Flujo Inclinado y Direccional: Fundamentos y Aplicaciones

El flujo inclinado se define como el flujo a través de tuberías que se desvían a partir de la horizontal o como el flujo a través del terreno accidentado. El flujo direccional se define como el flujo a través de tuberías que se desvían con respecto a la vertical, y se refiere al flujo a través de tuberías en pozos de perforación direccional.

La pérdida de presión total en la tubería de descarga debido a terreno montañoso o accidentado, es la suma de las pérdidas por fricción, aceleración y por elevación necesarias para transportar los fluidos a lugares con mayor elevación a cualquier distancia.

Correlación de Flanigan

Flanigan ha conducido numerosas pruebas de campo para flujo inclinado y observó lo siguiente:

1. La mayoría de las caídas de presión ocurren en la sección ascendente de la tubería.
2. La caída de presión en la tubería disminuye conforme el flujo de gas incrementa.

En la determinación de la pérdida por fricción, Flanigan analizó la correlación presentada por Ovid Baker y la eficiencia para el flujo horizontal en dos fases como función de flujo de líquido a gas y encontró que la dispersión de los datos era grande.

Análisis de Datos de Prueba para Tubería de 16 Pulgadas (Flanigan)

Examinando los datos de prueba para tubería de 16 pulgadas, Flanigan notó lo siguiente:

1. Para velocidades de gas relativamente bajas, la mayor caída de presión ocurre en la sección ascendente de la tubería.
2. La caída de presión por elevación es directamente proporcional a la suma de elevaciones en la tubería.
3. La diferencia por elevación es insignificante.
4. Las caídas de presión cuesta abajo son insignificantes comparadas con la suma de cuesta arriba.
5. La caída de presión en la sección cuesta arriba varía inversamente con la velocidad del gas.

Modelos Mecanísticos

Los modelos mecanísticos son modelos realistas de una parte de un determinado sistema natural o de un comportamiento determinado. En estos modelos existe una relación de correspondencia entre las variables del modelo y los observables del fenómeno natural modelado.

Los modelos mecanísticos consisten básicamente en el planteamiento de un modelo físico simplificado del problema, al que se le aplica un análisis matemático, desarrollando las ecuaciones que representan el fenómeno, introduciendo el mayor número de variables de control que permitan las simplificaciones.

Transiciones de Patrones de Flujo

Transición Estratificado – No Estratificado

Se utiliza la teoría de Taitel y Dukler (1976) basada en la de Kelvin-Helmhotz, que analiza la estabilidad de ondas finitas en tuberías.

Transición Intermitente – Anular

Cuando las ondas son inestables, el flujo puede cambiar ya sea a flujo intermitente o a anular, dependiendo si existe o no el suficiente suministro de líquido. El nivel crítico propuesto en el modelo de Taitel y Dukler (1976) fue de una fracción de 0.5, y luego fue modificado por Barnea y colaboradores (1982), para tomar en cuenta la posible fracción de vacío en el bache de líquido cerca de la transición.

Transición Intermitente – Burbuja o Burbujas Dispersas

Considera que los mecanismos que gobiernan esta transición son, por un lado, el proceso de turbulencia el cual separa las burbujas de gas evitando su coalescencia, y por otro, los efectos de la fuerza de tensión superficial actuando para preservar la configuración de flujo burbuja.

Transición Estratificado Liso – Estratificado Ondulado

Las ondas pueden desarrollarse debido al esfuerzo interfacial o como resultado de la inestabilidad debida a la acción de la gravedad.

Modelo para Predecir la Transición de los Patrones de Flujo Según Barnea

Transición para Burbuja o Burbuja Dispersa

El mecanismo para burbuja dispersa primero sugerida por Taitel y colaboradores (1980), para flujo vertical ascendente y posteriormente modificado por Barnea (1986), para tomar en cuenta el ángulo de inclinación.

Transición Estratificado – No Estratificado

Taitel y Dukler consideran flujo estratificado con ondas finitas en la superficie sobre el cual fluye gas, y como el gas se acelera sobre la cresta de la onda, la presión en la fase gas disminuye debido al efecto de Bernoulli y la onda tiende a crecer.

Transición Estratificado – Anular

A altos ángulos de inclinación descendentes aproximadamente -80°, el nivel de líquido es pequeño y la velocidad real del líquido es alta, bajo estas condiciones puede ocurrir la separación de gotas de líquido desde la interfase turbulenta, de tal manera que al depositarse sobre la pared superior, forma alrededor de la pared una película anular.