CORRELACIONES CORRELACI ONES DE D E FLUJO MULTIFASICO MULTIFASICO EN TUBERIAS TUBE RIAS VERTICALES .
Los estudios realizados en el comportamiento de flujo multifásico en tuberías verticales tien tienen en como como objet objetiv ivo o pred predec ecir ir el grad gradie ient ntee de presi presión ón a trav través és de la tube tuberí ríaa de producción, debido a la importancia que tienen para la industria petrolera. Las correlaciones realizadas mediante técnicas de laboratorio y/o datos de campo poseen sus limitaciones al ser aplicadas en condiciones diferentes a la de su deducción. Los factores más importantes tomados en cuenta son el cálculo de la densidad de la mezcla, el factor de entrampamiento de líquido !"olp #p$, regímenes de flujo, factor de fricción, entre otros. %&isten muc'as correlaciones para predecir los gradientes de presión durante el flujo multifásico en tuberías verticales, a continuación se 'ará una breve descripción de las correlaciones más usuales para el análisis de flujo multifásico en tubería vertical.
FLUJO MULTIFASICO EN TUBERIAS.
%l flujo flujo multifási multifásico co es el movimie movimiento nto de gas libre y de líquid líquido, o, el gas puede puede estar mezclado en forma 'omogénea con el líquido o pueden e&istir formando un oleaje donde el gas empuja al líquido desde atrás o encima de él, provocando en algunos casos crestas en la superficie superficie del líquido, líquido, puede darse el caso en el cual el líquido y el gas se mueven en forma paralela, a la misma velocidad y sin perturbación relevante sobre la superficie de la interfase gas(líquido. )uando el fluido se desplaza desde el yacimiento 'acia la superficie, se libera energía tanto en el flujo vertical como en el 'orizontal. %sta energía la posee el fluido durante su permanencia en el yacimiento. *or lo tanto, para utilizarla al má&imo se requiere realizar un buen dise+o de los equipos del pozo, línea de flujo, estranguladores, separadores y de otras cone&iones. %l dise+o óptimo, necesita de un estudio detallado del comportamiento del flujo multifásico en cada uno de estos componentes, lo cual debe tomar en cuenta las diferentes variables que afecten el proceso. %l flujo multifásico se desplaza a través de la tubería vertical y 'orizontal, el cual comprende el estrangulador, la línea de flujo, 'asta llegar al separador y los tanques de almacenamiento. %l flujo multifásico de gas y líquido, ocurre frecuentemente durante la fase de e&tracción e&tracción de petróleo, petróleo, en el área química química y en industrias industrias que guarden guarden relación con dic'os parámetros.
urante el trayecto de el flujo vertical y 'orizontal, la producción del pozo puede encont encontrar rar restricc restriccion iones es por la e&isten e&istencia cia de válvul válvulas, as, reducc reducción ión de tubería tuberíass y los necesarios estranguladores de flujo. La -ltima restricción está generalmente colocada en el cabezal o en algunos casos en el fondo del pozo o a nivel del m-ltiple de producción, producción, todos principalment principalmentee con el objeto de controlar el caudal, imponiendo una contra(presión a la formación. demás, el flujo de fluidos en una tubería involucra elementos que favorecen o impiden su movimiento, entre los cuales se puede mencionar la fricción, factor que se produce por el contacto del fluido con las paredes de la tubería. La mayor o menor velocidad con que fluyen los fluidos a través de las tuberías permite determinar el régimen de flujo que se tiene, !laminar o turbulento$, el porcentaje de líquido que se encuentra en un momento cualquiera en un intervalo de tubería determina el factor de entrampamiento. tros parámetros, son la relación gas(líquido y el porcentaje de agua y sedimen sedimentos tos,, el diámet diámetro ro de la tubería tubería,, la viscos viscosida idad d del petról petróleo, eo, reunié reuniéndo ndose se una cantidad de variables que regulan las ecuaciones de balance de energía y presión.
HAGEDORN y BROWN:
0ealizaron dos trabajos en 1234. 5iendo el primero de ellos un estudio que relacionó el efecto de la viscosidad en una tubería de 1 ¼" de diámetro y 1677 pies de longitud para ello utilizaron cuatro fluidos de diferentes viscosidades, cada uno de los cuales se probó para diferentes tuberías y relaciones gas(líquido. )oncluyeron que para valores de viscosidad viscosidad líquida menores que doce centipoises, centipoises, la misma tiene poco efecto sobre los gradientes de presión en flujo vertical bifásico. %l segundo trabajo fue una ampliación del primero en una tubería de 18 y 1(98 de diámetro: el aporte importante fue la incl inclus usió ión n del del facto factorr de entra entramp mpam amie iento nto.. %l aspec aspecto to prin princi cipa pall es que que el fact factor or de entrampamiento líquido o fracción de la tubería ocupado por líquido, es función de cuatro n-meros adimensionale adimensionales s n-mero n-mero de la velocidad velocidad líquida, n-mero de velocidad velocidad del del gas, gas, n-me n-mero ro de diám diámetr etro o de la tube tuberí ríaa y n-me n-mero ro de visco viscosid sidad ad líqu líquid ida. a. Los Los resultados presentados indican un error promedio de 1,6; y una desviación estándar de 6,6 ;. %n conclusión desarrollaron una )orrelación
GRAY: La correlación fue desarrollada por 8". %
85'ell8, para fases de gas, predominantemente para sistemas de gas y condensado en flujo multifásico vertical.
GILBERT GILBERT (1954): >ue el primer investigador en presentar curvas de recorrido de
presión para uso práctico. 5u trabajo consistió en tomar medidas de caídas de presión en el reductor: el método trabajó para bajas tasas de producción y utilizó en el mismo el término de 8longitud equivalente8 para el cálculo de la presión de fondo fluyente.
DUNS ROS (19!"): bservaron la influencia de los patrones de flujo en el
compor comportam tamien iento to del mismo, mismo, desarro desarrolla llando ndo una una correl correlació ación n para para la veloci velocidad dad de deslizamiento de las fases. *resentaron además relaciones para 'allar la densidad de la mezcla y factor de fricción de acuerdo al régimen de flujo e&istente.
OR#IS$EWS#Y (19!%): %l autor considera deslizamiento entre las fases y que
e&isten cuatro regímenes de flujo, !burbuja, tapón, transición y neblina$. *resentó un método para el cálculo de caídas de presión en tuberías verticales, el cual es una e&tensión del trabajo e&puesto por
BEGGS BRILL (19%"): )orrieron pruebas de laboratorio usando mezcla de aire
y agua fluyendo en tuberías acrílicas de 27 pies de longitud y de 1 a 1.6 pulgadas de
diámetro interior. *ara un total de BC pruebas en flujo vertical, se obtuvo un error porcentual promedio de 1.4= ; y una desviación standard de 3.46 ;, desarrollando un esquema similar al de flujo multifásico 'orizontal.
CORRELACIONES DE FLUJO MULTIFASICO HORI$ONTAL
.
%l proble problema ma del flujo 'orizo 'orizonta ntall bifásic bifásico o se consid considera era tan complejo complejo como como el flujo flujo bifásico vertical. *ara el dise+o de las tuberías de gran longitud es necesario conocer las caídas de presión que se producen a lo largo de ellas. La predicción de las caídas de presión, cuando una mezcla de gas y líquido fluye en un conducto cerrado, es uno de los mayores problemas de ingeniería. esde 'ace más de =7 a+os, varios autores 'an intentado 'allar correlaciones que permitan predecir las caídas de presión que se producen en el caso de flujo bifásico en conductos conductos cerrados. Las caídas de presión presión en flujo bifásico bifásico son bastantes bastantes diferentes de las que ocurren en flujo de una sola fase: esto se debe a que generalmente e&iste una interfase interfase y el gas se desliza en el líquido, separadas separadas ambas por una interfase que puede ser lisa o irregular dependiendo del régimen de flujo e&istente y las caídas de presión pueden llegar a ser de 6 a 17 veces mayores, que las ocurridas en flujo monofásico. Los tipos de regímenes que pueden darse en flujo multifásico 'orizontal dependen de las variaciones en presión o de la velocidad de flujo de una fase con respecto a la otra. %stos flujos pueden ser
F&' *+ B',-': %l flujo de burbujas se caracteriza por una distribución uniforme
de la fase gaseosa así como la presencia de burbujas discretas en una fase líquida continua. %l régimen de flujo de burbujas, se divide en flujo burbujeante y flujo de burbujas dispersas. Los dos tipos difieren en el mecanismo de flujo. %l flujo burbujeante ocurre a tasas de flujo relativamente bajas, y se caracteriza por deslizamiento entre las fases de gas y líquido. %l flujo de burbujas dispersas ocurre a tasas altas de flujo, moviéndose las burbujas de gas a lo largo de la parte superior de la tubería. La fase continua es el líquido que transporta las burbujas.
F&' *+ T/0 *+ G2: %l flujo tapón se caracteriza por que e&'ibe una serie de
unidades de tapón, cada uno es compuesto de un depósito de gas llamado burbujas
de Aaylo Aaylorr y una cubierta cubierta de líquid líquido o alreded alrededor or de la burbuj burbuja. a. Los Los tapone taponess van incrementando su tama+o 'asta cubrir toda la sección transversal de la tubería.
F&' E23,36*: %l gas se mueve en la parte superior de la tubería, y el líquido
en la parte inferior, con una interfase continua y lisa.
F&' T,23,: %n este tipo de patrón de flujo e&isten cambios continuos de la
fase líquida a la fase gaseosa. Las burbujas de gas pueden unirse entre sí y el líquido puede entrar en las burbujas. unque los efectos de la fase líquida son importantes, el defecto de la fase gaseosa predomina sobre la fase líquida.
F&' O*'&3+: %s parecido al anterior, pero en este caso se rompe la continuidad
de la interfase por ondulaciones en la superficie del líquido.
F&' *+ T/0 *+ L78'*: %n este caso las crestas de las ondulaciones pueden
llegar 'asta la parte superior de la tubería en la superficie del líquido.
F&' A'&,: 5e caracteriza por la continuidad en la dirección a&ial del n-cleo y la
fase gaseosa. %l líquido fluye 'acia arriba de una película delgada alrededor de una película de gas mojando las paredes de la tubería o conducto. demás, una película de líquido cubre las paredes de la tubería, y el gas fluye por el interior, llevando las partículas de líquido en suspensión.
F&' *+ N+-& 0 R67: %l líquido esta completamente 8disuelto8 en el gas: es
decir, la fase continua es el gas y lleva en 8suspensión8 las gotas de líquido.
F', N; <3,+2 *+ F&' + T'-+,72 T'-+,72 H,=3&+2.
%ntre las correlaciones de flujo multifásico 'orizontal, que cubren todos los rangos de tasas de producción y tama+o de tubería se tienen las siguientes
BEGGS BRILL (19%"): %s una de las ecuaciones mas utilizadas utilizadas y cubre varios varios
rangos de tasas y diámetros internos de la tubería. esarrollaron un esquema para caídas caídas de presió presión n en tuberí tuberías as inclin inclinada adass y 'orizo 'orizonta ntales les para para flujo flujo multif multifásic ásico. o. %stablecieron ecuaciones seg-n los regímenes de flujo segregado, intermitente y distribuido para el cálculo del factor de entrampamiento líquido y definieron el factor de fricción bifásico independientemente de los regímenes de flujo.
BEGGS BRILL REVISADA: %n la misma se mejoraron los siguientes métodos
que no se usaron en la correlación original, !1$ un régimen de flujo adicional, el flujo burbuja, considerando que no asume error en él !'oldup$, !B$ el factor de fricción del modelo de tubería lisa normal fue cambiado, utilizando una factor de fricción en fase simple basado en el rango de la velocidad de fluido.
DU#L DU#LER ER>> AGA AGA FLAN FLANIG IGAN AN:: La corr correl elac ació ión n de < < D >lan >lanig igan an fue fue
desarrollada para sistemas de gas condensado en tuberías 'orizontales e inclinadas. 5e consid considero ero cinco cinco regíme regímenes nes de flujo flujo burbuj burbuja, a, interm intermite itente, nte, anular anular,, neblin neblinaa y estratificado. La ecuación de uEler es usada para calcular la perdidas de presión por fricción y el factor de entrampamiento !'oldup$ y la ecuación de >lanigan es usada para calcular el diferencial de presión por elevación.
EATON y 6&-,*,+2 (19!!): 0ealizaron pruebas e&perimentales de campo en
tres tuberías de 1C77 pies de longitud cada una y de B,4 y 16 pulgadas de diámetro, respectivamente. Los rangos utilizados en sus pruebas fueron
Aasa líquida 67(6677 F*
Aasa de gas 7(17 GG*)H
Iiscosidad Liquida 1(1=.6 cps.
*resiones promedias C7(267 *5J.
La correlación se basa en una en un balance de energía de flujo multifásico, realizando correla correlacio ciones nes para para el factor factor de entram entrampam pamien iento to de líquid líquido o y el factor factor de fricció fricción, n, considerando las fases fluyendo como una mezcla 'omogénea de propiedades promedia.
