Correlaciones de flujo multifásico_Tuberia Vertical_28Ago.pdf

CLASIFICACIÓN DE CORRELACIONES PARA TUBERÍAS VERTICALES

El flujo multifásico está basado en la ecuación de conservación de energía entre dos puntos de un sistema aislado  2 ' v2 ' p2 '

Bomba W

h2 Cambiador de calor lbm

ht

 Q

 1' v1' p1'


De acuerdo a la conservación de la energía:

E 1  W F  W S  E 2 Donde: Energía por por unidad unidad de de masa en en la posición posición 1 (lbf - pie / lbm) E 1 = Energía ∆W F = Pérdidas de energía por fricción. ∆W S = Pérdidas de energía por trabajo. E 1 = (Energía expansión + energía cinética + energía potencial) E 2 = (Energía expansión + energía cinética + energía potencial)

Ee = PV = Energía expansión Ep = (g/gc)h = Energía Energía potencial Ec = v2/2gc = Energía cinética


Tabla (1) Porcentaje de Caída de Presión por Componente % del Δp Total

Componente

Pozos de petróleo

Pozos de g as

Elevación (Hidrostático)

70 – 90

20 – 50

Fricción

10 – 30

30 – 60

A celeración

0 – 10

0 – 10


Muchas correlaciones para flujo multifásico se han desarrollado para predecir el gradiente de presión través de la tubería de producción. I) Algunos investigadores (Banxendell and Thomas, Fancher and Brown etc.) asumen que la fase gas y líquida viajan a la misma velocidad (sin resbalamiento entre fases), por lo que evalúan la densidad de la mezcla en función de las propiedades de los fluidos. Obtienen el factor de fricción de forma empírica. II) Otros (Hagedorn y Brown, Gray etc.) desarrollaron métodos para calcular en forma conjunta tanto el factor de fricción como el colgamiento tomando en cuenta el resbalamiento entre fases, asumiendo que las fases viajan a diferentes velocidades.


III) Otros investigadores (Duns Ros, Orkiszewski, etc,) suponen que las fases viajan a diferentes velocidades y sí toman en cuenta el patrón de flujo “flujo Burbuja, Bache, Transición y Niebla” para el cálculo del factor de fricción y el colgamiento del líquido.

De acuerdo a las premisas y consideraciones en las que fueron desarrolladas, estas correlaciones se pueden clasificar en cuatro categorías:


GRUPO

CORRELACIONES

CRITERIO UTILIZADO PARA SU DESARROLLO

I

1. Poettmann and Carpenter 2. Banxendell and Thomas 3. Fancher and Brown

No se considera resbalamiento entre las fases. La densidad de la mezcla se obtiene en función de las propiedades de los fluidos, corregidas por presión y temperatura. Las perdidas por fricción y los efectos de colgamiento se expresan por medio de un factor de fricción correlacionado empíricamente. No se distinguen patrones de flujo.

II

Hagedorn and Brown Gray Asheim

Se toma en cuenta el resbalamiento entre fases. La densidad de la mezcla se calcula utilizando el efecto de colgamiento. El factor de fricción se correlaciona con las propiedades combinadas de gas y liquido. No se distinguen regímenes de flujo.

III

Duns and Ross Orkiszewski Azis Chierici Beggs and Brill Mokherjee and Brill

Se considera resbalamiento entre fases. La densidad de la mezcla se calcula utilizando el efecto de colgamiento. El factor de fricción se correlaciona con las propiedades del fluido en la fase continua. Se distinguen diferentes patrones de flujo.


GRUPO

IV

CORRELACIONES

1. 2. 3. 4.

Taitel et al Barnea Anzari Xiao

CRITERIO UTILIZADO PARA SU DESARROLLO

Consideran los fenómenos físicos que ocurren entre fases, la existencia de resbalamiento entre fases, y toman en cuenta los mecanismos físicos que determinan la transición entre los distintos regímenes de flujo. Luego de definir el mecanismo de transición límite, se puede desarrollar un modelo o expresión analítica que incluye las pérdidas por fricción, elevación y aceleración. Este modelo incorpora el efecto de las variables, tales como las tasas de líquido y gas (parámetros operacionales), diámetro de tubería y ángulo de inclinación (parámetros geométricos) y las propiedades físicas del fluido, por lo tanto, la predicción de patrones de flujo bajo diferentes condiciones de flujo puede ser obtenida mediante métodos más confiables..


CORRELACION

Poettmann and Carpenter

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Usó datos de campo de más de 334 pozos fluyentes y 15 pozos de gas de inyección para preparar una correlación que trata al flujo multifásico, como si esta estuviera en una fase. Supone flujo con alto grado de turbulencia, por lo que lo hace independiente de los efectos de viscosidad. Puede usarse para los siguientes casos: Tuberías de 2, 2 3/8, 2 ½, 3 y 3 ½ pulg de diámetro nominal; viscosidades de menos de 5 c.p.; relaciones gas-liquido de menos de 1500 ft3/Bl; gasto de flujo por arriba de 400 BPD. La densidad de la mezcla se calculó usando el colgamiento sin resbalamiento


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES

Baxendell and Thomas

Se utilizaron datos de los campos Mara y la Paz en Venezuela. Fue desarrollada para mejorar la correlación de Poottmann and Carpenter a gastos más altos.

Fancher and Brown

Se utilizaron datos de un pozo experimental de 8000 ft y una tubería plástica de 2 3/8, 2 7/8” ’’ recubiertas. Esta correlación fue desarrollada para mejorar la de Poittmann and Carpenter en casos de alta relación gas liquido. Se puede utilizar para los siguientes casos: RGA menores de 5000 pc/Bl; gastos de flujo menores de 400 BPD


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Esta ecuación fue desarrollada para calcular el gradientes de presión e tuberías verticales (con diámetro pequeño): I). Profundidad del pozo: 1500 ft

Hagedorn and Brown

II). Diámetro nominal de la tubería: 1, 1.25 y 1.5 pulgadas III). Fase gas: Aire IV). Fase líquida: Se consideró agua y aceite crudo con viscosidades de 10, 30 y 110 cp. No distingue patrones de flujo. Los patrones de flujo son obtenidos por las correlaciones de Beggs and Brill y Duns and Ross (No afectan los cálculos)


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Las 3 correlaciones empíricas requeridas para obtener un valor de colgamiento del líquido son (a) Correlación para el número de coeficiente de viscosidad (b) Correlación para el factor de colgamiento

Hagedorn and Brown

(c) Correlación para el factor de de correleción secundaria Esta correlación es ampliamente utilizada en la industria y es recomendado para pozos que no tienen efectos de patrones de flujo y con una relación gas-liquido menor a 10000 ft3/Bl


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Para flujo vertical en sistemas de gas y condensado, siendo la fase gas la fase predominante. Se considera aplicable para los casos en que:

Gray

I). La velocidad del fluido es mucho menor a 50 ft/seg II). Diámetro nominal de la tubería: 3 ½ pulgada III).Relación Condensado/líquido
Duns and Ros

Esta correlación fue desarrollada para calcular las caídas de presión en tuberías verticales de una mezcla gas-líquido. Se utilizaron datos de laboratorio (más de 4000 corridas) en donde se observó el colgamiento y los regímenes de flujo.


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES I) Profundidad de la tubería de la prueba: 185 ft II) Diámetro nominal de la tubería de la prueba: 1.26 a 5.6 pulgada III)Fase gas: Aire IV) Fase líquida: Se consideró agua y aceite crudo.

Duns and Ros

Duns and Ros desarrollaron un mapa de patrón de flujo para identificar los diferentes patrones de flujo basándose en las velocidades superficiales de la fase líquida y gas, en función de grupos adimensionales. En el mapa de patrón de flujo se distinguen 3 patrones de flujo


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES (I) La fase líquida es continua, el gas se mueve como burbujas discontinuas

(II) La fase gas y líquidas son discontinuas (III) La fase gas es continua y el líquido se mueve como gotas dispersas en el gas Duns and Ros

Los patrones de flujo se utilizan para medir la velocidad de resbalamiento y consecuentemente el colgamiento y el factor de fricción. Esta correlación se recomienda para pozos con altas relaciones gas-líquido y velocidades de flujo que inducen los patrones de flujo.


CORRELACION


Orkiszewski

Esta correlación fue desarrollada para predecir las caídas de presión en tuberías verticales, para una mezcla gas/líquido utilizando como base los trabajos de Hagerdorn and Brown y los de Duns and Ros. Utiliza el modelo de Griffith and Wallis para flujo burbuja y el de Duns and Ros para flujo transición y flujo niebla Se consideran cuatros patrones de flujo (Flujo burbuja, bache, transitorio y niebla)

Esta correlación fue desarrollada para eliminar discontinuidad de presión.


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Puede predecir con exactitud del orden del 10% las caídas de presión en pozos que fluyen de forma natural y en pozos de inyección de gas, sobre un amplio rango de condiciones del pozo.

Esta correlación fue desarrollada de un estudio de 48 pozos para determinar las caídas de presión Aziz and Govier en tuberías verticales para pozos productores de gas y condensados. Aziz and Govier propusieron una nueva correlación (basándose primordialmente en las velocidades superficiales del gas y del líquido) para calcular el colgamiento del líquido en el flujo bache y burbuja.


CORRELACION


Aziz and Govier utilizaron las correlaciones de Duns and Ros para calcular el colgamiento del líquido y el factor de fricción en flujo transición y flujo niebla. El colgamiento del líquido fue calculado Aziz and Govier como una función de la velocidad de burbuja (bubble-rise)

En el estudio se utilizaron datos de campo obtenidos de 102 pozos con relación gas -líquido en el rango de 3900 a 1,170,000 pc/bls.


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Esta correlación fue desarrollada experimentalmente para tuberías horizontales e inclinadas para un flujo de dos fases (gas/líquido)

Beggs and Brill

Para el desarrollo experimental se utilizaron: I. Tuberías acrílicas de 1’’ y 1.5’’ de diámetro con una longitud de 90 ft con diferentes ángulos de inclinación (0 -90°)

II. Fluido: aire y agua III. Flujo promedio de gas de 0 – 300 mpcd. IV. Flujo promedio de líquido de 0 – 0.71 Bls/min. V. Presión del sistema 35 – 95 psi


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES VI. Colgamiento del líquido 0 – 0.870 VII. Gradiente de presión 0 – 0.8 psi/ft

Beggs and Brill

Cundo la tubería se mantuvo horizontal (ángulo de 0°) se observaron los diferentes patrones de flujo-horizontal (Segregado, intermitente, distribuido), entonces se calculó el colgamiento del líquido y el gradiente de presión, corrigiéndose después tomando en cuenta el ángulo de inclinación de la tubería. La ecuación presentada por Beggs and Brill se aplica a aflujos en tuberías con diferente ángulo de inclinación, incluyendo los de flujo descendente.


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Aunque este método se ha utilizado en algunos casos para pozos verticales, esta correlación es recomendada para pozos altamente desviados con diferentes ángulos de inclinación. de 0°, +/-5°, +/10°, +/-15°, +/-20°, +/-35° y líneas de tubería.

Beggs and Brill

Esta correlación es usada para factores de fricción y rugosidad en la tubería, límites de colgamiento y constantes correctivas propuestas por Palmer y Payne. Este método tomó en consideración lo siguiente: (1). Se considera flujo niebla, el cuál asume un colgamiento sin resbalamiento. (2). Se utiliza un factor de fricción de la mezcla (una fase) basado en la velocidad promedio del fluido.


CORRELACION

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Esta correlación fue desarrollada experimentalmente para calcular las caídas de presión en tuberías inclinadas con un flujo de dos fases (gas/líquido)

Mokherjee and Brill

Se desarrolló experimentalmente, utilizando tuberías inclinadas a diferentes ángulos (de 0 a 90°), incluye flujo cuesta bajo. En una sección de la tubería se colocó una sección transparente, que permitió observar los diferentes patrones de flujo y el uso de un censor de capacitancia para medir el colgamiento del líquido.


CORRELACION

Mokherjee and Brill

Noslip.

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Los fluidos utilizados fueron aire, keroseno y aceite lubricante. Se realizaron aproximadamente 1,000 mediciones de caídas de presión y 1,500 mediciones de colgamiento del líquido.Es recomendada para flujo inclinado u horizontal Esta correlación asume un flujo homogéneo sin resbalamiento entre fases. Las propiedades de los fluidos son tomadas como el promedio de las fases de gas y líquido. Los factores de fricción son calculados usando las coorelaciones del diagrama de MOODY. Nota: La selección de patrones de flujo y/o colgamiento causaran resultados impredecibles


CORRELACION

Brill and Minami

BJA

CARATERISTICAS EXPERIMENTALES Esta correlación puede ser utilizada para cualquier mapa de patrón de flujo excepto Mukeerjee and Brill y Noslip

Esta correlación puede ser utilizada para cualquier mapa de patrón de flujo excepto Mukeerjee and Brill y Noslip Esta correlación es utilizada para caídas de presión y colgamiento con patrones de flujo determinado por la correlación de Taitel Dukler. Es aplicada para proporciones bajas de gas/líquido.

CLASIFICACIÓN DE CORRELACIONES PARA TUBERÍAS VERTICALES CORRELACION

POZO VERTICAL PREDOMINAN. (ACEITE)

Duns & Ros



Orkiszewski



Hagedorn & Brown



Beggs & Brill Revised



POZO ALTAMENTE DESVIADO (ACEITE)

TUBERIAS (ACEITE)

TUBERIAS (GAS/COND.)





X



X

X

X



X

X



















Mukherjee & Brill











Govier, Aziz& Forgasi











NoSlip











OLGAS











X



X



X



Beggs & Brill Original

Ansari





POZO VERTICAL (GAS/COND.)



X

BJA for Condensates

X

X

AGA & Flanigan

X

X

X

X



Oliemans

X

X

X





Gray

X

X



X

X

Gray Modified

X

X



X

X

Xiao

X

X

X






Correlación

Tipo de estudio

Diámetro de la tubería

Fluido utilizado

Características experimentales

Poettmann and Carpenter

Campo, experimental

2, 2 ½, 3, 3 ½

Aceite, agua, gas

Flujo con alto grado de turbulencia, Gasto de flujo >400 BPD, Relación gas/líquido <1500 pc/Bls

Baxendell and Tholas

Campo, experimental

2 ½, 3, 3 ½

Aceite, gas

Fue desarrollada para mejorar la correlación de Poettmann and Carpenter para gastos elevados

Fancher and Brown

Campo, experimental

2 3/8, 7/8

Agua, gas

Gastos de flujo < 400 BPD, relación gas /liquido <5000 pc/Bls

Hagedorn and Brown

Experimenta l

2

1, 1 ½, 1 3/8

Aceite, aire y agua

Ampliamente utilizada en la industria, se recomienda para pozos que no tienen efectos de patrones de flujo y con una relación gas-liquido

Correlación

Tipo de estudio


Gray

Experimenta l

3½

Duns and Ros

LaboratorioExperimenta l

1, 1 ½, 3/8

Orkiszewski

Campo, Experimenta l

1 ½,

Aceite, gas

1

2, 3

Fluido utilizado

Aceite, agua, gas

Aceite, agua, gas

Características experimentales Sistema de gas y condensados Vel. Del fluido a 50 ft/seg. Relación Condensado/líquido < 50 bbl/mmscf, agua/líquido < a 5 bbl/mmscf Se recomienda para pozos con altas relaciones gas-líquido y velocidades de flujo que inducen los patrones de flujo Fue desarrollada para eliminar discontinuidad de presión. Puede predecir del orden del 10% las caídas de presión en pozos que fluyen de forma natural y pozos inyectados

con gas lift


Correlación

Tipo de estudio


Fluido utilizado

Azis et al

Teórico

-

-

Beggs and Brill

LaboratorioExperimenta l

1, 1 ½

Aire, Agua

Características experimentales Utilizan las correlaciones de Duns and Ros para calcular el colgamiento del líquido y el factor de fricción en flujo transición y flujo niebla Se utilizaron datos de campo de pozos con una relación gaslíquido en el rango de 3900 a 1,170,000 pc/bls. Aunque es utilizada para pozos verticales, se recomienda para pozos altamente desviados con diferentes ángulos de inclinación. de +/-5°, a +/-35° y líneas de tubería


Correlación

Tipo de estudio


Fluido utilizado

Beggs and Brill Revised

Teórico

-

-

Mokherjee and Brill

Experimenta l

-

Aceite, Aire

Noslip.

Teórico

-

-

Características experimentales Es usada para determinar factores de fricción y rugosidad en la tubería, límites de colgamiento y constantes correctivas propuestas por Palmer y Payne Para calcular las caídas de presión en tuberías inclinadas (de 5 a 90°) y horizontales Esta correlación asume un flujo homogéneo sin resbalamiento entre fases. Las propiedades de los fluidos son tomadas como el promedio de las fases de gas y líquido. La selección de patrones de flujo y/o colgamiento causaran resultados impredecibles


Correlación

Tipo de estudio


Fluido utilizado

Características experimentales

Brill and Minami

Teórico

-

-

Esta correlación puede ser utilizada para cualquier mapa de patrón de flujo excepto Mukeerjee and Brill y Noslip

BJA

Teórica

-

-

Utilizada para caídas de presión y colgamiento con patrones de flujo determinado por la correlación de Taitel Dukler. Aplicada para proporciones bajas de gas/líquido.

Correlaciones de flujo multifásico_Tuberia Vertical_28Ago.pdf

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