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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