ANALISIS METODE PERHITUNGAN DAN PEMILIHAN JENIS POMPA SUCKER ROD BERDASARKAN STANDAR API

RP 11L DI LAPANGAN JABUNG, PETROCHINA INTERNATIONAL JABUNG LTD

TUGAS SARJANA

Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik

Oleh :

Indra Pratama

13107117

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2011

Lembar Pengesahan

Tugas Sarjana

Analisis Metode Perhitungan dan Pemilihan Jenis Pompa Sucker Rod Berdasarkan Standar API RP 11L di Lapangan Jabung, PetroChina International Jabung Ltd

Oleh :

Indra Pratama

13107117

Program Studi Teknik Mesin

Institut Teknologi Bandung

Disetujui pada Tanggal 30 September 2011

Pembimbing

Ir. Arianto Santoso, MSc.

Bacalah dengan nama Tuhanmu, Yang menciptakan. Dia telah

menciptakan manusia dari segumpal darah. Bacalah! dan

Tuhanmulah Yang Maha Pemurah. Yang telah mengajar

dengan pena. Dia telah mengajarkan kepada manusia apa yang

tidak diketahuinya.

(Q.S Al Alaq 1-5)

Sesungguhnya perintah-Nya apabila Dia menghendaki sesuatu

hanyalah berkata kepadanya : Jadilah! maka terjadilah ia.

(Q.S Yaasin 82)

Tugas Sarjana

Judul

Analisis Metode Perhitungan dan Pemilihan Jenis Pompa Sucker Rod Berdasarkan Standar API RP 11L di Lapangan Jabung, PetroChina

International Jabung Ltd

Indra Pratama

Program Studi Teknik Mesin 13107117

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung

Abstrak

Salah satu jenis metode pengangkatan buatan dalam produksi minyak bumi adalah pengangkatan dengan pompa sucker rod (SRP). Tujuan dari tugas akhir ini adalah melakukan analisis metode perhitungan dan pemilihan pompa sucker rod berdasarkan standar API. Sumur yang dikaji yakni adalah sumur Ripah-14 yang terletak di lapangan Jabung-Jambi milik perusahaan PetroChina International Jabung Ltd.

Jenis pompa sucker rod yang digunakan dalam desain sistem tersebut yakni tipe konvensional dimana proses desainnya menggunakan standar API RP 11L. Target produksi yang diinginkan yaitu 50 bpd, 75 bpd dan 100 bpd. Setelah proses desain sistem tersebut didapatkan maka langkah selanjutnya adalah menghitung analisis tegangan pd rod string dimana tegangan maksimum yang terjadi harus dibawah tegangan yang diijinkan. Langkah terakhir adalah menghitung daya motor listrik yang diperlukan sebagai penggerak pompa sucker rod tersebut. Tujuan lain dari tugas akhir ini adalah membandingkan polished rod horse power (PRHP) yang diperlukan untuk menggerakkan pompa downhole antara metode API dan metode mills serta menghitung secara teoritik efisiensi pompa downhole pada ketiga laju hisap tersebut dengan menggunakan persamaan energi.

Hasil yang didapat yakni hanya dibutuhkan satu jenis tipe surface pump dan pompa downhole untuk mengatasi ketiga jenis laju hisap pompa tersebut dengan mengatur beberapa karakteristik operasi. Didapatkan hasil yang berbeda tetapi tidak terlalu jauh pada perhitungan PRHP yang diperlukan pada ketiga jenis laju hisap pompa tersebut antara metode API dan metode mills. Perhitungan efisiensi pompa downhole pada ketiga laju hisap pompa tersebut, nilai efisiensi masih terletak sesuai dengan nilai ideal yakni antara 80% sampai dengan 95%

Final Project

Title

Sucker Rod Pumping Calculations and Elections Method Based on API RP 11L Standard at Jabung Field, PetroChina

International Jabung Ltd

Indra Pratama

Major Mechanical Engineering 13107117 Faculty of Mechanical and Aerospace Engineering

Institute of Technology Bandung

Abstract

One type of artificial lift method is sucker rod pumping (SRP). The objectives of this final project are to analyse sucker rod pumping calculation and selection method based on API standard for Ripah-14 well at Jabung Field, Jambi of PetroChina International Jabung Ltd.

Type of sucker rod pump used in this design is the conventional type which is designed based on API RP 11L. The required production target are 50 bpd, 75 bpd and 100 bpd. After calculating design process, the next step is to calculate stress at rod string that should be fall below the value of allowable stress. Last step is to calculate electric power motor used for the prime mover of that sucker rod pump. The other objectives of this final project are to compare polished rod horse power (PRHP) needed based on API method and mills method calculation and to calculate teoritically downhole pump efficiency based on data from API method calculation at those three production targets using energy equations.

The analysis shows that only one type of surface pump and downhole pump needed to overcome or serve those three production targets with some settings on those operational characteristic. There is a slight different value between PRHP calculations needed for those three production tagets based on API method and mills method. From the result of downhole pump efficiency calculations for those three production target, good values of efficiency are achieved which lie between 80% to 95%.

i

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan bimbingan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir dengan judul Kalkulasi Desain Sistem Pompa Sucker Rod Berdasarkan Metode Api Serta Analisis Desain PRHP dan Efisiensi Pompa Downhole di Lapangan Jabung, PetroChina International Jabung Ltd ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan program sarjana di Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara ITB. Dengan selesainya tugas akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ir. Arianto Santoso, Msc. yang sudah memberikan bimbingan hingga

selesainya tugas akhir ini.

2. Bapak Merri Iriadi dan Ibu Pujiutami Prayogo selaku facilities superintendent dan senior training supervisor atas bimbingan dan kesempatan yang diberikan untuk melaksanakan tugas akhir di perusahaan.

3. Mas Satriyo Adi Pangarso selaku mentor pembimbing tugas akhir di PetroChina International Jabung Ltd.

4. Orang tua, adik, dan keluarga besar atas doa, dukungan, dan tantangannya untuk lulus segera.

5. Teman dekat penulis, Adita Gayatri, atas doa dan motivasi untuk cepat menyelesaikan tugas akhir.

6. Teman-teman seperjuangan di program tugas akhir semester 2 2010/2011 PetroChina International Jabung dan Laboratorium Mesin Fluida Teknik Mesin ITB.

7. Semua pihak yang telah membantu terselesaikannya tugas akhir ini. Penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan dan kelemahan dalam tugas akhir ini, sehingga penulis mengharapkan segala masukan, kritik, dan saran. Akhir kata penulis berharap semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembacanya.

Bandung, September 2011

Penulis

ii

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR....................................................................................... i DAFTAR ISI...................................................................................................... ii

DAFTAR GAMBAR.......................................................................................... iv DAFTAR TABEL............................................................................................... vi

DAFTAR SIMBOL............................................................................................ vii Bab 1 Pendahuluan............................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang........................................................................................ 1

1.2 Identifikasi Masalah................................................................................ 2 1.3 Tujuan...................................................................................................... 3 1.4 Manfaat.................................................................................................... 3

1.5 Batasan Masalah...................................................................................... 3 1.6 Metodologi Penelitian............................................................................. 4 1.7 Sistematika Penulisan.............................................................................. 5

Bab 2 Dasar Teori.............................................................................................. 7 2.1 Sistem Peralatan Pompa Sucker Rod...................................................... 7

2.1.1 Peralatan Permukaan...................................................................... 7

2.1.1.1 Prime Mover...................................................................... 8 2.1.1.2 Pumping Unit..................................................................... 9

2.1.2 Rod String..................................................................................... 14 2.1.3 Peralatan Bawah Permukaan..........................................................15

2.1.3.1 Rod Drawn Pump.............................................................. 16 2.1.3.2 Standing Valve................................................................... 18 2.1.3.3 Travelling Valve................................................................. 19 2.1.3.4 Plunger............................................................................... 20 2.1.3.5 Barrel................................................................................. 21 2.1.3.6 Gas Anchor........................................................................ 24 2.1.3.6 Tubing Anchor................................................................... 26

2.2 Prinsip Kerja Pompa Sucker Rod............................................................ 28 2.2.1 Gambaran Umum........................................................................... 28

iii

2.2.2 Gerak Pemompaan......................................................................... 29 2.2.2.1 Gerak Harmonik Sederhana............................................... 29 2.2.2.2 Gerak Crank-Pitman.......................................................... 30

2.2.3 Gerak Polished Rod....................................................................... 31 2.2.4 Langkah Efektif Plunger............................................................... 32 2.2.5 Efisiensi Pemompaan..................................................................... 34

2.3 Metode Prediksi Kelakuan Pompa Sucker Rod....................................... 34 2.3.1 Beban Polished Rod...................................................................... 35

2.3.1.1 Beban Maksimum dan Minimum...................................... 35 2.4 Metode Analisis Efisiensi Pompa Downhole Bedasarkan Polished Rod

Horse Power ............................................................................................ 39 Bab 3 Metode Desain Sistem Pompa Sucker Rod Berdasarkan API RP 11L dan

Analisis.................................................................................................... 44

3.1 Pembuatan Kurva IPR............................................................................. 44 3.2 Desain Sistem Pompa Sucker Rod Menurut Standar API RP 11L.......... 48 3.3 Analisis Rod Stress.................................................................................. 59 3.4 Perhitungan Daya Motor Listrik yang Diperlukan.................................. 60 3.5 Diagram Alir Desain Sistem Pompa Sucker Rod dan Analisis............... 62

Bab 4 Studi Kasus.............................................................................................. 63 4.1 Desain Sistem Pompa Sucker Rod Berdasarkan Metode API RP 11L dan

Analisis.................................................................................................... 64 4.1.1 Laju Fluida di Permukaan 50 bpd.................................................. 66 4.1.2 Laju Fluida di Permukaan 75 bpd.................................................. 77 4.1.3 Laju Fluida di Permukaan 100 bpd................................................ 73

4.2 Analisis Pengaruh Kedalaman Pompa Terhadap Polished Rod Horse Power Berdasarkan Metode API RP 11L dan Metode Mills.................. 76 4.2.1 Laju Fluida di Permukaan 50 bpd.................................................. 76 4.2.2 Laju Fluida di Permukaan 75 bpd.................................................. 84 4.2.3 Laju Fluida di Permukaan 100 bpd................................................ 92

4.3 Analisis Efisiensi Pompa Downhole berdasarkan Polished Rod Horse Power yang Didapatkan dari Metode API RP 11L............................... 100 4.3.1 Laju Fluida di Permukaan 50 bpd............................................... 100

iv

4.3.2 Laju Fluida di Permukaan 75 bpd.................................................. 107 4.3.3 Laju Fluida di Permukaan 100 bpd................................................ 114

Bab 5 Hasil dan Pembahasan............................................................................. 121 5.1 Hasil Desain Sistem Pompa Sucker Rod Berdasarkan Metode API RP

11L.......................................................................................................... 121

5.2 Hasil Analisis Pengaruh Kedalaman Pompa Terhadap PRHP Berdasarkan Metode API RP 11L dan Metode Mills serta Perbandingan PRHP Antara Metode API RP 11L dan Metode Mills.................................................. 122

5.3 Hasil Analisis Efisiensi Desain Pompa Downhole Berdasarkan Polished Rod Horse Power dari Metode API RP 11L........................................... 127

Bab 6 Kesimpulan dan Saran............................................................................. 128 6.1 Kesimpulan.............................................................................................. 128 6.2 Saran........................................................................................................ 129

DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 130

LAMPIRAN........................................................................................................ 131 Lampiran A..................................................................................................... 131

Lampiran B..................................................................................................... 132 Lampiran C..................................................................................................... 133

v

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Peralatan permukaan pompa angguk........................................... 8 Gambar 2.2 Pumping unit konvensional......................................................... 10 Gambar 2.3 Pumping unit air balance............................................................ 11 Gambar 2.4 Pumping unit mark II...................................................................12 Gambar 2.5 Tubing pump................................................................................ 16 Gambar 2.6 Rod pump..................................................................................... 17 Gambar 2.7 Two stage pump........................................................................... 18 Gambar 2.8 Kedudukan valve pada saat upstroke dan downstroke................ 19 Gambar 2.9 Soft packed plunger..................................................................... 20 Gambar 2.10 Metal to metal plunger................................................................ 21 Gambar 2.11 Jenis pompa menurut standar API RP 11AR.............................. 22 Gambar 2.12 Natural gas anchor...................................................................... 24 Gambar 2.13 Packer gas anchor....................................................................... 25 Gambar 2.14 Poor-boy gas anchor................................................................... 25 Gambar 2.15 Compression anchor.................................................................... 26 Gambar 2.16 Tubing anchor-catcher................................................................ 27 Gambar 2.17 Gerakan pemompaan................................................................... 28 Gambar 2.18 Gerak harmonik sederhana.......................................................... 29 Gambar 2.19 Gerakan crank-pitman................................................................. 30 Gambar 2.20 Gerakan polished rod.................................................................. 32 Gambar 2.21 Peregangan rod dan peregangan tubing...................................... 33 Gambar 2.22 Ilustrasi sumur minyak dan instalasinya......................................39 Gambar 2.23 Diagram moody untuk jenis pipa tertentu................................... 40 Gambar 2.24 Diagram moody........................................................................... 41 Gambar 3.1 Ilustrasi tekanan dasar reservoir (Pr) dan tekanan alir dasar sumur

(Pwf)............................................................................................. 45 Gambar 3.2 Ilustrasi perhitungan Pwf............................................................. 46 Gambar 3.3 Kurva IPR.................................................................................... 47 Gambar 3.4 Kurva faktor plunger stroke........................................................ 51

vi

Gambar 3.5 Kurva faktor peak polished rod load........................................... 53 Gambar 3.6 Kurva faktor minimum polished rod load................................... 54 Gambar 3.7 Kurva faktor peak torque.............................................................55 Gambar 3.8 Kurva faktor polished rod horse..................................................56 Gambar 3.9 Kurva penyesuaian peak torque (Ta) untuk nilai Wrf/Skr selain

0.3................................................................................................ 57 Gambar 3.10 Grafik surface efficiency dan PRHPnominal.................................. 61 Gambar 3.11(a) Diagram alir desain sistem pompa sucker rod dan analisis.... 62 Gambar 3.11(b) Diagram alir desain sistem pompa sucker rod dan analisis... 63 Gambar 4.1 Kurva IPR sumur Ripah-14......................................................... 66 Gambar 5.1 Perbandingan antara PRHP yang diperlukan dengan selisih

kedalaman pompa dengan tinggi fluida.................................... 123 Gambar 5.2 Perbandingan antara PRHP yang diperlukan dengan selisih

kedalaman pompa dengan tinggi fluida.................................... 125 Gambar 5.3 Perbandingan antara PRHP yang diperlukan dengan selisih

kedalaman pompa dengan tinggi fluida.................................... 126 Gambar A Data dan kurva IPR sumur Ripah-14................................................. 131 Gambar B Skema pompa sucker rod di sumur Ripah-14.................................... 132 Gambar C P&ID standar skema pompa sucker rod............................................. 133

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Rating pompa menurut standard API Std. 11E................................ 13 Tabel 2.2 Perhitungan karakteristik beban rod................................................ 38 Tabel 3.1 Data tubing....................................................................................... 48 Tabel 3.2 Data rod dan pump........................................................................... 49 Tabel 3.3 Service factor................................................................................... 59 Tabel 4.1 Nilai Pwf dan Qf pada sumur Ripah-14............................................. 65 Tabel 5.1 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

50 bpd berdasarkan metode API RP 11L....................................... 122 Tabel 5.2 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

50 bpd berdasarkan metode mills.................................................. 122 Tabel 5.3 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

75 bpd berdasarkan metode API RP 11L....................................... 124 Tabel 5.4 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

75 bpd berdasarkan metode mills.................................................. 124 Tabel 5.5 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

100 bpd berdasarkan metode API RP 11L..................................... 125 Tabel 5.6 Karakteristik PRHP yang diperlukan pada laju fluida di permukaan

100 bpd berdasarkan metode mills................................................ 126

viii

DAFTAR SIMBOL

= mills acceleration factor, - S = panjang langkah polished rod, in N = kecepatan pemompaan, strokes per minute

PPRL = Peak Polished Road Load, lbs

Wf = berat fluida, lbs

W

= berat static rod atau berat total rods di udara, lbs

MPRL = minimum polished rod load, lbs

G = fluid specific gravity, - Ap = luas permukaan plunger, in2

Ar = luas permukaan rod, in2

Wr = massa jenis rod, lb/ft PRHP = polished rod horse power, HP

c/p = crank-pitman ratio

P1 = tekanan, psia

P2 = tekanan, psia

= massa jenis, slugs/ft3 V = kecepatan alir fluida, ft/sec

g = percepatan gravitasi, ft/sec2

hp = head pump, feet hfl = head fluida, feet Z = ketinggian, feet

f = koefisien friksi, -

l = panjang pipa, feet d = diameter, feet = koefisien kekasaran relatif pipa, -

= viskositas dinamik, lb.s/ft2

v = viskositas kinematik, ft2/s

ix

Re = bilangan reynold, Pp = daya pompa, ft lbf/s Qf = laju produksi fluida, ft3/sec Q2 = laju fluida di permukaan, ft3/sec = efisiensi, -

PI = indeks produktivitas, bpd/psi Qfmax = laju produksi maksimum fluida, ft3/sec Pr = tekanan dasar reservoir, psig Pwf = tekanan alir dasar sumur, psig Mid. Perfo = kedalaman rata-rata perforasi, feet H = kedalaman rata-rata fluida dinamik, feet GF = gradien fluid, psi/feet CP = tekanan casing, psig L = kedalaman pompa atau panjang rod string, feet T = ukuran tubing, inch G = specific gravity fluid, - Er = konstanta elastisitas rod, inch/lb Fc = faktor frekuensi, -

Et = konstanta elastisitas tubing, inch/lb Fo = perbedaan beban oleh fluida ketika plunger terisi penuh, lbs 1/kr = konstanta elastisitas total rod string, in/lb Skr = massa yang dibutuhkan untuk meregangkan total rod string senilai

dengan polished rod stroke, lbs Fo/Skr = perbandingan antara perbedaan beban oleh fluida ketika plunger

terisi penuh (Fo) dan massa yang dibutuhkan untuk meregangkan total rod string senilai dengan polished rod stroke (Skr), lbs

N/No = perbandingan antara kecepatan pemompaan (N) dan frekuensi natural pada straight rod string (No)

N/No = perbandingan antara kecepatan pemompaan (N) dan frekuensi natural pada tapered rod string (No)

1/kt = konstanta elastisitas pada bagian unanchored tubing string, in/lb Sp/S = faktor plunger stroke

x

Sp = panjang langkah pemompaan pompa bawah permukaan, in PD = laju hisap pompa, bpd Wrf = berat total rods ketika tercelup di dalam fluida, lbs Wrf/Skr = perbandingan antara berat total rods di dalam fluida (Wrf) dan

massa yang dibutuhkan untuk meregangkan total rod string senilai dengan polished rod stroke (Skr)

F1/Skr = faktor peak polished road load F2/Skr = faktor minimum polished rod load 2T/S2kr = Faktor peak torque F3/Skr = polished rod horse power factor Ta = torque adjustment constant values of Wrf/Skr other than 0.3 PT = peak crank torque, lb in PRHP = polished rod horse power, HP CBE = counterweight required, lbs SF = safety factor Tf = minimum tensile strength NPHP = nominal HP electric pada nameplate

@SbosjId3s~iMWi(