各种水泥的生产及性能特点

油井水泥的生产及性能特点油井水泥专用于油井、气井的固井工程，又称堵塞水泥。它的主要作用是将套管与周围的岩层胶结封固，封隔地层内油、气、水层，防止互相窜扰，以便在井内形成一条从油层流向地面且隔绝良好的油流通道。油井水泥的基本要求是，水泥浆在注井过程中要有一定的流动性和合适的密度；水泥浆注入井内后，应较快凝结，并在短期内达到相当强度;硬化后的水泥浆应有良好的稳定性和抗渗性、抗蚀性等。油井底部的温度和压力随着井深的增加而提高，每深入100m,温度约提高3T,压力增加1.0〜2.0MPa。例如，井深达7000m以上时，井底温度可达200T,压力可达到125MP&。因此，高温高压特别是高温对水泥各种性能的影响是油井水泥生产和使用的最主要问题。高温作用使硅酸盐水泥的强度显著下降，因此，不同深度的油井应该用不同组成的水泥。根据国家标准GB10238—98，我国油井水泥分为八个级别，包括普通型（0）、中抗硫酸盐型（MSR）和高抗硫酸盐型（HSR）三类。各级别油井水泥使用范围如下：A级：在无特殊性能要求时使用，仅有普通型。B级：适合于井下条件要求的中抗或高抗硫酸盐时使用，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种类型。C级：适合于井下条件要求高的早期强度时使用，分为普通型、中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型三种类型。D级：适合于中温中压的井下条件时使用，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种类型。E级：适合于高温高压的井下条件时使用，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种类型。F级：适合于超高温高压的井下条件时使用，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型。G级：是一种基本油井水泥，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种类型。H级：是一种基本油井水泥，分为中抗硫酸盐型和高抗硫酸盐型两种类型。油井水泥的物理性能要求包括水灰比、水泥比表面积、15〜30min内的初始稠度、在特定温度和压力下的稠化时间，以及在特定温度、压力和养护龄期下的抗压强度等。油井水泥的生产方法有两种，一种是制造特定矿物组成的熟料，以满足某级水泥的化学和物理要求；另一种是采用基本油井水泥（G级或H级水泥），加入相应的外加剂，以达到等级水泥的技术要求。采用前一方法往往给水泥厂带来较多的困难，因此，现在多用第二种方法。G级水泥与H级水泥的矿物组成、质量标准、技术要求完全相同，不同的是水灰比，G级为0.44，而H级为0.38。因此，H级的比表面积较低，仅为270〜300m2/kgo在化学成分方面，中抗硫酸盐型要求：MgOW6.0%；S03W3.0%；烧失量W3.0%；不溶物W0.75%；C3S为48%〜58%；C3AW8%；总碱量(Na2O+0.658K2O)^0.75%o高抗硫酸盐型除要求C3AW3%,2C3A+C4AFW24%,C3S为48%〜65%外，其余化学成分要求均与中抗硫酸盐型相同。在物理性能方面，不分类型，除水灰比外，G级和H级的物理性能要求相同。其要求为：游离水W3.5mL(以250mL为基准，折合1.4%)；15〜30min内的初始稠度W30Bc(水泥浆体稠度的Bearden单位)；52T、35.6MPa压力下的稠化时间为90〜120min；38T常压养护8h的抗压强度$2.1MPa；60T常压养护8h的抗压强度$10.3MPa。油井和气井的情况十分复杂，为适应不同油气井的具体条件，有时还要在水泥中加入一些外加剂，如增重剂、减轻剂或缓凝剂等。高铝水泥的生产及性能特点：以铝酸钙为主，氧化铝含量约为50%的熟料磨细制成的水硬性胶凝材料，称为高铝水泥。高铝水泥熟料的主要矿物组成为ca、ca2、c12a7、c2AS，还有微量的尖晶石(MA)、钙钛石(CaO・TiO2)及铁相。铁相的矿物组成可能为C2F，也可能为CF、Fe2O3、FeO等。生产高铝水泥所用原料为矶土和石灰石。国外多采用熔融法生产高铝水泥，此时，原料不需磨细，可用低品位矶土，但烧成热耗高，熟料硬度高，粉磨电耗大。我国广泛采用回转窑烧成法生产高铝水泥，烧成热耗及粉磨电耗低，可用生产硅酸盐水泥的设备;但要用优质原料，生料要均匀，烧成温度范围窄，仅50〜80T,烧成温度一般在1300〜1380T。在煅烧中要采用低灰分燃料，以免灰分落入而影响物料的均匀性，造成结大块和熔融。另外，要控制好烧成带的火焰温度。由于熟料凝结正常，水泥粉磨时不加石膏等缓凝剂。生料配料主要控制碱度系数Am=C-1.87S-0.7(F+T)0.55(A-1.7珔S-2.53M)和铝硅比系数(Al2O3/SiO2)oAm值高，则CA多，水泥凝结快，强度高；Am值低，则CA少，而CA2多，凝结慢，强度低。回转窑生产时，普通高铝水泥一般Am选取0.75；若为快硬高强的高铝水泥，Am应控制在0.8〜0.9之间；如要求具有较好的耐高温性能，则Am应控制在0.55〜0.65较为合适。铝硅比A/S值对水泥强度有很大影响，A/S>7,水泥强度等级可达32.5级以上；A/S>9,水泥强度等级可达42.5级以上；对于低钙铝酸盐水泥，A/S常高于16。CA是高铝水泥的主要矿物组成，有很高的水硬活性，凝结时间正常，水化硬化迅速；ca2水化硬化慢，后期强度高，但早期强度却较低，具有较好的耐高温性能。CA的水化产物与温度关系很大，在环境温度低于20T时，主要生成CAH10；温度为20〜30T时，转变为C2AH8和Al(OH)3凝胶；温度高于30T时，则转变为C3AH6和Al(OH)3凝胶°c12a7的水化与CA相似，结晶的C2AS水化很慢，0唱C2S水化生成C唱S唱H凝胶。由于介稳相CAH10和C2AH8逐步转变为C3AH6稳定相，温度越高，转变越快；同时，晶型转变释放出大量游离水，孔隙率急剧增加，使得高铝水泥的长期强度特别是在湿热环境下会明显下降，甚至引起工程破坏。因此，许多国家限制高铝水泥应用于结构工程。高铝水泥初凝时间不得早于4Omin,终凝时间不得迟于10h。在高铝水泥中加入15%〜60%硅酸盐水泥会发生闪凝，这是因为硅酸盐水泥析出Ca(OH)2，增加液相的PH值之故。高铝水泥的特点是强度发展非常迅速，24h内几乎可达到最高强度，强度等级以3d抗压强度来表示；其28d强度不得低于3d的强度指标。另一特点是，低温(5〜10°C)下也能很好硬化，而在气温较高(>30°C)条件下养护，强度剧烈下降。因此，高铝水泥使用温度不得超过30C，更不宜采用蒸汽养护。高铝水泥抗硫酸盐性能好，因为水化时不析出Ca(OH)2。此外，水化产物含有Al(OH)3凝胶，使水泥石致密，抗渗性好，对碳酸水和稀酸(PH不小于4)也有很好的稳定性，但对浓酸和浓碱的耐蚀性不好。由于在高温(>900C)下，高铝水泥会发生固相反应，烧结结合逐步取代水化结合，因此，高铝水泥又有一定耐高温性，在高温下仍能保持较高强度，特别是低钙铝酸盐水泥，可用作各种高温炉内衬材料。目前，高铝水泥主要用于配制膨胀水泥、自应力水泥和1200〜1400°C的耐热混凝土。河南达嘉膨胀和自应力水泥的生产及性能特点普通硅酸盐水泥在空气中硬化时，其收缩率约为0.20%〜0.35%,这将使混凝土内部产生微裂缝，其强度、抗渗性和抗冻性均下降。在浇注装配式构件接头或建筑物之间的连接处以及堵塞孔洞、修补缝隙时，由于水泥的收缩，也达不到预期的效果，而用膨胀水泥可克服这些缺点。用膨胀水泥配制钢筋混凝土时，由于水泥石膨胀，钢筋受拉而伸长，混凝土则因钢筋的限制而受到相应的压应力，这种压应力称为“自应力”并以“自应力值”(MPa)表示混凝土所产生压应力的大小。根据膨胀值和用途的不同，膨胀水泥可分为收缩补偿水泥和自应力水泥两类。前者所产生的压应力大致抵消干缩所引起的拉应力，膨胀值不是很大。后者膨胀值大，其膨胀在抵消干缩后，仍能使混凝土有较大的自应力值。使水泥产生膨胀的反应主要有三种：CaO水化生成Ca(OH)2，MgO水化生成Mg(OH)2以及形成钙矶石。因为前两种反应产生的膨胀不易控制，目前广泛使用的是以钙矶石为膨胀组分的各种膨胀水泥。膨胀和自应力硅酸盐水泥由硅酸盐水泥、高铝水泥和石膏组成，相当于美国的M型膨胀水泥。膨胀硅酸盐水泥的配比为：硅酸盐水泥77%〜81%，高铝水泥12%〜13%，二水石膏7%〜9%(SO3V5%)；水养护1d线膨胀应大于0.3%，28d线膨胀应小于1%,湿空气养护3d内不应有收缩。自应力硅酸盐水泥的配比为：硅酸盐水泥67%〜73%，高铝水泥12%〜15%，二水石膏15%〜18%；水泥浆体自由膨胀1%〜3%，膨胀在7d内达最大值。膨胀的产生主要是由于高铝水泥中的CA和CA2与石膏作用生成钙矶石所致。由于水泥浆体的液相碱度高，膨胀较激烈，稳定期短，膨胀特性不易控制，所以产品质量不够稳定，抗渗性和气密性不够好，自应力值低，不宜制造大口径的高压输水、输气管道。膨胀和自应力铝酸盐水泥由高铝水泥和二水石膏磨细而成。自应力铝酸盐水泥的配比为：高铝水泥60%〜66%，二水石膏30%〜40%(以SO3计约为15.5%〜16.5%)；自应力值高，可达5MPa；其膨胀也是由于形成钙矶石所致。由于高铝水泥既是强度组分，又是膨胀组分，且液相碱度低，生成的钙矶石分布均匀，同时还析出相当数量的A1(OH)3凝胶起塑性垫衬作用，因此，浆体抗渗性和气密性好，制品成型易于控制，质量比较稳定，但成本高，膨胀稳定期长。膨胀和自应力硫铝酸盐水泥由硫铝酸盐水泥熟料掺入较多石膏磨细而成，相当于美国的K型膨胀水泥。水泥比表面积为350〜400m2/kg，初凝时间为1h左右，终凝时