伴随着能源消耗的持续上升,油气田的勘探开发正逐渐向深井、超深井（>7 000 m）和极深井（>15 000 m）发展。酸化技术作为重要的增产增注手段仍将被用于深井的开发。在深井的酸化过程中,由于酸量多,且井下高温（通常大于180 ℃）、高压和高酸的恶劣环境,造成井下金属设施和管道严重腐蚀。在众多防腐蚀手段中,缓蚀剂因用量少、成本低、防腐蚀效果好,以及适用范围广等优点而备受青睐[1-4]。国内外技术人员关于酸化缓蚀剂的研究与开发做了大量的工作,在中低温酸化缓蚀剂的研究及应用方面取得了较好的成果[5-7]。LI等[8]通过曼尼希碱与锑盐复配的方法,研制出一种酸化缓蚀剂,能使2205双相不锈钢在140 ℃混和酸液中的腐蚀速率降为6.935 0 g/（m2·h）；李俊莉等[9]以肉桂醛、2-氨基吡啶和2-溴乙基磺酸钠为原料合成了希夫碱基吡啶季铵盐,在160 ℃下,其缓蚀效率可达96.41%。然而,多数缓蚀剂在高温（180 ℃及以上）条件下对碳钢的缓蚀效果并不理想[10-11]。目前,关于高温酸化缓蚀剂的报道不多[12-13],且适用温度达到180 ℃以上的更少[14-17]。因此,开发耐高温的酸化缓蚀剂具有重要现实意义[18-19]。

笔者以3-甲基喹啉、氯化苄为原料合成了一种喹啉季铵盐,将其作为主剂加入表面活性剂GTS、炔醇衍生物TC和螯合剂YHT,通过高温（180 ℃）腐蚀试验优选复配配方,得到耐高温盐酸酸化缓蚀剂GWS-G,并利用电化学测试、SEM-EDS（扫描电镜及能谱）分析和XPS（X射线光电子能谱）分析等研究其缓蚀行为。

1. 试验

1.1 试验材料

试验试剂包括3-甲基喹啉、氯化苄、表面活性剂GTS、炔醇衍生物TC、螯合剂YHT、无水乙醇、37%（质量分数）盐酸。试验材料为N80钢（尺寸50 mm×10 mm×3 mm）,主要化学成分见表1。

1.2 耐高温盐酸酸化缓蚀剂的合成

1.2.1 缓蚀剂主剂的合成

以3-甲基喹啉和氯化苄为原料,无水乙醇为溶剂,制备了耐高温盐酸酸化缓蚀剂主剂（以下简称GWS）,并采用减压抽滤、旋转蒸发仪,重结晶等工艺进行提纯。GWS外观为红棕色,密度为0.90 g/cm3。采用正交试验法优化了合成条件,其反应方程式如图1所示。

图 1 GWS反应方程式

Figure 1. Reaction equation of GWS

1.2.2 缓蚀剂的复配

缓蚀剂主剂与助剂的复配过程如下：按配方（采用单因素法进行确定）将一定比例的缓蚀剂主剂与助剂在60 ℃水浴锅中加热,充分搅拌,使助剂与主剂充分溶解混合,得到耐高温盐酸酸化缓蚀剂（简称GWS-G）。

1.3 缓蚀剂性能评价

1.3.1 失重法

采用金相砂纸逐级打磨N80钢表面后,依次使用丙酮与无水乙醇除去N80钢表面油污和水渍并用冷风风干,将风干后的N80钢放入真空干燥箱内,30 min后用分析天平称量（精确至0.000 1 g）。

依据SY/T5405-2019《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》,在指定条件下对缓蚀剂的缓蚀性能进行评价。腐蚀介质为20%（质量分数,下同）HCl溶液、腐蚀时间为4 h；高温腐蚀试验温度为180 ℃、缓蚀剂质量分数为5.0%；低温腐蚀试验温度为90 ℃、缓蚀剂质量分数为1.0%。

1.3.2 电化学方法

电化学试验采用CHI660C电化学工作站,试验介质为含不同量复配缓蚀剂的20%盐酸溶液,测试温度为30 ℃。电化学测试使用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极（SCE）,辅助电极为Pt电极,工作电极为采用环氧树脂封装,并留出1 cm2工作面的N80钢电极。极化曲线的扫描电位为-0.2~0.2 V,扫描速率为5 mV/s。电化学阻抗谱（EIS）试验在开路电位（OCP）下进行,扰动信号为5 mV正弦波,频率范围为10 Hz~100 kHz。阻抗测量后使用ZSimpWin软件进行数据拟合,得到EIS参数。

1.3.3 扫描电镜及能谱分析

将N80钢试样分别置于添加与未添加5.0%复配缓蚀剂的20%盐酸中,180 ℃腐蚀4 h后,取出清洗,采用Quanta 200型扫描式电子显微镜（荷兰FEI公司）分析试样腐蚀前后表面状态、形貌以及表面元素组成。

1.3.4 X射线电子能谱分析

采用德国Thermo Scientific ESCALAB Xi+型X射线光电子能谱仪分析腐蚀后试样表面元素及腐蚀产物。

2. 结果与讨论

2.1 缓蚀剂主剂的合成优化

采用正交试验法对GWS的制备条件进行优化,设置反应物3-甲基喹啉与氯化苄的物质的量之比（因素A）、反应温度（因素B）以及反应时间（因素C）为正交试验因素,以N80钢在90 ℃、20%盐酸溶液中的腐蚀速率为评价标准,设置3因素3水平正交试验表,如表2所示。