碳钢价格低、易加工,广泛应用于油气田的地面设施以及地下油气井中。石油天然气开采过程中往往伴随有CO2、H2S、氯离子等腐蚀性介质,pH值较低、氯离子含量高时,碳钢非常容易发生腐蚀,控制不当就会造成严重的破坏和巨大的经济损失。加注缓蚀剂是油气田防止碳钢管线、储罐等金属容器内腐蚀的一种十分经济、有效的措施。目前现场使用的缓蚀剂主要有咪唑啉、脂肪胺、季铵盐等类型,存在着加注浓度较高、对局部腐蚀控制效果不理想的问题。因此研究新型缓蚀剂以及它们对碳钢局部腐蚀(特别是点蚀)的影响很有必要。本文主要利用两种含硫的氨基酸(半胱氨酸、蛋氨酸)以及一种含硫化合物(硫脲)分别与油酸反应,合成了三种酰胺缓蚀剂,评价了它们在CO2饱和盐水溶液中的缓蚀性能,研究了蛋氨酸酰胺与硫脲在单独使用和复配使用时对N80碳钢点蚀倾向的影响。同时将蛋氨酸酰胺与硫脲复配的缓蚀剂在国内某气田进行了现场应用,缓蚀效率达90%以上,有效地抑制了气井井下套管腐蚀。主要研究内容和研究结果如下:一、使用半胱氨酸和蛋氨酸两种含硫的氨基酸与油酸反应合成了两种新型的绿色氨基酸酰胺缓蚀剂,同时合成了另一种结构类似的硫脲基酰胺,并对三种缓蚀剂的缓蚀机理进行了研究。使用失重和电化学方法评价了它们的缓蚀效果,结果表明这两种氨基酸及其酰胺都属于以抑制阳极反应为主的混合型缓蚀剂,硫脲基酰胺属于混合型缓蚀剂。氨基酸酰胺的缓蚀效率均明显优于氨基酸。缓蚀性能对比研究表明,缓蚀效率依次为蛋氨酸酰胺>硫脲酰胺>半胱氨酸酰胺,其中蛋氨酸酰胺在使用浓度50mg·L-1时,缓蚀效率可以达到92%,但随着浓度提高,缓蚀效率增加并不明显。量子化学计算表明蛋氨酸酰胺在碳钢表面上的吸附主要是通过C=C双键和O原子,半胱氨酸和硫脲酰胺主要通过S、N原子吸附,因此蛋氨酸酰胺具有更多的吸附点,缓蚀效果也优于另外两种缓蚀剂。分子动力学分析这几种缓蚀剂在N80表面的吸附能也与失重和电化学测试结果一致。二、使用动电位极化、电化学噪声和丝束电极方法研究了蛋氨酸酰胺和硫脲分别在CO2饱和的3%NaCl溶液中对碳钢点蚀敏感性的影响。探讨了不同类型和浓度的有机缓蚀剂对碳钢点蚀的影响的机理。研究发现加入低浓度氨酸酰胺时(50mg.L-1)点蚀敏感性增加,浓度较高时(100mg.L-1和200mg.L-1)对点蚀没有影响;加入50mg.L-1浓度硫脲时,降低了碳钢的点蚀敏感性,硫脲浓度较高时,点蚀敏感性升高。电化学噪声谱分析表明加入低浓度的蛋氨酸酰胺降低了腐蚀电流密度和PSD谱的直流极限值,但噪声谱波动较大。加入高浓度时,噪声电位电流波动降低。硫脲缓蚀剂的加入也能降低腐蚀电流密度和PSD谱的直流极限值,噪声波动平稳。但提高硫脲的浓度后,噪声波动增加,发生了阳极溶解。丝束电极研究表明,蛋氨酸酰胺低浓度时,阳极溶解主要发生在少数电极上,也证实了缓蚀剂在吸附过程中无法有效覆盖所有阳极活性位置的猜测。硫脲50mg.L-1时阳极电流分布均匀,当增加浓度后阳极溶解主要发生在少数电极上。三、研究了硫脲和蛋氨酸酰胺复配后对碳钢点蚀的抑制作用机理。当加入不同比例的复配缓蚀剂后,碳钢点蚀电位上升,维钝电流下降,说明两种缓蚀剂复合使用时,在碳钢表面形成的缓蚀剂的膜更为致密。复配后噪声电流和电位的波动显著降低,电流波动比空白降低了两个数量级,表征均匀腐蚀的IPSD直流极限值也下降了两个数量级,局部腐蚀参数PI也有所降低,电位功率谱曲线斜率显示体系为均匀腐蚀;同时观察到丝束电极表面电位波动很小,阳、阴极电流密度也下降,局部腐蚀参数均下降到空白以下,说明复配缓蚀剂不但抑制了均匀腐蚀也抑制了局部腐蚀。利用分子动力学模拟计算了硫脲和蛋氨酸酰胺不同比例复配时缓蚀剂膜的自由体积分数,结果显示复配后,缓蚀剂膜的孔隙率呈下降趋势,表明复配缓蚀剂在碳钢表面形成的膜更加致密。由此可见,通过缓蚀剂合理的复配,缓蚀剂吸附不均匀引起的局部腐蚀问题可以有效得到解决。四、在国内某气田对蛋氨酸酰胺和硫脲复配后的绿色环保缓蚀剂MetTF进行了实际应用。表明MetTF具有良好的缓蚀效果,缓蚀效率达到90%以上,现场挂片表面观察显示缓蚀剂不但抑制了均匀腐蚀,同时抑制了点蚀。复配过的MetTF缓蚀剂,根据GB/T21605化学品急性经口毒性LD50试验方法测试,结果表明两种缓蚀剂均属于低毒性,说明缓蚀剂属于绿色缓蚀剂。