新型高效二聚酸咪唑啉衍生物缓蚀剂在含CO2油田采出水中对碳钢的缓蚀机制研究：实验与理论计算

研究人员针对CO2驱油过程中碳钢管道腐蚀问题，开发了一种新型硫脲改性二聚酸咪唑啉衍生物(DIMTU)缓蚀剂。通过电化学测试、表面分析和理论计算证实，该缓蚀剂在250 ppm浓度下缓蚀效率达98.54%，GFN-xTB计算揭示其通过S/N/C多活性位点强吸附形成保护膜。该研究为油气田CO2腐蚀防护提供了高效解决方案。

　　

在碳捕集与封存(CCUS)技术推动下，CO₂驱油提高采收率(CO₂-EOR)已成为油气田开发的重要手段。然而，注入的CO₂与地层水形成酸性环境，导致碳钢管道发生严重腐蚀，威胁油气生产安全。传统缓蚀剂存在效率不足、成本高等问题，亟需开发新型高效缓蚀剂。中国石油西南油气田公司天然气研究院的研究人员在《BMC Chemistry》发表的研究，通过分子结构设计将硫脲(TU)片段引入二聚酸咪唑啉(DIM)，合成新型缓蚀剂DIMTU，并系统研究了其在模拟油田采出水环境中的缓蚀性能与作用机制。

研究采用电化学阻抗谱(EIS)、极化曲线(PC)评价缓蚀性能，结合扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析表面形貌与成分，运用密度泛函理论(DFT)和GFN-xTB方法计算分子吸附构型。实验选用N80碳钢为研究对象，模拟溶液含NaCl(11.03 g/L)等六种盐分，在60℃、CO₂饱和条件下测试。

电化学测试表明，DIMTU呈现优异的缓蚀效果，250 ppm时缓蚀效率达98.54%，且具有长期稳定性（72小时效率99.64%）。极化曲线显示其为混合型缓蚀剂，以阳极抑制为主。对比实验证实，DIMTU性能显著优于原料DIM（92.88%）和物理混合物DIM+TU（93.10%）。表面分析显示，空白样表面严重腐蚀，而添加DIMTU后基体完好，XPS检测到Fe-S(163.2 eV)和C=S(288.1 eV)特征峰，证实化学吸附。

量子化学计算揭示，DIMTU的HOMO轨道分布在咪唑啉环和硫原子上，LUMO位于TU片段，福井函数分析表明N/S原子为亲核活性位点。GFN-xTB计算显示分子通过S/N/C多原子与Fe(110)面形成化学键（键长1.935-2.312 ?），吸附能达-762.51 kJ/mol，电荷密度差证实电子转移。长碳链向外延伸形成疏水层，协同阻止腐蚀介质接触金属。

该研究通过实验与理论计算相结合，阐明DIMTU通过化学吸附形成致密保护膜的缓蚀机制。相较于传统咪唑啉缓蚀剂，硫脲改性显著增加吸附位点，提升缓蚀效率。研究成果为开发高效CO₂缓蚀剂提供新思路，对保障油气田安全生产具有重要应用价值。未来研究可进一步优化分子结构，探索其在多相流、高温高压等复杂工况下的性能表现。