(57)【要約】  油及び水を輸送するのに適合させた管状配管は、配管を通って流れる多相の油／水混合物の摩擦圧力を低減するために、その内部表面の上を処理できる。当該管状配管は、内壁及び中心空洞を有することができる。ある場合には、内部表面は、内壁に沿って輸送油の接着力を低減するのに適合させた第１のテクスチャード加工された領域を具備する。内壁の上の第２の領域は、管状配管の内壁に沿って水の接着力を低減するのに適合させることができる。いくつかの用途では、配管の中心空洞を通って流れる流体の摩擦力を更に低減するために、内部管壁の上にリブレットを提供できる。
2015530527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状配管を通って流れる多相の油／水混合物の摩擦を低減するのに適合させた管状配管であって、当該管状配管は内壁及び中心空洞を含み、当該配管は当該配管の長さに沿って軸方向を定義し、当該内壁は：
（ａ）第１のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送油の接着力を低減するのに適合させた第１のテクスチャード加工された領域、及び
（ｂ）第２のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送水の接着力を低減するのに適合させた第２のテクスチャード加工された領域、
を含む、前記の管状配管。
【請求項２】
当該第１の及び第２のテクスチャード加工された領域が、管状配管の内壁の上に第１のテクスチャード加工された領域及び第２のテクスチャード加工された領域の第１の交互帯域を含む、請求項１の管状配管。
【請求項３】
第１の交互帯域が、管状配管の長さに沿って軸方向に提供される、請求項２の管状配管。
【請求項４】
第１の及び第２のテクスチャード加工された領域が、管状配管の内壁の上に第１のテクスチャード加工された領域及び第２のテクスチャード加工された領域の第２の交互帯域をさらに含み、しかも、第２の交互帯域が配管の軸方向に対して一般に垂直に提供される、請求項３の管状配管。
【請求項５】
第１のテクスチャード加工された領域が親水性被覆で被覆され、当該第１のテクスチャード加工された領域が、水親和性を有する親水性被覆を持つ、請求項１の管状配管。
【請求項６】
第２のテクスチャード加工された領域が疎水性被覆で被覆され、当該第２のテクスチャード加工された領域が、油親和性を有する疎水性被覆を持つ、請求項５の管状配管。
【請求項７】
第１のテクスチャード加工された領域が積層されている、請求項１の管状配管。
【請求項８】
第１のテクスチャード加工された領域が、犠牲層で積層されている、請求項７の管状配管。
【請求項９】
当該配管の内壁が、配管の軸方向に沿って方向づけられた第１のリブレットを含み、第１のリブレットが実質的に平行である、請求項１の管状配管。
【請求項１０】
当該配管の内壁が、配管の軸方向に沿って方向づけられた第２のリブレットを含み、第２のリブレットが、第１のリブレットと比較して異なる平均高さを有する、請求項９の管状配管。
【請求項１１】
管状配管を通って流れる多相の流体の摩擦を低減するのに適合させた管状配管であって、当該配管は内壁及び中心空洞を含み、当該配管は当該配管の長さに沿って軸方向を定義し、当該内壁は：
（ａ）第１のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送油の接着力を低減するのに適合させた第１のテクスチャード加工された領域、及び
（ｂ）第２のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送水の接着力を低減するのに適合させた第２のテクスチャード加工された領域、及び
（ｃ）当該配管の内壁の上の第１のリブレットであって、配管の軸方向に沿って方向づけられた第１のリブレット
を含む、前記の管状配管。
【請求項１２】
第１のリブレットが実質的に平行である、請求項１１の管状配管。
【請求項１３】
当該配管の内壁が、配管の軸方向に沿って方向づけられた第２のリブレットを含み、第２のリブレットが、第１のリブレットと比較して異なる構造幾何学を有する、請求項１１の管状配管。
【請求項１４】
第１のリブレットが不連続である、請求項１１の管状配管。
【請求項１５】
管状配管を通って流れる多相の油／水流体の流れ摩擦を低減するシステムであって、当該システムは：
内壁及び中心空洞を含む管状配管を含み、当該配管は当該配管の長さに沿って軸方向を定義し、当該内壁は、第１のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送油の接着力を低減するのに適合させた第１のテクスチャード加工された領域、及び、第２のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送水の接着力を低減するのに適合させた第２のテクスチャード加工された領域を含む、前記のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、Ｊｕｌｙ  １７，２０１２に提出された“Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄ  Ｆｌｏｗ  Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｐｉｐｅ”のタイトルの米国仮出願番号６１／６７２，４８５（Ｔ−９０６４−Ｐ）の優先権を主張する。上記出願の完全な開示は、参照のために十分に組み込まれる。
本発明の分野
本発明の分野は、管状、配管又はパイプライン中の多相の油／水混合物の流れ輸送である。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景
炭化水素の製造で、油及びガス流れシステムが要求される。産出井の頂点へのプロダクションチュービングを通って貯蔵所の地下の形成での製造点から製造油を実質的にかなり離れて流す必要がある。一旦井戸から油が産出されると、配管又はパイプラインを通って実質的にかなり離れた場所に油を動かす必要が時々ある。油及びガスなどの炭化水素は、多くの場合、水と共に産出される。したがって、多相流で油及び水を一緒に動かすのが普通である。
【０００３】
配管中の油／水混合物の流れ性能を改善するのが望ましい。流れ性能の改善は、そのような混合物を輸送する上でのエネルギー損失を低減でき、いくつかの例では坑内からのより多くの産出を可能にする。パイプラインの場合は、パイプラインを通る多相流体を輸送する上でのエネルギー損失を低減するのが望ましい。
【０００４】
配管の内部用に公知の多くの表面変性技術が、配管を通る単相の流体の流れ用に設計されている。これは、単相の水、又は単相の炭化水素、又は他の化合物であることができる。しかし、単相流体の流れ流体の低減した摩擦を可能にするように設計される表面変性技術の応用は、多相流体流れの問題に向けられていない。水の流れのための摩擦の低減を可能にする表面変性技術は、水／油混合物の流れ用に有効なものとは思われない。同様に、油のみの低減した摩擦流れを可能にする表面変性技術も、油／水混合物の流れ用に有効なものとは思われない。
【０００５】
地下の井戸からの炭化水素の産出において、井戸の早い寿命のために実質的にすべての炭化水素を産出するのが普通である。しかし、井戸の寿命の後半では、実質的な量の水が油と共に産出される。産出炭化水素井戸の寿命のほぼ終わりでは、水の量は、産出流体のほとんどが水で産出流体の少数が炭化水素である点まで、多くの場合で増大し続ける。したがって、井戸からの流体の摩擦流れを低減する方策は、井戸建築中に坑内にプロダクションチュービングとして設置される配管又はチュービングが、井戸の産出寿命中に水に対する油の異なる比率に遭遇するであろうということを考慮しなければならない。井戸の産出寿命中に実質的に水の量は典型的に増大する。更に、井戸の寿命中にプロダクションチュービングを置き換えることは非経済的と思われる。それ故に、井戸の初期の寿命中ではほとんど炭化水素であり井戸の後半の寿命中ではほとんど水であり得る多相流れの摩擦流れを低減するように適合させたプロダクションチュービングを提供する必要性が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
配管及び管状中で多相油／水混合物を輸送する上での動的なエネルギー損失を低減するのが一般に望ましい。本発明は、配管中の油／水混合物の移動における摩擦圧力を低減し、それによってエネルギーを貯蔵すること又は地下の井戸からの産出を最大にすることに関する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
図面の簡単な記述
図面は、本発明の様々な側面を例証する。
【図１】図１Ａは、配管の内壁に沿った疎油性の流体流れを概略的に示す。            図１Ｂは、配管の内壁にくぼみ／テクスチャーを持つ超疎油性の流れパターンを示す。
【図２】図２は、摩擦係数、レイノルズ数、及び相対粗さの関係を示すグラフである。
【図３】図３は、湿潤性を例証する。
【図４】図４は、混合湿潤性被覆を示す。
【図５】図５は、テクスチャーを持つ混合湿潤性被覆を例証する。
【図６】図６Ａ−６Ｃは、配管の内壁の上のリブレットを例証する。
【図７】図７Ａ−Ｃは、層流及び乱流プロファイルを示す。
【図８】図８は、本発明の第１の形態を示す。
【図９】図９は、本発明の他の形態を示す。
【図１０】図１０は、本発明の更に他の形態を示す。
【図１１】図１１は、本発明の他の形態を例証する。
【図１２】図１２は、本発明の他の形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の概要
管状配管、システム及び方法は、管状配管を通って流れる多相の油／水混合物の摩擦を低減するのに適合できる。当該管状配管は内壁及び中心空洞を含み得る。当該配管は当該配管の長さに沿って軸方向を定義する。当該内壁は、１つの形態で、（ａ）第１のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送油の接着力を低減するのに適合させた第１のテクスチャード加工された領域、及び、（ｂ）第２のテクスチャード加工された領域で内壁に沿った輸送水の接着力を低減するのに適合させた第２のテクスチャード加工された領域を含む。
【０００９】
いくつかの例では、当該第１の及び第２のテクスチャード加工された領域が、管状配管の内壁の上に第１のテクスチャード加工された領域及び第２のテクスチャード加工された領域の第１の交互帯域を含む。
【００１０】
いくつかの用途で、第１の交互帯域が、管状配管の長さに沿って軸方向に提供できる。第１の及び第２のテクスチャード加工された領域が、管状配管の内壁の上に第１のテクスチャード加工された領域及び第２のテクスチャード加工された領域の第２の交互帯域をさらに含むことができ、しかも、第２の交互帯域が配管の軸方向に対して一般に垂直に提供される。
【００１１】
第１のテクスチャード加工された領域が、親水性被覆で被覆でき、当該第１のテクスチャード加工された領域は水親和性を有する。第２のテクスチャード加工された領域が、疎水性被覆で被覆でき、油親和性を有する被覆を持つ第２のテクスチャード加工された領域となる。本発明のいくつかの形態では、第１のテクスチャード加工された領域が積層されている。本発明の他の形態では、第２のテクスチャード加工された領域が積層され得る。
【００１２】
本発明の他の用途では、第１のテクスチャード加工された領域及び／又は第２のテクスチャード加工された領域が、犠牲層で積層され得る。
【００１３】
いくつかの用途で、当該配管の内壁が、配管の軸方向に沿って方向づけられた第１のリブレットを含み得る。第１のリブレットが、実質的に平行であり得ることができ、そして、配管の軸方向に沿って不連続又は連続であることができる。
【００１４】
本発明の他の側面では、第２のリブレットが配管の軸方向に沿って方向づけられることができ、第２のリブレットが、第１のリブレットと比較して異なる平均高さを有する。
【００１５】
第１のテクスチャード加工された領域は、溶射、コールドスプレー、及びプラズマ溶射から成る噴霧沈着技術の群から選択される噴霧沈着技術により、形成できる。
【００１６】
第１のテクスチャード加工された領域は、ゾルゲル法及び化学溶液沈着の群から選択される溶液基沈着により、形成できる。
【００１７】
本発明の他の形態では、当該管状配管は、第１のテクスチャード加工された領域に粗さを与えるためにプラズマ変性される第２のテクスチャード加工された領域及び／又は第１のテクスチャード加工された領域を含み得る。
【００１８】
詳細な記述
乱流多相配管流れ中の摩擦圧力損失低減の装置及び方法を記載する。当該流れ流体は、例えば、油／水、ガス及びそれらの混合物を表し得る。本発明の主要な用途は、油及びガス貯蔵所開発、上流設備、中流パイプライン、及び下流精製所中のプロダクションチュービング、水噴射装置、及び表面又は海底パイプラインの流れ性能の改善である。流れ性能の改善が実現できる１つのやり方は、内管壁面が１以上の流れ流体に関して忌避になりそれによって流れ流体が配管を通って進む時に摩擦力を低減するといった方法で、トポロジー変性を含む、内管壁面の湿潤性を変性することによる。
【００１９】
本発明の１つの用途は、非周期表面構造及び２種流体表面テクスチャーを包含する。このアプローチは、テクスチャード加工された配管壁面のミクロ構造の内側の追加の（潤滑）流体の捕捉及び保持に基づく。この潤滑流体は、その領域のフラクション上の表面の湿潤性を変性し、管壁への輸送流体及び流れの粘着の全体的な低減になる。
【００２０】
本発明の他の形態は、システム的な（周期的な又は非周期）表面構造を包含する。それは、流れ方向に沿って方向づけられた管壁にリブレットを持つ境界層での流れを流線型にすることによってサメの“サメ肌”構造にできるだけ似るように模写することに基づく。
【００２１】
超疎水性被覆を用いるいくつかの例でスリップを実現できる。表面とインタレストの液滴との間の接触角が１５０°よりも大きい時に、“超”プレフィックスを用いる。しかし、例えば疎水性と超疎水性との間の転移まで、表面トポロジー（すなわち幾何学的なパターン）が、摩擦力を低減する化学的特性と一緒に有用であり得る。追加された忌避性は、生成された構造の間の細孔（およそ１０μｍ程度）中への、空気などの所望されない相のエントラップメントから普通は生まれる。孔隙は、空気でエントラップされ、そして、水は、超接触角を可能にする“ピラー”又はナノ構造の先によって、さらされるのみであり、支持される。ドラッグ低減及びフリー表面領域（表面よりむしろ空気にさらされた水領域）のパーセンテージ及びフリーせん断層の間に強い関連が存在し、空気にさらされた有効な領域を増大することによってドラッグ低減の量の増大を提案する。
【００２２】
ミクロスケール（およそ約１３０μｍ程度まで）の表面幾何学的な特徴は、特定の範囲のレイノルズ数でドラッグを低減することも示されてきた。流れの方向に方向づけられた溝（又は“リブレット”）は、異方性粗さを形成する乱流効果を壁の近くで減少させる。本発明の１形態では、リブレットの使用は、溝上の流れと壁との間の有効な運動量交換を低減する。これらのリブレット特徴のサイジング及び間隔は、ドラッグ低減の最適操作を決定する上で重要だが、レイノルズ数が最適設計と異なる時は、ドラッグを増大させる。
【００２３】
展開中、油田プロダクションチュービングは、外側及び内側からの衝撃、スレッド近くの経験取り扱い摩耗、湿度変化、及び水凍結温度から沸点近くまでの範囲の広い温度振れを含む連続の機械的試験に遭遇するであろう。貯蔵所温度及び圧力での坑内での設備配置の間に、設備は、配管の内側を、配管への付加された応力／歪を持つ同様の衝撃試験にさらす。ボーリング泥水、ブライン（すなわちＫＣｌ、ＮａＣｌなど）、酸（すなわち１５％ＨＣｌ）、及び高粒子濃度流体（砂利／破砕流体）は、完成及び貯蔵所刺激操作の間に、配管内径と接触するかもしれないであろう。
【００２４】
本発明によって提案された当該装置、システム及び方法は、複合流体表面テクスチャーによって制限を一部分克服する。当該提案された方法は、配管の内壁の表面領域の異なるフラクション上の複合不混和性の流体及びそれらの混合物の非付着特性を持つテクスチャード加工された表面の形成を可能にする。
【００２５】
表面領域のこれらのフラクションは、ミクロスケールで周期的に又は非周期的に設計できる。“ミクロスケール”とは、滑らかな壁面を変える表面偏位を意味し、当該表面偏位は、約０．１〜約１３０マイクロメートルの大きさの範囲である。
【００２６】
石油産業における配管流れへの本発明の装置及び方法の適用は、配管中を流れ、産出され又は輸送される流体の相挙動又は組成が技術サイクルの最中に時間と共に変化する場合に、摩擦圧力低減の利益を提供するべきである。
【００２７】
乱流配管流れ中の摩擦圧力損失は、流速、管壁粗さ、及びその表面の湿潤性（又は表面エネルギー）によって制御される。配管粗さ及び流れ速度の影響が支配的な時、分析をそれらの場合に限定すること又は標準配管及び流体（例えば、金属配管中の水流）を考慮することによって、湿潤性は典型的に、パラメーターのリストから普通は除外される。
【００２８】
図面を見ると、図１Ａは、配管の内壁１８の表面１６の上に疎油性の内部被覆（親水性被覆）を有する配管を例証する。配管中の水１４フラクション流れは、配管中線から離れて配管の内壁１８に向って移動した。油１２フラクションは、配管の中心線に向って移動した。
【００２９】
図１Ｂは、表面２０をテクスチャーすることによって形成された複数の凹み２４を持つ表面２０を有する内壁２２を持つ異なる配管を示す。超疎油性の被覆テクスチャード加工された表面は、親水性力の原因となり、表面２０のテクスチャード加工された及び被覆された領域中の凹み２４の内部に水１４を保持する。凹み２４に付着する水１４の境界層に起因して少ない摩擦で油１２が流れる。
【００３０】
流れ体制の概略図を図２に示す。乱流に起因させることができる摩擦係数の増大を目に見えるようにするために、左の点線は、層流線状法則を乱流領域中に外挿したものである。下に及び右に伸びる中間の曲線は、制御滑らかな配管エンビロープに対応する。図２の（右への）上の曲線は、十分に発達した乱流の境界である。したがって、上の曲線から下の曲線への垂直落下は、管壁粗さを減少することによって実現可能な配管滑らかさに起因する摩擦係数低減の改善を表す。滑らかな配管制限（下の曲線）よりも低い配管流れ摩擦の低減は、操作要求に合う範囲内であり、望ましい。
【００３１】
表面粗さが層流境界層長さスケールの約２倍の範囲内に匹敵する粗い配管では、管壁粗さが支配的な要因であるが、摩擦圧力への表面湿潤性寄与は無視できる。十分に発達した乱流配管流れでは、摩擦係数は流れ速度に依存しない。十分に発達した乱流での湿潤性の摩擦係数への影響は、定量化されないが、無視できることになるべきである。なぜなら、管壁粗さは境界層構造を十分に決定するからである。
【００３２】
しかし、配管粗さの減少と共に、ミクロスケール効果にアプローチすると、管壁湿潤性の効果はより断言される。なぜなら、境界層の内側の流れ体制への粗さの影響はより重要ではなくなるからである。滑らかな配管制限よりも低く配管流れの摩擦圧力損失を低減する方法は：流れ液体に石けん及び可溶性ポリマーなどの高分子量の物質を少量添加すること；配管流れ中に壁摩擦を低減する潤滑流体を注入すること；適切な材料又は／及び化学処理で表面を被覆することによって流れ流体に関して管壁の湿潤性を低減すること；配管壁面をテクスチャーすること及びその表面構造中に第２の流体を引き付ける及びトラップすることを可能にすること、を含む。
【００３３】
テクスチャーは、配管壁面のフラクションに有効なスリップ層を形成できる。テクスチャーに加えて、本発明の実施において、流れ方向に沿って方向づけられたリブレットで管壁をパターニングすること及び境界層の内側の流れを流線型にすることも、有用であり得る。
【００３４】
一形態では、本発明は、多相配管流れ中の摩擦低減に主に焦点を当て、所望の効果を実現するために様々な組合せのミクロスケールで被覆、テクスチャー及び／又はパターニングすることを含む配管壁面変性の技術の使用を含む。
【００３５】
本発明で提案された解決策は、境界層の内側の流れを流線型にするために流れ方向に沿って方向づけられたリブレットで管壁をパターニングする、又は、表面副構造の内側に１以上の潤滑流体をエントラップメントすることを可能にする、又は  その両方の、表面テクスチャーを含み得る。
【００３６】
一形態では、これは、複合タイプのリブレットを含むことができ、その各々は、特定の種類の流体の壁−スリップを促進する。しかも、壁−スリップを介して流線型を促進するためにリブレット又は同様の規則性の隆起部材によってミクロスケールでのパターニングと、表面被覆及び／又は化学処理とを組合せることができる。他の例では、リブレットによってミクロスケールでのパターニングと、表面テクスチャーとを組合せることが望ましいこともある。更に他の形態では、表面テクスチャーと被覆及び／又は化学処理とを組合せることが望ましいこともある。更に他の形態では、表面領域のフラクションで一部分の表面層除去と共に、活性又は不動態化表面の再加工又は後加工によって副構造を実現するために積層表面被覆又はテクスチャーを形成できる。
【００３７】
本発明の一形態は、配管使用の最中に徐々の表面特性（異なる流体に関する表面エネルギー）変性を可能にする積層表面被覆／テクスチャー中の犠牲層の形成を包含できる。他の可能性は、リブレットによって表面近くの流線型を持つ積層被覆又は／及び表面化学処理／テクスチャーを含む。本発明の更に他の形態では、汚れ止め能力を持つ表面被覆／テクスチャーを適用できることもある。汚れ止め特性は、操作要求に合う変性表面の属性（第２の特性）としてここで考慮できる。
【００３８】
摩擦低減の適用できる手段は、以下の２つの主な群に分かれる：（１）潤滑流体のエントラップメントでの被覆、化学処理、テクスチャー及びそれらの組合せによる表面湿潤性（エネルギー、粘着潜在性）の変性に基づく第１の方法；及び（２）リブレット又は同様のタイプの制御された規則性の隆起でのミクロスケールのパターニングによる管壁近くの流れ流線型の方法。
【００３９】
第１の群（１）の表面変性方法は、管壁に関して流れ流体の湿潤性特性に敏感であり、そして、それ故に流体相挙動及び組成によって影響を受け得る。対照的に、群（２）の方法は、流れ流体の湿潤性特性に依存せず、そして、それ故に、異なる多相流れ体制（分散流、層状流、スラグ流など）で及び可変の組成の多相流体でより良好に実行されることが期待できる。これは、これらの２つの群からの方法の組合せが、多相配管流れ中の摩擦低減に関して追加の相乗効果を提供可能であるという理由である。
【００４０】
親水性表面（ガラス）を持つ流体液滴の相互作用への湿潤性の影響を図３に例証する。水２５を図３の左に、アルコール２６を中間に、及び油２７を右に示す。湿潤性は、液滴の形状及びそれらの接触領域を制御する。それは、変化する接触（又はぬれ）角によって特徴づけられる。湿潤性は、表面への潜在的な流体粘着と関連があり得る。流体−表面相互作用は、壁境界層近くの内側の流れ構造に影響する。ガラスに関する水の粘着能力は、普通は、表面近くの流れの非スリップ境界状況になり、すなわち、管壁での流れ速度はゼロに等しい。このメカニズムは、乱流境界層の内側の粘性摩擦の主因であるが、唯一の原因ではない。追加の摩擦及びエネルギー散逸は、乱流に起因して引き起こされる。
【００４１】
疎油性の表面（油と接触しているガラス）は、隣接する流体を忌避する。完全に疎油性の状態では、滑らかな管壁での流れ速度は平均速度に近づき、そして、速度プロファイルは配管流れ領域を横切って均一である。
【００４２】
中間湿潤性の場合は、継続した考慮に起因して、壁−スリップはゼロからその最大の値に変化するが、管壁での無次元速度と接触角との間の関連は未知である。親水性の場合には壁−スリップが存在しないことが頻繁に推測される。
【００４３】
表面変性の数例を示す。基材の表面上にテクスチャーがない図４に、混合湿潤性被覆を概略的に示す。表面は、異なる湿潤性を持つ２つの被覆材料によって覆われる。被覆（上部構造）は、流体１（数字２８）に関して親水性であり、流体２（数字２９）に関して疎水性である。したがって流体１は基材に粘着し、一方で、流体２は別個の液滴を形成する。このタイプの被覆は、表面に隣接した容積の内側の１つの流体を他の流体によって置き換えた後、その表面領域の一部でぬれ流体を保持できる。下の構造は、基材が流体２に対して親和性を有するが流体１を忌避する他の場合を示す。しかし、このタイプの被覆の主な問題点は、表面に沿って十分に高い流速では、保持されたぬれ流体が、その潤滑効果を低減する流れせん断によって除去されるであろう、という事実と関連する。これは、Ｋｅｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ不安定性に起因し、そして、流体を保持するか又は押し出すための表面張力（安定化要因）と乱流（非安定化要因）の戦い以来の問題を表す。したがって、境界は不安定であり、そして、ぬれ流体は摩擦低減メカニズムとして表面上に残ることができない。
【００４４】
図５に概略的に示される表面テクスチャーによって、より有効な表面変性が実現できる。テクスチャーによって形成された粗さは、粗さによって支配される配管流れ体制のきっかけとならないように、すなわち配管滑らかさを維持するように、十分に小さいべきである。凹み及び表面レベル上昇部の湿潤性に依存して、その後、２つの基本的なシナリオを予期することができ、それを、図５の上部及び底部に示す。上部の例では、流体１（数字２８）及び流体２（数字２９）を示す。潤滑流体２（数字２３）は上昇部でエントラップされ；底部の例では、潤滑流体１（数字２１）は凹みでエントラップされる。図５の上部部分では、潤滑は有効ではないであろう。なぜなら、潤滑流体は流れせん断によって表面から洗い流されるであろうからである。対照的に、潤滑流体は、洗い流しから上昇部によって保護されている、図５の底部に示す構造中に維持されるであろう。これは、表面テクスチャーの利点を例証する。
【００４５】
配管壁面上の現実の幾何学、構造及び上昇部及び凹みの分布は変化し得る。それは、凹み及び上昇部の形状及び表面上のパターン分布の両方に関して不規則及び非対称であるのと同様に、規則的及び対称であることができる。
【００４６】
その壁を覆うリブレットを持つ配管を図６に概略的に示す。リブレット３０は、流れ方向（配管軸）に沿って方向づけられており、そして、乱流境界層の粘性副層の安定及び流線型に役立つ。リブレットは、ドラッグ低減のその能力を持つサメ肌の構造をある意味で模倣する。リブレットは、連続でも、不連続でも、規則的でも不規則でもよいが（大きさ、間隔及び幾何学に関して）、典型的には、平均流れの方向に、すなわち配管軸に沿って、方向づけられている。
【００４７】
リブレット３０は、表面構造の流線型構成材である。それらは、管壁に関して横断方向に、すなわち乱流境界層の副層間のパルセーションエネルギー交換を低減する。リブレット３０の大きさは、約１５〜約１３０マイクロメートルの範囲でもよく、そして、他の用途では、約１５〜約７００マイクロメートルでもよい。リブレットの大きさは、用途及び用いる流体によって影響されるであろう。更に、リブレットは、複合の長さスケールで、及び１タイプよりも多くの幾何学又は横断形状又はアスペクト比を持って、導入又は形成され得る。
【００４８】
図７Ａ−Ｃは、乱流、遷移流、及び層流の構成材を有する、乱流体制中の境界層、乱流体制、及び層流体制を概略的に示す。
【００４９】
リブレット及び目的を持って導入されたテクスチャーを含有する管壁を図８に示す。中心空洞３６の内壁３４の上に第１のテクスチャード加工された領域３２が示される。配管内壁３４の軸方向３８が示され、流体流れ方向３７と同じ方向に走る。第１のテクスチャード加工された領域３２は、第１のテクスチャード加工された領域３２で内壁に沿って輸送油の接着力（粘着力）を低減するのに適合させている。しかし、図８の構造には、第２のテクスチャード加工された領域は存在しない。なぜなら、配管内壁３４は、第１のテクスチャード加工された領域３２によって示される、１タイプのテクスチャーのみを有するからである。リブレット３０が示される。
【００５０】
多パターン化テクスチャード加工された管壁４４を図９に示す。単純化のために、２つの示されたテクスチャーパターンが規則的なやり方で配置されている。それらは、本発明の他の形態では、同様に不規則なやり方で任意に配置できる。（低減した油流れ摩擦を提供する）第１のテクスチャード加工された領域４０及び（低減した水流れ摩擦を提供する）第２のテクスチャード加工された領域４２が示される。第１のテクスチャード加工された領域４０及び第２のテクスチャード加工された領域４２は、流体流れ３７の方向で第１の交互帯域４６で提供される。
【００５１】
重なりテクスチャーパターンを図１０に示す。それらは、不規則のやり方で配置されてもよい。内壁４４上には、（低減した油流れ摩擦を提供する）第１のテクスチャード加工された領域４０及び（低減した水流れ摩擦を提供する）第２のテクスチャード加工された領域４２が示される。第１のテクスチャード加工された領域４０及び第２のテクスチャード加工された領域４２は、流体流れ３７の方向で第１の交互帯域４６で提供される。第２の交互帯域４８が、第１の交互帯域４６に対しておよそ垂直に示される。軸方向５０が示される。もちろん、それぞれの第１の及び第２のテクスチャード加工された領域４０及び４２は、同様に混沌とした（ランダムな）又は一様でないやり方で提供されてもよく、そして、全体的な壁領域のパーセンテージとしてのそれぞれの比率は、多相流体流れの予期される油／水含有量及び特殊な用途に適合するように調整できることが、認識される。
【００５２】
リブレット５１を持つ多パターン化テクスチャーの組合せを図１１に示す。その図１１では、図１０と実質的に同様の形態が提供されるが、軸方向５０に沿って提供されたリブレット５１を持つ。
【００５３】
図１２は、図１１と同様の代替の形態を示すが、混沌とした（すなわちランダムな）第１のテクスチャード加工された領域５３及び混沌とした（ランダムな）第２のテクスチャード加工された領域５４を持つ。更に、不連続のリブレット５６パターンが使用され、そこではリブレット５６が連続ではないが、依然として軸方向５０に提供される。いくつかの用途では、不連続のリブレット５６は流れ流体の最も有効な摩擦低減を提供できる。いくつかの形態では、リブレットは、１つよりも大きい間隔又は幾何学又は大きさ又はアスペクト比で、提供できる。
【００５４】
いくつかの用途では、管壁にテクスチャード加工された表面又はテクスチャード加工された被覆を与えるために、噴霧沈着技術（溶射、コールドスプレー、アークプラズマ溶射、真空プラズマ溶射など）を展開できる。これらの噴霧技術は、制御された組成及び粗さを持つ表面になる、表面上に液体及び粒子供給原料を沈着する動的なプロセスを基にするのであり、当該制御された組成及び粗さの両方は、加工パラメーター及び供給原料材料の制御を通して調節できる。
【００５５】
いくつかの用途では、パルスレーザーアブレーション、レーザー機械加工、又はレーザーエッチングなどの光学技術が、管壁に表面粗さ又はテクスチャーを目的を持って導入するために、使用できる。これらのアプローチでは、表面を除去、切除、形状する、又はさもなければ変性してそのテクスチャー及び粗さを制御するために、集束光が使用される。
【００５６】
他の用途では、表面粗さ又はテクスチャーを導入するために化学エッチングを使用できる。これは、材料を意図的に除去するために、酸、塩基及び他の苛性を包含できる。パターン化されたリブレットは、例えば、管壁の制御されたエッチング後に、導入できる。
【００５７】
他の用途では、リブレット構造及び他の周期的な特徴を含む制御された表面テクスチャー及び表面パターンを導入するために、スタンピング、インプリンティング及び他の機械的リソグラフィ技術が使用できる。
【００５８】
管壁又は表面上に規則的な又は不規則の表面特徴を導入するために、鍛造及び他の変形を基礎とする技術も使用できる。
【００５９】
他の用途では、設計された粗さ及び制御された表面テクスチャーを与えるために、被覆沈着前後に表面のプラズマ変性を用いることができる。
【００６０】
他の用途では、テクスチャーを実現するために、又はある場合には、リブレット又はミクロパターン化された表面構造又は隆起を実現するために、化学溶液沈着及びゾルゲル法などの溶液基沈着技術を用いることができる。本発明の１つの用途において、テクスチャー及び表面粗さのより大きな制御を可能にするために、これらの溶液基沈着技術に、ナノ粒子を添加できる。
【００６１】
本発明の他の用途では、直接書込み及び他の三次元印刷（又は添加剤製造）技術によって、リブレット及び他のパターン化された表面特徴を導入できる。これらは、集束光を用いて高空間分解能で微粒子を固体構造（数十ナノメートル〜より大きい寸法）に焼結する添加剤粒子プロセスを含むが、それに限定されない。当該微粒子は、金属、又はセラミック、又は半導体、又はポリマー、又は本質的に生物学的でもよい。
【００６２】
これらのいかなる技術の組合せを用いて、表面テクスチャー、表面粗さ、及び設計された表面構造を制御、導入、及びさもなければ操作できる。
【００６３】
ある場合には、被覆を管状配管の内壁の上に展開して、腐食（Ｈ２Ｓ、ＣＯ２、水性Ｏ２）、化学暴露、摩耗、衝撃、及び迅速な減圧を最小限にできる。更に、そのような被覆は、配管ストリングによって見られる応力及び歪を含む構造保全性を維持できるべきであり；及び井戸の寿命にわたる機能要求を維持できるべきである。
【００６４】
液体誘導被覆と同様に電気化学を基礎とするアプローチを含む溶液基沈着技術；（上記で議論したような）噴霧を基礎とする沈着技術；蒸気を基礎とする沈着技術（物理的、化学的、及びそれらの変形）を含む種々の異なる沈着技術を通して、被覆を導入できる。当該被覆は、設計された湿潤性、制御された表面エネルギー、調整された摩擦係数などの独特の表面機能性を与えるために、組み込むことができ；又は、基礎を成す材料又は基材を保護するために、使用されることができる。補助被覆は、本質的に、有機（ポリマー）又は無機（金属又はセラミック又は半導体又はそれらのいくつかの組合せ）であることができる。
【００６５】
操作パラメーターは変化し得る。典型的な値の例は：
３００度Ｆと同程度の温度（ＢＨＳＴ）；
２０，０００ｐｓｉと同程度の貯蔵所圧力；
約３０〜約４５ＡＰＩの流体密度；
約１．４〜約４．７ｃＰの流体粘度；
ある場合には約１０％よりも大きいＨ２Ｓ含有量；
ある場合には約１０％よりも大きいＣＯ２含有量；及び
約１００，０００ｐｐｍの塩素含有量。
【００６６】
被覆にとっての望ましいドラッグ低減は、コールブルックの制御滑らかな配管制限よりも下のドラッグの０％と８％との間の低減であることができる。しかし、８％よりも大きい低減が同様に望ましくてもよい。被覆にとっての最も望ましい汚れ止め特性は、蓄積した沈着が、配管のドラッグ低減性能に全体的に影響せず、流れに“不可視”を残さないようなものである。具体的には、沈着の除去と関連したせん断応力は、設計流れで実現した壁せん断応力よりも小さくなければならない。
【００６７】
被覆にとっての所望の腐食特性は、高塩素含有量及び酸素含有量を持つ耐水性と同様に、Ｈ２Ｓ及びＣＯ２分圧への高耐性のものである。被覆は、腐食バリアーとして基材（配管内径）をサポートするためには要求されないが、同様の環境で基材が長生きする限り、むしろ長生きするべきである。耐食性合金（ＣＲＡｓ）を要求する腐食性環境井戸は、ドラッグ及び沈着問題点に取り組むために、被覆されてもよい。同様に、被覆は、機能要求を保持するために必要な範囲で、環境で長生きしなければならない。
【００６８】
機械的摩耗、侵食、迅速な減圧、基材粘着強度、構造保全性（柔軟性）、及び衝撃耐性を支持するために要求される機械的特性は、それぞれの個々の被覆タイプ及び次に最良の代替にとって基準線と関連する。被覆は、温度及び圧力での井戸の寿命の間の機械的試験及び暴露で長生きするほど十分に耐久性でなければならない。
【００６９】
ボーリング泥水、完成ブライン、酸、及び産出流体を含む、井戸の寿命の間のいつでも坑内で使用できる流体との相溶性を支持する化学特性を、被覆は保持するべきである。
【００７０】
典型的な炭化水素産出井の寿命の間に地面に掘った穴で適用できる流体のリストの例は：１５％ＨＣｌなどの酸、ＣａＣｌ２、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＢｒ、ＣａＢｒ２、ＮａＢｒ、ＺｎＢｒ２などのブライン、ＣＨ３ＯＨなどの特別な化学薬品、油を基礎とする及び水を基礎とするボーリング泥水の両方を含むボーリング泥水、を含む。
【００７１】
被覆の適用は、２．７５０インチでスタートして最小で６．５３８インチほどの大きさの配管内径にとって実現可能であるべきである。配管のねじ込み形部分は、井戸として被覆される必要があるかもしれない。被覆は、高クロム及びニッケル含有量を持つ耐食性合金を含む一般クラスのスチールにも適用されることができなければならない。被覆は、少なくとも３１フィートの長さの配管に適用されることができるべきである。配管の大きな容積（７００配管継ぎ目よりも大きい）が妥当な期間（一般に、６ヶ月未満）で被覆できるように、被覆材料は、容易に入手できなければならない。
【００７２】
被覆として適用される材料は、いかなる１つ以上の以下のものを含み得る：フルオロポリマー；すなわち、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシポリマー樹脂、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）としても公知）、ＦＥＰ（フッ素化エチレン−プロピレン、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）としても公知）、ＥＴＦＥ、ＰＶＤＦ（Ｋｙｎａｒ（登録商標））、ＴＦＥ（トリフルオロエタノール）、ＦＰＭ、ＣＴＦＥ、ＦＦＫＭ（Ｋａｌｒｅｚ（登録商標）、Ｔｅｃｎｏｆｌｏｎ（登録商標）ＦＦＫＭ）、ＦＫＭ（Ｖｉｔｏｎ（登録商標）、Ｔｅｃｎｏｆｌｏｎ（登録商標））；熱可塑性のもの、以下を含む：アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、スチレン−アクリロニトリル（ＳＡＮ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアクリレート（アクリル）、ポリ酢酸ビニル（ＰＶＡ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）、ポリエステル、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ又はＡｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）、テレフタレート（ＰＣＴ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ又はＡｃｅｔａｌ）、ポリシクロヘキシレンジメチレン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、アイオノマー、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリブタジエン（ＰＢＤ）、ポリイミド（ＰＩ）、フルオロプラスチック（ＰＴＦＥと共に、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＣＴＦＥ、ＥＣＴＦＥ、ＥＤＦＥ）、ポリアミド−イミド（ＰＡＩ）、ポリエチレン塩素化物（ＰＥＣ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカプロラクトン（ＰＣＬ）、ポリブチレン（ＰＢ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ｋｙｄｅｘ（登録商標）、アクリル（ＰＭＭＡ）、セルロイド、酢酸セルロース、エチレンビニルアルコール（ＥＶＯＨ）、エチレン−酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ又はＫｅｔｏｎｅ）、ポリヒドロキシアルカノエート（ＰＨＡｓ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミド（ＰＡ又はＮｙｌｏｎ）、ポリケトン（ＰＫ）；及びポリマー、以下を含む：ポリｐ−メチルスチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリブチレン、ポリカプロラクタム、ポリビニルメチルエーテル、テレフタレート、ポリｍ−メチルスチレン、ヘキサメチレンジカルバメート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエトン、ポリプロピレンオキシド、ポリスチレン、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリｐ−フェニレンテレフタルアミド、ポリｍ−フェニレンイソフタルアミド、ポリエチレンヘキサメチレンジカルバメート、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリペンタメチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリフェニレンオキシド、ポリヘキサメチレンセバシンアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネイト、ポリｐ−フェニレン硫化物、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンオキシド、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレン硫化物、ポリイソブチレン；金属及び１つ以上の金属及び合金の組合せ。  
【００７３】
適用される被覆のパターンは、いくつかの用途で、Ｙ形状チャンネル、Ｖ形状チャンネル、Ｕ形状チャンネル、又は流れの方向に方向づけられたミクロスケール溝又はリブレットを含む、流れ方向が好ましいように異方性乱流を生成するいかなる幾何学を含み得る。
【００７４】
例えば、化学蒸気沈着、電気めっき、溶射、液体被覆、融着エポキシ被覆、応用テープ、ロールオンテープ、フォトリソグラフィ、大規模セルフ・アセンブリ、及びミクロパターニングを含む様々な適用メカニズムのいかなる１つを使用して、被覆沈着は適用できる。
【００７５】
本発明の実施において、約０．０１〜約０．０２のダルシー摩擦係数を観察することが可能かもしれない。本発明の他の用途では、ダルシー摩擦係数を約０．００９及びそれよりも低く減少するのが可能であり、望ましいかもしれない。
【００７６】
具体的には開示されていないがこの開示の範囲内の本発明の他の形態を、本発明の実施において用いることができる。
【図６Ａ】
2015530527.tif 000003
【図６Ｂ】
2015530527.tif 000004
【図６Ｃ】
2015530527.tif 000005
【図８】
2015530527.tif 000006
【図９】
2015530527.tif 000007
【図１０】
2015530527.tif 000008
【図１１】
2015530527.tif 000009
【図１２】
2015530527.tif 000010
【図１】
2015530527.tif 000011
【図２】
2015530527.tif 000012
【図３】
2015530527.tif 000013
【図４】
2015530527.tif 000014
【図５】
2015530527.tif 000015
【図７】
2015530527.tif 000016
【国際調査報告】
2015530527.tif 000017
2015530527.tif 000018
2015530527.tif 000019