Flujo Multifásico en Tuberías.pptx

5/28/2018 Flujo Multifsico en Tuberas.pptx

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Flujo Multifsicoen TuberasPRODUCCIN I

Fernando Rosas


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Flujo Vertical El flujo bifsico se presenta en la industria petroleraprincipalmente durante la produccin y transporte deaceite y gas, tanto en tuberas horizontales como eninclinadas y verticales.

El estudio del flujo multifsico en tuberas permite, porejemplo, estimar la presin requerida en el fondo del pozopara transportar un determinado caudal de produccinhasta la superficie.

Los problemas de diseo que implican el uso de modelos ocorrelaciones para flujo multifsico, se encuentran demanera frecuente en el campo de operacin de laingeniera petrolera


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En el flujo de dos fases, el problema bsico de

ingeniera, es calcular la distribucin de la presinen el conducto en cuestin, cuya dependenciapuede ser esquematizada de la siguiente manera:

- La geometra del conducto (tubera)

- Las propiedades fsicas de las fases

- Las condiciones prevalecientes en el sistema

- La ubicacin espacial de la tubera

- El empleo del mtodo adecuado que permita

calcular el perfil de presiones a lo largo de latubera


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Definiciones bsicas para flujo

multifsico El flujo multifsico en tuberas, como ya se defini anteriormente,

es el movimiento conjunto de gas y lquido a travs de las mismas .El gas y el lquido pueden existir como una mezcla homognea ofluir conjuntamente como fases separadas, generando de esta

forma lo que se denomina patrones de flujo, entendiendo por ellolas diferentes configuraciones que tienen el lquido y el gas en sumovimiento a travs de las tuberas.

La distribucin de una fase con respecto a la otra es muyimportante para poder hacer una distincin entre los diversospatrones de flujo. El gas puede estar fluyendo junto con dos

diferentes lquidos, normalmente aceite y agua, existiendo de talforma, la posibilidad de que stos se encuentren emulsificados.


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Definiciones bsicas para flujomultifsico

Es necesario el conocimiento de lavelocidad y de las propiedades de los

fluidos, tales como densidad, viscosidad yen algunos casos, tensin superficial, paralos clculos de los gradientes de presin.Cuando estas variables son calculadas

para flujo bifsico, se utilizan ciertas reglasde mezclado y definiciones nicas paraestas aplicaciones


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Colgamiento de lquido Es la fraccin de lquido, definida como la razn del

volumen de un segmento de tubera ocupado por ellquido con respecto al volumen total de la tubera. Vara apartir de cero para flujo monofsico de gas hasta unopara cuando se tiene flujo de lquido nicamente.


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Colgamiento de gas

El remanente del segmento de tubera esocupado por gas, el cual es referido conun colgamiento de gas y es igual a launidad menos el colgamiento de lquido.


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Colgamiento de lquido sin

resbalamiento La fraccin de lquido sin resbalamiento, tambin

conocido como colgamiento sin resbalamiento ocontenido de lquido de entrada, es definidacomo la razn del volumen de lquido en unsegmento de tubera dividido para el segmentode tubera, considerando que el gas y el lquidoviajaran a la misma velocidad.

Donde y son los gastos de gas y delquido en sitio, respectivamente.


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Colgamiento de lquido sin

resbalamiento El colgamiento de gas sin deslizamiento es

definido como:

Podemos observar que la diferencia entre el

colgamiento del lquido y el colgamiento sinresbalamiento es una medida del grado dedeslizamiento entre las fases gas y lquido.


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Densidad de lquidos

La densidad total del lquido se puede calcularusando un promedio ponderado por volumen entrelas densidades del aceite y del agua, las cuales

pueden ser obtenidas de correlacionesmatemticas, para ello se requiere del clculo de lafraccin de agua y de aceite a travs de los gastosen sitio.


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Densidad bifsica El clculo de la densidad bifsica requiere conocer el factor de

colgamiento del lquido, con o sin resbalamiento.

La primera de las ecuaciones es usada por la mayora de losinvestigadores para determinar el gradiente de presin debido alcambio de elevacin.

Algunas correlaciones son basadas en la suposicin de que no existeresbalamiento y por eso usan la segunda de las ecuaciones paracalcular la densidad bifsica.

Las ultimas correlaciones son presentadas por algunos investigadorescomo Hagedorn & Brown para definir la densidad utilizada en lasperdidas por friccin y numero de Reynolds.


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Velocidad

Muchas de las correlaciones de flujo bifsico estnbasadas en una variable llamada velocidad superficial. Lavelocidad superficial de una fase fluyente est definidacomo la velocidad que esta fase tendra si fluyera sola atravs de toda la seccin transversal de la tubera.

La velocidad superficial del gas esta dada por:

La velocidad real del gas es calculada con:

donde A es el rea transversal de la tubera.


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Velocidad La velocidad superficial del lquido est dada por:

La velocidad real del lquido se calcula con:

La velocidad superficial bifsica est dada por:

La velocidad de resbalamiento es definida como ladiferencia entre las velocidades reales del gas y dellquido:


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Viscosidad La viscosidad del fluido, es usada para calcular el nmero

de Reynolds y otros nmeros adimensionales usados comoparmetros de correlacin. El concepto de una viscosidadbifsica es incierto y es definida de forma diferente por

varios autores. La viscosidad de una mezcla agua-aceite es

generalmente calculada usando la fraccin de agua y delaceite como un factor de peso:

La siguiente ecuacin ha sido usada para calcular unaviscosidad bifsica.

(Sin resbalamiento)

(Con resbalamiento)


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Tensin superficialCuando la fase lquida contiene agua y

aceite se utiliza:

donde:


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Patrones de flujo La diferencia bsica entre flujo de una sola

fase y el flujo de dos fases es que en este

ltimo, la fase gaseosa y liquida pueden estardistribuidas en la tubera en una variedad deconfiguraciones de flujo, las cuales difierenunas de otras por la distribucin espacial de

la interface, resultando en caractersticasdiferentes de flujo, tales como los perfiles develocidad y colgamiento.


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Patrones de flujo La existencia de patrones de flujo en un sistema bifsico

dado, depende principalmente de las siguientesvariables:

Parmetros operacionales, es decir, gastos de gas ylquido.

Variables geomtricas incluyendo dimetro de latubera y ngulo de inclinacin.

Las propiedades fsicas de las dos fases, tales como:densidades, viscosidades y tensiones superficiales del gasy del lquido.


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Patrones de flujo La determinacin de los patrones de flujo es un

problema medular en el anlisis de un sistema

multifsico. Todas las variables de diseo sonfrecuentemente dependientes del patrnexistente. Estas variables son: la cada de presin,el colgamiento de lquido, los coeficientes detransferencia de calor y masa, etc.


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Patrones de flujo para flujo

vertical y fuertementeinclinado En este rango de ngulos de inclinacin, el

patrn estratificado desaparece y esobservado un nuevo modelo de flujo: el flujo

transicin. Generalmente los patrones de

flujo son ms simtricos alrededor de la

direccin axial, y menos dominados por lagravedad.


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Flujo burbuja La fase gaseosa est dispersa en pequeas burbujas,

teniendo una distribucin aproximadamente homogneaa travs de la seccin transversal de la tubera. Este patrncomunmente est dividido en flujo burbuja, el cul ocurrea gastos de lquido relativamente bajos y es caracterizadopor el deslizamiento entre la fase gaseosa y lquida. El flujoburbuja dispersa, en cambio, ocurre a gastos

relativamente altos de lquido, logrando as que la fasegaseosa en forma de burbujas sea arrastrada por la faselquida, de tal forma que no existe el deslizamiento entrelas fases.


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Flujo tapn o bache

El patrn de flujo bache es simtrico alrededor del eje dela tubera. La mayora de la fase gaseosa se encuentra enbolsas de gas, con forma de una gran bala llamadaburbuja de Taylor, con un dimetro casi igual al dimetrode la tubera. El flujo consiste de una sucesin de burbujasde Taylor separadas por baches de lquido. Una delgadapelcula fluye contra la corriente entre la burbuja y lapared de la tubera. La pelcula penetra en el siguientebache de lquido y crea una zona de mezcla aireada porpequeas burbujas de gas.


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Flujo transicin Es caracterizado por un movimiento oscilatorio, es similar al

flujo bache y los lmites no estn muy claros entre las fases.Ocurre a mayores tasas de flujo de gas, donde el bachede lquido en la tubera llega a ser corto y espumoso.


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Flujo anular (niebla)

En tuberas verticales, debido a la simetra de flujo, el espesor de lapelcula de lquido alrededor de la pared de la tubera es casiuniforme. Como en el caso horizontal, el flujo es caracterizado porun rpido movimiento de gas en el centro. La fase lquida semueve ms lenta, como una pelcula alrededor de la pared de latubera y como gotas arrastradas por el gas.

La interface est altamente ondeada, resultando en un altoesfuerzo de corte interfacial. En el flujo vertical hacia abajo, elpatrn anular existe tambin a bajos gastos, con forma de unapelcula descendente.

El patrn de flujo bache, fluyendo de manera descendente essimilar al de flujo hacia arriba, excepto que generalmente laburbuja Taylor es inestable y est localizada excntricamente aleje de la tubera. La burbuja Taylor podra ascender o descender,dependiendo de los gastos de cada fase.


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Flujo anular (niebla)


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Flujo multifsico en tuberas

verticales El problemade predecir con precisin las cadas

de presin en la tubera de produccin (TP), haido incrementando la necesidad de muchassoluciones especializadas para condicioneslimitadas.

La razn para estas muchas soluciones es que elflujo multifsico es complejo y se dificulta su

anlisis incluso para las correlaciones existentes decondiciones limitadas.


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verticales Al pasar los fluidos provenientes del yacimiento a travs de latubera de produccin, se consume la mayor parte de la presindisponible para llevarlos del yacimiento a las instalaciones deseparacin, por lo que es de suma importancia realizar unaevaluacin precisa de la distribucin de la presin a lo largo de la

tubera. Al hacerlo conjuntamente con un anlisis integral delsistema de produccin, es posible:

1. Disear las tuberas de produccin y lneas de descarga.

2. Determinar la necesidad o no de sistemas artificiales deproduccin en el pozo.

3. Obtener la presin de fondo fluyendo sin intervencin en el pozo.

4. Determinar la vida fluyente del pozo.

5. Calcular el efecto de los estranguladores sobre el gasto.

6. Corroborar los datos obtenidos con las correlaciones para suajuste.


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verticales En la literatura han aparecido un gran nmero de mtodos que pueden

utilizarse para predecir el comportamiento de flujo de gases y lquidos atravs de tuberas, sin embargo, debemos reconocer que debido a lacomplejidad del comportamiento del sistema en cuestin no existe hasta

ahora una correlacin que pueda emplearse en forma general.

Todos los mtodos disponibles hoy en da estn sujetos a una granvariedad de grados de error, dependiendo del sistema en el que seempleen y por ende se requiere un anlisis profundo de los resultados paradeterminar si es correcto su uso.

En la mayora de los casos es necesaria la utilizacin de dos o masmtodos para poder determinar cul de ellos es el que mejor representa elcomportamiento del sistema.


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verticales

Existen muchas correlaciones empricasgeneralizadas para predecir los gradientes

de presin, dichas correlaciones seclasifican en:

TIPO A

TIPO B TIPO C


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Correlaciones empricas Las correlaciones Tipo A. Estn basadas en el

mismo enfoque y difieren nicamente en la

correlacin usada para calcular el factor defriccin. Estas correlaciones consideran queno existe deslizamiento entre fases y noestablecen patrones de flujo, entre ellas:Poettman & Carpenter, Baxendel & Thomas y

Fancher & Brown.


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Correlaciones empricas Las correlaciones tipo B. Consideran que

existe deslizamiento entre las fases, pero

no toman en cuenta los patrones de flujo,dentro de sta categora se encuentra elmtodo de Hagedorn & Brown.


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Correlaciones empricas Las correlaciones tipo C,

todos los mtodos incluidos en esta categora consideranesencialmente los mismos tres patrones de flujo, conexcepcin de Beggs & Brill. Algunos de los estudios involucrannicamente un cambio en el procedimiento de clculo enuno o ms regmenes de flujo, con respecto a mtodospreviamente publicados. Estas correlaciones consideran queexiste deslizamiento entre las fases y diferentes patrones de

flujo, entre ellas se encuentran: Duns & Ros, Orkiszweski, Aziz &colaboradores, Chierici & colaboradores, y Beggs & Brill.


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Correlaciones empricas de

flujo multifsico en tuberasverticales Las correlaciones empricas son aquellas en los que sus autores

proponen una serie de ajustes de datos experimentales paracorrelacionar una variable determinada.

Estas correlaciones pueden considerar tanto el deslizamiento entrelas fases como la existencia de patrones de flujo; por tanto,requieren de mtodos para determinar el patrn de flujo presente.

Una vez que se ha determinado el patrn de flujo correspondientea unas condiciones dadas, se determina la correlacin apropiadapara el clculo del factor de friccin as como para elcolgamiento de lquido con o sin deslizamiento, las cuales,generalmente, son distintas dependiendo del patrn.

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