近日，化學工程領域國際雜志Chemical  Engineering  Journal（JCR分區Q1，中國科學院工程技術1區，IF=13.4）刊發中國科學院海洋研究所田惠文研究員的最新研究成果Temperature-controlled  sinking delivery of thermostable alkyl substituted benzimidazole by  sodium alginate polymer gel network for efficient inhibition of carbon  steel corrosion in acid oilfield solution。

在石油和天然氣井下的飽和CO₂腐蝕會造成嚴重的經濟和安全問題，特別是當Q235碳鋼結構暴露在高于50℃的溫度的環境時，其腐蝕速率比室溫高5到10倍。同時，在數千米的深井中，短期添加的緩蝕劑會發生大量的冗余浪費現象，常見的緩蝕劑體系會因密度不足無法沉入井下腐蝕區域，這長期以來一直被普遍認為是深層油井用緩蝕劑的三大難點問題。最近，具有多孔網絡結構的水凝膠材料引起了廣泛關注。海藻酸鹽凝膠是典型的水凝膠材料，由于其疏松多孔的結構和良好的摻雜改性能力，有望成為使用于嚴苛環境下的載體材料，大大延長緩蝕劑載物的作用時間。在海藻酸鹽凝膠體系中摻雜聚丙烯酰胺（PAM）、硫酸鋇（BaSO₄） 作為溫控、沉降響應因子，并負載新型合成的耐高溫咪唑緩蝕劑（OBIP），通過凝膠與聚合物孔隙率差異，實現緩蝕體系的溫控釋放和長效防護，有望解決油井用緩蝕劑的三大問題，形成了針對高溫油氣井下CO₂腐蝕的緩蝕防護新方案。

本研究工作如圖1所示，制備了耐高溫緩蝕劑OBIP并將其負載得到海藻酸鈉聚合物緩蝕體系（SA@PAM@OBIP）。如圖2所示，針對超過3000m的油氣井，在添加緩蝕劑體系SA@PAM@OBIP下，在井底重點防護區域的釋放率達30%以上。本體系的緩蝕-釋放機理如圖3所示。根據分子動力學模擬分析，緩蝕體系中的耐高溫緩蝕劑OBIP具有多個極性吸附中心，在高溫環境中，耐高溫緩蝕劑OBIP的緩蝕效率達到85%以上，超越同類產品25%，可碳鋼表面形成更加穩定的吸附膜層。同時結合載體網絡的溫控釋放效應，實現快速沉降使其在井下工作區域釋放率超過30%，溫度響應使緩蝕劑釋放率差異達50%以上，并使緩蝕劑在油井環境中緩蝕作用時間延長3倍，達48h以上，解決了緩蝕體系的實踐應用問題，成功實現了在高溫油氣田CO₂腐蝕環境對碳鋼的長效防護。

圖1 耐高溫咪唑衍生物緩蝕劑OBIP和海藻酸鹽凝膠重質緩蝕體系SA@PAM@OBIP的制備方案

圖2 SA@PAM@OBIP在高溫油井中各深度范圍防護區域的緩蝕劑釋放率分布

圖3 海藻酸鹽聚合物凝膠緩蝕體系的緩蝕-釋放機理圖

本研究通過合成耐高溫咪唑緩蝕劑并負載于海藻酸鹽凝膠網絡，構建了一種溫控響應、長效控釋的針對高溫油井環境的緩蝕體系，形成了針對高溫油氣田CO₂腐蝕的新的緩蝕防護方案。同時這項研究在深海管道，海水制氫，海上風電管道等類似腐蝕環境的防護提供重要參考價值。

本論文共同第一作者為海洋所碩士研究生賀子麒和博士后孫欣，通訊作者為田惠文研究員，香港理工大學的鄒芳鑫助理教授為本研究提供部分技術和資金支持。本研究得到了國家高層次人才特殊支持計劃、江蘇省海洋資源開發技術創新中心海洋科技項目[LWKJ-01]、國家重點研發計劃[No.2022RDC2012501]、山東省重點研發計劃[No.2023CXPT008]和煙臺開發區科技創新領軍人才計劃[No.2021RC015]的支持。

論文信息：

Sun  X, He Z, Zou F, Tian H*. Temperature-controlled sinking delivery of  thermostable alkyl substituted benzimidazole by sodium alginate polymer  gel network for efficient inhibition of carbon steel corrosion in acid  oilfield solution[J]. Chemical Engineering Journal,2025: 162912.