Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : 2460 - 8696
Buku 1 ISSN (E) : 2540 - 7589
Studi Pengembangan Demulsifier Pada Skala Laboratorium Untuk Mengatasi
Masalah Emulsi Minyak Di Lapangan "Z", Sumatera Selatan
Mahdi Rana Manggala*, Sugiatmo Kasmungin, dan Kartika Fajarwati
Program Studi Magister Teknik Perminyakan, Fakultas Teknologi Kebumian dan Energi, Universitas Trisaki, Jakarta,
*E-mail:rana.manggala@gmail.com,sugiatmo_ftke@trisakti.ac.id,kartika@trisakti.co.id Abstrak
Emulsi merupakan campuran antara dua macam fluida immiscible, sifat dan stabilitasnya dipengaruhi beberapa faktor seperti temperatur, viskositas, agitasi dan komposisi kimia dari minyak pembentuk emulsi tersebut. Lapangan “Z” merupakan lapangan yang berlokasi di wilayah kerja Blok Ogan Komering di Kabupaten Ogan Komering Ulu, Ogan Ilir dan Muara Enim, Propinsi Sumatera Selatan Di beberapa satellite telah dilakukan injeksi chemical demulsifier di beberapa satellite karena problem emulsi dan water cut yang cukup tinggi, maka ada kemungkinan terjadinya emulsi karena minyak mentah yang bercampur dan didominasi oleh air, sehingga water cut akan cenderung tinggi. Saat ini masih sering terjadi emulsi pada tangki pengumpul minyak ditandai dengan BS&W (Basic Sediment & Water) dan kandungan garam (Salt Content) yang tinggi. Dengan menggunakan pengembangan bahan kimia berupa demulsifier (pemecah emulsi), diperkirakan akan memecah emulsi dan menurunkan kandungan garam (Salt
Content). Pengembangan demulsifier baru dilakukan dengan metode Bottle Test dalam
skala laboratorium. Metode yang digunakan dalam penelitian ini dengan menggunakan sampel minyak mentah (Crude Oil), yaitu minyak Air Serdang dan minyak Guruh serta air produksi (Produced Water) dari lapangan “Z” yang diambil dari beberapa satellite dan sumur minyak, sumur dengan produksi minyak per hari (BOPD) yang besar dan sumur dengan emulsi yang kuat. Diharapkan penelitian ini bisa mendapatkan demulsifier yang lebih efektif dan ekonomis.
Kata Kunci: emulsion, demulsifier, water in oil (W/O), bottle test, BS&W. Pendahuluan
Saat ini Indonesia menjadi negara pengekspor minyak, namun sudah digolongkan menjadi negara net oil importer, artinya nilai impor minyak lebih besar dibanding nilai ekspornya. Hal tersebut disebabkan oleh semakin tuanya sumur-sumur minyak yang ada, juga belum diketemukannya sumber minyak yang baru. Semakin tua sumur minyak menunjukkan semakin besar kandungan airnya, di mana akan menyebabkan terbentuknya emulsi air dalam minyak (water in oil emulsion). Emulsi ini distabilkan oleh zat zat kimia alami yang terkandung dalam minyak mentah itu sendiri, seperti : asphaltene, resin, dan wax yang dikenal sebagai interfacial active components atau surfaktan alam. Minyak mentah merupakan campuran yang komplek, mulai dari hidrokarbon sebagai komponen utama, minyak mentah juga mengandung komponen-komponen lain, yaitu sulfur, nitrogen, oksigen, logam, asphaltenes, resin, wax, basic sediment and water (BS&W), dan padatan (suspended solid).
Tujuan penelitian ini adalah studi pengembangan Demulsifer baru untuk digunakan di lapangan “Z”, dengan lokasi di blok Ogan Komering di Kabupaten Ogan Komering Ulu, Ogan Komering Ilir dan Muara Enim, Propinsi Sumatra Selatan.
Daerah penelitian mempunyai kandungan air dalam minyak bervariasi dengan BS&W < 1% , water cut > 90% dan 31-32oAPI. Keberadaan air ini secara langsung akan mengurangi nilai jual dari minyak. Selain itu keberadaan air dalam minyak akan menyebabkan timbulnya masalah lain seperti korosi, bakteri maupun kerak, sehingga pada intinya air adalah fasa yang tidak dikehendaki dan harus diturunkan kadarnya
0,5 %.
Studi Pustaka
Studi Pustaka dan studi literatur meliputi studi perbandingan hasil penelitian yang diperoleh penulis dari pengamatan di laboratorium, dengan mencocokkan kepada data lapangan dan konsep-konsep dasar terbentuknya emulsi di lapangan minyak.
Pengertian emulsi, yaitu air dalam minyak berada dalam dua bentuk yaitu free
water (air yang langsung memisah dari fluida dalam waktu beberapa menit) dan emulsion water (air yang teremulsi dan baru terpisah setelah beberapa jam hingga beberapa
minggu).
Emulsi adalah dua cairan yang pada kondisi alamiahnya tidak saling bercampur namun pada suatu kondisi menyatu menjadi satu fasa. Emulsi juga didefinisikan sebagai
disperse koloid dimana droplet (titik kecil) dari salah satu fasa terdispersi pada fasa
lainnya (Kokal, 2005). Maka dapat didefinisikan bahwa emulsi adalah merupakan campuran dari macam cairan yang dalam kondisi normal dapat bercampur, dimana dalam emulsi ini salah satu cairan dihamburkan dalam cairan yang lain dalam bentuk butiran-butiran yang sangat kecil (Wahyuni, 2001).
Di lapangan minyak ada dua jenis emulsi yaitu emulsi air dalam minyak dan emulsi minyak dalam air. Gambar 2.1 sebelah kiri adalah ilustrasi emulsi air dalam minyak (fasa yang lebih banyak adalah minyak, air sebagai pengotor) dan gambar sebelah kanannya adalah emulsi minyak dalam air (air sebagai fasa yang lebih banyak). Dalam tulisan ini akan lebih banyak dibahas emulsi air dalam minyak W/O (water in oil).
Gambar 1. Ilustrasi emulsi air dalam minyak, W/O emulsion: water in oil (kiri) dan minyak dalam air, O/W emulsion: oil in water (kanan), (Kokal, 2005).
Terbentuknya Emulsi, ada tiga tahapan terbentuknya emulsi yaitu :
1. Ada dua macam cairan yang tidak saling bercampur pada kondisi tertentu.
2. Kedua cairan mendapat agitasi yang cukup kuat, yaitu dengan contoh : ketika fluida melewati choke/keran di wellhead.
3. Terdapat suatu zat koloid yang dapat membantu terjadinya emulsi karena bersifat sebagai emulsifier.
Faktor Penyebab Kestabilan Emulsi.
Emulsi yang terbentuk sebenarnya secara alamiah akan cenderung untuk memisah kembali menjadi air dan minyak, namun ada beberapa kondisi yang menyebabkan emulsi menjadi stabil sehingga lambat untuk memisah. Stabilitas emulsi adalah suatu ketahanan emulsi untuk menahan tenaga yang akan memecahkan emulsi
Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : 2460 - 8696
Buku 1 ISSN (E) : 2540 - 7589
tersebut. Beberapa faktor penyebab kestabilan emulsi diantaranya dijelaskan sebagai berikut:
1. Agitasi atau pengadukan adalah salah satu faktor utama penyebab kestabilan emulsi. Semakin kuat dan semakin banyak agitasi yang terjadi emulsi akan semakin stabil. Tempat-tempat di mana banyak terjadi agitasi terjadi di Wellbore/Perforation, Gas Lift,
Valve, Choke, Pompa dan tempat pengambilan sampel.
2. Ukuran Butir (Droplet), secara kuantitatif hubungan antara ukuran butir dan kecepatan pemisahan dinyatakan berdasarkan Hukum Stoke (Kokal, 2005).
V = g (dw – do)D2
18 u (1)
V = kecepatan pemisahan (m/s); g = percepatan gravitasi (m/s2); dw = berat jenis air (kg/m3); do = berat jenis minyak (kg/m3); D = diameter droplet air (m); u = viscosity crude oil (Ns/m2).
Butiran air yang kecil akan menyebabkan kecepatan pemisahan yang lambat. Umumnya semakin ke downstream ukuran butir semakin kecil jadi biasanya didapatkan hubungan antara jauhnya jarak antara wellhead hingga stasiun pengumpul (gathering station), dengan tingkat keketatan emulsi. Butir air akan mengecil pada tempat dimana terjadi perbedaan tekanan, pompa, wellhead dan
choke valve. Fasilitas-fasilitas diatas adalah hambatan yang akan memperkecil butir
air. Semakin banyak hambatan semakin kecil ukuran butir air. Pengecilan butir disebabkan oleh agitasi dan butir air yang mengecil akan menyebabkan emulsi lebih mudah terbentuk.
3. Surfaktan adalah zat aktif yang menurunkan tegangan permukaan air minyak. Tegangan permukaan yang rendah akan menyebabkan emulsi akan semakin stabil. Surfaktan bekerja sebagai pembuat emulsi atau penyetabil emulsi (emulsifier). Jenis surfaktan yang bersifat alami (sudah ada bersama minyak yang terproduksi) dan ada yang berasal dari luar formasi. Beberapa contoh emulsifier di lapangan minyak adalah
asphaltene dan resin. Beberapa bahan kimia (Drilling Fluids, Biocide, Corrosion Inhbitor, Scale Inhbitor, Chemical EOR) yang mengandung surfaktan dapat
menyebabkan emulsi bertambah ketat.
4. Pengaruh pH, dimana zat bersifat asam atau basa bersifat penyetabil emulsi. Pengaruh pH rendah meningkatkan “oil wetting solids” dan memperketat emulsi air dalam minyak. pH tinggi meningkatkan “water wetting solids” dan mempeketat emulsi minyak dalam air. Kegiatan seperti acidizing dapat menurunkan nilai pH secara ekstrim.
5. Komposisi dari Brine Water. Brine water adalah air yang berasal dari formasi (perut bumi). Brines yang mengandung banyak kationik seperti Ca 2+ and Mg2+ akan membentuk sabun ketika bereaksi dengan asam organik (asam carboxylic atau asam naphthenic). Sabun sebagai hasil reaksi ini bersifat sebagai surfaktan yang menyebabkan emulsi menjadi ketat.
6. Viskositas Minyak, sesuai dengan Rule of thumb: minyak mentah dengan API Gravity rendah (viskositas tinggi) cenderung memiliki emulsi yang lebih sulit pecah viskositas tinggi akan menghambat pergerakan molekul air untuk saling bertemu membentuk molekul yang lebih besar. Menurut hukum Stoke kecepatan pemisahan berbanding terbalik dengan viskositas.
7. Temperatur, jika temperatur turun maka viskositas emulsi meningkat, lilin/wax/ paraffin mungkin mulai terbentuk, wax dapat juga berfungsi sebagai emulsifier dan menambah tingginya viskositas emulsi dan energi panas butiran air untuk bergerak dan saling bertemu akan menurun.
Dalam tulisan ini, pembahasan hanya menjelaskan dengan metoda treatment Emulsi dengan metoda Kimia. Metoda ini menggunakan bahan kimia yang dimasukkan kedalam emulsi, bahan-bahan kimia ini juga disebut dengan emulsion breaker atau
tersebut maka terpisahlah droplet (external phase). Pemilihan pemakaian bahan kimia
demulsifier ini dilakukan melalui tes di laboratorium yang tergantung pada sifat-sifat
emulsinya.
Metodologi Penelitian
Seringkali dijumpai metoda non kimia memiliki kelemahan seperti lamanya waktu proses pemisahan dan masih belum didapatkannya hasil sesuai yang spesifikasi yang ditetapkan. Untuk itu perlu digabungkan cara pengolahan emulsi ini menggunakan bahan kimia. Beberapa jenis bahan kimia dapat berfungsi sebagai pemecah emulsi.
Bahan kimia ini disebut dehydration chemicals atau demulsifier atau emulsion
breaker. Cara ini umum digunakan karena mudah digunakan, ekonomis, mengurangi
penggunaan panas dan settling time.
Metoda pemilihan bahan kimia yang digunakan adalah dengan metoda Bottle
Test. Dengan metode ini bisa didapatkan demulsifier yang dapat memisahkan antara air
dan minyak secara cepat dan kadar air serendah mungkin dengan mengikuti prosedur ASTM No D 4007-02 : “Standard Test Method for Water and Sediment in Crude Oil by Centrifuge Method”. Definisi bottle test adalah suatu metode dalam skala laboratorium untuk mendapatkan demulsifier yang seusai untuk lapangan dan jenis emulsi tertentu. Prosedur ini memberikan panduan bagaimana cara bekerja dengan baik untuk mendapatkan demulsifier tersebut. Beberapa penyesuaian mungkin diperlukan sesuai dengan kondisi di lapangan.
Minyak (Crude Oil) dan air formasi (Fresh Water) yang digunakan di dalam penelitian ini diambil dari Lapangan “Z” untuk minyak Air Serdang, minyak Guruh dan data operasional lapangan sebagai dasar untuk melakukan penelitian seperti: dosis injeksi bahan kimia demulsifier, temperatur, tekanan, dan waktu pemisahan (Settling Time).
Sampel minyak Air Serdang diambil dari minyak oil campuran dari well Air Serdang, dengan volume 10-20 liter dan sampel air 5 liter dari ASD-22, ASD-23, ASD-25, ASD-43, ASD-45, ASD-55, ASD-62 dan ASD-67. Dan untuk sampel minyak Guruh diambil dari minyak campuran dari well Guruh, dengan volume 10-20 liter dan sampel air 5 liter, dari sumur GRH-9, GRH-12, GRH-17, GRH-18, GRH-27 dan GRH-28.
Peralatan yang diperlukan dalam analisis bottle test ini adalah tabung centrifuge alat pemutarnya (centrifuge), micro syringe. Sedangkan reagent yang diperlukan adalah bahan kimia Demulsifier incumbent, bahan baku intermediate Demulsifier, hydrocarbon
solvent seperti , xylene, toluene dan sludging compound produk Tretolite F-46.
Jenis Demulsifier Intermediate (demulsifier tunggal atau bahan aktif demulsifier)
dan, yang digunakan adalah: D-4381, D-4761, D-4321, D-4381, D-9211 dan D-20351M,
sedangkan Demulsifier produk jadi (finish product) adalah produk yang digunakan saat ini di lapangan yaitu Emulsotron X-8606.
Diagram alir dalam percobaan yaitu dengan penjabaran dalam metode penelitian dan melakukan pengamatan kecepatan waktu pemisahan, volume pemisahan air, kualitas air, kualitas minyak, interface batas minyak air, BS&W (%), yang dapat dijelaskan dalam diagram dibawah ini.
Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : 2460 - 8696
Buku 1 ISSN (E) : 2540 - 7589
Masalah emulsi minyak di lapangan "Z"
Sampel Minyak dan Air Produksi (Untreated)
Temperatur, Rasio Minyak/Air, Agitasi, Water Cut, Retention Time, Dosis
Chemical, SG
Bottle Test (Laboratory Test)
Time Se paration, Fas t Wate r Se paration, Oil Quality, Inte rface , Wate r
Quality & BS&W
Final Demulsifier Formulation
Registrasi Kode Demulsifier baru
Gambar 3. Diagram Alir Metode Penelitian Bottle Test Demulsifier. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan hasil analisis bottle test sesuai data yang telah dilakukan berdasarkan parameter yang dipertimbangkan dalam pemilihan produk jadi demulsifier (incumbent) dan intermediate demulsifier terbaik dengan melihat: BS&W (baik tanpa maupun dengan slugging compound), pemisahan air (water drop) dan Interface batas fasa air-minyak, untuk pencampuran minyak Air Serdang dan minyak Guruh dengan perbandingan ratio 60% : 40%, maka didapat hasil pengamatan yaitu sebagai berikut:
Tabel 2. Pengamatan akhir bottle test Demulsifier untuk minyak Air Serdang dan Guruh.
No Chem ical Treat Rate Co lo r Water Drop / Interface , Water Quality Top CUT 70% Mix Cut
Code ( P pm) Change 5 10 15 30 60 IF/
W Bs Wtr Tot F46 Bs Wtr Tot F-46 1 D-4381 15 20 40 48 48 48 2/1 12 0 12 12 0 0 0 2.0 11.3 2 X-8606 15 18 20 25 32 45 3/2 1.4 0 1.4 1.4 0 0 0 1.5 12.8 3 D-4761 + D-4321 15 8 15 25 30 40 3/2 1.9 0 1.9 1.9 0 0 0 0.8 18.9 4 D-4381 + D-9211 15 10 20 22 25 40 3/2 1.5 0 1.5 1.5 0 0 0 0.7 15.7 5 D-4381+D-9211+D-20351M 15 30 45 48 50 55 1/1 0.3 0.1 0.3 0.4 0 0 0 0.2 6.3 6 Blank 0 0 4 8 12 16 4/4 3.4 0 3.4 3.4 0 0 0 10.0 38.9 Salt content ptb
Pengamatan penampakan hasil bottle test Demulsifier dalam botol Sani Glass dapat dilihat dalam foto di bawah ini.
Gambar 5. Grafik Presentase air terpisah (%) terhadap pengamatan waktu (menit) dengan dosis injeksi Demulsifier 15 ppm untuk minyak Air Serdang dan minyak Guruh, di
ditemukan jenis demulsifer baru dengan variasi dosis konsentrasi yang rendah yaitu 15 ppm dan temperatur actual lapangan terhadap sampel minyak Air Serdang dan minyak Guruh yang di telah di uji untuk meningkatkan dan mengetahui daya kerja finish produk
demulsifer, yang cocok pada lapangan “Z” pada kisaran 31 – 32oAPI Gravity.
Pada tahap ini, tiga formula terbaik yaitu D-4381, D-9211 dan D-20351M, yang telah ditemukan masing-masing diuji pada berbagai variasi konsentrasi. Tujuannya adalah untuk memberikan keyakinan bahwa formula tersebut benar-benar bagus, mengetahui daya kerja Intermediate Demulsifier pada konsentrasi rendah, dengan temperatur aktual di lapangan, dan untuk mengetahui tingkat kejenuhan pemakaian chemical (overtreat test) pada konsentrasi tinggi.
Kriteria keberhasilan kinerja demulsifer yang diharapkan dapat dibuktikan dan diketahui jika dilakukan uji lapangan (Field Test) dengan melihat kualitas minyak itu sendiri dengan BS&W ≤ 0,5 % dan salt content < 7,0 ptb (pounds per thousand barrel) yang diukur di outlet shipping tank secara rata-rata per harinya. Dari hasil uji lapangan, hal itu membuktikan bahwa penggunaan demulsifer sudah sangat efektif untuk penanggulangan emulsi.
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa penelitian dan bottle test
1. Separasi emulsi air dalam minyak adalah sebuah kesatuan tak terpisahkan antara metoda fisika (sistem) dan cara kimiawi.
2. Metode Bottle Test ini adalah salah satu metoda paling umum dan cocok untuk memecahkan masalah emulsi air dalam minyak.
3. Mendapatkan jenis demulsifier baru dengan kode yang telah diregistrasi Nalco Champion Asia Pacific dengan nama kode: Nalco Champion EMBR18086A.
4. Dengan metode Bottle Test, maka desainnya dapat mewakili kondisi lapangan, dengan mensimulasikan kondisi pemecahan emulsi dan dapat membedakan chemical yang baik dan yang kurang baik.
Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Dr. Ir. Sugiatmo Kasmungin dan, Ibu Kartika Fajarwati ST. MT., selaku pembimbing dalam pembuatan tulisan ini seluruh staf Laboratorium PT Ecolab International Indonesia dan Technical Support PT Champion Kurnia Djaja Technologies , dan para dosen pengajar dan rekan-rekan mahasiswa Magister Teknik Perminyakan, Fakultas Teknologi Kebumian dan Energi, Universitas Trisakti, atas bantuan dan kerjasamanya sehingga penulis dapat melakukan penelitian dengan lancar.
Daftar Pustaka
Arnold, K.E. and Stewart, M., 2008. “Surface Production Operations, Design of Oil Handling Systems and Facilities”, Gulf Professional Publishing, Elsevier, Burlington, MA, USA, pp. 351-456.
Dimitrov, A.N., Yordanov, D.I. and Petkov, P.S., 2012. “Study on The Effect of Demulsifiers on Crude Oil and Petroleum Products”, International Journal Environment Resource., pp. 435-442.
Fink, J.K., 2003. “Oil Field Chemicals”, Gulf Professional Publishing, Elsevier, Burlington, MA, USA, pp. 325-344.
Seminar Nasional Cendekiawan ke 3 Tahun 2017 ISSN (P) : 2460 - 8696
Buku 1 ISSN (E) : 2540 - 7589
Kokal, Sunil, 2005. “Crude Oil Emulsions: A State of the Art Review”, SPE 77497.
McDaniels, Jamie., Olowu, Wole., 2016. “Removing contaminants from crude oil”, Petroleum Technology Quarterly Q1, pp. 71-74.
Mosayebi, A., Abedini, R., 2013. “Using Demulsifiers For Phase Breaking of Water/Oil Emulsion”, Petroleum & Coal, pp. 26-30.
Nguyen, D., Sadeghi N., Houston, C., 2011. “Emulsion Characteristics and Novel Demulsifier for Treating Chemical Induced Emusions”, Society of Petroleum Engineers, SPE 143987.
Oriji A.B, Uniport, Appah, Dulu., Abujah., 2012. "Suitability of Local Demulsifier as an Emulsion Treating Agent in Oil and Gas Production", Society of Petroleum Engineers, SPE 162989.
Pimeh, Paul Ebikapowei, Bello, Kelani Olafihon., 2016. “A New Demulsifier Formulation for Crude Oil Emulsions Treatment”, Petroleum Technology Development Journal (ISSN 1595-9104): An International Journal; July 2016 - Vol. 6 No. 2, pp. 24-29.
Wahyuni, Sri MG., Purwaka, Edi ST, 2001. “Teknik Produksi II (Surface Facilities, Problem Produksi, Gas Processing)”, Jurusan Teknik Perminyakan, Fakultas Teknologi Mineral, Universitas Trisakti, Jakarta, hal. 196-200.
