发展环境友好的高性能缓蚀剂,是解决油气开采过程中的腐蚀问题,降低生产成本,进而应对能源危机和环境污染问题的重要途径之一。嘧啶类化合物由于具有绿色、低毒和原料来源广泛等优点,近年来在缓蚀剂研究领域受到了广泛关注。然而由于油气生产过程中环境的高腐蚀性和复杂性,开发高效嘧啶类缓蚀剂并深入探究和揭示其缓蚀作用机理仍然是一个巨大的挑战。随着量子化学等理论计算方法的发展,在缓蚀剂研究工作中探索和应用更精确、高效的计算方法,建立体现多种环境因素的计算模型,有助于更全面深入认识复杂环境下缓蚀剂的作用机理。针对油气开采过程中,特别是油气井酸化和强化采油（EOR）过程中一些特殊腐蚀环境（如高酸性、超临界CO2环境）下材料腐蚀失效问题,本论文设计开发了五种适用于油气开采腐蚀环境的高效嘧啶类缓蚀剂,采用电化学测试和表面分析等方法探究了其缓蚀性能,并通过理论计算揭示其在多种环境因素作用下的缓蚀机理。本论文的主要研究内容包括如下四个部分:一、开发了三种用于控制油气井酸化时的HCl环境中碳钢腐蚀的高效嘧啶缓蚀剂:6-氨基-2-（苄硫基）-4（3H）-嘧啶酮（BTP-1）,6-氨基-3-苄基-2-（苄硫基）-4（3H）-嘧啶酮（BTP-2）和6-（苄氧基）-2-（苄硫基）-4-胺基嘧啶（BTP-3）。失重、电化学测试及表面分析表明三种缓蚀剂均能有效抑制碳钢的腐蚀,其中BTP-3具有最高的缓蚀性能。量子化学计算揭示了苄基取代基能够增强缓蚀剂分子在Fe表面的吸附能力、提高缓蚀剂分子的疏水性和覆盖面积,从而提高缓蚀剂分子的缓蚀性能。由于三种缓蚀剂分子在取代基位点和数目上的不同以及空间位阻的差异,导致它们在Fe表面吸附能力不同,从而表现出缓蚀性能的差异。二、以2-巯基嘧啶（MP）为前驱体,通过简便方法合成了2-苄硫基嘧啶（BTP）,并将两者用作碳钢在CO2环境中的缓蚀剂。电化学测试表明两种缓蚀剂均具有优异的缓蚀性能,特别是BTP最高缓蚀效率达到99.82%,对应碳钢腐蚀速率0.0027 mm/y。基于量子化学的热力学计算表明MP和BTP在溶液中均基本未发生质子化。其中,MP分子存在硫醇（MP-thiol）和硫酮（MP-thione）两种形式的互变异构转变。而BTP分子因引入了苄基不会发生互变异构转变。量子化学计算显示MP和BTP能够以S和N作为活性中心原子吸附在Fe表面。苄基取代从多个方面导致了MP和BTP性能上的差异,包括阻止硫醇/硫酮互变异构发生,提高BTP分子的疏水性,增强其在Fe表面上的吸附能力等。三、以前面两部分的研究思路和实验结果为指导,进一步开发了一种超临界CO2缓蚀剂,4,6-二氨基-2-（苄硫基）嘧啶（DABTP）,其在静态和动态条件下对碳钢均具有优异的缓蚀性能,而在动态条件下缓蚀性能有所下降。电子定域化函数（ELF）显示DABTP分子中的S和N是在Fe表面吸附的活性中心原子。另外,DABTP的极性和亲水性特征决定了其能够在水相中维持较高的有效浓度而不易被超临界CO2相萃取。分子间相互作用的计算还揭示了DABTP分子间可通过氢键互相结合,这可能增强了其在Fe表面的吸附稳定性。动态条件下DABTP缓蚀性能的下降可归因于流体流动作用下缓蚀剂分子的脱附、分子间氢键结构的破坏以及腐蚀性物种传质过程的加速。四、探究了超临界CO2环境中碳钢表面形成的腐蚀产物膜对DABTP缓蚀性能的影响。电化学测试表明Fe3C、Fe CO3腐蚀产物膜均会降低DABTP的缓蚀性能。采用GFN-x TB方法对DABTP的吸附模拟表明DABTP可以化学吸附在Fe、Fe3C以及Fe CO3表面,并且吸附强度顺序为:Fe CO3>Fe>Fe3C。由于绝缘性的Fe CO3不作为电化学反应界面,在其表面吸附的DABTP分子不能直接发挥缓蚀作用,且DABTP在Fe3C表面吸附强度较弱,因此在Fe表面直接吸附的DABTP能够发挥出更好的缓蚀作用。腐蚀产物膜则会阻碍缓蚀剂分子向Fe基底的扩散,从而降低其缓蚀性能。但形成致密的Fe CO3膜后,在保护性的Fe CO3膜和DABTP共同腐蚀抑制作用下使碳钢腐蚀速率维持在较低水平。