Bab II Tinjauan Pustaka
II.1 Sistem Produksi
Sistem produksi minyak merupakan jaringan pipa yang berfungsi untuk mengalirkan fluida (minyak) dari reservoir ke separator. Reservoir terletak di bawah permukaan tanah atau dasar laut yang merupakan sumber dari fluida, sedangkan separator terletak di atas permukaan tanah atau laut yang berfungsi sebagai pemisah antar fasa dari fluida. Sistem produksi tersebut terdiri dari beberapa komponen yaitu sumur (well), tubing, kepala sumur (wellhead), dan separator. Pada satu sistem produksi biasanya terdiri dari beberapa sumur produksi, dan fluida dari masing-masing reservoir dialirkan ke permukaan melalui tubing yang biasanya berupa pipa vertikal.
Kemudian pada saat pertama kali fluida mencapai permukaan, fluida tersebut akan mengalir melalui kepala sumur. Selanjutnya, fluida dari masing-masing kepala sumur akan mengalir menuju ke separator.
Gambar II.1. Skema Sistem Produksi
Suatu fluida dapat mengalir di sepanjang pipa alir jika tekanan di titik masukan (inlet) pipa lebih besar dibandingkan tekanan di titik keluarannya (outlet). Sehingga pada suatu sistem produksi, tekanan di sumur haruslah lebih besar dibandingkan tekanan di separator agar fluida dari sumur dapat dialirkan ke separator. Fluida yang mengalir sepanjang pipa alir dapat terdiri dari 1 fasa saja yaitu gas, minyak, atau air, namun faktanya pada suatu sistem produksi biasanya fluida tersebut terdiri dari 2 fasa atau lebih (multifasa) yaitu berupa gas dan liquid (minyak dan air). Oleh karena itu, di bagian akhir sistem digunakan separator. Secara umum, aliran multifasa pada pipa didefinisikan sebagai pergerakan yang bersifat konkuren dari gas dan liquid di sepanjang pipa alir
[1]Aliran pada pipa dapat terdiri dan aliran satu fasa (gas, minyak, atau air saja) ataupun lebih yaitu multifasa (gas dan liquid). Secara umum, suatu fluida dalam pipa dapat mengalir dan suatu titik masukan (inlet) menuju ke titik keluaran (outlet), jika tekanan di titik keluaran lebih kecil daripada tekanan di titik masukan, P
.
Pada kenyataannya di lapangan, suatu jaringan pipa produksi memiliki bentuk yang sangat kompleks, pipa tersebut bukan hanya berbentuk lurus namun berbelok-belok dan terdapat pula penyempitan serta percabangan pipa. Pada proses pengaliran fluida dari beberapa sumur hingga ke separator, besar kemungkinan akan terjadi peristiwa desakan fluida, terutama pada saat terjadi penyempitan pipa alir. Hal tersebut dikarenakan fluida dari beberapa sumber dialirkan ke satu pipa alir, sehingga dapat menyebabkan peristiwa penyumbatan aliran (bottleneck). Penyumbatan aliran merupakan permasalahan penting yang sering terjadi di suatu jaringan pipa. Salah satu indikator dari permasalahan tersebut dapat terlihat di lapangan saat penurunan tekanan antara titik masukan (inlet) dan titik keluaran (outlet) yang tinggi namun debit alirnya rendah.
II.2 Konsep Aliran Pada Pipa
out
< P
in( ΔP>0 ). Apabila tekanan di titik masukan sama dengan tekanan di titik keluaran
yaitu P
out= P
inGambar II.2. Aliran Fluida Pada Jaringan Pipa
Gambar II.2 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 dan debit alir q1, q2, dan q3. Apabila qout bukan merupakan penjumlahan dan ketiganya, maka diindikasikan terdapat kebocoran pada pipa alir.
Seperti yang telah dijelaskan sebelurnnya bahwa fluida mengalir dan tekanan tinggi ke tekanan rendah, sehingga fluida dari ketiga segmen masukan akan mengalir ke segmen keluaran jika nilai p1, p2, dan p3 masing-masing lebih besar daripada pout.
II.3 Aliran Fluida Dua Fasa
II.3.1 Persamaan Umum Kehilangan Tekanan
( ΔP=0), maka tidak akan terjadi aliran fluida di sepanjang pipa alir.
Persamaan aliran fluida dalam pipa pada dasarnya diturunkan dari hukum konservasi
energi, yang menyatakan bahwa “ energi yang masuk ke titik pertama ditambah
dengan kerja-kerja yang dilakukan oleh dan terhadap fluida diantara titik pertama
dan titk kedua, dikurangi dengan energi yang hilang diantara kedua titik tersebut sama dengan energi yang keluar dari titk yang kedua”.
Secara sederhana prinsip ini diilustrasikan pada berikut ini:
Gambar II.3. Prinsip Sistem Aliran Fluida Pada Pipa
Apabila sistem aliran fluida tersebut ditinjau dari energi yang terjadi akan mengikuti persamaan:
c c
c
c
g
mgZ g
V mV p U w g Q
mgZ g
V mV p
U
22 2 2 2 1 1
2 1 1 1
1
+ + 2 + + − = + + 2 +
...(II.1)Dengan menggunakan kaidah-kaidah termodinamikadan dengan mengasumsikan pada sistem aliran fluida ada kerja yang masuk ataupun keluar, maka diperoleh persamaan umum gradien tekanan pada suatu pipa yaitu :
acc friksi
elevasi
Total
dL
dP dL
dP dL
dP dL
dP
+
+
=
...(II.2)dimana
θ ρ
sinc
elevasi g
g dL
dP =
= gradien elevasi...(II.3)
( )
D g
v f dL
lw d dL
dP
c
friksi
2
ρ
2ρ =
=
= gradien gesekan...(II.4)
dL g
vdv dL
dP
c acc
ρ
=
= gradien akselerasi...(II.5)
Apabila fluida mengalir didalam pipa, maka akan terjadi gesekan antara fluida dengan dinding pipa dan gesekan antar fasa. Adanya gesekan ini mengakibatkan adanya kehilangan tekanan sepanjang pipa yang oleh moody dirumuskan sebagai berikut :
( )
D g
v f dL
lw d dL
dP
c
friksi
2
ρ
2ρ =
=
...(II.6)
dengan
64
RE
f = N ...(II.7)
Dengan memperhitungkan faktor gesekan diatas maka persamaan umum kehilangan tekanan total menjadi :
dL g
vdv D
g v f g
g dL
dP
c c
c Total
ρ θ ρ
ρ + +
=
sin 2
2
...(II.8)
Analisis persamaan aliran fluida dua fasa akan dibahas pada subbab III.3.
II.3.2 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. Arah aliran inclined dan directional merupakan arah aliran yang membentuk sudut kerniringan antara 0 sampai 90 derajat terhadap sumbu horizontal.
Gambar II.4. Skema Arah Aliran Pada Suatu Sistem Produksi
Arah aliran vertikal dan directional biasanya digunakan pada jaringan pipa di bawah
permukaan, yaitu pipa yang menghubungkan fluida dan 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 dalarn hal penentuan nilai perubahan tekanan di sepanjang pipa alir.
II.4 Faktor Gesekan (f)
Faktor Gesekan (f) dalam pipa adalah sangat diperlukan untuk menghitung besar kehilangan tenaga (pressure drop) seperti dijelaskan pada Persamaan II.6.
Fakor gesekan dalam pipa tergantung pada dua hal:
a. Kondisi kekasaran permukaan dalam pipa b. Bilangan Reynolds (N
ReViskositas minyak (μ) sangat tergantung pada tekanan dan temperatur. Banyak penelitian yang dilakukan untuk menentukan faktor gesekan aliran dalam pipa.
Beberapa persamaan yang sudah teruji dan luas pemakaiannya diberikan dibawah ini.
II.4.1 Aliran Laminer
Faktor gesekan untuk aliran laminar dapat diturunkan dari persamaan Hagen Poiseuille:
), yang merupakan fungsi massa jenis fluida (ρ), k ecepatan aliran (V), diameter pipa (D), dan kekentalan fluida (μ).
2
.32. .
p
V L
D
∆ = µ ∆ ………..(II.9)
Persamaan (II.9) dapat diturunkan menjadi Persamaan (II.10) berikut ini:
2
.32. .
f
.
p V L
h D
µ
ρ ρ
∆ ∆
∆ = = ……….(II.10)
Dengan menyamakan persamaan (II.9) dan (II.6) maka didapat,
2 2
.32. . .
. . .2
V L L V
D f D g
µ ρ
∆ = ∆
64.
f . .
V D µ
= ρ ………..…………..(II.11)
Dengan mengikat persamaan (II.10), maka persamaan (II.11) dapat ditulis menjadi:
64
RE
f = N ………(II.12)
II.4.2 Aliran Turbulen
Penelitian-penelitian menunjukkan bahwa baik profil kecepatan aliran dan gradien pengurangan tekanan sangat sensitive terhadap karakteristik dinding pipa. Beberapa persamaan hasil penelitian-penelitian yang sudah banyak dipakai diberikan dibawah ini, dibedakan untuk pipa dengan dinding permukaan dalam halus dan dinding permukaan dalam kasar.
II.4.2.1 Pipa Dengan Dinding Permukaan Dalam Halus
Ada beberapa korelasi yang dikembangkan untuk aliran turbulen dalam pipa dengan dinding permukaan dalam halus.
1. Korelasi Blasius (Nre < 10 Untuk pipa halus:
5
NRe
316 . f 0
25 .
= 0
)
...
(II.13)
2. Korelasi Drew, Kro dan Mc.Adam (1930)f = 0.0056 + 0.5(Nre)-0.32 3. Aliran dengan kecepatan sedang
...
(II.14)
f = 0.5676(Nre)-0.3192 4. Aliran dengan sebagian turbulen
...
(II.15)
f )
7063 . 0 N f log(
16
5 . Re 0
= ...
(II.16)
5. Korelasi Prendlh (untuk aliran benar-benar turbulen)628 ) . 0 N f log(
f 2
5 . Re 0 5
. 0 =
− ...
(II.17)
1. Korelasi Colebrook Untuk Pipa Kasar:
ε +
−
− =
N f 628 . 0 7 . log 3 f 2
5 . Re 0 5
.
0 ...
(II.18)
2. Korelasi Colebrook (sangat kasar)
ε
−
− = 2log
f 0.5 ...
(II.19)
3. Korelasi Swamee & Jain (1978) untuk 10-6<ε <10-2 dan 5000 <NRe<10
ε+
−
− =
NRe
25 . log 21
2 14 . f 1
9 . 0 5
. 0
8
...
(II.20) 4.Korelasi Nikuradse (untuk aliran yang benar-benar turbulen)
[ ]
ε−
− =1.74 2log2
f 0.5
...(II.21) 5.Korelasi Chen
+
− ε
− ε
=
8981 . 0 Re 1098
. 1
f Re N
149 . 7 8257 . log 2 N
0452 . 5 7065 . log 3 4 f
1
...(II.22)
di mana:
N
Red k
= Bilangan Reynold, tanpa satuan f = Faktor gesekan Fanning
ε = Kekasaran pipa relatif, tanpa satuan
= , (k = kekasaran pipa, in dan d = diameter dalam pipa, in)
Persamaan kehilangan tekanan pada cairan yang mengalir melalui pipa horizontal dapat dituliskan sebagai:
di
L fq 0000115 .
0
P 5
2 γ l
=
∆
