，窯尾一次風(fēng)比例取0.08，C1筒收塵效率93%。

表4 不同有害成分揮發(fā)系數(shù)[1]

表5 不同旁路放風(fēng)量計算結(jié)果

通過計算發(fā)現(xiàn)，旁路放風(fēng)量7.5%時，C1筒出口335 ℃，篦冷機(jī)余風(fēng)出口225 ℃，旁路放風(fēng)出口980 ℃，帶出熱量89.12 kJ/kg熟料，相當(dāng)于每1%的旁路放風(fēng)帶出11.87 kJ/kg熟料。燒成系統(tǒng)熱平衡結(jié)果見表6。

表6 旁路放風(fēng)7.5%時燒成系統(tǒng)熱平衡計算結(jié)果

設(shè)定條件不變的情況下，旁路放風(fēng)量5%時，帶出熱量59.15 kJ/kg熟料，相當(dāng)于每1%的旁路放風(fēng)帶出11.83 kJ/kg熟料；旁路放風(fēng)量10%時，帶出熱量119.4 kJ/kg熟料，相當(dāng)于每1%的旁路放風(fēng)帶出11.95 kJ/kg熟料。

由此可見，該系統(tǒng)旁路放風(fēng)熱量損失58.5～121.2 kJ/kg熟料，相當(dāng)于每1%的旁路放風(fēng)帶出11.83～11.95 kJ/kg熟料的熱量，且隨著放風(fēng)量的增加，熱量損失遞增率呈增大趨勢。通過理論計算選擇合適的旁路放風(fēng)量和熱工參數(shù)，系統(tǒng)熱量損失在可接受的范圍內(nèi)，并未超出性能考核指標(biāo)限值，同時達(dá)到消除熟料有害成分循環(huán)富集的效果，設(shè)計是成功的。

5 結(jié)束語

由于我國進(jìn)入國際市場的需要，有些地區(qū)，如中亞、中東地區(qū)，油田數(shù)量多，G、H級油井水泥需求量大，且原料中的堿、氯含量較高，采用旁路放風(fēng)技術(shù)生產(chǎn)油井水泥應(yīng)用廣泛，而國內(nèi)較少見到，生產(chǎn)經(jīng)驗和技術(shù)積累相對不足，選取合適的熟料率值和綜合考慮旁路放風(fēng)比例與燒成熱耗損失是工藝設(shè)計的關(guān)鍵，需要我們加強(qiáng)研究和創(chuàng)新。

[1] 華新水泥廠編譯組. 國際水泥工藝資料集[M]. 增訂二版.

[2] 劉生超, 鄒興芳. 預(yù)分解窯生產(chǎn)級油井水泥熟料的生產(chǎn)實踐[J]. 新世紀(jì)水泥導(dǎo)報, 2014(4):36-39.

2016-06-28）

TQ172.75

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1008-0473(2016)05-0057-04

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.012