MnCuAl层状三元氢氧化物作为水基钻井液中H2S清除剂并在保持流变与滤失性能下的性能评价

《Petroleum Research》：Performance Evaluation of MnCuAl-Layered Triple Hydroxide as an H 2S Scavenger in Water-Based Drilling Fluids with Preserved Rheological and Filtration Properties

　　

钻井作业过程中硫化氢(H2S)的存在带来严重的健康、安全与操作危害，亟需在不损害钻井液性能的前提下开发高效清除方案。尽管已有多种H2S清除剂被报道，但层状三元氢氧化物(LTHs)，尤其是MnCuAl体系在钻井液中的应用仍属空白。研究人员旨在评估将新型锰-铜-铝层状三元氢氧化物(MnCuAl-LTH)作为H2S清除剂引入水基钻井液，同时保持其流变与滤失性能的可行性。据研究所知，这是首篇关于MnCuAl-LTH在钻井液体系中集成与评估的报道。MnCuAl-LTH通过水热共沉淀法合成，并经傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、氮吸附-脱附分析与扫描电镜(SEM)表征，确认其介孔结构、表面官能团、形貌及类水镁石层状架构。该材料以最高1.0 wt.%掺入水基泥浆，动态穿透实验显示其对H2S的穿透容量为180.4 mg H2S/g MnCuAl-LTH，较基浆提升逾36倍。流变评价表明，MnCuAl-LTH的加入仅引起塑性粘度(PV)、动切力(YP)、表观粘度(AV)与胶凝强度微小且非破坏性波动。API滤失实验显示滤失量与泥饼厚度虽略有增加但仍处于可接受限度。上述结果证明MnCuAl-LTH在引入关键H2S清除功能的同时不破坏钻井液必需流变与滤失性能，这种功能增强与性能保持的平衡构成该工作的核心实用贡献，并凸显LTH材料作为含硫气环境钻井液下一代添加剂的潜力。

研究背景方面，硫化氢(H₂S)在钻探中由热化学硫酸盐还原(TSR)与微生物硫酸盐还原(MSR)等机制生成，具高毒、腐蚀与易燃特性，威胁人员健康并引发氢脆、硫化物应力开裂等金属失效，同时可逆碱性转化法存在pH回落复释风险。现有化学清除剂常改变泥浆粘度或破坏泥饼稳定性。层状双氢氧化物(LDHs)因高比表面积与离子交换能力受关注，引入第三金属形成的层状三元氢氧化物(LTHs)在氧化还原与吸附协同上更具潜力，但尚未进入钻井液实证。研究人员据此首次将MnCuAl-LTH作为H₂S清除剂引入水基钻井液，在保障流变与滤失前提下完成穿透容量、流变兼容性与滤失控制的系统评价，论文发表于《Petroleum Research》。

关键技术方法上，研究人员采用水热共沉淀法合成MnCuAl-LTH，金属摩尔比Cu²⁺:Mn²⁺:Al³⁺=1:2:1，M²⁺:M³⁺≈3:1，经FTIR、XRD、BET(Brunauer-Emmett-Teller)氮吸附与SEM确认类水镁石层状与介孔架构；以膨润土-羧甲基纤维素-淀粉-KOH-CaCO₃体系配制9 ppg水基基浆，按0–1.0 wt.%梯度掺入清除剂；流变测试依据API RP 13B-1在120 °F下用Bingham塑性模型求PV、YP、AV及10 s/10 min胶凝强度；滤失采用API低压低温(LPLT)100 psi/30 min法；H₂S清除采用垂直鼓泡柱动态穿透实验，入口100 ppm H₂S/CH₄混合气100 mL/min，实时分析仪监测穿透与饱和时间并计算单位质量与体积容量。

研究结果部分，3.1表征显示FTIR中3645–3305 cm^-1的O–H伸缩、1473–1381 cm^-1层间CO₃^2-反对称伸缩及455–737 cm^-1的Mn–O/Cu–O/Al–O晶格振动证实羟基层与碳酸根插层；XRD在2θ=11.6°处(003)面证实层间距有序，24.3°–47.9°高阶面符合水滑石型；SEM见团聚片层与粒间孔隙，BET面积42.0 m²/g、孔容0.201 cm³/g、平均孔径27.0 nm，IV型等温线伴H3回滞环，属介孔聚集体。3.2 H₂S清除中，1.0 wt.%掺量下穿透时间1297 min、饱和1534 min，分别为基浆35与325 min的37倍与4.7倍；单位清除剂穿透容量180.4 mg/g、饱和201.3 mg/g，折合泥浆体积容量1939.4 mg/L与2163.7 mg/L，较基浆提升>36倍与约7倍；Mn²⁺/Cu²⁺氧化还原循环与介孔传质被判为高性能主因。3.3流变分析中PV于11.25–11.64 cP间波动≤3%，YP于6.46–8.02 lb/100 ft²内非单调变化，AV于15.87–16.50 cP内偏移<4%，YP/PV于0.55–0.70间，10 s胶凝2.34–3.13 lb/100 ft²、10 min胶凝30.72–37.96 lb/100 ft²，均属多添加剂胶体体系正常离散，未破环切力与悬浮。3.4滤失控制中，1.0 wt.%体系30 min滤失12.2 mL较基浆11.4 mL增约7.0%，泥饼厚由3/32 inch增至4/32 inch但仍连续致密，判定为纳米颗粒微扰填充而非渗透性失控。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出MnCuAl-LTH的H₂S高性能源于Mn/Cu氧化还原中心与Cu对硫族亲和协同、表面M–OH酸碱性吸附及介孔层状结构提供的传质通道，其轻微流变与滤失偏移源于与膨润土-聚合物-加重剂体系的分散相容而非功能冲突。结论确认：MnCuAl-LTH以≤1.0 wt.%掺量在水基钻井液中实现180.4 mg H₂S/g清除容量，较基浆提升逾36倍，且PV、YP、AV、胶凝强度、API滤失与泥饼厚度均维持在操作允许限内，首次证明LTH类材料可在不牺牲泥浆工程性能下赋予H₂S清除功能，为含硫气井水基钻井液下一代功能添加剂提供实验与机理依据。