Control de Flujo en Pozos Petroleros: Estranguladores, Flujo Crítico y Coeficiente de Descarga

Funciones y Propósito de los Estranguladores en la Producción

El uso de estranguladores (chokes) en la industria petrolera cumple funciones esenciales para la gestión del yacimiento y la protección de equipos. Estas funciones incluyen:

• Ejercer la contrapresión suficiente para evitar la entrada de arena en el pozo o la conificación de agua.
• Conservar la energía del yacimiento, asegurando una declinación más lenta de su presión.
• Proteger el equipo superficial y subsuperficial.

Selección y Propósito del Estrangulador

Escoger un estrangulador para un pozo fluyente es una práctica común en la industria petrolera, de modo que pequeñas variaciones en la presión corriente abajo (esto es, en la presión de la línea de flujo, provocadas, por ejemplo, por el uso de un separador de descarga) no afecten la presión en la cabeza de la TP y, por ende, el desempeño del pozo.

El propósito de un estrangulador es proveer un control preciso del gasto de aceite y gas en la cabeza del pozo. Un estrangulador es una restricción en una línea de flujo que provoca una caída de presión o reduce el gasto a través de un orificio. Los estranguladores son capaces de provocar caídas de presión grandes. Por ejemplo, el gas puede entrar en un estrangulador a 5,000 $lb/pg^2$ abs y salir a 2,000 $lb/pg^2$ abs.

Flujo Crítico y Subcrítico

El flujo multifásico a través de restricciones puede ser evaluado bajo condiciones de flujo crítico y flujo subcrítico.

Definición de Flujo Crítico (Sónico)

El flujo crítico o sónico de un fluido es definido como el flujo del fluido a la velocidad equivalente a la velocidad de propagación (sin considerar la fricción) de una onda de presión (sonido) en el medio (fluido). El flujo crítico o sónico ocurre cuando la velocidad relativa de un fluido en cualquier punto ($v_f$, pie/seg) es equivalente a la velocidad de onda elástica en ese punto.

Comportamiento del Flujo Multifásico

Mach 1 o flujo sónico para gases (1100 pie/seg para aire) es diferente al que ocurre para los líquidos. Para flujo multifásico, algunos investigadores han observado que la velocidad sónica para una mezcla de gas-líquido es menor que para una sola fase. Olson estableció que para mezclas gas-líquido la velocidad acústica es menor que para cualquiera de las fases por sí solas.

Durante la presencia de flujo crítico, el gasto a través del estrangulador alcanza un valor máximo con respecto a las condiciones prevalecientes corriente arriba. La velocidad del fluido bifásico fluyendo a través de la restricción alcanza la velocidad sónica o velocidad de propagación de la onda para los fluidos en dos fases. Esto implica que el flujo es “estrangulado” porque los disturbios corrientes abajo no pueden propagarse corriente arriba.

Por lo tanto, disminuciones no tan significantes en la presión corriente abajo no hacen incrementar el gasto. Es decir, el flujo crítico o sónico es el flujo en el cual perturbaciones de presión y temperatura corriente abajo no son transmitidas corriente arriba de tal manera que puedan afectar el gasto, no así en flujo subcrítico.

Características del Flujo Subcrítico

Si la presión corriente abajo es gradualmente incrementada, esta presión no podría cambiar el gasto o la presión corriente arriba, esto hasta alcanzar el límite de flujo crítico-subcrítico. A partir de este momento, si la presión corriente abajo se incrementa ligeramente cerca de las condiciones límite, el gasto y la presión corriente arriba serán afectados. Entonces, la velocidad de los fluidos pasando a través del estrangulador cae por debajo de la velocidad sónica.

Aquí, el gasto depende de la diferencial de presión, o bien, los cambios en la presión corriente abajo afectan la presión corriente arriba. Este comportamiento es caracterizado como flujo subcrítico. Los estranguladores superficiales se diseñan de manera que el flujo sea crítico, mientras que en las válvulas de seguridad subsuperficiales el flujo es subcrítico. El flujo a través de restricciones en el pozo también es subcrítico.

Coeficiente de Descarga ($C_D$)

El Coeficiente de Descarga ($C_D$) es la constante requerida para corregir el gasto teórico al gasto real que se presenta en los estranguladores. Distintos autores han presentado gráficas, tablas y ecuaciones de $C_D$, con las cuales el gasto de gas, líquido o multifásico calculado puede ser corregido para obtener el gasto real para ambos tipos de flujo: crítico y subcrítico. Esto muestra que el $C_D$ para flujo crítico no es el mismo que para flujo subcrítico. El coeficiente de descarga está definido por: