FLUJO MULTIFASICO EN TUBERIAS
FLUJO MULTIFASICO EN TUBERIAS.
El flujo multifsico es el movimiento de gas libre y de lquido,
el gas puede estar mezclado en forma homognea con el lquido o
pueden existir formando un oleaje donde el gas empuja al lquido
desde atrs o encima de l, provocando en algunos casos crestas en la
superficie del lquido, puede darse el caso en el cual el lquido y
el gas se mueven en forma paralela, a la misma velocidad y sin
perturbacin relevante sobre la superficie de la interfase
gas-lquido. Cuando el fluido se desplaza desde el yacimiento hacia
la superficie, se libera energa tanto en el flujo vertical como en
el horizontal. Esta energa la posee el fluido durante su
permanencia en el yacimiento. Por lo tanto, para utilizarla al
mximo se requiere realizar un buen diseo de los equipos del pozo,
lnea de flujo, estranguladores, separadores y de otras conexiones.
El diseo ptimo, necesita de un estudio detallado del comportamiento
del flujo multifsico en cada uno de estos componentes, lo cual debe
tomar en cuenta las diferentes variables que afecten el
proceso.
El flujo multifsico se desplaza a travs de la tubera vertical y
horizontal, el cual comprende el estrangulador, la lnea de flujo,
hasta llegar al separador y los tanques de almacenamiento. El flujo
multifsico de gas y lquido, ocurre frecuentemente durante la fase
de extraccin de petrleo, en el rea qumica y en industrias que
guarden relacin con dichos parmetros.
Durante el trayecto del flujo vertical y horizontal, la
produccin del pozo puede encontrar restricciones por la existencia
de vlvulas, reduccin de tuberas y los necesarios estranguladores de
flujo.
La ltima restriccin est generalmente colocada en el cabezal o en
algunos casos en el fondo del pozo o a nivel del mltiple de
produccin, todos principalmente con el objeto de controlar el
caudal, imponiendo una contra-presin a la formacin.
Adems, el flujo de fluidos en una tubera involucra elementos que
favorecen o impiden su movimiento, entre los cuales se puede
mencionar la friccin, factor que se produce por el contacto del
fluido con las paredes de la tubera. La mayor o menor velocidad con
que fluyen los fluidos a travs de las tuberas permite determinar el
rgimen de flujo que se tiene, (laminar o turbulento), el porcentaje
de lquido que se encuentra en un momento cualquiera en un intervalo
de tubera determina el factor de entrampamiento. Otros parmetros,
son la relacin gas-lquido y el porcentaje de agua y sedimentos, el
dimetro de la tubera, la viscosidad del petrleo, reunindose una
cantidad de variables que regulan las ecuaciones de balance de
energa y presin.
correlaciones de flujo multifasico en tuberias verticales.Los
estudios realizados en el comportamiento de flujo multifsico en
tuberas verticales tienen como objetivo predecir el gradiente de
presin a travs de la tubera de produccin, debido a la importancia
que tienen para la industria petrolera.
Las correlaciones realizadas mediante tcnicas de laboratorio y/o
datos de campo poseen sus limitaciones al ser aplicadas en
condiciones diferentes a la de su deduccin. Los factores ms
importantes tomados en cuenta son: el clculo de la densidad de la
mezcla, el factor de entrampamiento de lquido (Holp Up), regmenes
de flujo, factor de friccin, entre otros.
Existen muchas correlaciones para predecir los gradientes de
presin durante el flujo multifsico en tuberas verticales, a
continuacin se har una breve descripcin de las correlaciones ms
usuales para el anlisis de flujo multifsico en tubera vertical.
HAGEDORN y BROWN: Realizaron dos trabajos en 1964. Siendo el
primero de ellos un estudio que relacion el efecto de la viscosidad
en una tubera de 1" de dimetro y 1500 pies de longitud para ello
utilizaron cuatro fluidos de diferentes viscosidades, cada uno de
los cuales se prob para diferentes tuberas y relaciones gas-lquido.
Concluyeron que para valores de viscosidad lquida menores que doce
centipoises, la misma tiene poco efecto sobre los gradientes de
presin en flujo vertical bifsico. El segundo trabajo fue una
ampliacin del primero en una tubera de 1" y 1-" de dimetro; el
aporte importante fue la inclusin del factor de entrampamiento. El
aspecto principal es que el factor de entrampamiento lquido o
fraccin de la tubera ocupado por lquido, es funcin de cuatro nmeros
adimensionales: nmero de la velocidad lquida, nmero de velocidad
del gas, nmero de dimetro de la tubera y nmero de viscosidad
lquida. Los resultados presentados indican un error promedio de
1,5% y una desviacin estndar de 5,5 %. En conclusin desarrollaron
una Correlacin General para un amplio rango de condiciones.
GRAY: La correlacin fue desarrollada por "H. E Gray" de la
compaa petrolera "Shell", para fases de gas, predominantemente para
sistemas de gas y condensado en flujo multifsico vertical. Gray
considero una fase simple, asumiendo que el agua o condensado van
adheridos en las paredes de la tubera en forma de gotas. La
correlacin es aplicada para casos en los que se considera que las
velocidades para flujo vertical estn por debajo de 50 ft/s, que el
tamao de la tubera de produccin sea menor de 3-in y que las
relaciones de condensado y agua estn por debajo de 50 bls/mmpcn y 5
bls/mmpcn, respectivamente.
GILBERT (1954): Fue el primer investigador en presentar curvas
de recorrido de presin para uso prctico. Su trabajo consisti en
tomar medidas de cadas de presin en el reductor; el mtodo trabaj
para bajas tasas de produccin y utiliz en el mismo el trmino de
"longitud equivalente" para el clculo de la presin de fondo
fluyente.
DUNS & ROS (1963): Observaron la influencia de los patrones
de flujo en el comportamiento del mismo, desarrollando una
correlacin para la velocidad de deslizamiento de las fases.
Presentaron adems relaciones para hallar la densidad de la mezcla y
factor de friccin de acuerdo al rgimen de flujo existente.
ORKISZEWSKY (1967): El autor considera deslizamiento entre las
fases y que existen cuatro regmenes de flujo, (burbuja, tapn,
transicin y neblina). Present un mtodo para el clculo de cadas de
presin en tuberas verticales, el cual es una extensin del trabajo
expuesto por Griffith y Wallis. La precisin del mtodo fue
verificada cuando sus valores predecidos fueron comparados con 148
cadas de presin medidas. Una caracterstica diferente en este mtodo
es que el factor de entrampamiento es derivado de fenmenos fsicos
observados. Tambin considera los regmenes de flujo y el trmino de
densidad relacionados con el factor de entrampamiento; adems
determin las prdidas por friccin de las propiedades de la fase
continua.
BEGGS & BRILL (1973):Corrieron pruebas de laboratorio usando
mezcla de aire y agua fluyendo en tuberas acrlicas de 90 pies de
longitud y de 1 a 1.5 pulgadas de dimetro interior. Para un total
de 27 pruebas en flujo vertical, se obtuvo un error porcentual
promedio de 1.43 % y una desviacin standard de 6.45 %,
desarrollando un esquema similar al de flujo multifsico
horizontal.
CORRELACIONES DE FLUJO MULTIFASICO HORIZONTAL.El problema del
flujo horizontal bifsico se considera tan complejo como el flujo
bifsico vertical. Para el diseo de las tuberas de gran longitud es
necesario conocer las cadas de presin que se producen a lo largo de
ellas. La prediccin de las cadas de presin, cuando una mezcla de
gas y lquido fluye en un conducto cerrado, es uno de los mayores
problemas de ingeniera.
Desde hace ms de 30 aos, varios autores han intentado hallar
correlaciones que permitan predecir las cadas de presin que se
producen en el caso de flujo bifsico en conductos cerrados. Las
cadas de presin en flujo bifsico son bastantes diferentes de las
que ocurren en flujo de una sola fase; esto se debe a que
generalmente existe una interfase y el gas se desliza en el lquido,
separadas ambas por una interfase que puede ser lisa o irregular
dependiendo del rgimen de flujo existente y las cadas de presin
pueden llegar a ser de 5 a 10 veces mayores, que las ocurridas en
flujo monofsico.
Los tipos de regmenes que pueden darse en flujo multifsico
horizontal dependen de las variaciones en presin o de la velocidad
de flujo de una fase con respecto a la otra. Estos flujos pueden
ser :
Flujo de Burbuja: El flujo de burbujas se caracteriza por una
distribucin uniforme de la fase gaseosa as como la presencia de
burbujas discretas en una fase lquida continua. El rgimen de flujo
de burbujas, se divide en flujo burbujeante y flujo de burbujas
dispersas. Los dos tipos difieren en el mecanismo de flujo. El
flujo burbujeante ocurre a tasas de flujo relativamente bajas, y se
caracteriza por deslizamiento entre las fases de gas y lquido. El
flujo de burbujas dispersas ocurre a tasas altas de flujo,
movindose las burbujas de gas a lo largo de la parte superior de la
tubera. La fase continua es el lquido que transporta las
burbujas.
Flujo de Tapn de Gas: El flujo tapn se caracteriza por que
exhibe una serie de unidades de tapn, cada uno es compuesto de un
depsito de gas llamado burbujas de Taylor y una cubierta de lquido
alrededor de la burbuja. Los tapones van incrementando su tamao
hasta cubrir toda la seccin transversal de la tubera.
Flujo Estratificado: El gas se mueve en la parte superior de la
tubera, y el lquido en la parte inferior, con una interfase
continua y lisa.
Flujo Transitorio: En este tipo de patrn de flujo existen
cambios continuos de la fase lquida a la fase gaseosa. Las burbujas
de gas pueden unirse entre s y el lquido puede entrar en las
burbujas. Aunque los efectos de la fase lquida son importantes, el
defecto de la fase gaseosa predomina sobre la fase lquida.
Flujo Ondulante: Es parecido al anterior, pero en este caso se
rompe la continuidad de la interfase por ondulaciones en la
superficie del lquido.
Flujo de Tapn de Lquido: En este caso las crestas de las
ondulaciones pueden llegar hasta la parte superior de la tubera en
la superficie del lquido.
Flujo Anular: Se caracteriza por la continuidad en la direccin
axial del ncleo y la fase gaseosa. El lquido fluye hacia arriba de
una pelcula delgada alrededor de una pelcula de gas mojando las
paredes de la tubera o conducto. Adems, una pelcula de lquido cubre
las paredes de la tubera, y el gas fluye por el interior, llevando
las partculas de lquido en suspensin.
Flujo de Neblina Roco: El lquido esta completamente "disuelto"
en el gas; es decir, la fase continua es el gas y lleva en
"suspensin" las gotas de lquido.
Entre las correlaciones de flujo multifsico horizontal, que
cubren todos los rangos de tasas de produccin y tamao de tubera se
tienen las siguientes:
BEGGS & BRILL (1973): Es una de las ecuaciones mas
utilizadas y cubre varios rangos de tasas y dimetros internos de la
tubera. Desarrollaron un esquema para cadas de presin en tuberas
inclinadas y horizontales para flujo multifsico. Establecieron
ecuaciones segn los regmenes de flujo segregado, intermitente y
distribuido para el clculo del factor de entrampamiento lquido y
definieron el factor de friccin bifsico independientemente de los
regmenes de flujo.
BEGGS & BRILL REVISADA: En la misma se mejoraron los
siguientes mtodos que no se usaron en la correlacin original, (1)
un rgimen de flujo adicional, el flujo burbuja, considerando que no
asume error en l (hold up), (2) el factor de friccin del modelo de
tubera lisa normal fue cambiado, utilizando una factor de friccin
en fase simple basado en el rango de la velocidad de fluido.
DUKLER, AGA & FLANIGAN: La correlacin de AGA & Flanigan
fue desarrollada para sistemas de gas condensado en tuberas
horizontales e inclinadas. Se considero cinco regmenes de flujo:
burbuja, intermitente, anular, neblina y estratificado. La ecuacin
de Dukler es usada para calcular la perdidas de presin por friccin
y el factor de entrampamiento (hold up) y la ecuacin de Flanigan es
usada para calcular el diferencial de presin por elevacin.
EATON y colaboradores (1966): Realizaron pruebas experimentales
de campo en tres tuberas de 1700 pies de longitud cada una y de 2,4
y 15 pulgadas de dimetro, respectivamente. Los rangos utilizados en
sus pruebas fueron:
Tasa lquida: 50-5500 bpD Tasa de gas: 0-10 MMpcnd
Viscosidad Liquida: 1-13.5 cps.
Presiones promedias: 70-950 PSI.
La correlacin se basa en una en un balance de energa de flujo
multifsico, realizando correlaciones para el factor de
entrampamiento de lquido y el factor de friccin, considerando las
fases fluyendo como una mezcla homognea de propiedades
promedia.
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Figura N2 Patrones de Flujo en Tuberas Horizontales.
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