Hampir sebagian besar gas bumi mengandung sejumlah uap air dalam jumlah yang cukup besar pada waktu diproduksikan dari separator atau dipisahkan dari aliran minyak bumi (gas asso)

Penelitian Penanggulangan Pembentukan Hidrat

pada Fasilitas Produksi Migas

BAB I

TINJAUAN PUSTAKA

Hampir sebagian besar gas bumi mengandung sejumlah uap air dalam jumlah yang cukup besar pada waktu diproduksikan dari sumur atau dipisahkan dari aliran minyak bumi. Uap air tersebut akan terkondensasi sepanjang perjalanannya dari reservoir menuju ke permukaan sumur akibat terjadinya penurunan tekanan dan temperatur. Air bebas hasil dari kondensasi selain dapat mempercepat terjadinya korosi juga dapat membentuk hidrat yang akan menyumbat aliran gas bumi baik dalam sistem pipa maupun pada peralatan proses yang dilewatinya. Bahkan jika gas bumi yang membawa hidrat tersebut mengalir pada kecepatan yang cukup tinggi maka kemungkinan yang terjadi adalah dapat menyebabkan kebocoran pipa dibagian belokan akibat tumbukan oleh hidrat secara terus menerus seperti yang terlihat pada Gambar 1.1 di bawah.;

Gambar 1.1 Aliran hidrat gas pada kecepatan tinggi dapat menyebabkan kebocoran peralatan yang dilewatinyaHidrat adalah senyawa padat berbentuk seperti es atau salju tetapi tidak memiliki struktur es. Hidrat terbentuk dari reaksi antara gas bumi dengan air dengan komposisi sekitar 15% hidrokarbon dan 85% air. Hidrat memiliki spesifikasi gravity sekitar 0.98 dan akan mengapung dalam air serta tenggelam dalam hidrokarbon cair. Hidrat dapat terbentuk dalam sistem air dan sejumlah kecil molekul seperti Metana, Etana, Propane, i-butana, CO2 dan Nitrogen. Formula kimia*) gas hidrat secara umum adalah sebagai berikut; Methane

CH4.6H2O

Ethane

C2H6.8H2O

Propane

C3H8.17H2O

Carbon dioksidaCO2.7H2OHidrogen SulfidaH2S.6H2O

Nitrogen

N2.6H2OIso Butana

i-C4H10.17H2O

*) Gas Conditioning and Processing The Basic Principle (Page 155)Normal butana dapat membentuk hidrat tetapi sangat tidak stabil. Semua hidrokarbon parafin yang lebih besar dari butana tidak akan membentuk hidrat. Pada pengeboran dan operasi produksi fluida hidrokarbon di offshore terutama di laut dalam, hidrat gas sangat berpotensi sebagai sumber dari masalah-masalah flow assurance. Pada pengeboran laut dalam, tingginya tekanan hidrostatik dalam lubang fluida serta reltip rendahnya temperatur laut dalam akan memberikan kondisi termodinamika yang mendukung bagi terbentuknya hidrat. gas Hal ini akan menyebabkan masalah serius pada kontrol dan keamanan sumur. Kerugian terbesar dalam produksi minyak dan gas bumi dengan kehadiran hidrat adalah hilangnya sebagian produksi minyak / gas bumi akibat terhambatnya aliran produksi minyak / gas bumi tersebut.Secara garis besar masalah pembentukan hidrat dalam pengembangan lapangan minyak dan gas bumi terbagi dalam dua area yaitu area pengeboran (bawah tanah) dan area produksi (atas tanah);Pengeboran

Pembentukan hidrat gas selama pengeboran fluida hidrokarbon dapat menyebabkan masalah-masalah sebagai berikut;

Gas hidrat dapat terbentuk dalam drill string, blow-out preventer (BOP) stack, choke dan kill line. Hal ini sangat berpotensial menimbulkan kondisi-konsisi yang membahayakan seperti; penyumbatan aliran fluida dan menghambat gerakan drill string, Gas hidrat terdiri dari lebih dari 85% air. Formasi tersebut dapat mengurangi secara signifikan sejumlah air dari fluida pengeboran yang pada akhirnya akan merubah properties daripada fluida tersebut. Hal ini akan menghasilkan pengendapan garam, peningkatan berat fluida, dan pembentukan padatan.Produksi

Pada pengembangan lapangan-lapangan gas dan minyak bumi khususnya di laut dalam, kesulitan dalam operasi produksi akan meningkat dengan kehadiran hidrat gas. Area yang berhubungan dengan pembentukan hidrat dalam operasi produksi minyak dan gas bumi adalah pada peralatan aliran multifasa dari kepala sumur ke platform produksi seperti pipa, choke, fitting, dan sebagainya dimana tingginya tekanan operasi dan rendahnya temperatur laut akan memperbesar kemungkinan terbentuknya hidrat yang akan beresiko terhadap adanya penyumbatan aliran fluida hidrokarbon. Fasilitas lainnya yang terkena dampak akibat pembentukan hidrat adalah peralatan proses di paltform produksi.1.1STRUKTUR HIDRAT GASStruktur gas hidrat merupakan struktur yang sangat teratur dimana molekul-molekul hidrokarbon terperangkap dalam molekul-molekul air membentuk suatu kristal hidrat. Dalam struktur kristal terdapat rongga-rongga yang ukurannya dapat berbeda-beda tergantung pada jenis struktur yang dibentuk. Struktur hidrat dibentuk dari campuran gas-gas sederhana seperti metana, etana, propana, dan i-butana dan sensitif terhadap komposisi dan kondisi operasi dari gas tersebut. Gambar berikut merupakan contoh struktur hidrat dimana suatu molekul gas terperangkap dalam rongga es.

Gambar 1.2 Molekul gas dalam rongga es

Struktur hidrat terbagi menjadi tiga jenis yaitu struktur I (sI), struktur II (sII), dan struktur H (sH). Struktur-struktur tersebut menggambarkan perbedaan susunan molekul-molekul air yang menghasilkan perbedaan bentuk dan ukuran rongga-rongga kristal meskipun tidak signifikan. Struktur I dan II mengandung dua jenis rongga (kecil dan besar) sedangkan Strukur H terdiri mengandung tiga jenis rongga yaitu kecil, sedang dan besar. Struktur I dan II adalah struktur yang paling umum ditemukan pada hidrat gas. Ukuran rongga strukur II (17 oA) sedikit lebih besar dibandingkan dengan struktur I (12 oA) dan kedua struktur tersebut dapat dibedakan pada rasio antara rongga kecil dan rongga besarnya. Ukuran dan bentuk molekul suatu senyawa akan menentukan jenis struktur yang akan dibentuk. Bila terjadi kesetimbangan dengan air, senyawa murni seperti etana dan propana akan membentuk hidrat struktur I sedangkan senyawa murni seperti propana dan i-butana akan membentuk hidrat struktur II. Gambar 1.3 berikut merupakan tiga jenis rongga yang ada dalam struktur I dan II dari hidrat metana;

Gambar 1.3 Tiga jenis rongga yang ada dalam struktur I dan II hidrat metana

Seperti yang telah dijelaskan di atas bahwa senyawa-senyawa yang dapat membentuk hidrat adalah senyawa-senyawa yang ukuran molekulnya dapat masuk dan terperangkap dalam rongga-rongga kristal air. Jika ukuran molekul terlalu besar untuk menempati rongga maka molekul tersebut dapat merusak kisi-kisi kristal dan hidrat tidak akan terbentuk. Sebaliknya jika ukuran molekulnya terlalu kecil seperti hidrogen dan helium maka pembentukan hidrat juga tidak akan terjadi dikarenakan molekul tidak dapat terperangkap dalam rongga-rongga kristal air. Dalam suatu hidrat berstruktur H, molekul-molekul besar seperti senyawa butana dapat bekerjasama dengan molekul-molekul yang lebih kecil seperti metana untuk membentuk hidrat yang stabil. Meskipun demikian, hidrat bestruktur H ini jarang sekali ditemukan. Gambar 1.4 berikut merupakan dua jenis rongga yang unik yang ada dalam struktur H dari hidrat metana;

Gambar 1.4 Dua jenis rongga unik yang ada dalam struktur H hidrat metana1.2PREDIKSI PEMBENTUKAN HIDRAT GASTemperatur pada saat terbentuknya hidrat tergantung pada komposisi aktual dan tekanan gas bumi dalam aliran. Grafik prediksi tekanan dan temperatur pembentukan hidrat dapat dilihat pada Gambar 3.3 berikut ini;

Gambar 3.3 Tipikal Kurva Pembentukan HidratPembentukan hidrat sering dibingungkan dengan kondensasi sehingga perbedaan keduannya harus didefinisikan secara jelas. Kondensasi air dari sistem gas bumi terjadi bila temperatur uap air berada pada atau dibawah titik embunnya sedangkan air bebas yang diperoleh dari hasil kondensasi belum tentu dapat membentuk hidrat apabila temperaturnya tidak mendukung untuk terbentuknya hidrat. Dengan demikian, kondisi operasi pembentukan hidrat belum tentu sama dengan kondisi operasi kondensasi air.

Kondisi-kondisi yang cenderung mendukung terbentuknya hidrat gas adalah sebagai berikut;

a. Temperatur gas bumi berada atau dibawah titik embun air apabila terdapat air bebas.

b. Temperatur gas bumi berada dibawah temperatur pembentukan hidrat untuk tekanan dan komposisi gas tertentu.

c. Tekanan operasi gas bumi cukup tinggi sehingga menaikkan temperatur pembentukan hidrat.

d. Kecepatan alir gas bumi atau turbulensi yang cukup tinggi dalam pipa atau peralatan proses.

e. Kehadiran sejumlah kecil kristal-kristal hidrat.

f. Kehadiran CO2 atau H2S yang kondusif terhadap pembentukan hidrat karena kedua gas asam tersebut lebih larut dalam air dibandingkan hidrokarbon.

Pembentukan hidrat dibagi dalam dua katagori :

1. Pembentukan hidrat akibat penurunan temperatur dengan tanpa penurunan tekanan secara tiba-tiba. Contoh; pembentukan hidrat dalam flow string atau surface line. Seperti telah disebutkan di atas, air bebas merupakan faktor utama pembentuk hidrat. Air bebas hampir selalu ada selama pengetesan sumur karena dalam reservoir gas, air berada dalam keadaan saturated sehingga dengan menurunnya tekanan dan temperatur selama perjalanannya ke atas permukaan, air tersebut akan terkondensasi. Temperatur hidrat tergantung pada tekanan dan komposisi aktual gas bumi (dicerminkan oleh nilai spesifik gravity). Gambar dalam lampiran menunjukkan kurva tekanan dan temperatur pembentukan hidrat pada berbagai nilai spesifik gravity gas bumi. Dalam gambar tersebut, hidrat akan terbentuk pada daerah disebelah kiri kurva.2. Pembentukan hidrat akibat menurunnya temperatur dengan disertai menurunnya tekanan secara tiba-tiba. Contoh; pembentukan hidrat dalam orifice, back pressure regulator, atau choke.Seperti telah disebutkan di atas, air bebas merupakan faktor utama pembentuk hidrat gas. Air bebas hampir selalu ada selama pengetesan sumur karena dalam reservoir gas, air berada dalam keadaan jenuh sehingga dengan menurunnya tekanan dan temperatur selama perjalanannya ke atas permukaan, air tersebut akan terkondensasi. Temperatur hidrat tergantung pada tekanan dan komposisi aktual gas bumi. Gambar berikut