Fundamentos de Flujos en tubería

Fig. 1. Tipos de flujos en tubería.

El desarrollo de una descripción analítica de un fluido en movimiento se basa en la expresión de leyes físicas relacionadas con el flujo de fluidos, en una forma matemática apropiada.  La mecánica de fluidos en fusión con otras ciencias se ha encargado del estudio de estos, ésta tarea no ha sido nada fácil, pero se ha logrado ciertos avances muy importantes que han sido recogidos en diferentes industrias, en especial, la industria petrolera.

Como cada área de estudio tiene su fraseología y nomenclaturas propias, empezaremos introduciendo definiciones y conceptos básicos para tener una base de comunicación. Un fluido^[1] se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo cortante. Una
consecuencia importante de esta definición es que cuando el fluido se encuentra en reposo, no pueden existir esfuerzos cortantes. En un  pozo de petróleo  básicamente podemos encontrar tres tipos de fluidos (gas, petróleo y agua), acorde al número de fases en movimiento estos se pueden clasificar como monofásicos y multifásicos. De  acuerdo al régimen de flujo a estos los podemos clasificar como  laminar o turbulento (ver figura 1). Se dice que un fluido es laminar, si el fluido fluye en capas constantes o láminas y el esfuerzo cortante es el resultado de la acción microscópica de las moléculas. El flujo turbulento se caracteriza por las fluctuaciones, observables a gran escala, en cuanto a propiedades del fluido y del flujo y el esfuerzo cortante es el resultado de esas fluctuaciones. De acuerdo a las coordenadas dentro del pozo, podremos modelar a los fluidos  de una u otra forma., ya que varían las condiciones en las que se encuentran los fluidos.

El régimen de flujo puede cambiar de un tipo a otro de acuerdo a un cambio en la velocidad del flujo, alteraciones del propio flujo, rugosidad de la superficie sobre la que fluye, los gradientes de presión. Otros factores a tener en cuenta son: densidad del fluido (P), su velocidad (V), la longitud  y el coeficiente de viscosidad (u), que los ingenieros relacionan en un número dimensional llamado número de Reynolds. El número de Reynolds[2] es un número adimensional para caracterizar el movimiento de los fluidos. Además, en ciertos casos permite predecir si el flujo es laminar o turbulento. Para valores de Re<2000 el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas, que interactúan solo en base a esfuerzos tangenciales, por eso a este flujo se le llama laminar. Si 2000≤Re≤4000 el fluido se encuentra en régimen estacionario. Para valores de Re>4000 este régimen es llamado turbulento, es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional.

Con este preámbulo, ya estamos listos para entender un poco la dinámica del flujo multifásico, pues el modelado de este sistema éste es mucho más complejo, además, esta situación es muy común en un pozo.

A ciertas condiciones de presión y temperatura, el crudo y el agua presentes en un yacimiento pueden absorber una cantidad dada de gas hasta que llega un punto que estos fluidos se saturan, a partir de allí, el gas no puede seguir mezclándose, formándose así una fase de gas libre. Cuando estas  fases fluyen por la tubería, la fase más liviana viaja a mayor velocidad que la fase más pesada, a esta diferencia de velocidad se le denomina “velocidad de deslizamiento”, este fenómeno genera  una diferencia entre el cociente de rata de flujo y la fase de concentración.

La desviación de la tubería  respecto a la horizontal causa diferentes efectos sobre las fases de la mezcla que esta contiene, pues las  fases se separan  generándose una emulsión, y por el principio de Arquímedes las fases mas densas se van hacia el fondo, el aceite sube en forma de burbujas, pues esta configuración geométrica le da mayor estabilidad. Parámetros decisivos para comprender este sistema son el ángulo de desviación respecto a la horizontal, el espesor de las capas, el diámetro de la tubería, entre otros. Estos parámetros nos permiten comprender las estructuras de flujos que se generan.

Si el ángulo de inclinación de la tubería con respecto  a la horizontal es alto las capas  no se distinguen puesto que una de las fases esta dispersa en la otra, pero a medida que la inclinación disminuye la fase dispersa se va separando hasta llegar a una separación de fases de forma estratificada donde la fase mas pesada esta en el fondo y la liviana en la parte superior.

Los flujos multifásicos son usualmente considerados flujos turbulentos  debido a que una fracción puede presentar mayor aceleración, causando turbulencia en las otras capas. Aunque el flujo laminar se puede presentar cuando la tubería esta horizontal. Para determinar el tipo de flujo con el número de Reynold se puede seguir una serie de caminos lo cual ha conllevado  a que no se tenga una definición apropiada del NRe y a la búsqueda nuevos modelos que permitan simular de forma más adecuada el comportamiento del flujo multifásico.

3. CONCLUSIONES.

• El comportamiento de los fluidos dentro de una sarta de perforación se debe describir, para ello se utilizan modelos que varían en su complejidad que utilizan las propiedades del fluido y el contenedor; y en muchas ocasiones estos modelos se salen de la realidad o no describen correctamente lo que sucede.
• El ángulo de inclinación en la sarta causa efectos sobre la distribución total del sistema (fluidos), generándose así estructuras multifásicas de flujo.

REFERENCIAS 

[1] Fundamentals of momentum, heat & mass transfer. 1969, by John Wiley & Sons Inc. Pags. 21-22

[2] http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_de_Reynolds