Estudio experiemntal del ascenso de burbujas de Taylor en flujo vertical ascendente a través de un espacio circular y anular

Abstract

Los sistemas de producción de petróleo contienen tramos de tuberías verticales con flujo bifásico gas-líquido ascendente. El cálculo del gradiente de presión en éstas líneas con los modelos convencionales ha alcanzado, en el caso de los crudos pesados, errores del orden del 30% respecto a los datos de campo o experimentales. Con la finalidad de disminuir estos márgenes de error, se construyó un modelo empírico de parámetros adimensionales para calcular con mayor precisión la velocidad de ascenso de burbujas de Taylor, la cual constituye uno de los parámetros más importantes en el modelo mecanicista del flujo tapón para determinar el gradiente de presión del flujo bifásico gaslíquido en tuberías verticales. El trabajo consistió en un estudio experimental para determinar la velocidad de ascenso de burbujas de Taylor en una corriente ascedente de líquido en conductos verticales, considerando la influencia de los cambios de la viscosidad del líquido y de la configuración geométrica de la sección transversal. Los experimentos fueron realizados en tuberías verticales con variaciones en su sección transversal, abarcando desde la máxima (sección circular) hasta disminuciones increméntales de la sección transversal a través del empleo de una barra interna. En general se estudiaron tres conductos anulares concéntricos, cuyas relaciones de diámetros respecto al de la tubería exterior vienen dadas por d/D = 0, 1/6, 1/3 y 1/2. El análisis cuantitativo de los datos se obtuvo a través de la técnica de vídeo y procesamiento digital de imágenes, la cual permitió obtener mediciones con errores menores al 5%. Se proponen tres correlaciones en función de parámetros adimensionales (ReL y la relación de diámetros “d/D”) que caracteriza el ascenso de burbujas de Taylor en corrientes de líquido para las configuraciones estudiadas. Las correlaciones se determinaron a través de un modelo de regresión no-lineal obtenido por el método iterativo y amortiguado de Gauss-Newton, donde las ecuaciones de ajuste de las curvas vienen dadas para todos los casos por “FrBT = mReL + b”, con m función exponencial (de tres parámetros) de d/D y b viene dada por una función lineal de d/D. La comparación de los resultados obtenidos a través de las correlaciones propuestas y los resultados experimentales mostró que el máximo de los valores absolutos de los errores relativos fue del orden del 15% para las pruebas realizadas con agua, del 10% para el aceite Purolub 22 y del 5% en el caso del aceite de silicón. Incorporar estas correlaciones en el modelo de flujo tapón para predecir el gradiente de presión en los sistemas producción (específicamente entre la descarga de la bomba de subsuelo y el cabezal del pozo), permitirá optimizar la selección y diseño de los equipos de subsuelo y superficie (bomba, tubería, motor, cabillas, etc.).