由于页岩气集输管线大多位于地形起伏较大的山区，因此在输送含有CO2的湿气时，采出水容易在集输管道低洼处滞留，CO2和采出水中Cl-及微生物的存在使得集气管道发生严重的内部点蚀，威胁页岩气生产系统的安全运行[1-3]。如威远页岩气作业区自2017年起发生4起采气管线穿孔，平台地面集输工艺管道出现17处刺漏穿孔，长宁页岩气田在2020年~2021年发生6条集输管线穿孔，直接经济损失超过10亿元。管道内腐蚀穿孔已严重威胁油气集输管道的安全高效运行[4-5]。加注缓蚀剂、杀菌剂是减缓页岩气集输管线腐蚀较为经济可靠的方法。同时随着环保理念的发展，绿色缓蚀剂的开发需求变得十分迫切。MAJD等[6]发现罂粟提取物对金属在酸性环境中具有优异的缓蚀作用；陈松松等[7]研究表明质量分数为4%的苦丁茶提取物，在含3.5%（质量分数，下同）NaCl的饱和CO2腐蚀溶液中对N80碳钢具有显著的缓蚀作用。氨基酸作为一种广泛存在的生物分子，在绿色缓蚀剂应用方面具有广阔的发展前景。组氨酸酰胺类化合物同时具有咪唑啉环和酰胺键两个吸附基团，与咪唑啉缓蚀剂相比，具有吸附性能更强的活性位点，因而其缓蚀剂分子具有更强的局部吸附能力。
笔者采用腐蚀浸泡试验、电化学测试等对十六组氨酸酰胺缓蚀剂（16-ZA）在模拟南川页岩气地层采出水溶液（通入饱和CO2）中对L245（碳）钢的缓蚀性能进行了评价。采用等温吸附曲线分析了缓蚀剂在试样表面的吸附机理。利用量子化学计算，分析了缓蚀剂分子的前线分子轨道分布、静电势等相关量子化学参数，并结合试验结果，分析了组氨酸酰胺缓蚀剂的吸附行为与缓蚀机理。
1. 试验
试验材料为L245碳钢，其化学成分（质量分数）为C 0.23%、Si 0.35%、Mn 1.3%、P 0.025%、S 0.015%、Fe 99.06%；腐蚀溶液为模拟南川页岩气采出地层水溶液，组成如下：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，采用分析纯级试剂及去离子水配制。
由图1可见，缓蚀剂分子中有咪唑啉环和酰胺两种可向金属提供电子的官能团，因此该类缓蚀剂在碳钢表面将具有较强的吸附能力。
腐蚀浸泡试验按国标GB/T 35509-2017《油气田缓蚀的应用和评价》进行，试验时间为72 h。
电化学试验采用三电极体系，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L245钢试样。试验前，试样工作面经砂纸（800~1200号）逐级打磨，并用氮气吹干。
向腐蚀溶液通入4 h CO2气体以除去其中的氧气，试验过程中持续通CO2。将工作电极浸入腐蚀溶液1 h待开路电位基本稳定后，依次进行电化学阻抗谱和极化曲线测试。电化学阻抗谱（EIS）测试的频率为0.01~105 Hz，幅值为5 mV。极化曲线扫描速率为0.5 mV/s，扫描范围相对开路电位的-0.25~0.25 V。所有试验温度均为50 ℃。
采用EV0 MA15型扫描电子显微镜观察试样腐蚀后的表面微观形貌。使用Gaussian 09W软件，基于密度泛函理论（DFT）对缓蚀剂分子进行了结构优化，获得了缓蚀剂分子的前线分子轨道分布、静电势和福井函数等量子化学参数[8]。考虑到计算的时间成本和精度要求，选择了B3LYP/6-311G（d，p）方法基组。
2. 结果与讨论
2.1 腐蚀浸泡试验
由表1可见：在未添加缓蚀剂的试验溶液中，试样发生了严重腐蚀，腐蚀速率高达0.320 mm/a，远远超过油田腐蚀控制标准。加入缓蚀剂后，试样的腐蚀速率显著下降，这表明该缓蚀剂具有良好的缓蚀效果，能够满足油田现场使用要求。随着缓蚀剂用量的升高，缓蚀率明显提高，且当缓蚀剂质量浓度为100 mg/L时，试样的腐蚀速率低至0.016 mm/a，此时缓蚀率高达95.0%。
| 项目 | 质量浓度ρinh/（mg·L-1） | 腐蚀速率v/（mm·a-1） | 缓蚀率η/% |
|---|---|---|---|
| 空白组 | 0 | 0.320 | — |
| 组氨酸酰胺缓蚀剂 | 10 | 0.033 | 89.6 |
| 20 | 0.022 | 93.3 | |
| 50 | 0.020 | 93.7 | |
| 100 | 0.016 | 95.0 |
2.2 电化学试验
由图2可见，随着缓蚀剂量的升高，容抗弧直径显著增加，表明增加缓蚀剂的量可以增大缓蚀率。图3为电化学阻抗谱的等效拟合电路，其中，Rs为溶液电阻，Rct为电荷转移电阻，Rf为腐蚀产物膜电阻，CPE为常相位角元件，RL为电阻，L为电感。由表2可知，随着缓蚀剂量的增加，Rct值显著增大，表明缓蚀剂在金属表面形成了均匀的缓蚀剂膜层，阻碍了试样腐蚀的电荷转移过程，抑制了试样的腐蚀。
