Pompa Sucker Rod

1

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

POMPA ANGGUK (SUCKER ROD PUMP)

Pemasangan Pompa Angguk (Sucker Rod Pump) pada suatu sumur minyak merupakan salah satu metoda pengangkatan buatan (Artificial Lift) yang telah digunakan secara meluas pada lapangan minyak. Pada saat ini dikenal 3 (tiga) macam pompa sucker rod, yaitu : Conventional

Unit,

Air

Balance

dan

Mark

II.

Gambar

(1)

memperlihatkan fluida dari dasar sumur ke permukaan didasarkan pada gerakan mekanik dari sejumlah peralatan pompa sucker rod, mulai dari bawah permukaan, sepanjang tubing, di kepala sumur, dan diatas permukaan

1. PERALATAN POMPA ANGGUK Berdasar letaknya, maka peralatan pompa sucker rod dapat dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu : peralatan diatas permukaan dan peralatan dibawah permukaan.

1.1. Peralatan Di Atas Permukaan Peralatan diatas permukaan berfungsi untuk memindahkan energi dari Prime mover ke pompa sucker rod, dimana untuk selanjutnya diteruskan ke peralatan bawah permukaan. Peralatan ini juga berfungsi untuk mengubah gerak naik turun dan melalui gear reducer

mengubah

kecepatan

pemompaan yang sesuai.

prime

mover

menjadi

langkah

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 1 : Jenis-jenis Pompa Angguk (Sucker Rod Pump) (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

2

3

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Peralatan di permukaan ini secara keseluruhan terdiri dari : •

Prime mover merupakan pengerak utama, dimana prime mover akan memberikan gerakan putar yang diubah menjadi gerak naik turun pada polish rod dan sucker rod untuk diteruskan ke peralatan bawah permukaan. Prime mover dapat berupa mesin gas, diesel, motor bakar dan listrik. Prime mover ini disesuaikan dengan tersedianya

sumber

tenaga

tersebut.

Jadi

pemilihan

motor

diusahakan mempunyai daya yang cukup untuk mengangkat fluida dan rangkaian rod dengan kecepatan yang diinginkan. •

V-Belt merupakan sabuk untuk memindahkan gerak dari prime mover ke gear reducer.

•

Gear reducer berfungsi mengubah kecepatan putar dari prime mover menjadi langkah pemompaan yang sesuai. Gear reducer juga merupakan transmisi yang berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari prime mover, gerak putaran prime mover diteruskan ke gear reducer dengan menggunakan belt. Dimana belt ini dipasang engine pada prime mover dan unit sheave pada gear reducer.

•

Crank Shaft merupakan poros crank yang befungsi untuk mengikat crank pada gear reducer dan meneruskan gerak.

•

Crank merupakan sepasang tangkai yang menghubungkan crank shaft pada gear reducer dengan counterbalance. Pada crank ini terdapat lubang-lubang tempat pitman bearing. Besar kecilnya langkah atau stroke pemompaan yang diinginkan dapat diatur disini, dengan cara mengubah-ubah pitman bearing.

4

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Apabila kedudukan pitman bearing ke posisi lubang mendekati counterbalance, maka langkah pemompaan menjadi bertambah besar atau sebaliknya, apabila menjauhi jarak antara crank shaft sampai dengan pitman bearing sebagai polish stroke length, yang fungsinya meneruskan gerak berputar dari crank shaft pada gear reducer ke walking bean melalui pitman. •

Counterbalance adalah sepasang pemberat yang fungsinya : a. Untuk mengubah gerak berputar dari prime mover menjadi gerak naik turun b. Menyimpan tenaga prime mover pada saat down-stroke atau pada saat counterbalance menuju ke atas, yaitu pada saat kebutuhan tenaga kecil atau minimum c. Membantu tenaga prime mover pada saat up-stroke (saat counterbalance

bergerak

ke

bawah)

sebesar

tenaga

potensialnya, karena kerja prime over yang terbesar adalah pada saat up-stroke (pompa bergerak ke atas) dimana sejumlah minyak ikut terangkat ke atas permukaan. •

Pitman adalah penghubung antara walking beam pada equalizer hearing dengan crank. Lengan Pitman merubah gerakan berputar menjadi gerakan naik-turun.

•

Walking Bean merupakan tangkai horizontal dibawah horse head. Fungsinya merupakan gerak naik turun yang dihasilkan oleh pasangan pitman-crank-counterbalance, ke rangkaian pompa di dalam sumur melalui rangkain rod.

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

•

5

Counterweight berfungsi menjepit polished rod dan letaknya dibagian atas dari polished rod. Jepitan ini kemudian diletakan diatas carrier bar sehingga Polished rod dapat bergerak sesuai dengan gerakan Carrier bar.

•

Horse Head berfungsi menurunkan gerak dari walking bean ke unit pompa di dalam sumur melalui bridle, polish rod dan sucker string atau merupakan kepala dari walking bean yang menyerupai kepala kuda.

•

Briddle berfungsi sebagai tali penggantung carrier bar.

•

Carrier bar merupakan penyangga dari polished rod clamp.

•

Polish Rod Clamp merupakan komponen yang bertumpu pada carrier bar yang berfungsi untuk mengeraskan kaitan polish rod pada carrier bar dan tempat dimana Dinamometer (alat pencatat unit pompa ) diletakkan.

•

Stuffing box dipasang diatas kepala sumur (casing atau tubing head) untuk mencegah atau menahan minyak agar supaya tidak keluar bersama naik turunnya polish rod. Dengan demikian seluruh aliran minyak hasil pemompaan akan mengalir ke flowline melewati crosstee. Disamping itu juga berfungsi sebagai tempat kedudukan polish head rod, sehingga polish rod dapat bergerak naik turun dengan bebas.

•

Polish Rod merupakan bagian teratas dari rangkaian rod yang muncul di permukaan. Berfungsi untuk menghubungkan antara rangkaian rod di dalam sumur dengan peralatan di permukaan.

6

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

•

Pumping tee (Crosstee) berfungsi untuk mengalirkan fluida produksi ke flow line.

•

Sampson post merupakan tiang penyangga walking beam.

•

Saddle Bearing adalah tempat kedudukan dari walking bean pada sampson post pada bagian atas.

•

Equalizer adalah bagian atas dari pitman yang dapat bergerak secara leluasa menurut kebutuhan operasi pemompaan minyak berlangsung.

•

Brake berfungsi untuk mengerem gerak pompa jika dibutuhkan, misalnya pada saat akan dilakukan reparasi sumur atau unit pompanya sendiri. Secara keseluruhan susunan peralatan pompa sucker rod diatas permukaan ditunjukan pada Gambar 2.

1.2. Peralatan di Bawah Permukaan Untuk peralatan pompa di bawah permukaan (Subsurface pump equipment ) terdiri dari empat kompnen utama, yaitu : working barrel, plunger, travelling valve dan standing valve. •

Working Barrel bergerak

merupakan tempat dimana plunger dapat

naik-turun

sesuai

dg

langkah

pemompaan

dan

menampung minyak terisap oleh plunger pada saat bergerak ke atas ( up stroke ). a.

Working barrel yang terdiri dari sejumlah liner yang diselubungi oleh jacket (biasanya diberi simbol L).

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

b.

7

Working barrel yang terdiri dari satu bagian utuh dan kuat (diberi simbol H atau W ).

Gambar 2 : Peralatan Pompa Sucker Rod di Atas Permukaan (Bethlehem Stell Company, Sucker rod hand book, 1970)

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

•

8

Plunger, merupakan bagian dari pompa yang terdapat didalam barrel dan dapat bergerak naik turun yang berfungsi sebagai penghisap minyak dari formasi masuk ke barrel yang kemudian di angkat ke permukaan melalui tubing.

•

Tubing, seperti halnya pada peralatan sembur alam, tubing digunakan untuk mengalirkan minyak dari dasar sumur ke permukaan setelah minyak dianggakat oleh plunger pada saat up stroke.

•

Standing valve, merupakan bola yang ikut bergerak naik turun menurut gerakan plunger dan berfungsi mengalirkan minyak dari working barrel masuk ke plunger dan hal ini terjadi pada saat plunger bergerak ke atas dan selanjutnya standing valve membuka. Pada saat plunger bergerak ke bawah standing valve akan menutup untuk mencegah fluida keluar ke annulus.

•

Travelling valve, merupakan bola yang ikut bergerak naik turun menurut gerakan plunger dan berfungsi mengalirkan minyak dari working barrel masuk ke plunger dan hal ini terjadi pada saat plunger bergerak ke bawah serta menahan minyak keluar dari plunger pada saat plunger bergerak ke atas.

•

Gas anchor, merupakan komponen pompa yang dipasang di bagian bawah dari pompa yang berfungsi untuk memisahkan gas dari minyak agar gas tersebut tdk ikut masuk ke dalam pompa bersama-sama dg minyak, untuk menghidari masiknya pasir atau padatan kedalam pompa, dan mengurangi atau menghindari terjadinya tubing stretch.

9

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gas ini dialirkan masuk ke annulus dan dilepaskan ke permukaan melalui Ada dua macam type Gas Anchor, yaitu :  Poorman type.

 Packer type a. Poorman type Larutan gas dalam minyak yang masuk ke dalam anchor akan melepaskan diri dari larutan (bouyancy effect). Minyak akan masuk ke dalam barrel melalui suction pipe , sedangkan gas yang telah terpisah akan dialikan melalui annulus. Apabila suction pipe terlalu panjang atau diameternya terlalu kecil, maka akan terjadi pressure loss yang cukup besar sehingga menyebabkan

terjadinya

penurunan

PI

sumur

pompa.

Sedangkan apabila suction pipe terlalu besar akan meyebabkan annulus antara dinding anchor dengan suction pipe menjadi lebih kecil, sehingga kecepatan aliran minyak besar dan akibatnya gas masih terbawa oleh butiran-butiran minyak. Diameter gas anchor yang terlalu besar akan menyebabkan penurunan PI sumur pompa. b. Packer type Minyak masuk melalui ruang antara dinding anchor dan suction pipe, kemudian minyak jatuh di dalam annulus antara casing dan gas anchor dan ditahan oleh packer, selanjutnya minyak masuk ke pompa melalui suction pipe. Disini minyak yang masuk kedalam annulus sudah terpisah dari pompa.

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

10

• Tangkai pompa Tangkai pompa (sucker rod string) terdiri dari :  Sucker rod  Pony rod  Polished rod a. Sucker rod Merupakan batang/rod penghubung antara plunger dg peralatan di permukaan. Fungsi utamanya adalah melanjutkan gerak lurus naik turun dari horse head ke plunger. Berdasarkan konstruksinya maka Sucker rod dibedakan menjadi dua, yaitu : Berujung box pin Berujung pin-pin Untuk menghubungkan antara dua sucker rod

digunakan

sucker rod coupling. Umumnya panjang satu single dari sucker rod yang sering digunakan berkisar antara 20 – 30 ft. Dalam perencanaan sucker rod selalu diusahakan dipilih yang ringan, artinya memenuhi kriteria ekonomis, tapi dengan syarat tanpa mengabaikan persyaratan stress yang diijinkan (allowable stress) pada sucker rod tersebut. Sucker rod yang dipilih dari permukaan sampai unit pompa di dasar sumur tidak perlu sama diameternya tetapi dapat dilakukan / dibuat kombinasi dari beberapa tipe dan ukuran rod. Sucker rod string yang merupakan kombinasi dari beberapa tipe dan ukuran tersebut, disebut tappered rod string.

11

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

b. Pony rod Pony rod merupakan rod yang mempunyai panjang yang lebih pendek dari panjang rod umumnya (+ 25 ft). fungsinya adalah untuk melengkapi panjang dari sucker rod apabila tidak mencapai kepanjangan yang dibutuhkan, ukurannya adalah 2,4,6,8,12 ft. c. Polished rod Polished rod merupakan tempat rod yang berada diluar sumur yang menghubungkan sucker rod string dengan carrier bar dan dapat naik turun dalam stuffing box. Diameter stuffing box lebih besar dari diameter sucker rod, yaitu 1 1/8, 1 ¼, 1.5, 1 ¾. Panjang polished rod adalah 8,11,16,22 ft. Selanjutnya apabila dilihat dari pemasangan sistem barrel maka peralatan di bawah permukaan sucker rod ini diklasifikasikan menjadi 2 tipe, yaitu : 1. Tubing pump Pada tipe ini working barrel dipasang langsung didalam tubing dan diturunkan bersama tubing, bila terjadi kerusakan pada working barrel

atau

standing

valve

maka

untuk

memperbaikinya

keseluruhan dari tubing harus dicabut.tipe pompa ini sering digunakan pada sumur-sumur dangkal dan produktifitas kecil. 2. Rod pump Pada tipe ini working barrel, plinger, travelling valve, dan standing valve merupakan satu unit kesatuan yang dipasang langsung pada rod string. Kapasitas pompa yang diperoleh lebih kecil karena ukuran plunger lebih kecil.

12

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Apabila terjadi kerusakan pada standing valve atau barrel, maka untuk memperbaikinya tidak perlu mencabut seluruh tubing. Tipe pompa ini sering digunakan pada sumur-sumur dalam dan dibedakan menjadi 3 , yaitu : a. Tipe stationary barrel-top anchor, misalnya RWA. b. Tipe stationary barrel-bottom anchor, misalnya RWB. c. Travelling barrel-bottom anchor, misalnya RWT.

Perbedaan tipe pompa tubing pump dan rod pump ditujukan Gambar

3.

Sedangkan

klasifikasi

peralatan

pompa

bawah

permukaan berdasar sistem barrelnya menurut standart API diperlihatkan pada Tabel 1 dan Gambar 4. Tabel 1 Klasifikasi Pompa Standart API (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

TIPE POMPA Tubing dengan regular shoe

KLASIFIKASI FULL BARREL LINER BARREL TW

TL

Tubing dengan regular shoe dan nipple

TWE

TLE

Rod, stationary barrel top hold down

RWA

RLA

Rod, stationary barrel-bottom hold down

RWB

RLB

Rod, travelling barrel

RWT

RLT

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 3 : Peralatan Bawah Permukaan Jenis Tubing Pump dan Rod Pump (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

13

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 4 : Klasifikasi Pompa Menurut API (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

14

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

15

Huruf-huruf yang terdapat pada Tabel 1 dan Gambar 4 menunjukan penambahan tipe pompa nya. 

T menyatakan tipe tubing pump



R menyatakan tipe rod pump

Kedua huruf yang terdiri dari W dan L, dimana : 

W menyatakan tipe full barrel



L menyatakan tipe linier barrel

Sedangkan huruf ketiga yang terdiri dari E, A, B, dan T adalah : 

E menyatakan extention shoe dan nippel



A menyatakan stationary barrel dg bagian atas yang disambung



B menyatakan stationary barrel dg bagian atas dan bawah disambung pada tubing.



T menyatakan travelling barrel.

Umumnya suatu unit sucker rod pump dituliskan dengan menggunakan simbol-simbol tertentu, contohnya :

C-160D-173-64 kode-kode ini menunjukan spesifikasi pompa dipermukaan. Arti dari kode tersebut diatas adalah : C

= conventional (A = air balance, B = beam counter balance, M = mark II)

160 = peak torque rating – ribuan in-lb (torsi puncak yang diijinkan) D

= double reduction gear reducer

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

16

173 = polished rod load rating, ratusan lb (beban puncak dalam polished rod)

64 = panjang langklah stroke maximum, in (biasanya juga bisa diset pada 54 in dan 48 in tergatung pada pabrik). Umumnya panjang langkah dapat diatur sampai 4 pada pompa tertentu. Angka diatas adalah yang terpanjang Simbol API sebagaimana yang tercantum pada Gambar 4 serta Gambar 5 merupakan spesifikasi peralatan bawah permukaan. Sebagai contoh :

20-150-RWBC-20-4-2 artinya pompa untuk tubing 2 3/8 dengan diameter plunger 1 ½. Pompa tipe rod (insert), dg barrel berbanding tipis, bottom hold down (dipegang dibawah) dan menggunakan tipe mangkok (cup ) untuk kedudukannya. Panjang pompa adalah 20” dg plunger 4 ft dan extention 2 ft.

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

17

18

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 5 : Pump Designation (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

2. PRINSIP KERJA POMPA SUCKER ROD Mekanisme

kerja

pompa

sucker

rod

dapat

dijelaskan

menggunakan Gambar 6 . Prime mover menghasilkan gerak rotasi, gerakan ini dirubah menjadi gerakan naik-turun oleh pumping unit, terutama oleh sistem pitman assembly crank. Kemudian gerak anguk naik-turun ini oleh horse head dijadikan gerakan angguk naik-turun yang selanjutnya menggerakan plunger yang berada di dalam sumur. Instalasi pumping unit dipermukaan dihubungkan dengan pompa yang ada di dalam sumur oleh sucker rod , sehingga gerak lurus naikturun dari horse head dipindahkan ke plunger pompa dan plunger ini bergerak naik turun dalam barrel pompa. Pada saat upstroke, plunger bergerak keatas, dibawah plunger terjadi penurunan tekanan. Karena tekanan dasar sumur lebih besar dari tekanan di dalam pompa, maka kondisi ini mengakibatkan standing valve terbuka dan minyak masuk ke dalam pompa. Minyak diatas travelling valve akan terangkat keatas pada waktu up stroke. Pada saat down stroke, standing valve tertutup karena tekanan minyak dalam barrel pompa lebih besar dari tekanan dasar sumur, sedangkan pada bagian atasnya, yaitu travelling valve terbuka oleh minyak akibat turunnya plunger, selanjutnya minyak akan masuk ke dalam tubing. Proses ini dilakukan secara berulang-ulang sehingga minyak sampai ke permukaan dan terus ke separator melalui flow line.

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 6 : Mekanisme Kerja Sucker Rod Pump (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

3. ANALISA PERALATAN POMPA

19

20

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Komponen-komponen peralatan pompa sucker rod merupakan suatu gabungan yang komplek, dg kata lain akan saling tergantung.

3.1. Analisa Gerakan Rod Apabila sucker rod digantung pada polished rod atau bergerak naik turun pada kecepatan konstan, maka gaya yang bekerja pada polished rod adalah berat dari sucker rod, WR, dalam hal ini sucker rod mengalami percepatan. Polished rod akan menderita beban tambahan yaitu beban percepatan. Wr a g

Faktor percepatan atau faktor dimana bobot mati dari rod harus dikalikan dengan faktor kecepatan ini untuk mendapatkan beban percepatan yang maksimal, dinyatakan sebagai : α=

a g

(1)

Dimana : a = percepatan maksimum yang terdapat pada sucker rod string g = percepatan gravitasi Suatu study terhadap gerakan yang ditransmisikan dari prime mover ke sucker rod menunjukan bahwa gerakan sucker rod hampir merupakan gerak beraturan yang sederhana.gerak beraturan ini dapat dinyatakan sebagai proyeksi suatu partikel yang bergerak melingkar pada garis tengah lingkaran tersebut.

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

21

Gambar 7 : System Gerakan Sucker Rod (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

Apabila hal tersebut diatas di hubungkan dengan sistem sucker rod, maka : 1. Diameter lingkaran menyatakan panjang langkah polished rod

2. Waktu untuk satu kali putaran dari partikel yang melngkar sama dengan waktu untuk satu kali siklus pemompaan. Percepatan maksimum dari pada sistem sucker rod terjadi pada awal upstroke dan awal down stroke, yaitu pada saat titik proyeksi mempunyai jarak yang jauh dari pusat gerak melingkar. Pada saat tersebut percepatan dari pada proyeksi sama dengan percepatan gerak melingkar, yaitu :

22

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

a=

Vp2 re

(2)

Dimana : Vp = kecepatan partikel re = jari-jari lingkaran Apabila waktu untuk satu kali putaran, maka : VP =

2π re τ

(3)

Apabila N = jumlah putaran persatuan waktu : Vp = 2π re N

(4)

Dimana N = 1/α , jika Persamaan (2), (4) disubtitusikan pada Persamaan (1) di dapat : VP 2 4 π 2 re N 2 = re g g

(5)

Untuk sumur pompa : N = kecepatan pompaan re = dapat dihubungkan dengan polished rod, stroke length yaitu : re =

S 2

(6)

23

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Dengan demikian Persamaan (5) menjadi :

α=

2 π2 S N 2 g

(7)

Panjang langkah polished rod biasanya dinyatakan dalam inchi, dan kecepatan pemompaan dalam stroke per menit (SPM), maka :

α=

α=

2 π2 S N 2 32,2

in/min ft/sec

1 ft 2

1 min

12 in 3600 sec 2

S N2 70500

(8)

3.2. Sucker Rod String Sucker rod string ada/didapati pada sumur-sumur yang dalam, dan tidak hanya terdiri dari satu macam diameter, merupakan tapered rod (makin keatas makin besar diameternya, karena membawa beban yang lebih berat). Dengan anggapan bahwa stress disetiap bagian sama (pada puncak masing-masing interval), maka design untuk beberapa bagian (fraksi) dari masing-masing diameter diberikan seperti pada Tabel 1. Pada Tabel 2, R1, R2, R3, dan seterusnya adalah fraksi panjang dari seluruh rod, dan karena umumnya suatu potongan rod mempunyai panjang 25 ft, maka pembulatan selalu 25 ft.

3.3. Effective Plunger Stroke (Sp) Jumlah volume minyak yang diperoleh selama pemompaan tidak tergantung pada panjang polished rod, tetapi tergantung pada gerakan

24

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

relatif plunger terhadap working barrel yang disebut effective plunger stroke.

Tabel 2-2 Kombinasi Untuk Sucker Rod (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984) Ukuran rod pada string Harga R sebagai fungsi Luas Plunger (AP) (in) Catatan : R1 adalah yang bawah atau terkecil

5/8 – 3/4 3/4 – 7/8 7/8 – 1 5/8 – 3/4 – 7/8 3/4 – 7/8 – 1

3/4 – 7/8 – 1 – 1 1/8

R1 R2 R1 R2 R1 R2 R1 R2 R3 R1 R2 R3 R1 R2 R2 R2

= 0.759 – 0.0896 Ap = 0.241 + 0.0896 Ap = 0.786 – 0.0566 Ap = 0.214 + 0.0566 Ap = 0.814 – 0.0375 Ap = 0.186 + 0.0375 Ap = 0.627 – 0.1393 Ap = 0.199 + 0.0737 Ap = 0.175 + 0.0655 Ap = 0.644 – 0.0894 Ap = 0.181 + 0.0478 Ap = 0.155 + 0.0146 Ap = 0.582 – 0.1110 Ap = 0.159 + 0.0421 Ap = 0.137 + 0.0364 Ap = 0.123 + 0.0325 Ap

Pada dasarnya langkah ini berbeda dengan polished rod stroke. Perbedaan ini disebabkan oleh : 1. Adanya rod stretch dan tubing stretch 2. Adanya plunger over travel yang disebabkan adanya percepatan

Dengan demikian perlu diperkirakan adanya rod stretch dan tubing stretch serta over travel. Yang mana hal ini telah dikembangkan oleh Marsh dan Coberly.

25

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Pada saat downstroke, standing valve tertutup dan traveling valve terbuka, beban fluida bekerja pada tubing yang menyebabkan elongasi pada tubing tersebut.

Pada awal Up-stroke, travelling valve tertutup, menimbulkan perpanjangan pada rod dan pembukaan pada standing valve menyebabkan tubing mengalami stretch.kembalinya tubing ke panjang semula menyebabkan working barrel bergerak lebih keatas. Perpanjangan rod menyebabkan plunger bergerak kebawah. Dengan demikian effective plunger stroke berkurang sebesar jumlah perpanjangan rod dan tubing yang disebabkan oleh beban fluida. Untuk suatu deformasi elastik, terdapat perbandingan antara stress yang bekerja pada suatu benda dengan strain yang dihasilkan oleh stress tersebut yang besarnya konstan, yaitu :

E=

Stress Strain

(9)

Dimana: E = modulus elastisita, tergantung pada beban yang dipergunakan Sedangkan stress merupakan gaya persatuan luas, maka : Stress =

F A

(10)

Dan strain adalah fraksi perubahan panjang, yaitu : Strain = e / L

(11)

Gaya (F) dinyatakan dalam Lb, penampang (A) dinyatakan dalam in2. Perpanjangan (e) dan panjang mula-mula (L) dinyatakan dalam satuan

26

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

sama. Umumnya besarnya perpanjangan dalam in. sedangkan panjang dalam ft, dengan demikian Persamaan (11) merubah menjadi :

Strain =

e 12 L

Apabila Persamaan (12) disubtitusikan kedalam

(12) Persamaan (9)

menjadi : E=

e=

F /A 12 FL = e / 12 L eA

12 FL EA

(13)

(14)

Gaya yang disebabkan oleh beban fluida yang disebabkan adanya perbedaan tekanan sepanjang plunger, dan bekerja pada luas permukaan AP, adalah : F = ∆ P x AP

(15)

Apabila dianggap bahwa pompa dipasang pada working fluid level, perbedaan tekanan ( delta P ) pada plunger adalah tekanan kolom fluida dengan specific gravity G, sepanjang L (kedalaman pompa). ∆ P = 0,433 G L

(16)

Untuk suatu hal yang umum, dimana working fluid level terletak pada kedalaman D, tekanan C (dibawah plunger) yang disebabkan oleh kolom fluida didalam casing setinggi (L-D) harus diperhitungkan. Dengan demikian : ∆ P = 0,433 G L - 0,433 G (L - D)

27

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

∆ P = 0,433 G D

(17)

Dari Persamaan (14) : e=

=

12 FL EA

12 x 0,433 G D A P L EA

=

520 G D A L

(18)

EA

Persamaan

(18)

diatas

merupakan

Persamaan

umum.

Persamaan tersebut dapat untuk menghitung perpanjangan dari suatu benda yang mengalami pembebanan. Berdasarkan persamaan (18), maka : 1. Perpanjangan tubing (et) adalah :

e1 = 5,20 G D AP L / E At

(19)

2. Perpanjangan rod string (er) adalah :

er = 5,20 G D AP L / E Ar

Dimana : et = perpanjangan tubing, in er = perpanjangan rod, in G = specific gravity fluida D = working fluid level, ft L = kedalaman letak pompa, ft Ap = Luas penampang plunger, sq-in

(20)

28

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

At = Luas penampang tubing , sq-in Ar = Luas penampang rod, sq-in E = modulus elastisitas = 30 x 10 6 Bila dipasang anchor pada tubing, maka bentuk L/A t , dapat diabaikan. Besarnya Ar, At, Ap, dari masing-masing ukuran rod, tubing atau plunger dapat dilihat pada Tabel (3), (4) dan (5) berikut :

Tabel 3 Data Sucker Rod (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

Rod Size , in ½ 5/8 ¾ 7/8 1 1 1/8

Area Plunger (in2) 0.196 0.307 0.442 0.601 0.785 0.994

Rod Weight (lb/ft) 0.72 1.13 1.63 2.22 2.90 3.67

Konstanta, K 0.046 0.066 0.102 0.117 0.148

Tabel 4 Data Tubing (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

Normal Size (in) 1½ 2 2½ 3 3½ 4

Outside Diameter (in) 1.900 2.375 2.875 3.500 4.000 4.500

Weight (lb/ft) 2.90 4.7 6.50 9.30 11.00 12.75

Wall Area (sqin) 0.800 1.304 1.812 2.59. 3.077 3.601

29

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Tabel 5 Data Plunger Pompa (Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

Diameter In 1 1 1/16 1¼ 1½ 1¾ 1 25/32 2 2¼ 2½ 2¾ 3¾ 4¾

Untuk

Area Aq-in 0.785 0.886 1.227 1.767 2.405 2.448 3.142 3.976 4.909 5.940 11.045 17.721

Pump Content Bbl/day/in/spm 0.116 0.131 0.182 0.262 0.357 0.369 0.466 0.590 0.728 0.881 1.639 2.630

Tappered rod string, perpanjangan rod dicari untuk

masing-masing bagian, yaitu : e1 = 5,20 G D AP L1 / E A1 e2 = 5,20 G D AP L / E A2 ………… dst Dimana : e1 = perpanjangan rod bagian pertama dengan panjang L1 e2 = perpanjangan rod bagian kedua dengan panjang L2 Dari gabungan Persamaan diatas, perpanjangan rod total adalah: er =

5,20 G D A P E

 L1 L 2   + + ...  A1 A 2 

(21)

30

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Rod mengalami perpanjangan akibat berat rod itu sendiri dan beban percepatan. Untuk tappered rod, beban rod bervariasi secara uniform dari harga nol (yaitu dari bagian bawah rod) sampai sebesar Wr (yaitu puncak dari rod). Rata-rata berat dari rod yang menyebabkan perpanjangan adalah Wr/2, apabila dipusatkan pada L/2. Perpanjangan rod yang emngakibatkan berat rod dan beban percepatan, tidak sama besarnya pada waktu upstroke ataupun downstroke. Pada akhir downstroke, perpanjangan rod , adalah :

ed =

12 ( Wr + Wr α ) L/2 E Ar

(22)

Dan perpanjangan pada waktu upstroke , adalah : eu =

12 ( Wr + Wr α ) L/2 E Ar

(23)

Dari Persamaan (22) dan (23) dapat ditentukan perpanjangan yang disebabkan oleh beban percepatan , yaitu : eP = ed - eu =

12 Wr α L E Ar

(24)

Sedang berat rod string, adalah : Wr =

ρr L A r 144

Dimana : α = faktor percepatan ρ r = density rod, lb/cuft ~ 490 lb/cuft untuk baja.

(25)

31

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Maka : eP =

12 L α 490 L A t 40,8 L2 α = E Ar 144 E

(26)

Dimana : E = modulus Young besi = 30 x 10 6 psi Persamaan (26) digunakan untuk untappered rod string, sedangkan untuk tappered rod string dilakukan pendekatan dengan persamaan berikut : eP = (32,8 L2 α ) / E

(27)

Dimana : eP = plunger overtravel, in L = panjang rod, ft α

= faktor percepatan = S N2 /70500

S = panjang langkah, in N = langkah/menit, SPM Persamaan (27) akan memberikan perbedaan sekitar 25%, tetapi hal ini tidak berpengaruh banyak dalam effective plunger stroke. Dengan demikian

effective plunger stroke adalah panjang

langkah (Polished rod stroke) dikurangi dengan perpanjangan rod ditambah dengan (rod & tubing stretch) sebagai akibat beban fluida ditambah dengan plunger overtravel, maka : SP = S + eP – (et + er)

(28)

32

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Penggabungan Persamaan (19), (21), (26), dan (28) didapatkan Persamaan sebagai berikut : SP = S +

40,8 L2 α 5,20 G D A P E E

 L1 L 2   + + ...   A1 A 2 

(29)

Dalam hal ini tappered rod string, Persamaan (29) menjadi :

SP = S +

40,8 L2 α 5,20 G D A P E E

 1 1  +  At Ar

  

(30)

Dimana : L1, L2, L3, … adalah panjang-panjang rod (bila diametrnya berbeda-beda untuk sistem tersebut, ft A1, A2, A3, … adalah luas penampang masing-masing bagian rod yang berbeda-beda untuk, inch2 Catatan : dalam hal tubing dipasang anchor, maka At dapat diabaikan dan Persamaan (29) tidak mengandung At.

3.4. Kecepatan Pompa Akibat dari pemompaan akan timbul getaran yang dialami oleh rod string. Getaran yang dialami rod tersebut adalah merupakan resultan dari getaran aslinya (transmitted wave) dengan getaran yang dipantulkan (reflected wave). Gambaran mengenai terjadinya getaran dari pada rod string adalah seperti pada Gambar 8. Apabila transmitted wave dan reflected wave terjadi serempak (syncronous), maka akibatnya akan terjadi resultan getaran yang maksimum (saling menguatkan). Akan tetapi bila antara kedua macam

33

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

tidak terjadinya saling bergantian (non-syncronous), maka resultanya merupakan getaran yang saling melemahkan. Maka dapatlah dimengerti bahwa kecepatan pemompaan setiap menit harus tidak boleh menimbulkan getaran yang maksimum, karena hal tersebut dapat membahayakan rod string (menyebabkan putus). Sehingga dibuat supaya getaran yang terjadi adalah getaran yang saling melemahkan. Secara teoritis, dengan ketentuan kecepatan getaran pada baja sama dengan 15800 fps, maka akan terjadi getaran non-syncronous, jika : N = 237.000 / n L

(31)

Dimana : N = kecepatan pemompaan, SPM L = panjang sucker rod string, ft n = bilangan tidak bulat Jadi menentukan N dari pemompaan harus dipilih supaya harga n tidak bulat. Dihindarkan harga n = 1,2,3,… dst, karena harga n bulat akan terjadi getaran yang syncronous .

34

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Gambar 8 : Getaran Yang Terjadi Pada Rod String (Craft, B.C., Holden., Well Design Drilling and Production, 1962)

3.5. Perhitungan Counterbalance Fungsi utama Counterbalance adalah menyimpan tenaga pada waktu upstroke dan waktu downstroke serta melepaskan tenaga pada waktu upstroke. Secara teoritis counterbalance effect ideal (Ci) harus sedemikian rupa sehingga prime mover akan membawa beban rata-rata yang sama besarnya baik pada waktu upstroke ataupun pada waktu down stroke (Craft-holden, 1962 & Brown Kermit, 1984), yang dinyatakan sebesar :

Wmax – Ci = Ci - Wmin

(32)

35

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Counterbalance yang ideal adalah : Ci = 0,5 (Wmax + Wmin)

(33)

Dengan menggunakan parameter Wmax dan Wmin yang di dapat dari hasil

perhitungan

Polished

rod

load,

maka

akan

diperoleh

counterbalance effect ideal sebesar : Ci = 0,5 Wf Wr(1-0,127 G)

(34)

3.6. Perhitungan Torsi (Puntiran) Perhitungan

torsi

sangat

erat

hubungannya

dengan

perencanaan counterbalance, karena pumping unit harus bekerja pada torsi yang diijinkan. Torsi dari pumping unit yang bekerja tidak boleh melebihi puntiran yang diijinkan pada gear reducer yang telah ditentukan oleh pabrik pembuatannya. Pada Gambar 9 ditujukan besarnya beban polished rod (W) ditransmisikan ke crank melalui pitman yang bergerak dengan arah vertikal. Dari gambar tersebut puntiran bersih terhadap VCXF dinyatakan (Craft-Holden, 1962), sebagai berikut : T = Wr sin θ - We d sin θ dimana : T

= gaya puntiran, Lbs

W

= beban polished rod, Lbs

We

= counterweight, Lbs

r

= jarak dari crankshaft ke pitman bearing (Gambar 9)

d

= jarak dari crankshaft ke pusat titik O, in

(35)

36

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

θ

= posisi kedudukan crankshaft (Gambar 1-9)

θ

= sudut yang dibentuk oleh crank dengan bidang vertikal, derajat

Apabila geometri dari peralatan permukaan diabaikan, yaitu jarak dari “saddle bearing” ke “tail bearing” serta “struktural unbalance” dari instalasi permukaan, maka akan diperoleh persamaan untuk : Ci = 2 We d / S dimana : C

= Crank Counterbalance, lbs

Wc

= berat Counterbalance, lbs

S

= panjang langkah, in

Gambar 9 : Gaya-gaya Yang Bekerja pada Crank (Craft, Holden., Well Design Drilling and Production)

Substitusi Persamaan (36) ke (35) akan diperoleh :

(36)

37

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

T = W (S/2) sin θ - C (S/2) sin θ = (W - C) (S/2) sin θ

(37)

Harga maksimum untuk variabel-variabel W dan sin θ masing-masing adalah Wmax dan sin θ = 1 atau θ = 90, dengan demikian putiran maksimum (peak torque) adalah : Tp = (Wmax - C) (S/2)

(38)

dimana : Tp

= peak torque maksimum, Lbs

Dalam perhitungan harga peak torque (C) diasumsikan 95% dari harga idealnya (Ci), maka persamaan (38) menjadi : Tp = (Wmax – 0,95 Ci) (S/2)

(39)

4. KAPASITAS POMPA (PUMP DISPLACEMENT) Dengan prinsip torak (piston), maka volume teoritis pemompaan (pump displacement) adalah : V = A P (in 2 ) x Sp (in / stroke) x N

Stroke 1440 menit / hari x menit 9702 in 3 bbl

= 0,1484 Ap Sp N bbl /hari

(40)

Persamaan (40) diatas harga 0,1484 Ap merupakan konstanta untuk suatu diameter plunger tertentu, dan dinotasikan dengan K yang disebut sebagai konstanta pompa (Tabel 3) :

38

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

V = K Sp N bbl/hari

(41)

Untuk mencari harga rate produksi yang sebenarnya dari pump displacement perlu diketahui “effisiensi volumetris” dari pompa tersebut, Ev. Jadi : q = V/Ev

(42)

dimana : q

= rate produksi, bbl/h

V

= pump displacement, bbl/h

Ev

= efisiensi volumetris antara 25 – 100 % tergantung dari gas di sumur tersebut, umumnya diambil antara 75 – 80 %

5. EFISIENSI TOTAL POMPA SUCKER ROD Dengan mengetahui besanya horse power, maka akan dapat ditentukan efisiensi total dari pompa sucker rod. Efisiensi total pompa adalah hasil kali dari dua efisiensi, yaitu efisiensi permukaan (above ground efficiency) dan efisiensi bawah permukaan (bellow ground efficiency). Besarnya horse power yang perlu diketahui disini adalah : 

Polished rod horse power (PRHP)



Hidroulic horse power (HHP)



Power input (power yang dibutuhkan prime mover selama pemompaan berjalan) atau Brake horse power (BHP)

5.1. Beban Polished Rod (Polished Rod Load / PRL)

39

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Selama

siklus

pemompaan

terdapat

lima

faktor

yang

mempengaruhi beban bersih (net load) Polished rod yaitu : a. Beban fluida b. Bobot mati dari pada rod c. Beban percepatan dari pada sucker rod d. Gaya keatas pada sucker rod yang tercelup dalam fluida e. Gaya gesekan Dalam hal ini yang diabaikan beban getaran dan beban percepatan sehubungan dengan fluida yang diangkat. Berat tappered rod string adalah : Wr = M1L1 + M2L2 + … + MnLn

(43)

dimana : M1

= berat rod, section pertama dari tappered rod, Lb/ft

L1

= panjang rod, section pertama, ft

Berat percepatan maksimum adalah Wr α

(44)

Berat percepatan minimum adalah - Wr α

(45)

Dengan menganggap density rod 490 Lb/cuft, volume rod string sama dengan volume fluida yang dipindahkan rod string adalah : Volume =

W berat = r cuft density 490

(46)

Density fluida yang dipindahkan 62,4 G (dimana G = Specific grafity) Lb/cuft. Gaya keatas yang bekerja pada rod, adalah berat fluida yang dipindahkan yaitu, Gaya keatas =

Wr x 62,4 G 490

40

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

= - 0.127 Wr G

(47)

Beban fluida yang digunakan dalam perhitungan beban polished rod adalah berat kolom fluida yang ditahan oleh plunger, volume dari kolom fluida dari plunger dan setinggi rod string adalah : Volume =

L AP cuft 144

(48)

Volume fluida dapat diperoleh dari Persamaan (48) dikurangi Persamaan (46) Volume =

L A P Wr cuft 144 490

(49)

Beban fluida Wf adalah : Wf = 62,4 G {(L AP / 144) – (Wr /490)} Wf = 0,433 G {(L AP – 0,294Wr)}

(50)

Beban fluida tersebut hanya bekerja pada polished rod pada waktu upstroke. Selanjutnya beban gesekan tidak dapat diturunkan secara matematis, tetapi beban ini dapat diperkirakan secara empiris dengan dynamometer tes. Sedangkan untuk keperluan disain, gesekan ini dapat dinyatakan sebagai + F , pada waktu upstroke dan – F pada waktu downstroke. Jadi, beban polished rod maksimum yang terjadi pada waktu upstroke adalah : Wmax = Wf + Wr + Wr α + F

(51)

Beban polished rod minimum yang terjadi saat downstroke : Wmin = Wf - Wr - α - 0,127 Wr G - F

(52)

41

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Jika Persamaan (51) digunakan untuk menghitung beban maksimum, suku yang terakhir diabaikan, oleh karena itu beban gesekan tidak dapat dihitung dengan tepat. Wmax = Wf + Wr ( 1 - α )

(53)

Dengan cara yang sama, perhitungan beban minimun juga dengan mengabaikan beban gesekan. Wmin = Wr ( 1 - α - 0,127 G )

(54)

5.2. Hidraulic Horse Power Hidraulic horse power (HHP) adalah besarnya horse power yang diperlukan pompa untuk mengangkat sejumlah fluida secara vertikal saat pemompaan berlangsung. Hal penting di dalam penentuan horse power ini adalah net lift (LN). pengertian net lift yaitu, jarak angkat efektif pompa dalam satuan ft. besarnya net lift, dapat ditentukan dengan persamaan dibawah :  Wfm LN = Lx  W  fc

  , ft 

dimana : L

= panjang rod string, ft

Wfm

= berat rod + fluida –berat rod, Lbs

Wfc

= berat fluida, Lb

(55)

42

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Selanjutnya

besarnya

horse

power

dapat

ditentukan

dengan

persamaan: HHP = 7,36 x 106 x q G LN, hp

(56)

dimana : q

= rate produksi, BPD

G

= specific gravity fluida

LN

= Net lift, ft

5.3. Brake Horse Power (Power Input) Power input ini menunjukan besarnya horse power yang dibutuhkan oleh prime mover pada operasi pompa sucker rod.ada dua power load yang harus dipertimbangkan selama terjadi gerakan fluida dari pompa ke permukaan, yaitu pertama adalah hidraulic horse power seperti telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, dan kedua adalah friction horse power diberi simbol Hf. harga Friction horse power dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut : Hf =

0,25 Wr . S . N. in - lb/min 12 in/ft x 33000 ft - lb/min/hp

= 6,31 x 10-7 Wr S N ; hp

dimana : Wr

= Berat rod string, lb

S

= Panjang stroke, in

N

= jumlah stroke permenit, spm

(57)

43

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Selanjutnya besarnya Brake horse power (BHP) merupakan penjumlahan hidraulic dan friction horse power. Untuk mengatasi tekanan yang tidak dapat diperkirakan dalam peralatan dipermukaan maka diambil faktor keselamatan sebesar 1,5 . Brake horse power dituliskan : BHP = 1,5 (Hb + Hf)

(1-58)

5.4. Penentuan Efisiensi Total Pompa Sebagaimana dikemukakan diatas bahwa efisiensi total pompa adalah merupakan hasil kali dari dua efisiensi, yaitu efisiensi permukaan (above ground efficiency) dan efisiensi bawah permukaan (bellow ground efficiency). Above ground efficiecy yaitu efisiensi pompa yang berhubungan dengan keperluan horse power oleh prime mover dipermukaan, dan besarnya dinyatakan dengan perbandingan antara polished rod horse power terhadap power input pada prime mover (brake horse power). Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : Above Ground Efficiency = =

Polished rod horse power Brake horse power

PRHP , Hp BHP

(59)

Bellow ground efficiecy yaitu efisiensi yang berkaitan dengan perlatan bawah permukaan di dalam mengangkat fluida kepermukaan, besarnya efisiensi ini dinyatakan dengan perbandingan antara horse power terhadap polished rod horse power dan secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :

44

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

Bellow Ground Efficiency = =

Hydraulic horse power Polish Rod horse power

HHP , Hp PRHP

(60)

Sehingga besarnya efisiensi total pompa adalah : Overall Efficiency Ground Efficiency (Efisiensi total) bawah permukaan) =

=

Above Ground Efficiency (Efisiensi permukaan )

PRHP HHP x , Hp BHP PRHP

TEORI DASAR

x Below (Efisiensi

(61)

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP)

POMPA ANGGUK (SUCKER ROD PUMP)

MATERI

1.

PERALATAN POMPA SUCKER ROD 1.1. Peralatan Di Atas Permukaan 1.2. Peralatan Di Bawah Permukaan

2.

PRINSIP KERJA POMPA SUCKER ROD

3.

ANALISA PERHITUNGAN PERALATAN POMPA 3.1. Analisa Gerakan Pompa 3.2. Sucker Rod String 3.3. Effective Plunger Stroke 3.4. Kecepatan Pompa 3.5. Perhitungan Counterbalance 3.6. Perhitungan Torsi

4.

KAPASITAS POMPA

5.

EFISIENSI TOTAL POMPA SUCKER ROD 5.1. Beban Polished Rod 5.2. Hydraulic Horse Power 5.3. Brake Horse Power 5.4. Penentuan Efisiensi Total Pompa

45