Análisis de flujo multifásico

5. fujo multiásico multiásico 5.1 GENERAL Flujo multiásico es un enómeno complejo que es diícil de entender predecir ! modelo. "#r#cterístic#s monoásicos comunes como el per$l de %elocid#d tur&ulenci# ! l# c#p# límite norm#lmente son in#decu#d#s p#r# descri&ir l# n#tur#le'# de dic(os fujos. L#s estructur#s de fujo # menudo se cl#si$c#n en los re)ímenes de fujo cu!#s c#r#cterístic#s dependen de un# serie de p#rámetros. L# distri&ución de l#s #ses de líquido en el esp#cio ! el tiempo es dierente p#r# los dierentes re)ímenes de fujo ! por lo )ener#l no está &#jo el control del dise*#dor o del oper#dor. Los re)ímenes de fujo %#rí#n dependiendo de l#s condiciones oper#ti%#s l#s propied#des del fuido l#s t#s#s de fujo ! l# orient#ción ! l# )eometrí# de l# tu&erí# # tr#%+s del cu#l fu!en los fuidos. L# tr#nsición entre los dierentes re)ímenes de fujo es un proceso )r#du#l. L# determin#ción de los re)ímenes de fujo fujo en tu&erí tu&erí#s #s en situ# situ#cio ciones nes oper# oper#ti% ti%#s #s no es ácil. ácil. Anális Análisis is de l#s fuctu#ciones de presión ! , o densid#d loc#l por medio de l# densitometrí# de r#!o r#!oss )#mm )#mm# # se (# util utili' i'#d #do o en los los e-per -perim imen ento tos s ! se desc descri ri&e &e en l# liter#tur#. En el l#&or#torio los re)ímenes de fujo pueden ser estudi#dos por o&se o&ser% r%#c #ció ión n %isu %isu#l #l dir direc ect# t# us#n us#ndo do un tr#m tr#mo o de tu&o tu&o tr#n tr#nsp sp#r #ren ente te.. L# descripción de los re)ímenes de fujo es por lo t#nto #l)o #r&itr#ri# !# que su identi$c#ción depende en )r#n medid# del o&ser%#dor ! su interpret#ción. interpret#ción. Los Los princi princip#l p#les es me mec#n c#nism ismos os impli implic# c#dos dos en l# orm#c orm#ción ión de los dier dierent entes es re)ím e)ímen enes es de fujo fujo son #/ #/ los los eec ectos tos tr#ns r#nsit ito orios ios &/ )eo )eometr etrí# o terr#ine0ects c/ los eectos (idrodinámicos ! d/ un# com&in#ción de +stos. Los tr#nsitorios se producen como result#do de c#m&ios en l#s condiciones de ront ronter# er# del siste sistem# m#.. Esto Esto no se de&e de&e conu conundi ndirr con l# inest inest#&i #&ilid lid#d #d loc#l loc#l #soci#d# con fujo intermitente. Apertur# ! cierre de l#s %ál%ul#s son ejemplos de oper#ciones que c#us#n condiciones tr#nsitori#s. Geometrí# ! del terreno eectos se producen como result#do de c#m&ios en l# )eometrí# de tu&erí#s no inclu!endo inclu!endo tu&o de áre áre# # de sección tr#ns%ers tr#ns%ers#l/ #l/ o la inclinación tubería .  #les  #les eectos pueden ser p#rticul#rmente p#rticul#rmente import#ntes en ! #)u#s #&#jo de l#s líne#s de m#r ! #l)unos re)ímenes de c#ud#les )ener#dos de est# m#ner# pueden pre%#lecer dur#nte %#rios 2ilómetros3 se%er# slu))in) ele%#dor es un ejemplo de t#l eecto. En #usenci# de eectos tr#nsitorios ! )eometrí# , terreno el r+)imen de fujo en est#do est#cion#rio está tot#lmente determin#d# por los eectos (idrodinámicos es decir l#s t#s#s de fujo propied#des de los fuidos ! diámetro de l# tu&erí#. 4n r+)imen de fujo %isto en tu&erí#s pur#mente rect#s se re$ere como un r+)imen de fujo (idrodinámic#. Estos son los re)ímenes re)ímenes de fujo típicos encontr#dos en un lu)#r en &oc# de po'o.

 odos los re)ímenes de fujo sin em&#r)o se pueden #)rup#r en fujo disperso fujo sep#r#do fujo intermitente o un# com&in#ción de +stos como se ilustr# en el di&ujo l# Fi)ur# 5.1. Flujo disperso L6 7 8/ re)ímenes producen cu#ndo peque*#s c#ntid#des de un# #se se dispers#n en un# se)und# #se domin#nte. Ejemplos de t#les fujos son el fujo de &ur&uj#s ! el fujo de nie&l# Fi)ur# 5.9/. Flujo sep#r#do Ls 7 8/ se c#r#cteri'# por un# distri&ución de #se no continu# en l# dirección r#di#l ! un# distri&ución de #se continu# en l# dirección #-i#l. Ejemplos de t#les fujos son estr#ti$c#do ! #nul#r con &#j# r#cción de )ot#s #rr#str#d#s/ como se muestr# en l# Fi)ur# 5.:. Flujo intermitente se c#r#cteri'# por ser no continu# en l# dirección #-i#l ! por lo t#nto muestr# un comport#miento loc#lmente inest#&le. Ejemplos de t#les fujos son #l#r)#d#s &ur&uj# c(urn ! el fujo de lodo Fi)ur# 5.;/. Los re)ímenes de fujo que se muestr#n en l#s $)ur#s 5.9 (#st# 5.; son todos los re)ímenes de fujo de )#s?= @AA >E FL4B? uede ser Ctil us#r (err#mient#s )rá$c#s p#r# #!ud#r en l# comprensión de fujo multiásico desde l# ísic# del pro&lem# puede ser mu! diícil de comprender D6i&lio. 5. #l %e' l# (err#mient# más utili'#d# ! &ien des#rroll#do p#r# este propósito es el m#p# de fujo de dos #ses en l# que fu!en los re)ímenes se represent#n en un m#p# &idimension#l de l# %elocid#d super$ci#l del líquido contr# l# %elocid#d super$ci#l del )#s. L# %elocid#d super$ci#l del )#s %s )#s/ es l# %elocid#d # l# que el )#s fuirí# si uer# el Cnico fuido en l# tu&erí#. En otr#s p#l#&r#s l# %elocid#d del )#s super$ci#l es los )#s tot#l de c#ud#l de )#s en l#s condiciones de uncion#miento re#les de temper#tur# ! presión di%idid# por el áre# tot#l de l# sección tr#ns%ers#l de l# tu&erí# A/. L# %elocid#d super$ci#l del líquido se de$ne de l# mism# m#ner#

L# sum# de los %s)#s ! %sliquid es l# %elocid#d de me'cl# poliásic#. =in em&#r)o este Cltimo es un# %elocid#d deri%#d# ! sólo tiene sentido si #/ el

fujo multi#se es (omo)+ne# ! &/ #m&#s #ses de líquido ! )#s %i#j#n # l# mism# %elocid#d re#l.

L# $)ur# 5.5 es un# im#)en mu! )ener#l ! sólo se #pro-im# # donde se producen los dierentes re)ímenes de fujo en el fujo (ori'ont#l ! donde se producen sus límites con otros re)ímenes. #rámetros ísicos t#les como l# densid#d de )#s ! líquido l# %iscosid#d tensión super$ci#l etc. cl#r#mente #ect#n # los re)ímenes de fujo pero sus eectos no se inclu!en en este )rá$co. 4n #ctor mu! import#nte en l# loc#li'#ción del lu)#r #propi#do en el m#p# de fujo es el diámetro de l# líne# de fujo. or ejemplo si l#s t#s#s de fujo de líquido ! )#s se m#ntiene const#nte ! el t#m#*o de l# líne# de fujo se reduce de ; pul)#d#s # : pul)#d#s t#nto el )#s super$ci#l ! %elocid#des de líquidos se increment#rá en un #ctor de 1,H. or lo t#nto en el m#p# de fujo de dos #ses este punto se mo%erá (#ci# #rri&# ! l# derec(# # lo l#r)o de l# di#)on#l # un# nue%# posición. Esto por sí solo podrí# c#us#r un c#m&io en el r+)imen de fujo por ejemplo c#m&i#r de estr#ti$c#do de fujo de lodo o c#m&i#r de fujo de lodo de fujo #nul#r. Los re)ímenes de fujo multiásico t#mpoco tienen límites cl#ros sino más &ien c#m&i#n su#%emente de un r+)imen # otro. L#s líne#s di#)on#les en este de dos #ses el m#p# de fujo son líne#s de r#cción de %olumen de )#s const#nte GIF/ que se de$ne como l# r#cción de l# corriente %olum+tric# tot#l en condiciones re#les en l# tu&erí# que es #tri&ui&le #l fujo de )#s norm#lmente e-pres#do como un porcent#je . Gener#lmente c#mpos de petróleo oper#n en un r#n)o entre ;8J GIF oper#ciones de #lt# presión/ ! el H8 < H5J &#j# presión ! , o l#s oper#ciones de le%#nt#miento )#s/. L#s oper#ciones de c#mpo de #ceite # #lt#s %elocid#des de fujo que se encuentr# en l# esquin# superior derec(# del m#p# de fujo si)ni$c# po'os de m#!or producti%id#d. =in em&#r)o t#m&i+n su)iere m#!ores costes de m#ntenimiento de&ido # l#s %i&r#ciones mecánic#s ! l# erosión de inst#l#ciones de producción un mecánicos en lu)#r de un pro&lem# de fujo de fuido. ?per#ndo # c#ud#les más &#jos en l# esquin# inerior i'quierd# del m#p# de fujo de dos #ses l# inerior # l#s t#s#s de producción pre%istos ! por lo t#nto de )r#n t#m#*o líne#s de fujo. #nto est#s esquin#s del m#p# de fujo de&en ser e%it#dos. El r+)imen de fujo más comCnmente encontr#do en oper#ciones de c#mpo de #ceite es el fujo de lodo en el centro del m#p# de fujo. ?per#ciones de c#mpo G#s )ener#lmente están situ#dos en el l#do derec(o del m#p# de fujo. El m#p# de fujo de dos #ses t#l como se present# en l# Fi)ur# 5.5 es mu! )ener#l ! utili'# l# %elocid#d super$ci#l diámetro dependiente # lo l#r)o del

eje. 4n# present#ción más práctico ! con%eniente es el ll#m#do @#nd(#ne D6i&lio. 9K m#p# de fujo de dos #ses. A lo l#r)o de l# - ! el eje ! #(or# el lo)#ritmo de l# re#l de )#s ! l#s t#s#s de fujo de líquido se represent#n respecti%#mente. #r# l# m#!orí# de #plic#ciones es su$ciente p#r# cu&rir tres d+c#d#s # lo l#r)o de c#d# eje. 4n# serie de re)ímenes de fujo se (#n de$nido p#r# que el model#do de fujo ! l# interpret#ción %isu#l más directo. Los límites re#les entre los re)ímenes de fujo no son t#n nítid#s como se indic# en l# $)ur# 5.53 dependen de l# densid#d %iscosid#d presión )eometrí# etc. Los límites tr#'#dos #quí se determin#ron e-periment#lmente en un# &#j# presión de cu#tro pul)#d#s &ucle de prue&# de fujo multiásico utili'#ndo diesel ! #ire como los fuidos. 6ien l# producción se puede tr#'#r en este m#p# de fujo ! con el tiempo que %# # se)uir un# ciert# tr#!ectori# # medid# que c#m&i#n t#nto l#s t#s#s de fujo de líquido ! )#s. 4n# colección de est#s tr#!ectori#s se puede utili'#r p#r# de$nir l# en%ol%ente de producción de un !#cimiento de petróleo. A menudo este so&re l# producción se de$ne como l# re)ión entre l#s t#s#s má-im#s de fujo de líquido ! )#s ! mínimo. "omo se e-plic#rá este Cltimo medidores de fujo multi#se t#m&i+n (#n preerido oper#r so&res. >e&erí# ser o&%io que l# en%ol%ente de producción del po'o ! l# en%ol%ente de uncion#miento del metro de&en coincidir. Este es el primer p#so en l# selección de un metro de mCltiples #ses #decu#do p#r# un# #plic#ción p#rticul#r. "u#ndo el )#s ! el fujo de líquido juntos en un# tu&erí# l# r#cción de áre# de sección tr#ns%ers#l de l# tu&erí# cu&ierto por líquido será m#!or de lo que es en condiciones no fu!e de&ido #l eecto de desli'#miento entre líquido ! )#s. Norm#lmente l# #se de )#s más li)ero se mo%erá muc(o más rápido que l# #se líquid# más pes#d# ! #demás el líquido tiene l# tendenci# # #cumul#rse en se)mentos de tu&erí# (ori'ont#les e inclin#d#s. L#s r#cciones de líquido ! )#s de l# 'on# de l# sección tr#ns%ers#l del tu&o t#l como se mide &#jo condiciones de fujo de dos #ses que se conoce como retención de líquido ! l# r#cción %#cí# de )#s respecti%#mente. >e&ido # desli'#rse l# retención de líquido será más )r#nde que l# r#cción de %olumen de líquido. Retención de líquido es i)u#l # l# r#cción de %olumen de líquido sólo &#jo condiciones de no desli'#miento cu#ndo el fujo es (omo)+ne# ! l#s dos #ses %i#j#n # %elocid#des i)u#les. "on retención de líquido ! l# r#cción %#cí# de )#s represent#dos como r#cciones de %olumen  ! el )#s ! el líquido represent#do por M

=ólo (#! #ntidesli'#ntes condiciones es l# r#cción %#cí# de )#s )#s/ i)u#l # l# r#cción de %olumen de )#s M)#s/ ! l# retención de líquido liquid/ es i)u#l # l# r#cción de %olumen de líquido Mliquid/. En l# m#!orí# de los re)ímenes de lujo l# retención de líquido será más )r#nde que l# r#cción de %olumen de líquidos ! l# r#cción %#cí# de )#s será menor que l# r#cción de %olumen de )#s %er Fi)ur# 5.K/. "on l# retención de líquido ! l# %elocid#d re#l del )#s super$ci#l ! %elocid#des de líquidos se pueden c#lcul#r. en)# en cuent# que I)#s  Is )#s siempre.

5.: REGO@ENE= >E FL4B? EN FL4B? IERP"AL

L# m#!orí# de los po'os de petróleo tienen fujo multiásico en p#rte de sus tu&erí#s. Aunque l# presión en l# p#rte inerior del po'o puede e-ceder el punto de que el #ceite de l# &ur&uj# l# p+rdid# )r#du#l de l# presión como el #ceite fu!e desde el ondo del po'o # l# super$cie conduce # un# creciente c#ntid#d de )#s que se esc#p# del #ceite #sí como un# #umento en el %olumen ocup#do por el )#s los cu#les contri&u!en #l #umento de l# r#cción de (uecos de )#s ! l# r#cción de %olumen de )#s. L#s tr#nsiciones entre los re)ímenes de fujo en el tu&o %ertic#l de un po'o de petróleo se ilustr#n en l# Fi)ur# 5.Q que muestr# los dierentes re)ímenes de

fujo (idrodinámic#s que pueden ocurrir en fujos multiásicos líquido<)#s %ertic#les. "#&e se*#l#r que l# Fi)ur# 5.Q es sol#mente un# ilustr#ción esquemátic# que está destin#do # mostr#r l#s tr#nsiciones entre los re)ímenes de fujo como los #ument# l# %elocid#d super$ci#l de )#s desde el ondo del po'o (#st# l# c#&e'# del po'o. En l# tu&erí# de producción de &ienes es r#ro que más de dos o tres re)ímenes de fujo están presentes #l mismo tiempo. Fi)ur# 5.H simil#r # l# Fi)ur# 5.5 es un# ilustr#ción cu#lit#ti%# utili'#ndo el m#p# de fujo de dos #ses de cómo l#s tr#nsiciones de r+)imen de fujo dependen de )#s super$ci#l ! l#s %elocid#des de líquido en fujo multiásico %ertic#l. "omo se se*#ló #nteriormente l#s tr#nsiciones son t#m&i+n un# unción de %#rios otros p#rámetros por ejemplo diámetro de l# tu&erí# l# tensión inter#ci#l l# densid#d de l#s #ses ! otr#s propied#des de los fuidos.  en)# en cuent# que mientr#s que los ejes de l# $)ur# 5.H se represent#n en esc#l#s line#les en contr#ste con los de l# $)ur# 5.5 los d#tos esenci#les en rel#ción con los re)ímenes de fujo se modi$c#. 5.; REGO@ENE= >E FL4B? EN FL4B? ?RPS?NAL. En los fujos (ori'ont#les t#m&i+n l#s tr#nsiciones son unciones de #ctores t#les como diámetro de l# tu&erí# ! l#s propied#des del fuido. Fi)ur# 5.18 es otr# ilustr#ción cu#lit#ti%# como en l# Fi)ur# 5.5 de cómo fuir tr#nsiciones de r+)imen dependen de )#s super$ci#l ! l#s %elocid#des de líquido en este c#so en el fujo multi#se (ori'ont#l. =e de&e reconocer que un m#p# como $)ur# 5.18 sólo será %álid# p#r# un# tu&erí# especí$c# l# presión ! fuido multiásico. 5.5 @4LPFA=E @AA "?@?=P"PTN 4n# (err#mient# #dicion#l Ctil en el proceso de selección de los medidores de fujo multiásico es el m#p# de l# composición con sedimento ! #)u# = U V/ o corte de #)u# V"/ !# se# enJ o r#cción/ de l# r#cción de %olumen del eje W ! del )#s enJ o en r#cción/ en el eje !. 4n ejemplo de t#l m#p# composición se muestr# en l# Fi)ur# 5.11.

Aunque #l principio un po'o productor ocup#rí# un punto en el m#p# un# tr#!ectori# p#r# el po'o se puede tr#'#r en el m#p# composición simil#r # l# tr#!ectori# del po'o en el m#p# de fujo de dos #ses como el #umento V" ! GIF con el tiempo. L# re)ión que está #tr#%es#d# por l# tr#!ectori# de l# en%ol%ente #sí de$ne su producción en el m#p# composición. >el mismo modo un medidor de fujo multiásico tiene su r#n)o de oper#ción c#r#cterístic# en el m#p# composición. ?&%i#mente los dos so&res de&en coinciden si l# medid# es p#r# tener +-ito.

5. A"?N>P"P?NA@PEN? >E fujo multiásico Así como en el c#so de fujo de un# sol# #se puede ser %ent#joso p#r# #l)unos m+todos de medición que emple#n dispositi%os p#r# el #condicion#miento l#s c#r#cterístic#s de fujo #ntes de l# tom# re#l de l# medición. Esto )ener#lmente tom# un# de dos orm#s !# se# 1/ me'cl#r el fuido en un intento de lo)r#r !# se# un# muestr# (omo)+ne# o nin)Cn desli'#miento o #m&os o 9/ l# sep#r#ción !# se# p#rci#l o e-(#usti%id#d de corrientes de líquido ! de )#s p#r# el propósito de mejor#r l# medición )lo&#l de fujo multiásico. 5..1 fujo multiásico de me'cl# #r# muc(os metros puede ser %ent#joso s#&er si sus sensores están infuenci#dos por el compuesto promedio/ o loc#li'#dos c#r#cterístic#s del fujo ! que el elemento de detección no está e-cesi%#mente infuenci#d# por un# #se so&re los otros. or ejemplo si un# medición de densid#d se (icier# en l# p#rte superior de un tu&o (ori'ont#l e-periment#r fujo estr#ti$c#do serí# medir #l)o cerc#no # l# densid#d del )#s. or el contr#rio si se mide en l# p#rte inerior de l# tu&erí# que serí# medir l# densid#d del líquido. Ni d#rí# un# %erd#der# lectur# de l# densid#d medi# del m#teri#l que fu!e por lo que l# me'cl# de l#s #ses es un intento de lo)r#r est#s mediciones medi#s p#r# l# o&tención de t#s# de fujo de m#s# en este c#so. 5..9 =ep#r#ción L# otr# #condicion#do dirección del fujo multi#se puede tom#r es l# de sep#r#ción !# se# p#rci#l o complet#. En este Cltimo c#so el pro&lem# de fujo multiásico se resuel%e esenci#lmente medi#nte l# destrucción de su n#tur#le'# de mCltiples #ses. El precio p#r# (#cer esto es #lt# sin em&#r)o !# que pro&#&lemente requiere )r#ndes %#sos sep#r#dores ! sistem#s de control &ien m#ntenidos ! medidores monoásicos. Est# solución puede ser costoso en t+rminos de (uell# de equipo ! costos de oper#ción , dise*o. Además est# solución suele consistir en prue&#s de po'os indi%idu#les que de&ido # su n#tur#le'# periódic# ! # l# %#ri#&ilid#d de l#s dist#nci#s &ien tosep#r#tor ! condiciones del recorrido #ument#r l# incertidum&re en l# determin#ción del tipo de &ien. L# tu&erí# entre el po'o ! el sep#r#dor t#m&i+n puede e-periment#r fuctu#ciones #simientoesde l# perspecti%# de l# medición un# orm# más interes#nte de l# sep#r#ción es l# sep#r#ción p#rci#l que es l# sep#r#ción de corrientes de fujo multi#se en un# corriente de líquido )#seoso ! un# corriente de )#s (Cmedo. Lo que (#ce que l# sep#r#ción p#rci#l interes#nte es 1/ el )r#do de comp#ct#ción que se puede lo)r#r p#r# el sep#r#dor más metros ! 9/ l# posi&ilid#d de mejor#r l# c#lid#d de l# medición. L#s r#'ones de l# mejor# en l# medición se #n#li'#n en el #p#rt#do K.:.