5.4 MODELOS MECANÍSTICOS

MUCHOS DE LOS CONCEPTOS Y CORRELACIONES QUEORIGINALMENTE FUERON DESARROLLADOS PARA SUAPLICACIÓN DENTRO DE LA INGENIERÍA PETROLERA,SEAN GENERALIZADOS PARA SU EMPLEO CON OTROSFLUIDOS DIFERENTES AL ACEITE Y GAS NATURAL, LO QUEHA FAVORECIDO QUE TENGAN ACTUALMENTE DIVERSASÁREAS DE APLICACIÓN Y UNA AMPLIA INVESTIGACIÓNSOBRE EL TEMA.

5.4 MODELOS MECANÍSTICOS

Líneas de conducción de petróleo y gas de gran distancia

La explotación de la energía geotérmica

La producción de petróleo y gas en plataformas marinas

La investigación sobre explotación de recursos de los suelos marinos

APLICACIONES DE LOS MODELOS MECANISTICOS

LA TECNOLOGÍA DEL FLUJO MULTIFÁSICO FUE TOMANDOIMPORTANCIA Y SE LLEGÓ A LA CONCLUSIÓN DE QUEREQUERIRÍA DE UN ANÁLISIS COMBINADO DE LOS ASPECTOSTEÓRICOS Y EXPERIMENTALES, PARA LOGRAR UN MEJORENTENDIMIENTO DE LOS MECANISMOS DINÁMICOSCOMPLEJOS EXISTENTES EN EL FLUJO MULTIFÁSICO, DANDOASÍ LA PAUTA AL DESARROLLO DE LOS MODELOSMECANÍSTICOS.

5.4.1 MODELO PARA PREDECIR LA TRANSICIÓN DE LOS PATRONES DE FLUJO SEGÚN XIAO

Para este trabajo se implantó el modelo de Xiao utilizando la teoría de Barnea (1987), para abarcar todo el rango de inclinación, pero se valida solamente parainclinaciones de ± 45⁰

Se utiliza la teoría de Chen (1996) para la determinación del factor de fricción interfacial en flujo estratificado y la de Fabre y Line (1994) para la determinación de la velocidad de traslación en flujo intermitente.

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. LAECUACIÓN QUE PREDICE SATISFACTORIAMENTE LA TRANSICIÓN ESTRATIFICADO–INTERMITENTE ES:

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. EL CRITERIO DE TRANSICIÓN ES EXPRESADO COMO:

5.4.2 Modelo para predecir la transición de los patrones de flujo según Barnea

BARNEA (1987), UTILIZÓ LOS SIGUIENTES CRITERIOS Y MECANISMOSPARA IDENTIFICAR Y MODELAR LAS PRINCIPALES FRONTERAS DETRANSICIÓN ENTRE LOS PATRONES DE FLUJO.

TRANSICIÓN ESTRATIFICADO – ANULAR

A ALTOS ÁNGULOS DE INCLINACIÓN DESCENDENTES APROXIMADAMENTE -80⁰, 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.LA TRANSICIÓN PARA FLUJO ANULAR DADA POR BARNEA ES:

TRANSICIÓN ANULAR – INTERMITENTE

ESTA TRANSICIÓN SE SUPONE QUE OCURRE CUANDO EL NÚCLEO DEGAS ES BLOQUEADO EN CUALQUIER LUGAR POR LA FASE LÍQUIDA. ELBLOQUEO DEL NÚCLEO DE GAS SE PUEDE DEBER A DOS POSIBLESMECANISMOS:

A) INESTABILIDAD DE LA PELÍCULA DE LÍQUIDO, DEBIDO ALDESCENSO PARCIAL DEL LÍQUIDO CERCA DE LA PARED CAUSANDO ELBLOQUEO EN LA ENTRADA.

B) BLOQUEO DEL NÚCLEO DE GAS COMO RESULTADO DE UNSUMINISTRO GRANDE DE LÍQUIDO EN LA PELÍCULA, SUFICIENTE PARAFORMARY MANTENER ESTABLE UN PUENTE DE LÍQUIDO

SUBREGIONES EN FLUJO ESTRATIFICADO

LOS CRITERIOS PARA FLUJO ESTRATIFICADO LISO Y ESTRATIFICADO ONDULADO SON LOS MISMOS A LOS UTILIZADOS EN EL MODELO DE XIAO (1990), PERO PARA EL RANGO COMPLETO DEL ÁNGULO DE INCLINACIÓN.

5.4.3 CARACTERIZACIÓN HIDRODINÁMICA DE LOS PATRONES DE FLUJO

DESPUÉS DE CALCULAR EL PATRÓN DE FLUJO A PARTIR DE LASCONDICIONES DE OPERACIÓN, ES NECESARIO DETERMINAR LASCARACTERÍSTICAS HIDRODINÁMICAS PARA EL PATRÓN DE FLUJODETERMINADO, POR ESO SE DESARROLLAN MODELOS SEPARADOS.

5.4.3.1 MODELO PARA FLUJO ESTRATIFICADO

EN EL FLUJO ESTRATIFICADO, LAGRAVEDAD CAUSA QUE EL LÍQUIDOFLUYA EN EL FONDO DE LA TUBERÍA YEL GAS EN LA PARTE SUPERIOR COMOSE MUESTRA EN LA FIGURA 5.3. LAFASE LÍQUIDA PUEDE SER LAMINAR OTURBULENTA, LA FASE GAS ESGENERALMENTETURBULENTA.

HAMERSMA – HART - COLABORADORES (1989) PROPUSIERON ELMODELO DE "SUPERFICIE RUGOSA APARENTE", MOSTRADO EN LAFIGURA 5.4, EL CUAL ASUME QUE EL PERÍMETRO MOJADO DE LA PAREDES CUBIERTO POR UNA CAPA LÍQUIDA DE ESPESOR CONSTANTE. ESTONO ES REALISTA, PUESTO QUE LA FUERZA GRAVITACIONAL SIEMPRECAUSARÁ QUE EL LÍQUIDO SE ACUMULE MAYORMENTE EN EL FONDOQUE EN CUALQUIEROTRA PARTE DE LA TUBERÍA.

FRACCIÓN DE PARED HÚMEDA (Θ).

BASADOS EN AMPLIOS ESTUDIOS EXPERIMENTALES DEL FLUJO GAS-LÍQUIDO CON BAJA CARGA DE LÍQUIDO EN TUBERÍAS HORIZONTALES,HATT Y COLABORADORES (1989) RELACIONARON LA FRACCIÓN DEPARED HÚMEDA CON EL COLGAMIENTO DE LÍQUIDO Y UN NÚMERO DEFROUDE LÍQUIDO MODIFICADO:

VELOCIDAD SUPERFICIAL CRÍTICA.

LA VELOCIDAD SUPERFICIAL DEL GAS CRÍTICA PARA TRANSICIÓN A FLUJOESTRATIFICADO ONDULADO VGT, ES CALCULADA USANDO EL CRITERIODETRANSICIÓN PROPUESTO POR TAITELY DUKLER (1976).

DONDE Vgt ES LA VELOCIDAD DEL GAS REAL AL LÍMITE TRANSICIONAL Y Ce

ES EL COEFICIENTE DE ENTRAMPAMIENTO.

5.4.3.2 MODELO PARA FLUJO INTERMITENTE

UNO DE LOS MÁS COMPLEJOS PATRONES DE FLUJO CONCARACTERÍSTICAS INESTABLES ES EL FLUJO BACHE O INTERMITENTE. ELFLUJO DE GAS - LÍQUIDO EXISTE EN TODO EL RANGO DE INCLINACIÓN DELA TUBERÍA Y SOBRE UN AMPLIO RANGO DE GASTOS DE FLUJO DE GAS YLÍQUIDO,COMO SE MUESTRA EN LA FIGURA

EN FLUJO HORIZONTAL E INCLINADO, LOS BACHES DE LÍQUIDO QUE LLENAN TODA LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA TUBERÍA SON SEPARADOS POR UNA ZONA ESTRATIFICADA CON UNA BURBUJA DE GAS ELONGADA EN LA PARTE SUPERIOR DE LA TUBERÍA Y LA PELÍCULA DE LÍQUIDO EN EL FONDO. EL PATRÓN INTERMITENTE ES ALGUNAS VECES SUBDIVIDIDO EN PATRONES DE FLUJO BACHE Y BURBUJA ELONGADA O TAPÓN.

EN LA ZONA DE PELÍCULA, EL GAS Y EL LÍQUIDO SE SEPARAN POR EFECTO DE GRAVEDAD COMO EN EL CASO DE FLUJO ESTRATIFICADO, VARIANDO LA ALTURA DEL LÍQUIDO, PARA ESTE MODELO SE CONSIDERA UNA ALTURA CONSTANTE A LO LARGO DE TODA LA ZONA.LA VELOCIDAD DE LA MEZCLA ES:

VELOCIDAD DE LA BURBUJA DISPERSA EN EL CUERPO DEL BACHE.

EL MODELO DE FLUJO DERIVA ES USADO POR TAITEL Y BARNEA (1990), PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE LA BURBUJA DISPERSA EN EL CUERPO DEL BACHE. SE OBTIENEN MEJORES RESULTADOS TOMANDO EN CUENTA EL EFECTO DE "ENJAMBRE" DE BURBUJAS PRESENTADA POR WALLIS (1969).

VELOCIDAD DEL LÍQUIDO EN EL CUERPO DEL BACHE.

EL FLUJO VOLUMÉTRICO TOTAL ES CONSTANTE PARA CUALQUIERSECCIÓN TRANSVERSAL DE ÁREA EN UNA UNIDAD DE BACHE, LO QUEIMPLICA QUE PARA LAS SECCIONES TRANSVERSALES DEL CUERPO DELBACHEY LA ZONA DE PELÍCULA.