5
Universitas Islam Riau BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sistem Jaringan Injeksi
Dalam industri migas dibutuhkan suatu sistem jaringan dalam pendistribusian fluida injeksi dari stasiun penampung (block station) menuju sumur injeksi yang dihubungkan oleh jaringan perpipaan (T.C Phariss and R.L Kolpa, 2007). Sistem jaringan injeksi terdiri dari sistem pengolahan, sistem perpompan, sistem perpipaan yang terhubung satu sama lain.
2.1.1 Desain Jaringan Pipa Injeksi
Menurut T.C Phariss pertimbangan dalam desain jaringan pipa injeksi di dasari oleh beberapa faktor :
1. Kapasitas volume injeksi yang di inginkan.
2. Jenis fluida yang digunakan, ini menyangkut kepada viskositas, densitas, dan petrokimia yang digunakan.
3. Topografi jalur pipa.
4. Tekanan operasi maksimum yang di izinkan (MAOP).
5. Perhitungan hidrolika pipa seperti diameter pipa, ketebalan dinding pipa, jenis pipa yang digunakan.
6. Jarak dan jumlah pipa.
7. Jenis dan kapasitas pompa yang dibutuhkan.
Factor-faktor tersebut sangat mempengaruhi kemampuan suatu jaringan injeksi dalam proses pendistribusian optimum.
2.1.2 Pemilihan Jenis Pipa Dan Ukuran Pipa
Dalam industri perminyakan penggunaan jenis pipa sangatlah penting diperhatikan berdasarkan kebutuhan dan tujuan instalasinya. Hal ini menyangkut kepada ketahanan, umur pemakaian, dan kecocokan jenis pipa sesuai dengan fluida yang mengalir di dalamnya (T.C Pharris, 2007). Salah satu jenis pipa yang
Universitas Islam Riau kerap digunakan dalam distribusi fluida dalam industri ini adalah galvanized iron pipe.
Adapun spesifikasi dan keunggulan galvanize iron sebagai berikut :
Menurut T.C Pharris,(2007) berdasarkan spesifikasi dari ASME, Pipa galvanize iron terbuat dari bahan baja dengan campuran karbon yang membuat unsur baja tahan terhadap korosi dan tahan terhadap aliran tekanan tinggi. Galvanize iron dapat digunakan untuk distribusi liquid petroleum.
Beberapa keunggulan penggunaan galvanized iron pipe ialah :
1. Pipa galvanis mempunyai ketahanan yang kuat dan dapat digunakan hingga perkiraan 30 tahun.
2. Bahan dasar baja dengan kandungan karbon membuat jenis pipa ini tahan terhadap karat.
3. Kontruksi pipa yang kuat, cocok digunakan dalam aliran fluida tekanan tinggi.
Pada dasarnya tipe pipa injeksi dapat digolongkan menjadi 2 yaitu :
1. Pipa salur utama (mainline), tipe pipa ini memiliki ukuran besar dari 6 inch yang digunakan untuk mendistribusikan fluida dari block station menuju pipa injeksi flowline. Mainline langsung terhubung dengan pompa injeksi pada block station.
2. Pipa salur flowline, flowline berfungsi menghubungakan well injection dengan mainline dalam pendistribusian fluida injeksi. Tipe pipa ini memiliki ukuran yang lebih kecil dari mainline. Umumnya ukuran flowline dibawah 6 inch.
Jenis pipa salur yang digunakan dalam sistem jaringan injeksi lapangan RAP adalah galvanized pipe yang mempunyai ketahanan yang lebih besar dari jenis steel pipe biasa, lebih tebal dan cocok digunakan dalam penyaluran fluida bertekanan tinggi. Dalam membangun unit jaringan perpipaan harus sesuai dengan standar kulitas dan keselamatan dari material. Hal ini telah di atur American Society Mechanical Engineer (ASME) dimana ukuran dan ketebalan pipa tergantung pada schedule pipa.
Universitas Islam Riau Tabel 2.1 Pipe Schedule
Sumber : ( ANSI/ASME B36 Pipe Schedule,1995)
Pipa akan memiliki ketebalan yang berbeda-beda tergantung dengan ukuran dan schedule yang digunakan. Dalam penulisan tugas akhir ini schedule pipa yang digunakan adalah Std/40S untuk ukuran di bawah 6 inch dan schedule XS/80S untuk pipa 8 inch ke atas sesuai dengan standar yang digunakan oleh perusahaan. Masing-masing schedule pipa memiliki kekuatan tekanan maksimum yang di izinkan yang telah diatur oleh ASME. Pipa schedule 40S memiliki kekuatan tekanan maksimum 580 psi dan schedule 80S dengan kekuatan tekanan maksimum 1160 psi. Dalam kenyataannya jaringan injeksi lapangan RAP hanya dapat beroperasi pada tekanan 600 psi sampai 630 psi, dikarenakan jaringan yang tergolong sudah tua dan mengalami penurunan ketahanan kekuatan pipa.
Universitas Islam Riau 2.2 Aliran Fluida Dalam Pipa
2.2.1 Teori Bernouli
Persamaan dasar aliran fluida dalam pipa dikembangkan dari Persamaan Energi, yang menyatakan keseimbangan energi antara dua titik dalam sistem aliran fluida. Persamaan ini mengikuti hukum konservasi energi, yang menyatakan bahwa energi yang masuk ke titik pertama ditambah dengan kerja yang dilakukan oleh fluida di antara titik pertama dan kedua, dikurangi dengan energi yang hilang di antara kedua titik tersebut sama dengan energi yang keluar dari titik kedua (Arnold. K, 1999). Dalam hal ini persaman Bernouli dapat memecahkan permasalahan energi dalam satu titik seperti:
a. Kehilangan energi akibat elevasi, Merupakan energi yang berhubungan dengan perubahan ketinggian aliran fluida, dimana Z merupakan besarnya ketinggian yang dihitung terhadap titik tertentu.
b. Kehilangan energi karena adanya energi potensial yang terkandung dalam tekanan cairan pada titik itu, yaitu energi yang menunjukkan besarnya kerja selama fluida mengalir, atau besarnya energi potensial jika dihubungkan dengan perubahan tekanan.
c. Kehilangan energi akibat perubahan percepatan yang dipengaruhi oleh pengaruh perubahan energi kinetik fluida tersebut.
Dengan demikian teori bernouli dapat dituliskan seperti berikut:
... (1) Atau
(head elevasi)1 + (head tekanan)1 + ( head velocity)12 = (head elevasi)2 + (head
tekanan)2 + ( head velocity)22 + ( friction head loss) ... (2)
2.2.2 Reynolds Number
Aliran fluida dapat dibedakan atas 3 jenis yaitu aliran laminar, aliran transisi, dan aliran turbulen (Osborne Reynold 1883). Jenis aliran ini didapat dari
Universitas Islam Riau hasil eksperimen yang dilakukan oleh Osborne Reynold tahun 1883 yang mengklasifikasikan aliran menjadi 3 jenis. Jika air mengalir melalui sebuah pipa berdiameter d dengan kecepatan rata-rata V maka dapat diketahui jenis aliran yang terjadi. Berdasarkan eksperimen tersebut maka didapatkan bilangan Reynold dimana bilangan ini tergantung pada kecepatan alir fluida, kerapatan, viskositas, dan diameter.
Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak teratur mengikuti lintasan yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran ini terjadi apabila kecepatan kecil dan atau kekentalan besar. Aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-rata saja yang mengikuti sumbu pipa (Osborne Reynold 1883).
Bilangan Reynold (Re) merupakan parameter berdimensi yang menghubungkan gaya inersia terhadap viscositas fluida yang mengalir (Kamel.A.H, 2015). Hubungan ini dapat dihitung dengan menggunakan persamaan umum berikut:
... (3) Reynold number dapat dinyatakan dengan istilah yang lebih mudah, dan dapat dinyatakan pada persamaan untuk cairan berikut:
( ) ... (4) atau
( ) ... (5) Berdasarkan percobaan aliran di dalam pipa, Reynolds menetapkan bahwa untuk angka Reynolds di bawah 2000, gangguan aliran dapat diredam oleh kekentalan zat cair maka disebut aliran laminar. Aliran akan menjadi turbulen apabila angka Reynolds lebih besar dari 4000. Apabila angka Reynolds berada di antara kedua nilai tersebut (2000 < Re < 4000) disebut aliran transisi. Angka
Universitas Islam Riau Reynolds pada kedua nilai diatas (Re = 2000 dan Re = 4000) disebut dengan batas kritis bawah dan atas (Kamel.A.H, 2015).
Gambar 2.1 Aliran Laminer dan Turbulent Dalam Pipa (Kamel.A.H, 2015)
2.2.3 Korelasi Kehilangan Tekanan (Pressure Drop) Pada Pipa
Kehilangan tekanan adalah merupakan kerugian energi dari setiap fluida yang mengalir melalui saluran pipa pada satu titik ke titik lain ,dimana total energi yang dimiliki cenderung menurun pada kapasitas aliran tersebut (Arnold. K, 1999).
Menurut Ken Arnold (1999), Pressure drop dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu:
1. Diameter pipa (D)
Semakin besar ukuran diameter pipa, penurunan tekanan akan semakin kecil.
2. Faktor friksi (f)
Semakin besar friksi di sepanjang pipa, penurunan tekanan akan semakin besar. Faktor friksi dapat di tentukan menggunakan korelasi moody . 3. Panjang pipa (L)
Semakin panjang pipa maka kehilangan tekanan semakin besar. 4. Kekasaran dinding pipa (ɛ)
Semakin kasar dinding pipa, friksi yang terjadi semakin besar dan kehilangan tekanan semakin besar.
5. Velositas fluida ( v)
Semakin besar perubahan velositas, kehilangan tekanan akan semakin besar.
Universitas Islam Riau 6. Massa jenis fluida (ρ)
Semakin berat massa fluida maka kehilangan tekanan sepanjang pipa akan semakin besar.
Berdasarkan faktor diatas, Persamaan kehilangan tekanan aliran 1 fasa fluida pipa horizontal dapat dihitung menggunakan persamaan Darcy-Weisbach yang di korelasikan dengan persamaan moody friction factor. Kehilangan tekanan ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida.
Persamaan Darcy – Weisbach yaitu:
Persamaan Darcy-Weisbach menyatakan kehilangan energi pada pipa lurus berisi cairan yang mengalir akibat friksi berbanding lurus dengan panjang pipa dan percepatan, dan akan berbanding terbalik dengan diameter pipa (Henry Darcy,1803-1858). Maka dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
... (6) Pada sebagian sistem perpipaan injeksi perbedaan tekanan akibat ketinggian dan kecepatan pada 2 titik dapat di abaikan. Pada kasus ini persamaan 1 dapat di kurangi menjadi:
... (7) Dimana ∆P merupakan kehilangan tekanan antara titik 1 ke titik 2.
Maka persamaan 6 dan 7 dapat di substitusikan menjadi:
... (8) Dimana: hl = kerugian head karena gesekan (m), f = faktor gesekan (diperoleh dari korelasi Moody ), d = diameter pipa (m), L = panjang pipa (m), v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/s), g = percepatan gravitasi (m/s2).
Universitas Islam Riau Persamaan Moody :
Persamaan Moody telah digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran fluida di dalam pipa dengan menggunakan faktor gesekan pipa ( f ) dari rumus Darcy – Weisbach. Untuk dapat menentukan besarnya nilai f dari persamaan Moody harus diketahui besarnya bilangan Reynolds dan perbandingan antara kekasaran dinding pipa dengan diameter pipa tersebut ( ).
( ) ... (9) Nilai kekasaran dinding pipa diberikan pada Tabel 2.2
Tabel 2.2 Equivalen Roughness For Various Pipe Material And Surface Roughness (ɛ)
Material Mm ft
Riveted steel new old 0.9 9 0.003 0.03 Concrete new old 0.3 3 0.001 0.01 Wood steve new
old
0.2 0.9
0.0006 0.003
cast iron new 0.26 0.00085
Galvanized iron new old
0.15 0.4
0.0005 0.0013
Asphalted cast iron 0.1 0.0004
Wrought iron 0.046 0.00015
Cooper tubing 0.0015 0.000005
Glass and plastic Smooth smooth
Sumber: Lewis F.Moody,”Friction Factor For Pipe Flow.”ASME, (1994).
Untuk aliran laminar dimana bilangan Reynold kurang dari 2000, faktor gesekan dihubungkan dengan bilangan Reynold, dinyatakan dengan rumus:
Universitas Islam Riau Faktor gesekan untuk aliran turbulen (Re > 4000) dalam pipa didapatkan dari hasil eksperimen, antara lain:
1. Untuk daerah complete roughness, rough pipes yaitu:
( ) ... (11)
2. Untuk pipa halus, hubungan antara bilangan Reynold dan faktor gesekan dirumuskan sebagai: a. Blacius ... (12) Untuk Re < 4000 < 105 b. Vonkarman ( √ ) ... (13) ( √ ) ... (14) Digunakan untuk Re sampai dengan 3x106
3. Untuk pipa kasar menggunakan :
Von karman : ... (15) dimana harga f tidak tergantung pada nilai Re
4. Untuk Pipa antara kasar dan halus atau dikenal dengan daerah transisi yaitu: Corelbrook – White : * + ... (16) 2.3 Injectivity Index (II) Sumur Injeksi
Injectivity index adalah rasio antara laju alir injeksi yang dapat diberikan terhadap perbedaan tekanan sumur injeksi dengan tekanan reservoir (Morgan L.B, 2017). Injectivity index dihitung untuk melihat kemampuan sumur menginjeksikan fluida menuju formasi. Menurut (Malcolm Grant, 2013. Adopt by Morgan L.B, 2017) injectivity index dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
Universitas Islam Riau
... (17)
Dimana
( ) ... (18)
Untuk air tekanan hidostatik fluida adalah
... (19) atau
... (20) 2.4 Simulator PIPESIM 2009
Desain jaringan injeksi lapangan RAP dilakukan dengan menggunakan software komersil yaitu PIPESIM 2009. Simulator PIPESIM adalah simulator produksi yang dikeluarkan oleh Baker Jardine, yang sejak april 2001 menjadi bagian Schlumberger. PIPESIM adalah suatu simulator produksi yang dapat digunakan dalam analisa hal-hal sebagai berikut :
1. Analisis Pipeline & Facilities. 2. Analisis Well Performance . 3. Analisis jaringan (Networking). 4. Production Optimization.
2.4.1 Analisis Pipeline & Facilities
Analisis Pipeline & Facilities merupakan suatu sistem analisis model multi fasa (multiphase flow model). Aplikasi dari analisis tersebut meliputi :
1. Aliran multi fasa di dalam pipa (Multiphase flow in flowlines and pipelines).
2. Tekanan dan temperatur di tiap titik (pressure and temperature profiles). 3. Perhitungan heat transfer coefficients.
4. Analisis Flowline & equipment performance modeling. 5. Modeling the sensitivity of a pipeline design.
Universitas Islam Riau 2.4.2 Analisis Well Performance
Analisis Well Performance dilakukan dengan analisis sistem nodal (Nodal System Analysis). Tipe aplikasi dari analisis ini adalah meliputi :
1. Disain sumur. 2. Optimasi sumur.
3. Pemodelan ulah kerja alir sumur (Well inflow performance).
4. Horizontal well modeling (termasuk penentuan panjang optimum komplesi).
5. Aliran di dalam anulus dan tubing. 6. Reservoir VFP table generation 7. Pemodelan sensitivitas desain sumur.
8. Membandingkan data terukur dilapangan dengan data hasil simulasi.
2.4.3 Analisis Jaringan (Networking).
Analisis model jaringan meliputi beberapa hal yaitu :
1. Penyelesaian algoritma yang unik untuk jaringan sumur di dalam jaringan yang lebih besar.
2. Pemodelan panas dari semua komponen jaringan (rigorous thermal modeling).
3. Multiple looped pipeline/ flowline capability.
4. Pemodelan ulah kerja sumur (well inflow performance modeling capabilities).
5. Pemodelan pengangkatan gas dari sumur di dalam jaringan yang komplek 6. Model peralatan pipa secara menyeluruh.
7. Jaringan pengumpul dan jaringan distribusi (gathering system).
2.4.4 Production Optimization.
Optimasi produksi dapat dilakukan pada lapangan minyak dengan artificial lifted system (gas lift or ESP) dengan memberikan batasan-batasan praktis pada sistem. Optimasi produksi disini meliputi :
Universitas Islam Riau 1. Menghubungkan dengan analisis-analisis sebelumnya.
2. Memecahkan sekenario multi-well commingled . 3. Memberikan model produksi sumur.
4. Mengusulkan ide kepada operator sebagai pendukung. 5. Hanya untuk Black Oil.
2.4.5 Persiapan Data Lapangan
Dalam pembuatan model jaringan injeksi diperlukan persiapan data lapangan dan data penunjang yang akan di input pada model jaringan yang sesuai dengan keadaan dilapangan. Semakin valid data maka akan semakin mendekati kondisi aktualnya. Beberapa data yang diperlukan seperti :
1. Data Reservoir dan Sumur
Data-data reservoir yang diperlukan adalah data fluida reservoir, data kondisi reservoir. Ketersedian data akan menentukan metode-metode yang akan kita pakai dalam pembuatan model. Hasil analisa tes sumur kita dapatkan komposisi fluida reservoir, PVT, dan laju alir. Data sumur yang diperlukan adalah data casing dan tubing, data kondisi reservoir (tekanan dan temperatur), data kedalaman sumur dan perforasi.
2. Data Pipa dan Jaringan
Data pipa yang digunakan adalah data mulai dari source sampai kepala sumur. Data yang dibutuhkan adalah meliputi panjang pipa, ketebalan pipa, kekasaran pipa dan diameter. Data fasilitas Produksi yang digunakan meliputi data separator, data pompa produksi, pompa injeksi, dan booster.
2.4.6 Pembuatan Model Jaringan Injeksi
Pembuatan desain jaringan injeksi pada simulator PIPESIM didasarkan kepada data aktual dilapangan yang nantinya akan di input pada model jaringan. Data-data yang diperlukan dalam pembuatan model seperti data fluida, data pompa, data perpipaan, data komplesi, data reservoir dan data pendukung lainnya dalam pembuatan model.
Universitas Islam Riau 2.4.6.1 Pemilihan Fluida
Pemilihan fluida dalam pembuatan model digunakan black oil atau compositional. Pemilihan fluida dilakukan melalui setup data. Komposisi fluida didapat dari analisis PVT pada kondisi separator, setelah data komposisi di-input-kan dengan menggunadi-input-kan fasilitas single point flash dan memasukdi-input-kan data tekanan dan temperatur maka kita dapatkan viskositas, faktor kompresibilitas, molucelar weight, dan lain-lain . Diagram fasa didapatkan dengan fasilitas phase envelope kemudian di save dalam bentuk file pvt (Sclumberger, 2010).
2.4.6.2 Pemilihan Korelasi Aliran
Korelasi aliran digunakan untuk menghitung kehilangan tekanan disepanjang pipa, baik pada pipa vertikal maupun pada pipa horizontal. Penentuan korelasi aliran disesuaikan dengan data dan asumsi yang digunakan, sehingga di dapat hasil yang mempunyai kesamaan dengan aktual lapangan. Dalam pemilihan korelasi aliran pada tugas akhir ini digunakan korelasi single phase. Adapun jenis korelasi yang ada pada software PIPESIM ini dapat dilihat pada tabel berikut:
Tabel 2.3. Single Phase Correlation (Scumberger, 2010)
Fluid Type Single Phase Correlations
Water Moody
Dry gas AGA
Gas Panhandle A
Gas Panhandle modification
Water Hazzen - William
Gas Weymouth
Korelasi yang dipakai dalam tugas akhir ini untuk menentukan friksi pada aliran single phase adalah korelasi Moody dengan tipe fluida water.
Universitas Islam Riau 2.4.6.3 Desain Model Jaringan
Dalam membuat model jaringan injeksi lapangan RAP pada simulator PIPESIM dimulai dari memilih icon injction well dalam bentuk single branch model dan di input pada work bar sesuai dengan jumlah sumur yang ada dilapangan. Semua sumur dihubungkan dengan flowline dan mainline sebagai pipa salurnya yang tersaji dalam bentuk model branch. Antar segmen pipa dihubungkan oleh junction. Dan terakhir penginputan icon source sebagai awal pendistribusian fluida dalam model jaringan
Dalam jaringan injeksi pada simulator PIPESIM perlu didefinisikan beberapa simbol kerja yang digunakan dalam pembuatan model. Simbol yang digunakan adalah source, well, junction, dan branch.
Gambar 2.2 Simbol Source, Well Injection, Junction, Branch (PIPESIM 2009) 1. Source
Source dapat didefenisikan sebagai suatu sumber injeksi fluida pada stock tank point yang akan masuk ke jaringan. Input data pada source seperti tekanan, laju alir serta temperatur dalam proses distribusi injeksi. Pada source terdapat fluid model dengan inputan persen watercut dan GOR sebagai spesifikasi kerja fluida injeksi ( Sclumberger, 2010 ).
2. Junction
Junction merupakan titik pertemuan antara branch satu dengan branch lainnya. Pada junction akan terjadi pertemuan atau pemisahan fluida yang mengalir pada branch. Pada junction tidak terjadi perubahan tekanan ataupun temperatur dari sistem aliran fluida ( Sclumberger, 2010).
3. Well Injection
Well injection merupakan tempat masuknya fluida injeksi dari jaringan permukaan menuju reservoir. Well injection terdapat inputan tubing dan
Universitas Islam Riau completion. Input tubing berupa kedalaman sumur , perforasi, ukuran tubing dan casing. Completion merupakan tempat inputan data reservoir berupa tekanan reservoir, temperatur dan indeks kemampuan sumur. Pada well injection memerlukan inputan data tekanan kepala sumur dan temperatur. Hasil eksekusi run program akan memberikan Output data kemampuan sumur injeksi berupa liquid rate injeksi, massa rate, pressure, dan temperatur (Sclumberger, 2010) 4. Branch
Branch merupakan point koneksi antara junction dengan junction, junction dengan well injection. Hubungan antar branch digambarkan dengan bentuk garis hitam dengan icon ditengah-tengahnya. Pada branch terdapat peralatan pipeline , booster , pump dan peralatan lainnya. Analisis jaringan dapat dilakukan pada branch seperti penentuan ukuran pipa, desain jaringan dan pengembangan model jaringan (Sclumberger, 2010)
2.4.6.4 Input Data 1. Pipe input
Data input flowline dan mainline adalah semua data fisik pipa dan letaknya pada permukaan termasuk konduktivitas bahan pipa dan temperatur lingkungan dimana pipa berada.
2. Well input
Well input berisikan data konfigurasi detail tubing, artificial lift dan completion input berupa kondisi downhole operation data.
3. Source input
Source merupakan penginputan kondisi awal parameter pressure, temperature dan fluid parameter dalam sistem jaringan.
Studi simulasi tahapan pengembangan lapangan didahului dengan melakukan proses penyelarasan model awal (existing) dalam simulasi. Penyelarasan ini sangat penting dilakukan untuk melihat kesesuaian kondisi model simulasi terhadap kondisi sebenarnya. Model yang digunakan dalam simulasi dibuat sesuai data yang ada meliputi data kondisi reservoir, data
Universitas Islam Riau komposisi fluida, data sumur, data fasilitas injeksi, data injeksi dan data penunjang lainnya. Penyelarasan model single branch, data-data yang diperlukan adalah data komposisi fluifa yang diperoleh dari hasil analisa sampel diambil dari stock tank, data kondisi reservoir, data injeksi dan data sumur meliputi data kedalaman sumur, kedalaman perforasi dan data tubing. Penyelarasan dalam single branch dengan memacthingkan hasil eksekusi laju alir, tekanan dan indeks kemampuan sumur yang sesuai dengan keadaan dilapangan. Penyelarasan model Network terdiri yang dari beberapa model single branch yang dimaksudkan untuk menganalisa kinerja suatu sistem jaringan. Penggunaan network model pada Software PIPESIM hanya dapat memperhitungkan kondisi sistem jaringan pada saat itu saja.
