ES2299830T3

ES2299830T3 - Tubos y conductos para su uso en el flujo multifase.

Info

Publication number: ES2299830T3
Application number: ES04721591T
Authority: ES
Inventors: Colin Gerald; Imperial College CARO; Nicholas V. Imperial College Watkins; Philip Lloyd Birch; Magdi Imperial College YACOUB
Original assignee: HELISWIRL TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: HELISWIRL TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2008-06-01
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: CA2519013A1; US20070157985A1; DE602004010898T8; US20090044954A1; NO20054352L; BRPI0408429A; DK1611385T3; DE602004010898D1; EP1955674A3; EP1913898A3; JP2006523291A; KR20050120653A; AU2004221655B2; EP1955674A2; AU2004221655A1; PL1611385T3; AU2010233044A1; EP1913898A2; JP2011007331A; EP1611385A1

Abstract

Tubos o conductos (1,68) que son: tubos de producción de pozos, como subientes, líneas de flujo, y tubos submarinos y de superficie; o tubos de flujo sanguíneo; o tubos de transporte o conductos para transportar suspensiones y/o lodos; o tubos de transporte o conductos para transportar una suspensión de polvo en gas; los tubos o conductos que tienen características que inducen flujo de remolino en un flujo multifase, de tal manera que los componentes más densos del flujo multifase tienden a la pared exterior de los tubos o conductos, y los componentes menos densos del flujo multifase tienden al centro de los tubos o conductos, al tiempo que los fluidos fluyen a lo largo de los conductos, en los que la línea central de los tubos o conductos sigue una trayectoria sustancialmente helicoidal; caracterizados porque la amplitud (A) de la hélice es menor o igual a una mitad del diámetro interior DI de los tubos o conductos.

Description

Tubos y conductos para su uso en el flujo multifase.

Esta invención se refiere a tubos y conductos para su uso en el flujo multifase.

El flujo multifase es naturalmente bien conocido y ocurre cuando el flujo en un tubo o en un conducto no está compuesto por un único fluido homogéneo. Ejemplos de flujo multifase son gas/líquido, líquido/sólido (como suspensiones y lodos), gas/sólido (polvos arrastrados en el aire), dos líquidos inmiscibles (como aceite y agua), líquidos a diferentes temperaturas, etc.

El flujo multifase puede conducir a serios problemas. Un problema principal es que las fases son a menudo de diferentes densidades. Por ejemplo, los gases (que son de una densidad menor que los líquidos) se pueden acumular considerablemente en la parte más alta de un conducto horizontal que lleva una mezcla de gas/líquido y esto puede causar problemas si la conducto que lleva los fluidos no está perfectamente en horizontal en toda su longitud. Si hay ondulaciones a lo largo de la longitud del conducto, entonces el gas puede acumularse en las partes superiores de las ondulaciones y conducir a formar burbujas de aire. Del mismo modo, el más denso de dos líquidos inmiscibles puede acumularse en las partes inferiores de un conducto y conducir a bloqueos similares.

Estos problemas pueden ser particularmente graves en la industria de extracción de hidrocarburo (petróleo y gas). En esta industria, esto ha llegado a ser cada vez más común para perforar un pozo vertical y luego orientar la perforación a una orientación generalmente horizontal. Un pozo típico puede penetrar unos pocos kilómetros verticalmente hacia el interior de la tierra y luego tener una porción horizontal de muchos cientos de metros. Este tipo de perforación de pozos permite una única ubicación superficial que se utiliza para acceder a las formaciones depósito sobre una zona amplia y no sólo inmediatamente debajo de la ubicación superficial. Además, la porción horizontal del pozo puede usarse para acceder a los compartimentos horizontalmente espaciados de los depósitos de hidrocarburo.

También ha llegado a ser más común para extraer hidrocarburos desde las profundidades, depósitos de alta presión/alta temperatura, donde los hidrocarburos de bajo peso molecular existen en una forma líquida llamada gas condensado. Debido a su alto coste, tales depósitos se adaptan ellos mismos para ser drenados por producción horizontal de pozos.

Un depósito típico puede contener hidrocarburo líquido situado sobre agua. La parte horizontal del pozo se extiende a lo largo de la capa de hidrocarburo líquido. Los fluidos se mueven desde esta capa hacia dentro del pozo taladrado, a través de perforaciones en la pared siempre en puntos seleccionados, donde entran en un régimen de presión menor. El hidrocarburo líquido se separa en gas y en hidrocarburo líquido y el agua está a menudo incluida en la mezcla que entra en el pozo. La fase gaseosa puede predominar, con fases secundarias de hidrocarburo líquido y agua, o el hidrocarburo líquido puede predominar, con fases secundarias de gas y agua. De cualquier forma, el pozo tiene que transportar un fluido multifase, que normalmente consistirá en gas y dos líquidos inmiscibles.

En la práctica, la parte horizontal del pozo rara vez es exactamente horizontal sobre su longitud. Durante el proceso inicial de perforación tiende a crearse un pozo horizontal generalmente ondulado. Esto resulta, en efecto, en la formación de suaves curvas en U en la parte horizontal del pozo. Viendo el pozo desde el exterior, éstas pueden tomar la forma de curvas en U ascendentes convexas y curvas en U ascendentes cóncavas. Como el fluido multifase fluye a lo largo del pozo no es poco común que ocurra la separación de las fases por gravedad. El agua se acumula en la parte inferior de cualquiera de las curvas ascendentes cóncavas, mientras que el gas puede acumularse en la parte superior de cualquiera de las curvas convexas hacia arriba.

Si el agua rellena una curva U el flujo se ocluye. La producción del pozo cesa cuando se produce demasiado fluido denso. La acumulación de gas puede conducir a un embarramiento inducido por el terreno. El embarramiento ocurre cuando las burbujas de gas se producen sobre las paredes del conducto hasta tal punto que bloquean el flujo totalmente. El líquido acercándose a este bloqueo tenderá a aumentar la presión del gas y cuando la presión llega a un cierto punto la obstrucción repentinamente cambia. Este repentino reinicio del flujo (o "explosión") causa grandes cargas de choque sobre el conducto y también sobre cualquier conducto o herramental del tubo aguas abajo, lo que puede causar serios daños.

Una bomba sumergible puede utilizarse dentro del pozo para extraer agua. Sin embargo, esto lleva su tiempo y la producción puede estar parada varios días o incluso más tiempo. Además, al drenarse el depósito de hidrocarburo puede aumentar el contenido en agua en el fluido, conduciendo a acontecimientos más frecuentes de la oclusión del pozo. Puesto que el proceso es más común en los pozos horizontales, puede presentar un problema en cualquier pozo multifase. Además, el uso de una bomba sumergible no soluciona el problema del enfangado inducido del
terreno.

Otro problema asociado con la acumulación de agua es la precipitación de minerales en el pozo lo que puede conducir a oclusión u obstrucción. Además, la presencia de agua puede acarrear turbulencias, que pueden conducir a áreas de agua estancada o muertas en el conducto. La precipitación (de minerales o de hidrocarburos) y la sedimentación son más probables que ocurran en estas áreas.

Un problema adicional en los pozos de producción multifase se produce en los tramos superiores del pozo de baja temperatura y presión superior, en particular, en los subientes submarinos que conectan el fondo marino asentado de la cabeza de pozo con el buque o la plataforma de producción. En estas condiciones, el gas puede formar grandes burbujas que pueden conducir a graves embarramientos. Además, las grandes burbujas aumentarán considerablemente la pérdida de presión dentro del pozo, inhibiendo así la producción.

Otra situación específica donde la formación de bolsas de aire y demás podría ser extremadamente indeseable es en tubos utilizados en las operaciones de corazón.

Durante la cirujía a corazón abierto, el corazón del paciente está parado. Para mantener la circulación, la sangre normalmente se retira del ventrículo derecho, pasando por una bomba y una unidad de oxigenación y entonces regresa a la aorta para circular por el cuerpo del paciente.

El aire puede ser arrastrado a la sangre cuando ésta se retira del corazón del paciente y puede formar burbujas en los tubos que van del paciente a la bomba y la unidad de oxigenación. Las burbujas de oxígeno también pueden formarse en la sangre durante el proceso de oxigenación.

Además, hay una tendencia en la cirujía general (no necesariamente a corazón abierto) para reducir la cantidad de sangre donada utilizada. La propia sangre del paciente se recircula y el dispositivo colector utilizado para recoger la sangre del paciente puede fácilmente arrastrar aire, que formará burbujas.

Obviamente, estas burbujas deben eliminarse de la sangre antes de que ésta regrese al paciente y las trampas de burbujas se prevén rutinariamente en los tubos para conseguir esta eliminación.

Sin embargo, un problema conocido con respecto a las burbujas es que pueden acumularse en los tubos que conectan al paciente, a la bomba y a la unidad de oxigenación. Aunque las burbujas pueden liberarse del tubo mediante toma del tubo, una acumulación inadvertida de burbujas puede conducir a bloqueos y (si no se trata) a la interrupción del suministro de sangre, lo que puede tener consecuencias sumamente graves.

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se prevén tubos o conductos que son:

: tubos de producción de pozos, como subientes, líneas de flujo y

: tubos submarinos y de superficie: o

: tubos de flujo sanguíneo o

: tubos de transporte o conductos para transportar suspensiones y/o lodos; o

: tubos de transporte o conductos para transportar una suspensión de polvo en gas; los tubos o conductos que tengan características que inducen flujo de remolino en un flujo de la corriente multifase, de tal manera que los componentes más densos del flujo multifase tienden hacia la pared exterior de los tubos o conductos y los componentes

: menos densos del flujo multifase tienden hacia el centro de los tubos o conductos, cuando los fluidos fluyen a lo largo del conducto, en el que la línea central de los tubos o conductos sigue sustancialmente una trayectoria helicoidal;

: caracterizado porque la amplitud de la hélice es menor o igual a la mitad del diámetro interno de los tubos o conductos.

Se ha descubierto experimentalmente que el flujo de remolino proporciona considerables ventajas en el contexto de la corriente multifase. En el flujo de remolino multifase, se ha descubierto que las fracciones más ligeras de la corriente (como gases y líquidos menos densos) tienden a fluir a lo largo del centro de la conducto, mientras que las fracciones más pesadas de la corriente (los líquidos más densos) fluyen a lo largo de las paredes del conducto en una trayectoria generalmente helicoidal. Se cree que esto surge del efecto centrífugo del remolino de la corriente. Como resultado, hay mucha menos tendencia de que fracciones ligeras o pesadas se disgreguen bajo gravedad.

El flujo de remolino proporciona ventajas considerables en el contexto del flujo multifase. Al ser menor la tendencia de las fracciones más ligeras o más pesadas de disgregarse bajo gravedad, se reduce mucho el riesgo de formación de esclusas de aire. Del mismo modo, los líquidos más densos no se acumularán en las partes más bajas del conducto y de este modo el riesgo de una interrupción del flujo es menor.

Estas ventajas se discutirán más adelante en relación con los tubos de producción de pozo. Como se menciona arriba, la porción horizontal del conocido tubo del pozo de producción puede ondular tanto horizontalmente como verticalmente. Las curvas en el pozo así creadas tienen una baja curvatura de este tipo para tener un efecto insignificante sobre la naturaleza del flujo de fluido a lo largo del pozo. El flujo (naturalmente siempre que no esté ocluido) puede por lo tanto, considerarse por tener las características de flujo a lo largo del conducto recto. El flujo normalmente será turbulento, aunque de conformidad con el sistema hidráulico conocido, una fina capa laminar está presente en la proximidad de un límite sólido, por ejemplo, la pared interna de los tubos. Para velocidades lentas de corriente, el flujo debe ser laminar. En ambos casos, el perfil de la velocidad axial en flujo de tubos recto tiene un máximo en el centro de los tubos, con las velocidades más bajas adyacentes a las paredes.

Un efecto del flujo de remolino es que el perfil de la velocidad axial del flujo a través de los tubos llega a ser más uniforme o "más romo", con la velocidad de flujo cerca de la pared de los tubos siendo más rápida que si fuera un flujo similar en unos tubos de producción de pozo rectos. El flujo en el centro de los tubos es inferior de lo que sería en el caso de tubos rectos. Debido al perfil de velocidad más romo, el fluido que fluye en los tubos actúa como un émbolo. Esto tenderá a reducir la acumulación de agua u otros fluidos densos en puntos bajos de los tubos (curvas en U cóncavas hacia arriba) y la acumulación de gas en puntos altos (curvas en U convexas hacia arriba).

Otro beneficio importante del flujo de remolino es la estimulación la mezcla en un flujo multifase. En tubos de producción de pozo tenderán a mezclarse gas, hidrocarburo líquido y agua, y de este modo se reducirá la tendencia para la acumulación de líquidos a lo largo de los tubos. La mejor mezcla y las velocidades de flujo superiores en las zonas cercanas a las paredes también reducirán las oportunidades para que ocurra la sedimentación de sólidos en los puntos bajos a lo largo del pozo o de que los minerales precipiten.

Esto también será de importancia en las partes superiores del pozo, donde las burbujas pueden unirse. La mezcla de efectos del flujo de remolino puede mejorar la fase de mezcla y evitar que se formen burbujas grandes. La promoción del flujo de remolino es un beneficio en los pozos con pendiente, por ejemplo, vertical o 45° sobre la horizontal y no solo en porciones horizontales de pozos.

Sin embargo, en la medida en que los componentes de un flujo multifase de fluido no se mezclan, como el fluido fluye axialmente a lo largo de los tubos de esta invención, los componentes más densos tenderán a girar alrededor de los tubos cerca de la pared, con los componentes menos densos girando más cerca del centro. Este fenómeno "centrífugo" ayuda a la reducción de la acumulación de, por ejemplo, agua en los puntos bajos de los tubos y la reducción de la acumulación de gases en los puntos altos.

Todos estos tres factores (perfil de velocidad más romo, mezcla mejorada y efecto "centrífugo") se cree que contribuyen a mejorar las características de flujo con un flujo de remolino multifase.

Los tubos de producción de pozo, tal y como se discute aquí, incluye cualquier tubo de transmisión multifase. En el contexto de la producción de petróleo, esto incluye entre otras cosas los tubo debajo de un cabezal de pozo, cualquier línea de flujo de superficie, subientes y cualquier tubo para transportar y/o procesar petróleo multifase.

Se conocen varios medios para inducir el flujo de remolino a lo largo de tubos o conductos; el documento WO 00/38591 sugiere crestas o hendiduras helicoidales en la pared de los tubos o conductos. Sin embargo, esto no se considera una solución óptima, puesto que tales dispositivos pueden por sí mismos causar obstrucciones o crear regiones estancamiento donde puede acumularse el material. Además, la proporción entre el perímetro humedecido y el área de sección transversal de los tubos se incrementaría por la disposición de las crestas, hendiduras, aspas, etc. Esto puede conducir al aumento de la resistencia de flujo y pérdida de presión o, por el contrario, a una reducción de flujo para un cabezal dado.

Además, los experimentos han mostrado que a menos que el número de Reynolds sea muy bajo, las crestas, las hendiduras o las aspas de este tipo solo tienen un efecto sobre el flujo cerca de la pared del conducto. Puede ser necesario proporcionar un conducto largo para asegurar que flujo se arremolina por toda la anchura del conducto. El remolino en el centro del conducto sólo se logra mediante transferencia de difusión de cantidad de movimiento del flujo en el lado de la pared del conducto; las crestas, las hendiduras o las aspas no facilitan la mezcla entre el fluido cerca de la pared del conducto y el fluido en el centro del conducto.

Otra posibilidad sería que los tubos tuvieran una sección transversal no circular torcida. Sin embargo, una salida desde la circularidad aumenta la proporción del perímetro humedecido al área de sección transversal, lo que no es deseable. Además, éste no es un uso eficiente del espacio.

Por lo tanto, en la invención, la línea central de los conductos sigue una trayectoria sustancialmente helicoidal.

En las posibles realizaciones mencionadas arriba utilizando hendiduras o crestas o secciones no circulares, donde los tubos son considerablemente rectos, entonces, la línea central de los tubos también es recta. El uso de tubos con una línea central helicoidal induce el remolino y facilita la mezcla entre el fluido cerca de la pared de los tubos y en el núcleo de una mejor forma que en tubos con una línea central recta en los que se utilizan crestas y hendiduras helicoidales. En el caso de tubos con una línea central helicoidal, hay una reorganización espacial de estructuras verticales, que resultan en movimiento del núcleo o de los núcleos del flujo axial a través de la sección de la parte de los tubos, estimulando la mezcla a través de la sección transversal. El remolino inhibe el desarrollo de regiones de estancamiento y de separación de flujo, y estabiliza los flujos y, como se menciona arriba, conlleva al efecto "centrífugo".

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Además, si la línea central de los tubos sigue una trayectoria considerablemente helicoidal, de acuerdo con la realización preferida, los tubos pueden tener una sección circular transversal y así un pequeño perímetro humedecido con respecto al área de sección transversal y sin las obstrucciones para el flujo. Los tubos todavía tendrán las características necesarias para inducir el flujo helicoidal o de remolino. Puede haber, sin embargo, circunstancias en las que sea deseable para los tubos con una línea central helicoidal tener una sección transversal no circular.

Los tubos de producción de pozo normalmente encajan dentro de un revestimiento exterior. Por lo tanto, los tubos tienen que ocupar un ancho de barrido menor o igual al diámetro interno del revestimiento. En el caso de los tubos helicoidales preferidos (por ejemplo, tubos en los que la línea central sigue una trayectoria considerablemente helicoidal), si la hélice debe tener una gran amplitud entonces el área de sección transversal disponible para el flujo de fluido es correspondientemente pequeña. Por lo tanto, se prefiere que la amplitud de la hélice sea lo suficientemente grande para inducir flujo de remolino, pero lo suficientemente pequeña para que los tubos ocupen la mayor parte posible de la sección transversal disponible. La optimización de la amplitud para cumplir el primero de estos criterios dependerá de factores tales como viscosidad de fluido, densidad y velocidad.

En esta memoria de patente, la amplitud de la hélice se refiere a la extensión de desplazamiento desde una posición principal hasta un extremo lateral. De modo que, en el caso de tubos que tienen una línea central helicoidal, la amplitud es una mitad del ancho total lateral de la línea central helicoidal.

En la invención, la amplitud de la hélice es menor o igual a una mitad del diámetro interno de los tubos. En tales circunstancias, hay una "línea de visión" a lo largo del lumen de los tubos, a diferencia del caso de una configuración de sacacorcho donde, en efecto, la hélice está bobinada alrededor del núcleo (sólido, o "virtual" con un núcleo de aire). Se ha descubierto que el flujo en la línea de visión generalmente tiene un componente de remolino, aunque pueda potencialmente seguir una trayectoria recta.

Para los propósitos de esta memoria de patente, el término "amplitud relativa" de unos tubos helicoidales se entiende como la amplitud dividida por el diámetro interno. De este modo, en las realizaciones preferidas en las que la amplitud de los tubos helicoidales es menor o igual a una mitad del diámetro interno de los tubos, esto quiere decir que la amplitud relativa es menor o igual a 0.5. Pueden preferirse amplitudes relativas menores o iguales a 0,45, 0,40, 0,35, 0,30, 0,25, 0,20, 0,15, 0,1 ó 0,05. Amplitudes relativas menores proporcionan un mejor uso del espacio lateral disponible, por ejemplo, en el caso de unos tubos helicoidales en un revestimiento cilíndrico exterior habrá menos espacio desaprovechado entre los tubos y el revestimiento. Amplitudes relativas más pequeñas también resultan en una "línea de visión" más amplia, proporcionando más espacio para la inserción de medidores de presión u otros equipos a lo largo del lumen de los tubos. Con números de Reynolds más altos pueden utilizarse amplitudes relativas más pequeñas mientras que el flujo de remolino se induce hasta una medida satisfactoria. Esto significará generalmente que para un diámetro interno de tubos donde hay un intervalo grande de flujo una amplitud relativa baja puede entonces utilizarse mientras sea suficiente para inducir el flujo de remolino.

El ángulo de la hélice también es un factor relevante para equilibrar las limitaciones de espacio en una cadena de producción de pozo con la conveniencia de tener un gran área de sección transversal disponible para el flujo. El ángulo de hélice es preferiblemente menor o igual a 65°, más preferiblemente menor o igual a 55°, 45°, 35°, 25°, 20°, 15°, 10° ó 5°. Como con amplitudes relativas, el ángulo de la hélice puede optimizarse de acuerdo a las condiciones: viscosidad, densidad y velocidad de fluido.

En términos generales, para números de Reynolds más altos el ángulo de hélice puede ser menor siempre y cuando se consiga un flujo de remolino satisfactorio, mientras que con números de Reynolds más bajos se necesitará un ángulo de hélice mayor para producir un remolino satisfactorio. El uso de ángulos de hélice más altos para flujos más rápidos (números de Reynolds más altos) generalmente será indeseable, porque puede haber cerca de las cavidades de pared de fluido estancado. Por lo tanto, para un número de Reynolds dado (o un rango de números de Reynolds), el ángulo de hélice se elegirá preferiblemente para ser lo más bajo posible para producir un remolino satisfactorio. En ciertas realizaciones, el ángulo de hélice es menor a 20°.

En general, los tubos tendrán una pluralidad de vueltas de la hélice. Repetidas vueltas de la hélice a lo largo de los tubos tenderá a garantizar que se mantenga el flujo de remolino. Sin embargo, incluso si una parte recta del conducto se proporciona aguas abajo de una sección helicoidal de inducción de remolino, es necesaria cierto recorrido para que el flujo de remolino desaparezca, y así, como una alternativa a la formación del conducto entero como una parte helicoidal, sería posible proporcionar una serie de longitudes separadas de tubos helicoidales o conductos a lo largo de la longitud del conducto. Estas secciones actuarán entonces como "repetidores". Cada porción inducirá el flujo de remolino en el fluido pasando a través de él; sin embargo, este flujo de remolino tenderá a desaparecer al tiempo que el fluido pasa a lo largo del conducto recto. Al proporcionar una serie de "repetidores" se permite que el flujo de remolino sea re-establecido, con sus beneficios concomitantes.

Similarmente, las partes helicoidales pueden proporcionarse antes de los accesorios para tubos (como tubo acodado, uniones en T y en Y, válvulas y similares), de manera que el flujo de remolino se establece antes de que el flujo alcance estos accesorios.

Las longitudes de los tubos normalmente estarán hechas sustancialmente con la misma amplitud relativa y el mismo ángulo de hélice a lo largo de la longitud. Puede haber pequeñas variaciones cuando los tubos se despliega o está en uso, cautilizado por elongación o contracción de los tubos debido al recargo de tensión o causado por recargo de torsión. Sin embargo, puede haber circunstancias en las que los tubos tienen un ángulo de hélice y/o amplitud relativa variable, bien para adaptarse a las limitaciones del espacio o bien para optimizar las condiciones de flujo. Por razones de simplicidad de fabricación, se preferirá que los tubos tengan un área de sección transversal sustancialmente constante a lo largo de la longitud. De nuevo, puede haber variaciones en el uso causadas por el recargo del tubo.

De modo similar, se pueden conseguir ventajas considerables utilizando los tubos empleados en maquinaria para operaciones de corazón como se explicó arriba, de manera que el fluido en los tubos fluye en un flujo de remolino. El efecto centrífugo significa que cualquier burbuja de aire o de oxígeno en la sangre tenderá a permanecer cerca del centro de los tubos, en vez de acumularse en puntos altos de los tubos y llevando a posibles bloqueos. De este modo, las burbujas se portarán a lo largo de los tubos, y podrán eliminarse las trampas de burbujas, como se describe arriba.

A continuación, se describirán las realizaciones preferidas de la invención a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista esquemática de un pozo horizontal de largo alcance para la extracción de hidrocarburo, de acuerdo con la técnica anterior;

La figura 2 es una vista ampliada de parte del pozo de la Figura 1;

La figura 3 es una vista similar a la Figura 2 pero que muestra el uso de los tubos en un pozo de acuerdo con la invención;

La figura 4 es una vista en alzado que muestra los tubos utilizados en un experimento y diseñados para inducir el flujo de remolino de acuerdo con la invención; y

La figura 5 es una vista similar a la Figura 4 pero que muestra otro experimento.

Aunque la siguiente descripción se concentra en el uso de flujo de remolino multifase en el contexto de la extracción de hidrocarburos, se apreciará que las ventajas proporcionadas por el flujo de remolino multifase pueden obtenerse en muchas otras situaciones donde se de un flujo multifase.

Las Figuras 1 y 2 muestran el uso de un pozo horizontal de largo alcance para extracción de hidrocarburos, de acuerdo con un procedimiento conocido. Una cadena de producción de pozo 50 penetra verticalmente en el suelo desde un cabezal de pozo 52 y, a la profundidad requerida, dobla a una orientación generalmente horizontal. La formación dentro de la que se perfora la cadena del pozo es perforada incluye una formación depósito 54 separada dentro de las diferentes zonas por grietas 56. La formación depósito incluye una capa de hidrocarburo líquido 60, colocada sobre una capa de agua 62.

La cadena de producción de pozo 50 incluye secciones formadas con perforaciones 66 (veáse figura 2) permitiendo la entrada de fluidos en la cadena de producción de pozo en la dirección indicada por las flechas 64.

Un proceso conocido para perforar un pozo es el siguiente. Se perfora una primera parte a una profundidad específica y un primer revestimiento agota la perforación y se cimenta en su lugar. Se perfora la siguiente parte del pozo y otra sección de revestimiento agota la sección previamente instalada y esta también se cementa en su lugar. El proceso continúa, tanto de manera que los diámetros de las sucesivas secciones de revestimientos exteriores disminuye al tiempo que aumenta la longitud del pozo. Eventualmente, se perfora la longitud total deseada del pozo y se alinea por secciones de revestimiento exterior.

Los tubos 68, con cañones perforadores 70 proporcionados en puntos apropiados de acuerdo con la geología del lugar, se introducen en el pozo. Se disparan los cañones perforadores creando así las perforaciones 66 a través del revestimiento exterior 72. Esto permite al hidrocarburo líquido pasar del depósito 60 a través de las perforaciones 66 y dentro de la cadena de producción de pozo 50. El fluido en el pozo normalmente consiste en una mezcla de gas, petróleo y agua. El líquido multifase fluye a lo largo de la cadena de producción de pozo 50 hacia la superficie. Como se ve en la Figura 2, la porción horizontal del pozo no es completamente horizontal y tiene una serie de curvas U suaves, tanto cóncavas como convexas.

La Figura 2 muestra un depósito de agua 74 que se ha recogido en una curva U cóncava. Eventualmente, llenará la curva U y causará un bloqueo que ocluirá el flujo a lo largo del pozo.

Como se menciona arriba, poner el fluido en la cadena de flujo de flujo de remolino puede evitar este problema, previniendo la acumulación de gas y agua en la cadena. Las características del flujo de remolino, y una particular trayectoria para lograr el flujo de remolino, se discutirán ahora con referencia a las Figuras 4 y 5.

Los tubos 1 mostrados en la Figura 4 tiene una sección circular transversal, un diámetro externo D_{E}, un diámetro interno D_{I}, y un espesor de pared T. Los tubos están bobinados en la hélice de amplitud constante A (medido desde el principio al extremo), longitud constante P, ángulo de hélice \theta constante y un ancho de barrido W. Los tubos 1 están contenidos en un envoltorio imaginario 20 que se extiende longitudinalmente y tiene una anchura igual al ancho de barrido de W de la hélice. Puede considerarse que el envoltorio 20 tiene un eje central longitudinal 30 que también se puede denominar eje de rotación helicoidal. Los tubos ilustrados 1 tienen un eje recto 30, pero se apreciará que en unos tubos de producción de pozo el eje central a menudo tendrá un gran radio de curvatura (por lo tanto creará curvas U). Los tubos tienen una línea central 40 que sigue una trayectoria helicoidal sobre el eje longitudinal central 30.

Se verá que la amplitud A es menor que la mitad del diámetro interno del tubo D_{I}. Manteniendo la amplitud por debajo de este tamaño, el espacio lateral ocupado por los tubos y la longitud general de los tubos puede mantenerse relativamente pequeña, mientras que al mismo tiempo la configuración helicoidal de los tubos estimula el flujo de remolino de fluido a lo largo de los tubos. También esto proporciona un lumen relativamente ancho a lo largo de los tubos, lo que permite pasar al equipamiento, aparatos y demás por los tubos.

Ejemplo 1

Los experimentos se llevaron a cabo usando tubos de polivinilo clorado con una sección circular transversal. En referencia a los parámetros mostrados en la Figura 4 el tubo tuvo un diámetro exterior DE de 12 mm, un diámetro interior DI de 8 mm y un espesor de pared T de 2 mm. Los tubos se bobinaron en una hélice con una longitud P de 45 mm y un ángulo de hélice \theta de 8°. La amplitud A se estableció apoyando los tubos entre dos bordes rectos y midiendo el espacio entre los dos bordes rectos. La amplitud se determinó restando el diámetro externo DE al ancho de
barrido W:

2A = W - D_{E}

Así:

A = \frac{W -D_{E}}{2}

En este ejemplo el ancho de barrido W fue 14 mm, de manera que:

A = \frac{W -D_{E}}{2} = \frac{14 -12}{2} = 1 mm

Como se discutió previamente, "amplitud relativa" A_{R} se define como:

A_{R} = \frac{A}{D_{I}}

En el caso de este ejemplo, por lo tanto:

A_{R} = \frac{A}{D_{I}} = \frac{1}{8} = 0.125

Se pasó el agua a lo largo del tubo. Para observar las características del flujo, se utilizaron dos agujas 80 y 82 pasando radialmente a través de la pared del tubo para inyectar tinte visible en el flujo. Los lugares de inyección estaban cerca del eje axial central 30, por ejemplo en el "núcleo" del flujo. Una aguja 80 inyectó tinta roja y la otra aguja 82, tinta azul. Se verá en la Figura 4 que los filamentos de tinta 84 y 86 se entrelazan, lo que indica que en el núcleo hay flujo de remolino, por ejemplo, el flujo que generalmente es helicoidal. El experimento mostrado en la Figura 4 se llevó a cabo a un número de Reynolds RE de 500. En dos experimentos adicionales, respectivamente usando números de Reynolds de 250 y 100, se observó también un núcleo de flujo en remolino.

Ejemplo 2

Los parámetros para este ejemplo fueron los mismos que en el ejemplo 1, excepto que las agujas 80 y 82 se dispusieron para liberar los filamentos de tinta 84 y 86 cerca de la pared de los tubos. La Figura 5 muestra los resultados de dos experimentos con dos liberaciones de tinta cerca de la pared, con números de Reynolds RE de 500 y 250 respectivamente. Se verá que en ambos casos los filamentos de tinta siguen la geometría de los tubos helicoidales, indicando un remolino cercano a la pared. Además, se estimula la mezcla de los filamentos de tinta con el agua.

Ejemplo 3

En un estudio a parte, se comparó el flujo en un tubo recto de diámetro interno de 8 mm con el tubo helicoidal de diámetro interno de 8 mm en la hélice, donde la amplitud relativa AR era 0.45. En ambos casos el número de Reynolds fue 500 y se inyectaron 0.2 ml de indicador en forma de un bolo a través de un tubo delgado en el extremo aguas arriba. Se fotografiaron los flujos juntos con un reloj digital para indicar el tiempo transcurrido después de la inyección del indicador. El frente del indicador llegó antes al extremo aguas arriba del tubo recto que del tubo helicoidal y se eliminó más tarde de las paredes del tubo recto que desde aquellas del tubo helicoidal. Además, el indicador viajó en una masa más compacta en el tubo helicoidal que en el tubo recto. Todas estas conclusiones implican que había una mezcla sobre el tubo de sección transversal y una armonización del perfil de la velocidad en el tubo helicoidal.

Ejemplo 4

Los experimentos de este ejemplo implicaron una comparación de flujos multifase en un tubo helicoidal con este tubo con una línea central siguiendo una trayectoria generalmente sinusoidal en un plano simple. En el caso del tubo helicoidal (tridimensional, por ejemplo un tubo 3D), el diámetro interno era 8 mm, el diámetro externo era 12 mm y el ancho de barrido era 17 mm, dando una amplitud correspondiente de 0,3125. La longitud era de 90 mm. En el caso del tubo plano, en forma ondulada (2 dimensiones, por ejemplo, un tubo 2D), el diámetro interno era 8 mm, el diámetro externo era 12 mm y el ancho de barrido, medido en el plano de la forma de onda, era 17 mm. La longitud era 80 mm, no siendo significativamente diferente del caso del tubo 3D. El tubo 2D se mantuvo con su línea central generalmente sinusoidal en un plano vertical, en efecto, creando curvas en U cóncavas y convexas hacia arriba.

Ambos tubos 3D y 2D tenían aproximadamente 400 mm de longitud, dando 4-5 longitudes en cada caso. Con ambos tubos, los estudios se realizaron con flujos de agua de 450 a 900 ml por minuto (número de Reynolds de 1200 y 2400 respectivamente). Se utilizó una aguja para introducir en todos los casos un flujo de aire a un intervalo de 3 ml por minuto, por ejemplo, 0.66% del flujo de agua en el caso de 450 ml por minuto y 0.33% en el caso de 900 ml por minuto. El aire vino de una línea de aire comprimido y se inyectó dentro de los tubos justo aguas arriba del comienzo de las respectivas geometrías 3D y 2D.

En el caso del experimento con el tubo 3D con número de Reynolds 1200, las burbujas de aire eran de un tamaño de alrededor de 2-3 mm y pasaron a lo largo del tubo rápidamente. Al número de Reynolds de 2400, las burbujas eran más grandes, alrededor de 5-7 mm pero seguían moviéndose a lo largo del tubo sin tendencia a adherirse.

En el caso de tubos 2D con números de Reynolds de 1200 y 2400, las burbujas eran grandes, alrededor de 3-5 mm, y tendían a adherirse en las curvas convexas hacia arriba (como se vió desde el exterior del tubo).

El experimento muestra que en un flujo multifase el fluido menos fluido es llevado a lo largo del tubo 3D, mientras en un tubo 2D equivalente el fluido menos denso tiende a acumularse en las partes más altas del tubo.

La Figura 3 muestra un pozo que tiene un tubo de producción de pozo de acuerdo con la realización preferida de la invención. Este tubo es helicoidal y la configuración helicoidal origina el remolino (o generalmente flujo helicoidal) a lo largo del tubo. Como se ha descrito anteriormente, este flujo tiene un efecto centrífugo sobre el fluido en el conducto, siendo que este material más denso sigue una trayectoria helicoidal a lo largo del interior de la pared del conducto, y los materiales menos densos fluyen a lo largo de la línea central del conducto. Esto tiende a prevenir los depósitos de agua de la recolección en la curva en U cóncava hacia arriba del pozo, reduciendo así significativamente las posibilidades de bloqueo. Los tubos también tienden a prevenir que las bolsas de gas se acumulen en las curvas en U convexas hacia arriba, reduciendo de nuevo las posibilidades de bloqueo.

Otro problema que puede surgir en los flujos multifase durante la extracción de hidrocarburos es el "embarrado". Esto ocurre cuando el gas se acumula en las paredes del conducto, hasta tal punto que puede bloquear el flujo. Si el gas de repente se libera de las paredes, eliminando el bloqueo, entonces el flujo se restablecerá muy deprisa, llevando a impulsar cargas sobre el conducto y acarreando posibles daños del conducto y el equipamiento auxiliar. Las plataformas de producción de petróleo están habitualmente sobremecanizadas para hacer frente a estas cargas.

Este problema también puede evitarse mediante flujo de remolino. Como se menciona arriba, en flujos de remolino multifase, los fluidos menos densos (como gases) tienden al centro del conducto, y así se mantienen apartados de las paredes. Por lo tanto, no pueden acumularse hasta el punto de bloquear el flujo.

Una ventaja similar se obtiene con el tubo de flujo de sangre mencionado arriba. Como las burbujas de aire y oxígeno tienden a quedarse cerca del centro del tubo, se portan a lo largo con el resto del flujo, y no se acumulan ni bloquean el flujo.

El hecho de que las burbujas de gas (o incluso más cualquier fracción menos densa) tiendan al centro del conducto helicoidal proporciona ventajas adicionales con respecto a la reducción de gas contenido en el flujo.

En un flujo multifase gas/líquido en un conducto helicoidal, se ha descubierto que el gas ocupa un área de sección transversal muy pequeña en el centro del conducto. En comparación con un conducto recto, se reduce la concentración de gas a través de la sección transversal (normalmente denominado en la industria del petróleo como el "corte") y esta reducción puede llegar al 20 ó 30%. (Tómese nota de que el intervalo de flujo de gas es el mismo en ambos conductos; el flujo del gas es más rápido en el conducto helicoidal que en conducto recto, para compensar por el menor área transversal de flujo menor).

Esta reducción en la concentración de gas puede ser altamente beneficiosa con, por ejemplo, bombas. Las bombas para líquidos no se diseñan normalmente para hacer frente a flujos multifase, y habitualmente no funcionan usualmente bien con altas concentraciones de gases. Reduciendo la concentración de gas en el flujo usando un conducto helicoidal de este modo, mejorará la eficiencia de la bomba.

Una reducción en la concentración de gas puede también ser beneficiosa en otras situaciones, donde el flujo puede pasar a través de un accesorio que funciona mejor con un flujo de fase única. Una porción helicoidal podría proporcionarse aguas arriba del accesorio, para garantizar que el fluido al accesorio está en una condición de flujo de remolino, con la concentración de gas en el flujo reducida.

Un efecto beneficioso adicional obtenido con flujo de remolino multifase es una reducción en la caída de presión; reducciones de entre el 10 y el 20%, en comparación con la caída de presión en un tubo recto, se han obtenido en experimentos con conductos verticales. Una reducción en la caída de presión también permitirá un flujo aumentado para la misma diferencia de presión, y reduciría así la cantidad de energía requerida para bombear un fluido.

Aunque la descripción de arriba se ha concentrado particularmente en las ventajas que pueden obtenerse en los tubos de extracción de hidrocarburos y de flujo de sangre, se apreciará que los tubos y conductos de la invención pueden ser aplicarse a cualquier flujo multifase para obtener las ventajas del flujo de remolino descritas arriba. En particular, la prevención de los efectos gravitacionales como la fase de separación es de particular importancia en el transporte de lodos y suspensiones de sólidos en líquidos, que se encuentran con frecuencia en el procesamiento de alimentos, y en el transporte de suspensiones de polvo en gas, como son frecuentes en la producción y procesamiento de productos farmacéuticos.

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Referencias citadas en la descripción

Esta lista de referencias citadas por el solicitante es sólo para la conveniencia del lector. No forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el máximo cuidado al compilar las referencias, no pueden excluirse posibles errores u omisiones y la OPE niega cualquier responsabilidad al respecto.

Documentos patentes en la descripción

\bullet WO 0038591 A [0028].

Claims

1. Tubos o conductos (1,68) que son:

: tubos de producción de pozos, como subientes, líneas de flujo,

: y tubos submarinos y de superficie; o

: tubos de flujo sanguíneo; o

: tubos de transporte o conductos para transportar una suspensión de polvo en gas;

: los tubos o conductos que tienen características que inducen flujo de remolino en un flujo multifase, de tal manera que los componentes más densos del flujo multifase tienden a la pared exterior de los tubos o conductos, y los componentes menos densos del flujo multifase tienden al centro de los tubos o conductos, al tiempo que los fluidos fluyen a lo largo de los conductos, en los que la línea central de los tubos o conductos sigue una trayectoria sustancialmente helicoidal; caracterizados porque la amplitud (A) de la hélice es menor o igual a una mitad del diámetro interior D_{I} de los tubos o conductos.

2. Tubos o conductos según la reivindicación 1, en los que los tubos o conductos tienen una pluralidad de vueltas de la hélice.

3. Tubos o conductos según la reivindicación 1 ó 2, en los que la hélice tiene sustancialmente la misma amplitud (A) a lo largo de la longitud de los tubos o conductos.

4. Tubos o conductos según cualquier reivindicación precedente, en los que el ángulo de la hélice (6) es sustancialmente el mismo a lo largo de la longitud de los tubos o conductos.

5. Tubos o conductos según cualquier reivindicación precedente, en los que los tubos o conductos tienen sustancialmente un área de sección transversal constante a lo largo de su longitud.

6. El uso de tubos o conductos según se reivindica en cualquier reivindicación precedente como unos tubos de producción de pozo, como subientes, líneas de flujo y tubos submarinos y de superficie.

7. El uso de tubos o conductos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 como tubos de flujo de sangre.

8. El uso de tubos o conductos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para transportar suspensiones y/o lodos.

9. El uso de tubos o conductos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para transportar una suspensión de polvo en gas.