5
Bab 2 Aliran Multifasa pada Jaringan Pipa Produksi
Pada bab ini akan dibahas permasalahan fisis dari aliran multifasa (gas dan liquid) pada jaringan pipa produksi, antara lain jaringan pipa produksi di permukaan itu sendiri, konsep aliran, arah dan pola aliran, serta komponen yang berkaitan dalam mengkaji masalah penyumbatan aliran (bottleneck).
2.1
Jaringan Pipa Produksi Suatu jaringan pipa terdiri dari beberapa segmen pipa yang memiliki
bentuk sangat kompleks dan beragam. Gambar 2.1 memperlihatkan salah satu skema jaringan pipa permukaan yang menghubungkan fluida dari beberapa kepala sumur (wellhead) yang terletak di masing-masing platform hingga ke separator. Jaringan pipa tersebut terdiri dari beberapa platform yang masing-masing memiliki beberapa kepala sumur. Aliran fluida yang terjadi berasal dari sumur (well) yang kemudian pada saat mencapai permukaan fluida akan menuju ke kepala sumur. Fluida dari masing-masing kepala sumur akan dialirkan ke satu pipa alir, titik awal pertemuan fluida tersebut dinamakan gathering point, selanjutnya fluida mengalir menuju header platform. Fluida yang berasal dari beberapa header platform nantinya akan dialirkan lagi menuju ke separator. Bagian tersebut berfungsi sebagai pemisah antar fasa dari fluida. Lebih jelasnya skema jaringan pipa produksi dari yang terletak di bawah permukaan hingga di permukaan diperlihatkan pada gambar 2.2. Pada gambar tersebut sumber fluida berasal dari 3 buah reservoir. Proses pengaliran fluida yang
6
terjadi di permukaan sama dengan yang terjadi pada gambar 2.1 yaitu dari kepala sumur sampai ke separator.
Gambar 2.1: Skema Sistem Produksi di Permukaan.
Di suatu lapangan minyak, proses produksi sering sekali mengalami berbagai hambatan, salah satunya penyumbatan aliran (bottleneck). Penyumbatan aliran ini dapat menyebabkan produksi sumur tidak optimal.
2.2
Konsep Aliran
Aliran pada pipa dapat terdiri dari aliran satu fasa (gas, minyak, atau air saja) ataupun lebih yaitu multifasa (gas dan liquid). Pada tugas akhir ini kasus yang diangkat berupa aliran multifasa yaitu terdiri dari liquid (minyak dan air) dan gas. Secara umum, suatu fluida dalam pipa dapat mengalir dari suatu titik masukan
7
Gambar 2.2: Skema Jaringan Pipa Produksi Satu Platform.
(inlet) menuju ke titik keluaran (outlet), jika tekanan di titik keluaran lebih kecil daripada tekanan di titik masukan, Pout < Pin ( ΔP > 0 ) . Apabila tekanan di titik masukan sama dengan tekanan di titik keluaran yaitu Pout = Pin ( ΔP = 0 ) , maka tidak akan terjadi aliran fluida di sepanjang pipa alir. Gambar 2.3 merupakan gambar jaringan pipa dengan titik masukan terdiri dari 3 segmen pipa yaitu segmen 1 dengan tekanan p1 dan debit alir q1, segmen 2 dengan tekanan p2 dan debit alir q2, dan segmen 3 dengan tekanan p3 dan debit alir q3. Fluida dari ketiga segmen tersebut akan dialirkan ke satu pipa kumpul dengan tekanan keluaran sebesar pout dan debit alir fluida sebesar qout. Debit alir qout haruslah penjumlahan dari debit alir q1, q2, dan q3, karena pada jaringan pipa di gambar 2.3 diasumsikan tidak terdapat suatu penghambat apapun. Apabila qout bukan merupakan penjumlahan dari ketiganya, maka diindikasikan terdapat kebocoran pada pipa alir. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa fluida mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah, sehingga fluida dari ketiga
8
segmen masukan akan mengalir ke segmen keluaran jika nilai p1, p2, dan p3 masing-masing lebih besar daripada pout.
Gambar 2.3: Skema Jaringan Pipa Permukaan.
Suatu kasus yang kemungkinan dapat terjadi pada fluida di pipa alir yaitu nilai tekanan di segmen masukan lebih kecil daripada pout, maka fluida akan mengalami aliran balik. Aliran balik tersebut dapat terjadi dalam berbagai kemungkinan, yaitu fluida dari segmen masukan yang bertekanan lebih tinggi akan mengalir ke segmen masukan yang bertekanan lebih rendah. Apabila hal tersebut terjadi, maka debit alir yang sampai di titik keluaran tidak akan optimal. Begitu pula untuk aliran fluida pada jaringan pipa produksi pada gambar 2.1, apabila terjadi aliran balik, maka debit alir fluida yang sampai di separator tidak optimal.
2.3
Arah Aliran Multifasa Suatu fluida dapat mengalir di sepanjang pipa yang memiliki bentuk
beragam, arah aliran fluida tersebut dapat dibedakan menjadi 4 kategori yaitu aliran vertikal, horizontal, inclined, dan directional.[1] Arah aliran inclined dan directional merupakan arah aliran yang membentuk sudut kemiringan antara 0 sampai 90 derajat terhadap sumbu horizontal. Gambar 2.4 menunjukkan kontribusi dari masing-masing kategori arah aliran pada suatu sistem produksi.
9
Gambar 2.4: Skema Kontribusi Arah Aliran pada Suatu Sistem Produksi.[1]
Arah aliran vertikal dan directional biasanya digunakan pada jaringan pipa di bawah permukaan, yaitu pipa yang menghubungkan fluida dari reservoir ke permukaan (kepala sumur). Setelah fluida mencapai permukaan biasanya arah aliran yang sering terlibat adalah arah aliran horizontal dan inclined. Penggunaan jenis arah aliran sangat berkaitan dalam hal penentuan nilai perubahan tekanan di sepanjang pipa alir.
2.4
Pola Aliran Multifasa Aliran multifasa pada pipa didefinisikan sebagai pergerakan yang bersifat
konkuren dari gas bebas dan cairan didalam pipa yang dapat terjadi dalam berbagai pola aliran.[1] Gas dan cairan tersebut dapat mengalir sebagai suatu campuran homogen, cairan berada di bagian depan dengan gas mendorong dibelakangnya, cairan dan gas mungkin mengalir secara paralel, atau berbagai kombinasi dari pola aliran lainnya yang kemungkinan dapat terjadi.
10
Gambar 2.5: Diagram Skematik Pola Aliran Segregated.[1]
Gambar 2.6: Diagram Skematik Pola Aliran Intermittent.[1]
Secara garis besar pola aliran multifasa terbagi menjadi 3 jenis yaitu aliran segregated, intermittent, dan distributed. Pada aliran segregated, aliran dari fasa gas terpisah dengan fasa liquid yaitu fasa gas dapat mengalir diatas fasa liquid atau di antara aliran fasa liquid, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.5. Pola aliran yang termasuk dalam aliran intermittent yaitu berupa aliran dari fasa liquid menghantam fasa gas (gambar 2.6 bagian bawah) atau aliran fasa liquid menghambat aliran fasa gas (gambar 2.6 bagian atas), sedangkan pada aliran yang berpola berdistribusi, fasa gas dan liquid tersebar secara merata di dalam pipa alir, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.7.
11
Gambar 2.7: Diagram Skematik Pola Aliran Distributed.[1]
Ketiga jenis pola aliran tersebut dapat diketahui melalui analisa parameter yang lebih jelasnya akan dibahas pada subbab berikutnya. Penentuan jenis pola aliran ini sangat berkaitan dalam penentuan besar perubahan tekanan di sepanjang pipa alir.
2.5
Penggunaan Choke
Gambar 2.8: Diagram Skematik Choke sebagai Pengontrol Debit Alir atau Tekanan.[2]
Choke merupakan suatu alat yang memiliki katup yang dapat mengontrol debit alir fluida dengan cara mengatur besar kecilnya celah katup yang dibuka. Gambar 2.8 diperlihatkan bagian-bagian dari choke yang biasanya dipasang pada suatu segmen pipa produksi di dekat kepala sumur. Alat ini tersedia dalam
12
beberapa konfigurasi, baik yang telah berkonfigurasi tetap maupun yang disesuaikan dengan cara operasi dari sistem jaringan. Fungsi utama choke adalah mengontrol debit alir fluida, sebab apabila debit alir fluida tidak terkontrol maka peluang terjadinya aliran balik cukup besar. Pada saat fluida mengalir melalui choke, aliran fluida yang berada di dalam choke tersebut bersifat kritik, artinya debit alir yang masuk ke choke sama dengan debit alir yang keluar dari sistem (choke). Aliran kritik juga didefinisikan sebagai aliran yang memiliki rasio antara tekanan keluaran choke terhadap tekanan masukan choke (upstream pressure) bernilai dari 0.6 sampai dengan 0.7 . Jadi, selain mengontrol debit alir, choke juga mengatur nilai tekanan keluaran.
