由于頁(yè)巖氣集輸管線大多位于地形起伏較大的山區(qū)，因此在輸送含有CO2的濕氣時(shí)，采出水容易在集輸管道低洼處滯留，CO2和采出水中Cl-及微生物的存在使得集氣管道發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)部點(diǎn)蝕，威脅頁(yè)巖氣生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。如威遠(yuǎn)頁(yè)巖氣作業(yè)區(qū)自2017年起發(fā)生4起采氣管線穿孔，平臺(tái)地面集輸工藝管道出現(xiàn)17處刺漏穿孔，長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田在2020年~2021年發(fā)生6條集輸管線穿孔，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)10億元。管道內(nèi)腐蝕穿孔已嚴(yán)重威脅油氣集輸管道的安全高效運(yùn)行[4-5]。加注緩蝕劑、殺菌劑是減緩頁(yè)巖氣集輸管線腐蝕較為經(jīng)濟(jì)可靠的方法。同時(shí)隨著環(huán)保理念的發(fā)展，綠色緩蝕劑的開(kāi)發(fā)需求變得十分迫切。MAJD等[6]發(fā)現(xiàn)罌粟提取物對(duì)金屬在酸性環(huán)境中具有優(yōu)異的緩蝕作用；陳松松等[7]研究表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的苦丁茶提取物，在含3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl的飽和CO2腐蝕溶液中對(duì)N80碳鋼具有顯著的緩蝕作用。氨基酸作為一種廣泛存在的生物分子，在綠色緩蝕劑應(yīng)用方面具有廣闊的發(fā)展前景。組氨酸酰胺類化合物同時(shí)具有咪唑啉環(huán)和酰胺鍵兩個(gè)吸附基團(tuán)，與咪唑啉緩蝕劑相比，具有吸附性能更強(qiáng)的活性位點(diǎn)，因而其緩蝕劑分子具有更強(qiáng)的局部吸附能力。

筆者采用腐蝕浸泡試驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試等對(duì)十六組氨酸酰胺緩蝕劑（16-ZA）在模擬南川頁(yè)巖氣地層采出水溶液（通入飽和CO2）中對(duì)L245（碳）鋼的緩蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。采用等溫吸附曲線分析了緩蝕劑在試樣表面的吸附機(jī)理。利用量子化學(xué)計(jì)算，分析了緩蝕劑分子的前線分子軌道分布、靜電勢(shì)等相關(guān)量子化學(xué)參數(shù)，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析了組氨酸酰胺緩蝕劑的吸附行為與緩蝕機(jī)理。

1. 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為L(zhǎng)245碳鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為C 0.23%、Si 0.35%、Mn 1.3%、P 0.025%、S 0.015%、Fe 99.06%；腐蝕溶液為模擬南川頁(yè)巖氣采出地層水溶液，組成如下：20.57 g/L NaCl、1.34 g/L CaCl2、0.31 g/L MgCl2、0.04 g/L Na2SO4、1.11 g/L NaHCO3，采用分析純級(jí)試劑及去離子水配制。

由圖1可見(jiàn)，緩蝕劑分子中有咪唑啉環(huán)和酰胺兩種可向金屬提供電子的官能團(tuán)，因此該類緩蝕劑在碳鋼表面將具有較強(qiáng)的吸附能力。

圖 1 十六胺組氨酸酰胺分子結(jié)構(gòu)

Figure 1. Molecular structure of hexadecylamine histidine amide

腐蝕浸泡試驗(yàn)按國(guó)標(biāo)GB/T 35509-2017《油氣田緩蝕的應(yīng)用和評(píng)價(jià)》進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為72 h。

電化學(xué)試驗(yàn)采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為Pt電極，工作電極為L(zhǎng)245鋼試樣。試驗(yàn)前，試樣工作面經(jīng)砂紙（800~1200號(hào)）逐級(jí)打磨，并用氮?dú)獯蹈伞?

向腐蝕溶液通入4 h CO2氣體以除去其中的氧氣，試驗(yàn)過(guò)程中持續(xù)通CO2。將工作電極浸入腐蝕溶液1 h待開(kāi)路電位基本穩(wěn)定后，依次進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜和極化曲線測(cè)試。電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試的頻率為0.01~105 Hz，幅值為5 mV。極化曲線掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍相對(duì)開(kāi)路電位的-0.25~0.25 V。所有試驗(yàn)溫度均為50 ℃。

采用EV0 MA15型掃描電子顯微鏡觀察試樣腐蝕后的表面微觀形貌。使用Gaussian 09W軟件，基于密度泛函理論（DFT）對(duì)緩蝕劑分子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得了緩蝕劑分子的前線分子軌道分布、靜電勢(shì)和福井函數(shù)等量子化學(xué)參數(shù)[8]?？紤]到計(jì)算的時(shí)間成本和精度要求，選擇了B3LYP/6-311G（d，p）方法基組。

2. 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕浸泡試驗(yàn)

由表1可見(jiàn)：在未添加緩蝕劑的試驗(yàn)溶液中，試樣發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕，腐蝕速率高達(dá)0.320 mm/a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)油田腐蝕控制標(biāo)準(zhǔn)。加入緩蝕劑后，試樣的腐蝕速率顯著下降，這表明該緩蝕劑具有良好的緩蝕效果，能夠滿足油田現(xiàn)場(chǎng)使用要求。隨著緩蝕劑用量的升高，緩蝕率明顯提高，且當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，試樣的腐蝕速率低至0.016 mm/a，此時(shí)緩蝕率高達(dá)95.0%。

2.2 電化學(xué)試驗(yàn)

由圖2可見(jiàn)，隨著緩蝕劑量的升高，容抗弧直徑顯著增加，表明增加緩蝕劑的量可以增大緩蝕率。圖3為電化學(xué)阻抗譜的等效擬合電路，其中，Rs為溶液電阻，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Rf為腐蝕產(chǎn)物膜電阻，CPE為常相位角元件，RL為電阻，L為電感。由表2可知，隨著緩蝕劑量的增加，Rct值顯著增大，表明緩蝕劑在金屬表面形成了均勻的緩蝕劑膜層，阻礙了試樣腐蝕的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，抑制了試樣的腐蝕。

圖 2 試樣在不含和含不同量緩蝕劑試驗(yàn)溶液中的電化學(xué)阻抗譜

Figure 2. EIS of samples in test solutions without and with different amounts of inhibitor

圖 3 等效擬合電路圖

Figure 3. Equivalent fitting circuit diagram: (a) blank; (b) with 16-ZA