Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
STUDI EFEK PUMP OFF/FLUID POUND PADA POMPA ANGGUK TERHADAP KERUSAKAN GEAR BOX Umar Yasin Hamid dan Agus Sigit Pramono Program Pascasarjana Teknik Mesin FTI - ITS Kampus Sukolilo Surabaya 60111 Indonesia E-mail :
[email protected] ABSTRAK Pompa angguk (sucker rod pump), merupakan salah satu jenis peralatan yang diperlukan untuk memindahkan minyak dari sumur minyak ke permukaan. Disain dari pompa ini didasarkan pada operasi normal sehingga umur pakai cukup panjang. Akan tetapi pada operasi sebenarnya sering terjadi kondisi tidak normal dimana terjadi pump off atau fluid pound sehingga terjadi perubahan beban yang menyebabkan kerusakan pada gearbox. Studi yang dilakukan adalah menghitung secara analitis, dengan prinsip kinematika dan dinamika, beban torsi pada gearbox dan perhitungan berat penyeimbang (balancer) pada beberapa pompa angguk berbagai ukuran dan jenis di ladang minyak Duri. Untuk mendapatkan beban torsi dan berat pembalance pada saat pump off/fluid pound digunakan alat ukur dynamometer yang ditempatkan pada polished rod. Hasil studi dari pengukuran dynamometer menunjukkan bahwa saat terjadinya fluid pound terjadi pengurangan beban pada sucker rod. Selisih berat penyeimbang pada kondisi operasi normal dan berat penyeimbang saat terjadinya pump off/fluid found menyatakan ketidak seimbangan (unbalance) yang terjadi. Apabila kondisi ini terjadi cukup lama dan sering akan mengakibatkan kerusakan pada gearbox lebih awal dari umur disainnya. Kata kunci: fluid pound /pump off, gearbox, pompa angguk, unbalance
PENDAHULUAN PT. Chevron Pacific Indonesia (CPI), salah satu anak perusahaan Chevron di Indonesia, adalah penghasil minyak mentah terbesar bagi Indonesia dengan total produksi harian pada tahun 2012 sebesar rata-rata 357.000 barel dan 46 juta kaki kubik gas dan mengoperasikan dua blok di Riau, Sumatera, yakni Blok Rokan dan Blok Siak. Sebagian besar produksi minyak Sumatra di tahun 2012 berasal dari lapangan di Blok Rokan. Duri, lapangan terbesar, telah menggunakan teknologi injeksi uap (steam-flood) untuk meningkatkan produksi sejak tahun 1985 dan merupakan salah satu lapangan pengembangan steam-flood terbesar di dunia. Dan salah satu fasilitas yang mempunyai kontribusi terbesar terhadap produksi CPI adalah Duri Field dimana hampir mencapai 40% total produksi minyak dihasilkan dari daerah ini. Salah satu peralatan yang berperan penting dalam proses produksi minyak adalah PompaAngguk yang dikenal juga dengan istilah Pumping Unit digunakan untuk sumur-sumur minyak Duri Field karena sesuai dengan karakteristik fluidanya yang berupa heavy oil. Pompa Sucker Rod (Pompa Angguk) sering juga disebut beam pumping ialah salah satu metode artificial lift yang memanfaatkan gerakan naik- turun dari plunger untuk mendorong fluida dari reservoir kepermukaan. ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-1
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
Permasalahan yang sering terjadi dan dikaji pada makalah ini adalah penyebab kerusakan gearbox saat terjadi pump off/fluid pound yang mengakibatkan umurnya lebih pendek dari umur disain. Langkah pertama yang dilakukan adalah menganalisa secara kinematika dan dinamika untuk mendapatkan transfer beban dari polished rod ke crank arm pada operasi normal. Dari analisa ini didapat massa penyeimbang yang dibutuhkan supaya tidak terjadi unbalance pada gearbox. Langkah kedua adalah mengukur beban pada polished rod saat terjadinya pump off/fluid pound. Langkah ketiga adalah mendapatkan massa penyeimbang pada kondisi pump off/fluid pound. Selisih antara massa penyeimbang saat operasi normal dengan massa penyeimbang saat pump off/fluid pound adalah massa unbalance. Efek dari massa unbalance adalah rusaknya bearing, roda gigi, poros pada gearbox. Semakin besar massa unbalance kerusakan semakin parah dan umur gearbox semakin pendek. Model Kinematika Dinamika Pompa Angguk Menurut API Mekanisme pompa angguk terdiri dari polished road yang berfungsi untuk mengambil minyak dari dalam tanah, kemudian dihubungkan ke walking beam, pitman arm dan crank arm dimana crank arm ini terhubung ke gearbox (gambar 1). Untuk analisa kinematika pompa angguk dimodelkan sebagai mekanisme slider crank seperti gambar 2. Pergerakan dari titik B ke titik C dinotasikan dengan x.
Gambar 1 : Geometri Pumping Unit [Ref : 1, 3, 5]
Gambar 2 : Slider crank [1, 3, 5]
Perpindahan x bila terjadi perputaran crank arm dengan kecepatan t secara trigonometri dirumuskan: [1, 4] )± = ℎ + (1 − + (ℎ − ) 1 Apabila N adalah jumlah pumping strokes permenit maka : =
(
⁄
)
2 Kemudian dideferensialkan dua kali terhadap waktu didapatkan percepatan maksimum saat posisi crank arm vertikal ke atas =
.
1+
( ⁄
)
3
Jika S adalah polished rod stroke length, maka hubungan S dengan crank arm adalah : = 4 ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-2
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
Sehingga percepatan maksimum menjadi =
Beban pada Polished Road
( ⁄
1+
.
)
5
Selama siklus pemompaan terdapat tiga faktor yangmempengaruhi beban bersih maksumum (maximum net loads) daripada Polished Rod, yaitu: -
Beban maksimum fluida: =
-
.
(
,
Berat mati rod string : =
-
=
(62.4)
(
)
6
)
7
Beban percepatan sucker rod,
.
=
=
=
dimana :
.
(62.4)
+
+
.
(
)
8 9 10
−
= (0.90 −
(62.4) )
+
(
)
+
(
)
11 12
D : plunger diameter, in Wr : avarage unit weight of rods in air, lb/ft Ap : luas penampang pluger Ar : luas penampang rod : spesifik gravity Counter Balance Effect Ideal ( ): ( ) = ( )
13
Pengukuran Beban pada Polished Rod Untuk mengukur beban pada polished rod, dipasang load cell pada polished rod. Dengan terpasangnya load cell tersebut, maka beban pada polished rod termonitor dari waktu ke waktu. Dengan demikian akan didapat beban polished rod pada operasi normal dan saat terjadinya pump off /fluid pound. Berdasarkan data tersebut dapat dihitung kebutuhan massa penyeimbang pada kedua kondisi operasi.
ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-3
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
Gambar 3 : Pengukuran beban pada polished rod [4,6,7]
Profil Beban Polished Rod Saat Operasi Normal Profil beban polished rod saat operasi normal dapat dilihat pada gambar 4, pada saat polished rod turun, maka beban pada polished rod adalah beban kompressi (negatif) yang semakin dalam semakin besar dengan perubahan yang landai. Kemudian saat polished rod naik ke atas, dimana berisi minyak, maka polished rod terkena beban tarik yang semakin besar saat mendekati permukaan dengan perubahan yang juga cukup landai.
Gambar 4 Grafic Torque Load of Gearbox well 4S-80A [8]
Sedang profil beban polished rod saat terjadinya pump off/fluid pound adalah seperti pada gambar 5 Saat polished rod turun, pada awalnya terkena kompressi . Pada kedalaman rendah, beban kompressi berkurang hingga menjadi beban tarik yang tidak terlalu besar sampai posisi terdalam. Kemudian saat polished rod bergerak naik terjadi penambahan beban yang kecil dan naik dengan landai hingga posisi teratas.
Gambar 5 Dynamometer Card of Well Pump Off / Fluid Pound [8] Tabel 1. Hasil Perhitungan massa penyeimbang dan unbalance saat pump off/fluid found beberapa pompa Massa Massa Lokasi Type Pumping % Load No penyeimbang penyeimbang Unbalance Sumur Unit Unbalance normal saat pump off 1
7K-55B
C-320-213-146
9588,27 lbs
6802.07 lbs
2786,2 lbs
29.05%
2 3 4
3G-17C 5R-39A 4V-72B
C-228-173-86 C-160-143-74 C-114-219-54
3687.79 lbs. 2893.63 lbs. 1909.05 lbs.
3043.1 lbs. 1874.89 lbs. 1026.68 lbs.
644.69 lbs. 1018.74 lbs. 882.37 lbs.
17.48% 35.21% 46.22%
ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-4
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
Effek Beban Unbalance tehadap Umur Operasi Pompa Angguk Dari data hasil perhitungan dan eveluasi yang sudah dilakukan dilapangan serta dengan mengambil data yang ada di CMMS (Computerized Maintenance Management System) maka dapat disimpulkan bahwasanya semakin besar Pompa Angguk mengalami beban unbalance maka akan semakin tinggi pula tingkat kerusakan yang akan dialami oleh Pompa Angguk tsb. Seadangkan tingkat kerusakan dari komponen Pompa Angguk akan dipengaruhi pula oleh besar dan kecil beban unbalancenya serta lamanya.
Grafik 1 Data Kerusakan Gearbox
Dari Gambar 6 dan 7 dibawah in dapat dilihat salah satu contoh dari kejadian seperti yang diuraikan diatas sehingga terjadi kerusakan gigi gearbox pecah yang disebabkan adanya beban unbalance pada gearboxnya. Untuk mengantisipasi kejadian seperti ini pada pompa angguk, maka harus dilakukan pencegehan secara dini masalah unbalance dan under load pada gearbox
Gambar 6 Broken Gearbox Shaft due to Under Balance [1,5,8]
KESIMPULAN Berdasarkan hasil yang sudah disampaikan secara analisis maupun pengukuran dynamometer, dapat disimpulkan bahwa load unbalance < 20% average 1 gearbox rusak/tahun, load unbalance <45% average 2 gearbox rusak/tahun dan load unbalance >50% average 3 gearbox rusak/tahun. SARAN Untuk menghindari terjadinya gangguan operasi Pompa Angguk yang diakibatkan adanya pump off / fluid pounding maka seharusnya dilakukan tugas pencegahan sebelu hal ini terjadi sehingga kerusakan yang lebih parah dapat segera diantisipasi. Adapun tugas-tugas pencegahan yang harus dilakukan adalah Schedule Dynamometer Test, Schedule PM & PdM Pumping Unit balancing, schedule Well Test Performance dan Schedule PM & PdM Pumping Unit ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-5
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Februari 2013
DAFTAR PUSTAKA 1. ”Design Calculations for Sucker Rod Pumping System (Conventional Units) series API RP 11L”, API Production Department,Dallas, 1988. 2. Takacs,G,:“ModernSucker-Rod Pumping.”Penn Well Books, Tulsa, Oklahoma,1993 3. Brown Kermit, The Technology of Artificial Lift Method, 1984 4. Rod Pumping Optimization By : John G Svinos President Theta Enterprises 1211 West Imperial Hwy. Suite 105 Brea, CA 92621-3724 USA 5. “API Specification for Pumping Units.”API STD 11E,Twelfth Edition, January, 1982 6. Craft-Holden., “Well Design Drilling and Production”, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New York1962 7. Day, John J., Byrd J.P., "Chapter 2 Beam Pumping :Design and Analysis", in " The Technology of Artificial Lift Method, VolumeII" by Kermit E. Brown, Penn Well Books, 1977, Tulsa. 8. PT. Chevron Pacific Indonesia
ISBN : 978-602-97491-6-8 A-8-6
