74256938 pompa sucker rod

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 prime mover menjadi langkah

pemompaan yang sesuai.

1


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

2


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.

3


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.

4


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.

5


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 merupakan tempat dimana plunger dapat bergerak 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).

6


b. 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)

7


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.

8


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.

9


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.

10


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 , 1.5, 1 .

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.

11


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 1Klasifikasi Pompa Standart API

(Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984)

TIPE POMPAKLASIFIKASI

FULL BARREL LINER BARREL

Tubing dengan regular shoe TW TLTubing dengan regular shoe dan nipple TWE TLERod, stationary barrel top hold down RWA RLARod, stationary barrel-bottom hold down RWB RLB

Rod, travelling barrel RWT RLT

12


Gambar 3 : Peralatan Bawah Permukaan Jenis Tubing Pumpdan Rod Pump


13


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

14


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

15


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 .

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.

16

Pompa Angguk (Sucker Rod Pump - SRP) 17


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 naik-

turun 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.

18


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

3. ANALISA PERALATAN POMPA

19


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.

a g

Wr

Faktor percepatan atau faktor dimana bobot mati dari rod harus

dikalikan dengan faktor kecepatan ini untuk mendapatkan beban

percepatan yang maksimal, dinyatakan sebagai :

g

a = (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.

20


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 :

21


e

2p

r

V =a (2)

Dimana :

Vp = kecepatan partikel

re = jari-jari lingkaran

Apabila waktu untuk satu kali putaran, maka :

pi=

eP

r 2 V (3)

Apabila N = jumlah putaran persatuan waktu :

N r 2 V ep = (4)

Dimana N = 1/ , jika Persamaan (2), (4) disubtitusikan pada

Persamaan (1) di dapat :

g N r 4

g r

V 2e2

e

2P pi

= (5)

Untuk sumur pompa :

N = kecepatan pompaan

re = dapat dihubungkan dengan polished rod, stroke length

yaitu :

2S re = (6)

22


Dengan demikian Persamaan (5) menjadi :

gN S 2

22pi= (7)

Panjang langkah polished rod biasanya dinyatakan dalam inchi, dan

kecepatan pemompaan dalam stroke per menit (SPM), maka :

22

22

sec 3600 in 12 ft/sec 32,2 min 1ft 1 in/min N S 2 pi=

70500N S

2= (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

23


relatif plunger terhadap working barrel yang disebut effective plunger

stroke.

Tabel 2-2Kombinasi Untuk Sucker Rod


Ukuran rod pada string (in)

Harga R sebagai fungsi Luas Plunger (AP)Catatan : R1 adalah yang bawah atau terkecil

5/8 3/4 R1 = 0.759 0.0896 Ap R2 = 0.241 + 0.0896 Ap3/4 7/8 R1 = 0.786 0.0566 Ap R2 = 0.214 + 0.0566 Ap7/8 1 R1 = 0.814 0.0375 Ap R2 = 0.186 + 0.0375 Ap

5/8 3/4 7/8R1 = 0.627 0.1393 Ap R2 = 0.199 + 0.0737 ApR3 = 0.175 + 0.0655 Ap

3/4 7/8 1R1 = 0.644 0.0894 Ap R2 = 0.181 + 0.0478 ApR3 = 0.155 + 0.0146 Ap

3/4 7/8 1 1 1/8

R1 = 0.582 0.1110 Ap R2 = 0.159 + 0.0421 ApR2 = 0.137 + 0.0364 ApR2 = 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.

24


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 :

StrainStress E = (9)

Dimana:

E = modulus elastisita, tergantung pada beban yang dipergunakan

Sedangkan stress merupakan gaya persatuan luas, maka :

AF tressS = (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

25


sama. Umumnya besarnya perpanjangan dalam in. sedangkan

panjang dalam ft, dengan demikian Persamaan (11) merubah menjadi :

L 12etrain S = (12)

Apabila Persamaan (12) disubtitusikan kedalam Persamaan (9)

menjadi :

A eFL 12

L 12 / e /AF E == (13)

A EFL 12 e = (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)

26


P = 0,433 G D (17)

Dari Persamaan (14) :

A EFL 12 e =

A ELA DG 0,433 x 12 P=

A ELA DG 520

= (18)

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 (20)

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

27


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 3Data Sucker Rod


Rod Size , in Area Plunger (in2)Rod Weight

(lb/ft) Konstanta, K 0.196 0.72

5/8 0.307 1.13 0.046 0.442 1.63 0.066

7/8 0.601 2.22 0.1021 0.785 2.90 0.117

1 1/8 0.994 3.67 0.148

Tabel 4Data Tubing


Normal Size (in)

Outside Diameter (in)

Weight (lb/ft)

Wall Area (sq-in)

1 1.900 2.90 0.8002 2.375 4.7 1.304

2 2.875 6.50 1.8123 3.500 9.30 2.59.

3 4.000 11.00 3.0774 4.500 12.75 3.601

28


Tabel 5Data Plunger Pompa


DiameterIn

AreaAq-in

Pump ContentBbl/day/in/spm

1 0.785 0.1161 1/16 0.886 0.1311 1.227 0.1821 1.767 0.2621 2.405 0.357

1 25/32 2.448 0.3692 3.142 0.466

2 3.976 0.5902 4.909 0.7282 5.940 0.8813 11.045 1.6394 17.721 2.630

Untuk 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 L1e2 = perpanjangan rod bagian kedua dengan panjang L2

Dari gabungan Persamaan diatas, perpanjangan rod total adalah:

++= ... AL

AL

EA DG 5,20 e

2

2

1

1Pr (21)

29


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 :

( )r

rrd A E

L/2 W W 12 e += (22)

Dan perpanjangan pada waktu upstroke , adalah :

( )r

rru A E

L/2 W W 12 e += (23)

Dari Persamaan (22) dan (23) dapat ditentukan perpanjangan yang

disebabkan oleh beban percepatan , yaitu :

r

r udP A E

L W12 e - e e == (24)

Sedang berat rod string, adalah :

144A L W rrr

= (25)

Dimana :

= faktor percepatan

r = density rod, lb/cuft ~ 490 lb/cuft untuk baja.

30


Maka :

EL 40,8

144A L 490

A E

L 12 e2

t

rP

=

= (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 ) / E (27)

Dimana :

eP = plunger overtravel, in

L = panjang rod, ft

= 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)

31


Penggabungan Persamaan (19), (21), (26), dan (28) didapatkan

Persamaan sebagai berikut :

++

+= ... AL

AL

EA DG 5,20-

EL 40,8 S S

2

2

1

1P2

P (29)

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

+

+= A1

A1

EA DG 5,20-

EL 40,8 S S

rt

P2

P (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

32


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 .

33


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)

34


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 - We d sin (35)

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


= posisi kedudukan crankshaft (Gambar 1-9)

= 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 (36)

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


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

= (W - C) (S/2) sin (37)

Harga maksimum untuk variabel-variabel W dan sin masing-masing

adalah Wmax dan sin = 1 atau = 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 :

bbl in9702harimenit / 1440x

menitStroke N x stroke)(in / Sp x )in(A V 3

2P=

= 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) :

37


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)

38


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 (44)

Berat percepatan minimum adalah - Wr (45)

Dengan menganggap density rod 490 Lb/cuft, volume rod string

sama dengan volume fluida yang dipindahkan rod string adalah :

cuft 490W

densityberat Volume r== (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,

G 62,4 x 490W keatas Gaya r=

39


G W0.127 - r= (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 :

cuft 144

A L Volume P= (48)

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

cuft490W -

144A L Volume rP= (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 + F (51)

Beban polished rod minimum yang terjadi saat downstroke :

Wmin = Wf - Wr - - 0,127 Wr G - F (52)

40


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 - ) (53)

Dengan cara yang sama, perhitungan beban minimun juga

dengan mengabaikan beban gesekan.

Wmin = Wr ( 1 - - 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 :

ft,WWLx LN

fc

fm

= (55)

dimana :

L = panjang rod string, ft

Wfm = berat rod + fluida berat rod, Lbs

Wfc = berat fluida, Lb

41


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 :

lb/min/hp-ft 33000/ft x in 12lb/min-in N. . S . W0,25 Hf r=

= 6,31 x 10-7 Wr S N ; hp (57)

dimana :

Wr = Berat rod string, lb

S = Panjang stroke, in

N = jumlah stroke permenit, spm

42


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 :

power horse Brakepower horse rod Polished Efficiency Ground Above =

= HpBHPPRHP , (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 :

43


power horse RodPolish power horse Hydraulic Efficiency Ground Bellow =

= Hp,PRHPHHP

(60)

Sehingga besarnya efisiensi total pompa adalah :

Overall Efficiency = Above Ground Efficiency x Below Ground Efficiency (Efisiensi total) (Efisiensi permukaan ) (Efisiensi bawah permukaan) = Hp,

PRHPHHP x

BHPPRHP (61)

TEORI DASAR

44


POMPA ANGGUK (SUCKER ROD PUMP)

M A T E R I

1. PERALATAN POMPA SUCKER ROD1.1. Peralatan Di Atas Permukaan1.2. Peralatan Di Bawah Permukaan

2. PRINSIP KERJA POMPA SUCKER ROD3. ANALISA PERHITUNGAN PERALATAN POMPA

3.1. Analisa Gerakan Pompa3.2. Sucker Rod String3.3. Effective Plunger Stroke3.4. Kecepatan Pompa3.5. Perhitungan Counterbalance3.6. Perhitungan Torsi

4. KAPASITAS POMPA5. EFISIENSI TOTAL POMPA SUCKER ROD

5.1. Beban Polished Rod5.2. Hydraulic Horse Power5.3. Brake Horse Power5.4. Penentuan Efisiensi Total Pompa

45

Gambar 1 : Jenis-jenis Pompa Angguk (Sucker Rod Pump)

74256938 pompa sucker rod

Documents