Pompa Listrik

POMPA BENAM LISTRIK(ELECTRICAL SUBMERSIBLE PUMP – ESP)

Pompa benam listrik dibuat atas dasar pompa sentrifugal bertingkat banyak,

dimana keseluruhan dari pompa dan motornya ditenggelamkan kedalam cairan. Pompa ini

digerakkan dengan motor listrik dibawah permukaan melalui suatu poros motor (shaft)

yang memutar pompa, dan akan memutar sudu-sudu (impeller) pompa. Perputaran sudu-

sudu itu menimbulkan gaya sentrifugal yang digunakan untuk mendorong fluida ke

permukaan.

1. PERALATAN POMPA BENAM LISTRIK

Secara umum peralatan pompa benam listrik dapat dibagi menjadi dua bagian,

yaitu :

1. Peralatan di atas permukaan.

2. Peralatan di bawah permukaan.

Pada Gambar 1. memperlihatkan secara lengkap peralatan diatas dan dibawah

permukaan dari pompa benam listrik.

1.1. Peralatan Di Atas Permukaan

Peralatan diatas permukaan meliputi wellhead, junction box, switchboard, dan

transformer.

1. Welhead

Wellhead atau kepala sumur dilengkapi dengan tubing hanger khusus yang

mempunyai lubang untuk cable pack-off atau penetrator. Cable pack-off ini biasanya tahan

sampai tekanan 3000 psi.

Gambar 1 : Susunan Lengkap Peralatan Pompa Benam Listrik.

Tubing hanger dilengkapi juga dengan lubang untuk hidraulic control line, yaitu

saluran cairan hidraulik untuk menekan subsurface ball valve agar terbuka. Pada Gambar

2, memperlihatkan tubing hanger dengan cable pack-off.

Wellhead juga harus dilengkapi dengan “seal” agar tidak bocor pada lubang untuk

kabel dan tulang. Wellhead di desain untuk tahan terhadap tekanan 500 psi sampai 3000

psi.

Gambar 2 : Cable Pack-Off pada Tubing Hanger.

2. Junction Box

Junction box ditempatkan di antara kepala sumur dan switchboard untuk alasan

keamanan. Gas dapat mengalir keatas melalui kabel dan naik ke permukaan menuju

switchboard, yang bisa menyebabkan terjadinya kebakaran, karena itu kegunaan dari

junction box ini adalah untuk mengeluarkan gas yang naik keatas tadi. Juction box

biasanya 15 ft (minimum) dari kepala sumur dan normalnya berada diantara 2 sampai 3 ft

diatas permukaan tanah.

Fungsi dari junction box antara lain :

Sebagai ventilasi terhadap adanya gas yang mungkin bermigrasi kepermukaan

melalui kabel agar terbuang ke atmosfer.

Sebagai terminal penyambungan kabel dari dalam sumur dengan kabel dari

swichboard.

3. Switchboard

Switchboard adalah panel kontrol kerja dipermukaan saat pompa bekerja yang

dilengkapi dengan motor controller, overload dan underload protection serta alat pencatat

(recording instrument) yang bisa bekerja secara manual ataupun otomatis apabila terjadi

penyimpangan. Switchboard ini dapat digunakan untuk tegangan dari 440 volt sampai

4800 volt.

Gambar 3 : Junction Box.

Fungsi utama dari switchboard adalah :

1. Untuk mengontrol kemungkinan terjadinya downhole problem seperti: overload

atau underload current.

2. Auto restart setelah underload pada kondisi intermittent well.

3. Mendeteksi unbalance voltage.

Pada switchboard biasanya dilengkapi dengan ammeter chart yang berfungsi untuk

mencatat arus motor versus waktu ketika motor bekerja.

4. Transformer

Merupakan alat untuk mengubah tegangan listrik, bisa untuk menaikan atau

menurunkan tegangan. Alat ini terdiri dari core (inti) yang dikelilingi oleh coil dari lilitan

kawat tembaga. Keduanya, baik core maupun coil direndam dengan minyak trafo sebagai

pendingin dan isolasi. Perubahan tegangan akan sebanding dengan jumlah lilitan

kawatnya. Biasanya tegangan input transformer diberikan tinggi agar didapat ampere yang

rendah pada jalur transmisi, sehingga tidak dibutuhkan kabel (penghantar) yang besar.

Tegangan input yang tinggi akan diturunkan dengan menggunakan step-down tranformer

sampai dengan tegangan yang dibutuhkan oleh motor.

1.2. Peralatan Di Bawah Permukaan

Peralatan dibawah permukaan dari pompa benam listrik terdiri atas pressure

sensing instruments, electric motor, protector, intake, pump unit dan electric cable serta

alat penunjang lainnya.

1. PSI Unit (Pressure Sensing Instruments)

PSI atau Pressure Sensing Instrument adalah suatu alat yang mencatat tekanan

dan temperatur dalam sumur. Secara umum PSI Unit mempunyai 2 komponen pokok,

yaitu :

a. PSI Down Hole Unit

Dipasang dibawah Motor Type Upper atau Center Tandem, karena alat ini

dihubungkan pada Wye dari Electric Motor yang seolah-olah merupakan bagian dari

Motor tersebut.

b. PSI Surface Readout

Merupakan bagian dari system yang mengontrol kerja Down Hole Unit serta

menampakkan (Display) informasi yang diambil dari Down Hole Unit.

2. Electric Motor

Jenis motor pompa benam listrik adalah motor listrik induksi dua kutub tiga fasa

yang diisi dengan minyak pelumas khusus yang mempunyai tahanan listrik (dielectric

strength) tinggi. Dipasang paling bawah dari rangkaian, dan motor tersebut digerakkan

oleh arus listrik yang dikirim melalui kabel dari permukaan. Motor berfungsi untuk

menggerakan pompa dengan mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik.

Gambar 4 : Pressure Sensing Instrument.

Fungsi dari minyak tersebut adalah :

1. Sebagai pelumas

2. Sebagai tahanan (isolasi)

3. Sebagai media penghantar panas motor yang ditimbulkan oleh perputaran rotor

ketika motor tersebut sedang bekerja.

Jadi minyak tersebut harus mempunyai spesifikasi tertentu yang biasanya sudah

ditentukan oleh pabrik, yaitu berwarna jernih, tidak mengandung bahan kimia, dielectric

strength tinggi, lubricant dan tahan panas. Minyak yang diisikan akan mengisi semua

celah-celah yang ada dalam motor, yaitu antara rotor dan stator. Motor berfungsi sebagai

tenaga penggerak pompa (prime mover), yang mempunyai 2 (dua) bagian pokok, yaitu :

1. Rotor (gulungan kabel halus yang berputar)

2. Stator (gulungan kabel halus yang stasioner dan menempel pada badan motor)

Stator menginduksi aliran listrik dan mengubah menjadi tenaga putaran pada rotor,

dengan berputarnya rotor maka poros (shaft) yang berada ditengahnya akan ikut berputar,

sehingga poros yang saling berhubungan akan ikut berputar pula (poros pompa, intake,

dan protector).

3. Protector

Protector (Reda) sering juga disebut dengan Seal Section (Centrilift) atau Equalizer

(ODI). Secara prinsip protector mempunyai 4 (empat) fungsi utama, yaitu :

1. Untuk melindungi tekanan dalam motor dan tekanan di annulus.

2. Menyekat masuknya fluida sumur kedalam motor.

3. Tempat duduknya thrust bearing (yang mempunyai bantalan axial dari jenis

marine type) untuk merendam gaya axial yang ditimbulkan oleh pompa.

Gambar 5 : Motor Pompa Benam Listrik.

4. Memberikan ruang untuk pengembangan dan penyusutan minyak motor

sebagai akibat dari perubahan temperatur dari motor pada saat bekerja dan

saat dimatikan.

Secara umum protektor mempunyai 2 (dua) macam type, yaitu :

1. Positive Seal atau Modular Type Protector.

2. Labyrinth Type Protector.

Gambar 6 : Jenis Labyrinth Type Protector.

Untuk sumur-sumur miring dengan temperatur > 300°F disarankan menggunakan

protektor dari jenis positive seal atau modular type protektor.

4. Intake

Intake dipasang dibawah pompa dengan cara menyambungkan sumbunya (shaft)

memakai coupling. Intake merupakan saluran masuknya fluida dari dasar sumur ke pompa

menuju permukaan. Untuk jenis-jenis tertentu, intake ada yang dipasang menjadi satu

dengan housing pompa (intregrated), tetapi ada juga yang berdiri sendiri.

Gambar 7 : Jenis Rotary Gas Separator.

Ada beberapa jenis intake yang sering dipakai, yaitu :

Standart Intake, dipakai untuk sumur dengan GLR rendah. Jumlah gas yang

masuk pada intake harus kurang dari 10% sampai dengan 15% dari total volume

fluida. Intake mempunyai lubang untuk masuknya fluida ke pompa, dan dibagian

luar dipasang selubung (screen) yang gunanya untuk menyaring partikel masuk ke

intake sebelum masuk kedalam pompa.

Rotary Gas Separator dapat memisahkan gas sampai dengan 90%, dan

biasanya dipasang untuk sumur-sumur dengan GLR tinggi. Gas Separator jenis ini

tidak direkomendasi untuk dipasang pada sumur-sumur yang abrasive.

Static Gas Separator atau sering disebut reverse gas separator, yang

dipakai untuk memisahkan gas hingga 20% dari fluidanya.

5. Pump Unit

Unit pompa merupakan Multistages Centrifugal Pump, yang terdiri dari: impeller,

diffuser, shaft (tangkai) dan housing (rumah pompa). Di dalam housing pompa terdapat

sejumlah stage, dimana tiap stage terdiri dari satu impeller dan satu diffuser. Jumlah stage

yang dipasang pada setiap pompa akan dikorelasi langsung dengan Head Capacity dari

pompa tersebut. Dalam pemasangannya bisa menggunakan lebih dari satu (tandem)

tergantung dari Head Capacity yang dibutuhkan untuk menaikkan fluida dari lubang sumur

ke permukaan. Impeller merupakan bagian yang bergerak, sedangkan diffuser adalah

bagian yang diam. Seluruh stage disusun secara vertikal, dimana masing-masing stage

dipasang tegak lurus pada poros pompa yang berputar pada housing.

Prinsip kerja pompa ini, yaitu fluida yang masuk kedalam pompa melalui intake

akan diterima oleh stage paling bawah dari pompa, impeller akan mendorongnya masuk,

sebagai akibat proses centrifugal maka fluida tersebut akan terlempar keluar dan diterima

oleh diffuser.

Gambar 8 : Unit Pompa Benam Listrik.

Oleh diffuser, tenaga kinetis (velocity) fluida akan diubah menjadi tenaga potensial

(tekanan) dan diarahkan ke stage selanjutnya. Pada proses tersebut fluida memiliki energi

yang semakin besar dibandingkan pada saat masuknya. Kejadian tersebut terjadi terus-

menerus sehingga tekanan head pompa berbanding linier dengan jumlah stages, artinya

semakin banyak stage yang dipasangkan, maka semakin besar kemampuan pompa untuk

mengangkat fluida.

6. Electric Cable

Kabel yang dipakai adalah jenis tiga konduktor. Fungsi utama dari kabel tersebut

adalah sebagai media penghantar arus listrik dari switchboard sampai ke motor didalam

sumur. Kabel harus tahan terhadap tegangan tinggi, temperatur, tekanan migrasi gas dan

tahan terhadap resapan cairan dari sumur. Untuk itu maka kabel harus mempunyai isolasi

dan sarung yang baik.

Bagian dari kabel biasanya terdiri dari :

1. Konduktor (Conductor)

2. Isolasi (Insulation)

3. Sarung (sheath)

4. Jaket

Ada dua jenis kabel yang biasa dipakai yaitu : round dan flat cable. Pada jenis

round cable dibagian luar sarungnya dibungkus lagi dengan karet (rubber jacket).

Biasanya kabel jenis round ini memiliki ketahanan yang lebih lama daripada jenis flat

cable, tetapi memerlukan ruang penempatan yang lebih besar. Secara umum ada dua

jenis kabel yang biasa dipakai di lapangan, yaitu :

1. Low Temperature

Disarankan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan maximum 200°F.

2. High Temperature Cable

Disarankan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan temperatur yang

cukup tinggi sampai mencapai mencapai 400°F.

Untuk sumur bersuhu tinggi (lebih 250°F) perlu dipasang epoxy untuk melindungi kabel, O-

ring dan seal.

7. Check Valve

Check valve biasanya dipasang pada tubing (2 – 3 joint) diatas pompa. Bertujuan

untuk menjaga fluida tetap berada di atas pompa. Jika check valve tidak dipasang maka

kebocoran fluida dari tubing (kehilangan fluida) akan melalui pompa yang dapat

menyebabkan aliran balik dari fluida yang naik keatas, sebab aliran balik (back flow)

tersebut membuat putaran impeller berbalik arah, dan dapat menyebabkan motor terbakar

atau rusak.

Gambar 9 : Jenis Flat Cable dan Round Cable.

Jadi umumnya check valve digunakan agar tubing tetap terisi penuh dengan fluida

sewaktu pompa mati dan mencegah supaya fluida tidak turun kebawah.

8. Bleeder Valve

Bleeder valve dipasang satu joint diatas check valve, mempunyai fungsi mencegah

minyak keluar pada saat tubing dicabut. Fluida akan keluar melalui bleeder valve.

9. Centralizer

Berfungsi untuk menjaga kedudukan pompa agar tidak bergeser atau selalu

ditengah-tengah pada saat pompa beroperasi, sehingga kerusakan kabel karena gesekan

dapat dicegah.

2. KARAKTERISTIK KINERJA POMPA BENAM LISTRIK

Motor listrik berputar pada kecepatan relatif konstan, memutar pompa (impeller)

melewati poros (shaft) yang disambungkan dengan bagian protector. Power disalurkan ke

peralatan bawah permukaan melalui kabel listrik konduktor yang di klem pada tubing.

Cairan memasuki pompa pada bagian intake dan dilepas ke tubing ketika pompa sedang

beroperasi.

Kelakukan pompa berada pada harga effisiensi tertinggi apabila hanya cairan yang

terproduksi. Tingginya volume gas bebas menyebabkan operasi pompa tidak effisien.

2.1. Kurva Kelakuan Pompa Benam Listrik

(Pump Performance Curve).

Beberapa kinerja dari berbagai pompa dihadirkan dalam bentuk katalog yang

diterbitkan oleh produsen. Kurva kinerja dari suatu pompa benam listrik menampilkan

hubungan antara : Head capacity, Rate capacity, Horse power dan Effisiensi pompa yang

disebut dengan “Pump Performance Curve”. Kapasitas berkaitan dengan dengan volume,

laju alir cairan yang diproduksikan, termasuk juga gas bebas atau gas yang terlarut dalam

minyak.

Head pompa benam listrik berkaitan dengan spesific gravity fluida, dimana jika

head diubah menjadi tekanan maka harus dikalikan dengan spesific gravity fluida, maka

dapat dinyatakan sebagai berikut :

Tek. Operasi Pompa = (head/stage) x (gradien tekanan fluida ) x (jumlah stage)

Bila gas dan cairan sedang dipompa, kapasitas dan head per stage juga gradien

tekanan fluida berubah sebagaimana tekanan fluida naik dari tekanan intake ke tekanan

discharge. Dengan demikian persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut :

d(P) = h(V) + Gf(V) + d(St) ....................................................(1)

dimana :

d(P) = perubahan tekanan yang dihasilkan pompa, psi

h = head per stage, ft/stage

Gf (V) = gradien tekanan fluida, psi/ft

d(St) = perubahan jumlah stages

Tanda kurung dalam Persamaan (1) merupakan fungsi dari kapasitas (V) dan

dinyatakan dalam persamaan : V = qsc x VF (aliran satu fasa). VF merupakan Volume

Factor untuk berbagai tekanan dan temperatur, dan dinyatakan dengan persamaan :

VF = WC + (1 – WC) Bo + GIP [GLR – (1 – WC) Rs] Bg ..........(2)

Bila tekanan alir dasar sumur (Pwf) diatas harga tekanan gelembung (bubble point-Pb),

kurva IPR digambarkan dalam persamaan linier :

qsc = PI ( Pr - Pwf) ..................................................................(3)

Tetapi bila tekanan alir dasar sumur (Pwf) berada dibawah tekanan bubble point, maka

persamaan Vogel yang dipergunakan adalah untuk aliran dua fasa dan untuk aliran tiga

fasa dapat mempergunakan persamaan dari Petrobras.

Gradien tekanan fluida dalam berbagai tekanan dan temperatur dinyatakn dalam

persamaan :

Gf (V) = 0.433 x ..............................................................(4)

= W / 350 ......................................................................... (5)

dimana W adalah berat material pada kapasitas V pada berbagai tekanan dan temperatur,

yang mana sama dengan berat pada kondisi standart. Demikian dinyatakan dengan

persamaan :

= ......................................................................(6)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (6) kedalam Persamaan (4), maka didapatkan

persamaan sebagai berikut :

Gf = .........................................................(7)

fsc adalah berat 1 bbl cairan ditambah gas yang terpompakan (per 1 bbl cairan) pada

kondisi standart.

fsc = (350 (WC) wsc) + [350 (1 – WC) osc] + (GIP)(GLR) gsc (8)

dengan memasukkan persamaan (7) ke persamaan (1), menghasilkan persamaan :

d (St) = .............................................. (9)

Jumlah stage total dari pompa didapat dengan mengintegrasikan persamaan diatas

antara tekanan intake (P3) dan tekanan discharge (P2) :

= ................................ (10)

atau

St = ............................................. (11)

2.2 Brake Horse Power

Kurva kinerja pompa yang ditunjukkan dalam Gambar 10. menyatakan horse power

per stage yang didasarkan atas spesific gravity fluida perhitungan. Dengan demikian horse

power dapat dinyatakan dalam persamaan :

HP = (hp per stage) x SGf x (stage)...................................(12)

Karena parameter-parameter tersebut dipengaruhi oleh kapasitas V, yang berubah

antara intake dan tekanan discharge, persamaan diatas menjadi :

d(HP) = hp(V) x x d (St) ...............................................(13)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (5) dan Persamaan (9) ke persamaan diatas, maka

diperoleh persamaan :

d(HP) = .......................................................(14)

Total horse power (Hp) yang diperlukan, diperoleh dengan mengintegrasikan

persamaan diatas antara tekanan intake (P3) dan tekanan discharge (P2) :

=

......................................(15)

atau

HP =

............................................(16)

2.3 Kurva Intake Pompa

Peramalan kurva intake pompa benam listrik dipertimbangkan untuk dua hal, yaitu :

Memompa cairan

Memompa cairan dan gas

Untuk keduanya diasumsikan bahwa pompa diletakkan didasar sumur dan yang tetap

adalah tekanan wellhead dan ukuran tubing. Untuk kasus kedua, dianggap bahwa semua

gas dipompakan bersama-sama cairan. Variabel yang terpengaruh adalah jumlah stages

pompa. Selanjutnya peramalan kurva intake untuk pompa benam listrik adalah untuk

kasus yang kedua.

A. Pompa Benam listrik Memompa Cairan

Karena cairan memiliki sedikit sifat kompresibilitas, volume cairan produksi dapat

dikatakan konstan dan sama hingga permukaan (qsc). Dengan demikian head per stage

akan konstan juga dan persamaan (11) bila diintegrasikan menjadi :

St =

....................................................(17)

Atau harga tekanan intake (P3) dapat ditulis :

P3 = P2 -

....................................................(18)

Sedangkan untuk Persamaan (16) bila diintegrasikan menjadi :

HP = (P2 - P3) ....................................................(19)

Dengan mensubstitusikan Persamaan (17) ke Persamaan (19) menjadi :

HP = hp x fsc x St ..........................................................(20)

B. Pompa Benam Listrik Memompa Cairan dan Gas

Gas memiliki sifat kompresibilitas yang tinggi, sehingga volume cairan V yang

dihasilkan berubah akibat perubahan tekanan dari tekanan intake (P2) sampai tekanan

discharge (P3). Faktor Volume (VF) antara tekanan intake (P2) sampai tekanan discharge

(P3) didapat dari Persamaan (2) dan laju alir ditentukan dengan Persamaan Vogel dua

fasa.

3. PERENCANAAN POMPA BENAM LISTRIK

Prosedur perencanaan atau desain suatu unit pompa benam untuk dengan

melakukan perhitungan-perhitungan :

3.1. Perkiraan Laju Produksi Maksimum

Laju produksi suatu sumur yang diinginkan harus sesuai dengan produktivitas sumur.

Pada umumnya fluida yang mengalir dari formasi ke lubang sumur lebih dari satu fasa.

Seperti yang telah dijelaskan dalam sub-bab sebelumnya, untuk aliran fluida dua fasa,

Vogel membuat grafik kinerja aliran fluida dari formasi ke lubang sumur berdasarkan data

uji produksi. Prosedur pembuatannya kurva IPR untuk aliran dua fasa dari Vogel adalah

sebagai berikut :

Gambar 10 : Kurva Kelakuan Pompa Benam Listrik.

Langkah 1. Mempersiapkan data-data penunjang meliputi :

Tekanan Reservoir/Tekanan Statis (Ps)

Tekanan Alir Dasar Sumur (Pwf)

Laju Produksi Minyak (Qo)

Langkah 2. Menghitung harga (Pwf/Ps)

Langkah 3. Mensubstitusikan harga (Pwf/Ps) dari langkah 1 dan harga laju produksi (Qo)

kedalam Persamaan Vogel, dan menghitung harga laju produksi maksimum

(Qomax), yaitu :

Qomax =

Langkah 4. Untuk membuat kurva IPR, anggap beberapa harga Pwf dan menghitung

harga Qo, yaitu :

Qo = Qomax

Langkah 5. Memplot Qo terhadap Pwf pada kertas grafik linier. Kurva yang diperoleh

adalah kurva kinerja aliran fluida dari formasi ke lubang sumur.

Sedangkan untuk aliran tiga fasa, yaitu gas, minyak dan air, maka dalam

pengembangan kelakuan aliran tiga fasa dari formasi ke lubang sumur dapat

menggunakan Metode Petrobras. Prosedur pembuatannya kurva IPR untuk aliran tiga

fasa dari Metode Petrobras adalah sebagai berikut :

Langkah 1. Mempersiapkan data-data penunjang meliputi :

Tekanan Reservoir/Tekanan Statis Sumur

Tekanan saturasi

Tekanan Alir Dasar Sumur

Laju Produksi total pada tekanan alir dasar sumur

Fraksi Air

Langkah 2. Pembuatan kurva IPR dengan Metode Petrobras

Untuk Pb < Pwf <Pr

Untuk Pwf(G) < Pwf < Pb

- Apabila B tidak sama dengan 0 :

- Apabila B = 0

Untuk 0 < Pwf < Pwf(G)

Langkah 3. Membuat tabulasi harga-harga J, qb, qo max, tan , tan , qt max dan PwfG untuk

berbagai harga Fw.

Langkah 4. Membuat tabulasi harga-harga Qt untuk berbagai harga Pwf pada masing-

masing harga Fw .

Langkah 5. Membuat grafik hubugan antara Pwf terhadap Qt , diamana Pwf

mewakili sumbu Y dan Qt mewakili sumbu X.

3.2. Pemilihan Ukuran dan Tipe Pompa

Pemilihan ukuran pompa listrik submersible berdasarkan pada besarnya laju

produksi q, yang diharapkan pada head yang sesuai. Ukuran casing juga merupakan

faktor yang menentukan didalam pemilihan ukuran pompa listrik submersible yang efektif,

biasanya dengan memilih seri yang tertinggi yang mempunyai diameter terbesar selama

ukuran casing yang memungkinkan.

Dalam memilih ukuran pompa listrik submersible yang akan digunakan, selain

harus disesuaikan dengan laju produksi yang diharapkan, juga laju produksi tersebut

harus dalam range optimum yang disarankan sehingga diperoleh effisiensi seperti yang

dianjurkan (recommended range).

Seandainya hasil pemilihan ukuran pompa listrik submersible berdasarkan

kapasitas dan ukuran casingnya terdapat dua ukuran yang sama-sama memenuhi syarat,

maka pertimbangan dasar untuk ukuran adalah diambil ukuran yang mempunyai selisih

kapasitas yang terkecil yang paling mendekati.

Masing-masing ukuran pompa listrik submersible mempunyai pump performance

curve untuk laju produksi (q) versus head (H), sehingga dengan mudah dapat diketahui

efisiensi yang tertinggi.

Perhitungan yang diperlukan untuk ukuran pemilihan pompa listrik submersible

untuk menentukan total volume fluida yang masuk ke dalam pompa (bbl/day), yaitu

dengan menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut :

1. Penentuan Specific Gravity, dimana :

a. Oil Phase Specific Gravity = Oil Cut x Oil Specific Gravity...........(21)

b. Water Phase Specific Gravity = Water Cut x Water Specific Gravity

............................................................. (22)

c. Specific Gravity Fluida Campuran (Sgf) = Oil Phase Specific Gravity + Water Phase

Specific Gravity ...........................................................................(23)

d. Gradient Fluida (Gf) = Sp. Gr Fluida Campuran x 0.433 (psi/ft).....(24)

2. Penentuan Pump Intake Pressure (PIP), dimana :

PIP = Pwf – (Perbedaan Kedalaman x Gf)..................................(25)

Perbedaan Kedalaman = Mid Perforasi – Pump Setting Depth (TVD)

...............................................................(26)

3. Perhitungan Gas

Penentuan volume gas yang masuk ke dalam pompa diperhitungkan dengan

menggunakan korelasi Standing, yaitu :

a. Penentuan Kelarutan Gas dalam Minyak (Rs) yang masuk kedalam pompa

Rs = ................................................................. (27)

Yg = 0.00091 (T) – 0.0125 (°API).................................................(28)

dimana :

Rs = kelarutan gas dalam minyak, SCF/STB

SG gas = spesific gravity gas

P = tekanan, psi

T = temperature, °F

°API = oil API gravity, °API

b. Penentuan Faktor Volume Formasi Minyak (Bo)

Bo = 0.972 + 0.000147F1.175 .......................................................(29)

F = Rs(SG gas / SG oil)0.5 + 1.25T ............................................(30)

dimana :

Bo = faktor volume formasi, bbl/STB

F = corelation number

c. Penentuan Faktor Volume Formasi Gas (Bg)

Bg = ...........................................................................(31)

dimana :

Bg = faktor volume formasi gas, bbl/MSCF

Z = faktor kompressibilitas gas (Z = 0.81-0.91)

P = tekanan , psi

T = temperature, °R

4. Penentuan Perlu Tidaknya Gas Separator

Apabila jumlah gas bebas mencapai 10% dari total volume fluida. Jika perlunya gas

separator maka pompa dengan asumsi memiliki efisiensi 90% dan 10% gas tidak dapat

dipisahkan oleh gas separator yang masuk ke dalam pompa.

3.3. Perkiraan Pump Setting Depth.

Suatu batasan umum untuk menentukan letak kedalaman pompa dalam suatu

sumur adalah bahwa pompa harus ditenggelamkan didalam fluida sumur. Sebelum

perhitungan perkiraan Pump Setting Depth dilakukan, terlebih dahulu diketahui parameter

yang menentukannya, yaitu static fluid level (SFL) dan working fluid level (WFL) dimana

untuk menentukannya digunakan alat sonolog atau dengan operasi wireline, bila sumur

tersebut tidak menggunakan packer. Jika sumur menggunakan packer, maka penentuan

SFL dan WFL dilakukan dengan pendekatan :

A. Static Fluid Level (SFL, ft)

Apabila sumur dalam keadaan mati (tidak diproduksikan), sehingga tidak ada aliran,

maka tekanan didepan perforasi sama dengan tekanan statik sumur (Ps). Sehingga

kedalam permukaan fluida di annulus (SFL, ft) adalah :

.................................................. (32)

B. Working Fluid Level / Operating Fluid Level (WFL, ft).

Bila sumur diproduksikan dengan rate produksi sebesar q (bbl/D), dan tekanan alir

dasar sumur adalah Pwf (psi), maka ketinggian (kedalaman bila diukur dari permukaan)

fluida di annulus adalah :

......................................... (33)

dimana :

SFL = Statik Fluid Level, ft

WFL = Working Fluid Level, ft.

Ps = Tekanan Statik sumur, psi

Pwf = Tekanan alir dasar sumur, psi.

q = Rate produksi, B/D

D = Kedalaman sumur, ft.

Pc = Casing Head Pressure, psi

Gf = Gradient Fluida Sumur, psi/ft.

C. Suction Head (Tinggi Hisap)

Jika didalam silinder atau torak yang semula berada dipermukaan cairan (dalam

bak) air akan naik mengikuti torak sampai pada mencapai ketinggian Hs, dimana :

.......................................................................(34)

dimana :

Hs = suction head, ft

P = tekanan permukaan cairan, psi

= densitas fluida, lb/cuft

D. Kavitasi dan Net Positive Suction Head (NPHS)

Jika tekanan absolut cairan pada suatu titik didalam pompa berada dibawah

tekanan saturasi (Pb) pada temperatur cairan, maka gas yang semula terlarut didalam

cairan terbebaskan. Gelembung-gelembung gas ini akan mengalir bersama-sama dengan

cairan sampai pada daerah yang memiliki tekanan lebih tinggi dicapai dimana gelembung

tadi akan mengecil. Fenomena ini disebut sebagai Kavitasi yang dapat menurunkan

effisiensi dan merusak pompa.

Kejadian ini berhubungan dengan kondisi penghisapan, dan apabila kondisi

penghisapan berada diatas tekanan bubble point, maka kavitasi tidak terjadi.

Kondisi minimum yang dikendaki untuk mencegah kavitasi pada suatu pompa disebut

sebagai Net Positive Suction Head (NPHS). NPHS adalah tekanan absolut diatas

tekanan saturasi yang diperlukan untuk menggerakkan fluida masuk ke lubang impeller.

3.3.1 Pump Setting Depth Minimum

Pada keadaan yang diperlihatkan dalam Gambar 3.13B. (posisi minimum) dalam

waktu yang singkat akan terjadi pump-off, oleh karena ketinggian fluida level diatas

pompa relatif sangat kecil atau pendek sehingga gas yang akan dipompakan. Pada

kondisi ini pump intake pressure (PIP) akan menjadi kecil. Jika PIP mencapai harga

dibawah tekanan bubble point (Pb), maka akan terjadi penurunan efficiency volumetric

dari pompa (disebabkan terbebasnya gas dari larutan). Pump Setting Depth (PSD)

minimum dapat ditulis dengan persamaan :

....................................................(35)

3.3.2 Pump Setting Deth Maksimum

Sedangkan keadaan yang ditunjukkan oleh Gambar 3.13C. (pompa pada keadaan

maksimum) juga kedudukan yang kurang menguntungkan. Karena dalam keadaan ini

memungkinkan terjadinya overload (pembebanan berlebihan), yaitu pengangkatan beban

kolom fluida yang terlalu berat. Kedalaman Pump Setting Depth (PSDmax) dapat

didefinisikan :

...........................................................(36)

Gambar 11 : Berbagai Posisi Pompa Pada Kedalaman Sumur.

3.3.3 Pump Setting Depth Optimum.

Kedudukan ini yang paling dikehendaki dalam perencanaan pompa benam listrik

seperti dalam Gambar 3.13D. (pompa dalam keadaan optimum). Selanjutnya untuk

menentukan kedalaman pompa yang optimum tadi (agar tidak terjadi pump-off dan

overload serta sesuai dengan kondisi rate yang dikehendaki), maka kapasitas pompa

yang digunakan haruslah sesuai dengan produktivitas formasi dari sumur yang

bersangkutan. Akan tetapi dalam penentuan PSD optimum ini dipengaruhi oleh terbuka

dan tertutupnya casing head yang mana akan mempengaruhi tekanan casing atau

tekanan yang bekerja pada permukaan dari fluida di annulus. Hal ini akan mempengaruhi

besarnya suction head dari pompa.

Untuk casing head tertutup, maka :

Kedalaman pompa optimum = (37)

Untuk casing head terbuka, maka :

Kedalaman pompa optimum = .................... (38)

3.4. Perkiraan Jumlah Tingkat Pompa

Penentuan jumlah stage dari pompa listrik submersible (ESP) yang digunakan pada

sumur yang memproduksikan minyak, air dan gas. Dasar perhitungan pompa sendiri

adalah Total Dynamic Head (TDH), yaitu total pressure dimana pompa bekerja,

dinyatakan sebagai head atau ketinggian kolom cairan (ft),atau sebagi kerja yang

dilakukan oleh pompa pada cairan untuk menaikkannya dari satu level energi ke level

yang lebih tinggi, terlihat pada Gambar 4. Adapun persamaan-persamaan yang diperlukan

untuk penentuan total dynamic head adalah sebagai berikut :

1. Penentuan Fluid Over Pump (FOP), yaitu fluid level/head (ft) pada pompa,

persamaannya adalah :

FOP = PIP/Gf ..........................................................................(39)

dimana :

PIP = Pump Intake Pressure, psi

Gf = Gradient fluida, psi/ft

2. Penentuan Vertical Lift (HD) , yaitu jarak dari dynamic fluid level sampai dengan ke

permukaan, persamaannya adalah :

HD = Pump Setting Depth – FOP.............................................. (40)

dimana :

Pump setting depth = jarak kedalaman pompa, ft

3. Penentuan kehilangan tekanan pada tubing (HF) setiap 1000 ft dengan membaca

pada grafik friction loss berdasarkan persamaan William Hazen, dimana :

HF = friction loss per 1000 ft x pump setting depth (MD)/1000 ...(41)

4. Penentuan Tubing Head (HT)

HT = Pwh/Gf................................................................................(42)

dimana :

Pwh = Tekanan kepala sumur, psi

Gf = gradient fluida, psi/ft

5. Penentuan Total Dynamic Head (TDH)

TDH = HD + HF + HT..................................................................(43)

6. Penentuan jumlah tingkat pompa (pump stages) yang diperlukan dengan

menggunakan persamaan :

jumlah stage = .......................................................(44)

dimana head per stage dapat dicari dari pembacaan pump performance curve dari

pompa yang dipilih.

3.5. Pemilihan Motor dan Horse Power

Pemilihan ukuran motor yaitu dengan menentukan horse power yang dibutuhkan

setiap tingkat pompa dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

- Brake HP motor = jumlah stage x HP/stage x Sgw .................(45)

untuk sumur dengan water cut tinggi

- Brake HP motor = jumlah stage x HP/stage x Sgf ....................(46)

untuk sumur dengan water cut rendah

dimana :

HP/stage dapat dicari dari pembacaan pump performance curve dari pompa yang

dipilih.

Sgw = Specific gravity air

Sgf = Specific gravity fluida campuran

- Horse power motor yang dibutuhkan =

Brake HP + HP Protector + HP Gas Separator + HP AGH .........(47)

Dalam pemilihan motor baik single motor maupun tandem didasarkan pada table

yang telah disediakan oleh pabrik pembuatnya. Apabila besarnya horse power yang

dibutuhkan motor pada hasil perhitungan tidak disedia dalam tabel, maka dipilih motor

yang memiliki horsepower lebih besar yang paling mendekati.

3.6. Pemilihan Switchboard dan Transformer

Di dalam menentukan switchboard yang akan dipakai perlu diketahui terlebih dulu

berapa besarnya voltage yang akan bekerja pada switchboard tersebut. Besarnya

tegangan yang bekerja pada switchboard dapat dihitung dari persamaan berikut ini :

...........................................................................(48)

...................................................(49)

Voltage Drop adalah kehilangan voltage, volt/1000 ft (dari grafik voltage drop chart).

Dengan mengetahui besarnya tegangan permukaan (Vs), maka dapat dipilih tipe

switchboard yang sesuai dari Tabel yang telah tersedia.

Untuk menentukan besarnya transformer yang diperlukan dihitung dengan

persamaan berikut :

...............................................................(50)

dimana :

Vs = surface voltage, volt

Vm = motor voltage, volt

Vc = correction voltage, volt

L = panjang kabel, ft

T = ukuran transformer, KVA

Vs = surface voltage, volt

Im = ampere motor, Ampere

Gambar 12.

Parameter Sumur yang Menunjukkan Perhitungan Head

pada Pompa Listrik Submersible (Pompa Terletak Diatas Perforasi).