Teknik Produksi : "Artificial Lift", Metode Pengangkatan Buatan (I) Sucker Rod

Artificial lift adalah metode pengangkatan fluida sumur dengan cara mengintroduksi tenaga tambahan ke dalam sumur (bukan ke dalam reservoir) di mana metoda ini diterapkan apabila tenaga alami reservoir sudah tidak mampu lagi mendorong fluida ke permukaan atau untuk maksud–maksud peningkatan produksi. Introduksi tenaga tambahan yang ada terdiri dari Pompa (Sucker rod, centrifugal multistage, hidraulik, dan jet), Gas Lift (continious dan intermittent), dan Chamber Lift. Dalam pembahasan kali ini, yang akan kita bahas adalah mengenai pompa Sucker Rod. 

Sucker Rod dsalah satu lapangan minyak di Kalimantan

1. Unit Pompa Sucker-rod 
Pompa sucker rod merupakan jenis pompa untuk meningkatkan produksi minyak yang paling banyak digunakan di dunia. Selain itu, pompa Sucker rod juga merupakan "identitas" atau suatu ke-khas-an yang dimiliki oleh industri perminyakan.

1.1. Peralatan Pompa Sucker-Rod.
Peralatan pompa sucker-rod terdiri dari mesin penggerak mula, peralatan di atas dan di bawah permukaan.

A. Mesin Penggerak Mula (Prime mover) 

Penggerak mula merupakan sumber utama seluruh peralatan pompa sucker rod di mana bahan bakarnya dapat berupa gas alam yang berasal dari sumur sucker-rod digunakan, solar atau listrik tergantung pada jenis mesin yang digunakan. 

B. Peralatan Pompa di Atas Permukaan.  
Fungsi utama dari peralatan-peralatan ini adalah :

1. Memindahkan energi atau tenaga dari prime mover ke unit peralatan pompa di dalam sumur.
2. Mengubah gerak berputar dari prime mover menjadi satu gerak bolak-balik naik turun.
3. Mengubah kecepatan putar prime mover menjadi suatu langkah pemompaan (stroke per menit, SPM) yang sesuai atau yang diinginkan.

Di dalam industri migas, dikenal ada tiga macam pompa sucker-rod yaitu Konvensional (C), Air Balance (B), dan Mark II (M). Dan klasifikasi oleh API RP 11 L adalah sebagai berikut :

X(1) – XXX(2).X(3) – XXX(4) – XX(5)

Keterangan :
X(1), Jenis alat permukaan 

• C = Konvensional
• M = Mark II
• A = Air Balance

XXX(2), Peak Torque Rating, ribuan in-lb
X(3). Gear reducer. 

• D = double
• S = single

XXX(4). Polished rod rating, ribuan lb
XX(5). Panjang langkah maximum, inchi

Misal : C – 1600.D – 173 – 64

Jenis-jenis Sucker Rod Pump

Komponen-komponen utama sucker rod dan fungsinya adalah sebagai berikut :

1. Gear Reducer, merupakan transmisi yang berfungsi untuk mengubah kecepatan putar dari prime mover, gerak putaran prime mover diteruskan ke gear ruducer dengan menggunakan belt. Di mana belt ini dipasang engine pada prime mover dan unit sheave pada gear reducer.
2. V-Belt, merupakan sabuk untuk memindahkan gerak dari prime mover ke gear reducer.
3. Crank Shaft, merupakan poros dari crank yang berfungsi untuk mengikat crank pada gear reducer dan meneruskan gerak.
4. Counter Balance, adalah sepasang pemberat yang fungsinya :
• Untuk mengubah gerak berputar dari prime mover menjadi gerak naik-turun.
• Menyimpan tenaga prime mover pada saat down stroke atau pada saat counter balance menuju ke atas, yaitu pada saat kebutuhan tenaga kecil atau minimum.
• Membantu prime mover pada saat up-stroke (saat counter balance bergerak ke bawah) sebesar tenaga potensialnya karena kerja prime mover yang terbesar adalah pada saat up-stroke (pompa bergerak ke atas) di mana sejumlah minyak ikut terangkat ke atas permukaan.
5. Crank, merupakan sepasang tangkai yang menghubungkan crank shaft pada gear reducer dengan counter balance. Pada crank ini terdapat lubang-lubang tempat pitman bearing. Besar kecilnya langkah atau stroke pemompaan yang diinginkan dapat diatur di sini dengan cara mengubah–ubah pitman bearing, apabila kedudukan pitman bearing ke posisi lubang mendekati counter balance, maka langkah pemompaan menjadi bertambah besar atau sebaliknya apabila menjauhi jarak antara crank shaft sampai dengan pitman bearing dengan sebagai Polished stroke lenght yang fungsinya meneruskan gerak berputar dari crank shaft pada gear reducer ke walking bean melalui pitman.
6. Pitman, adalah sepasang tangkai yang menghubungkan antara crank pada pitman bearing. Fungsinya adalah merubah dan meneruskan gerak berputar menjadi bolak-balik naik turun.
7. Walking bean, merupakan tangkai horizontal di belakang horse head. Fungsinya merupakan gerak naik turun yang dihasilkan oleh pasangan pitman-crank-counter balance ke rangkaian pompa di dalam sumur melalui rangkaian rod.
8. Horse head, berfungsi menurunkan gerak dari walking bean ke unit pompa di dalam sumur melalui bridle, polish rod dan sucker string atau merupakan kepala dari walking bean yang menyerupai kepala kuda.
9. Bridle, merupakan nama lain dari wire line hanger, yaitu merupakan sepasang kabel baja yang disatukan pada carrier bar.
10. Carrier bar, merupakan alat yang berfungsi sebagai tampat bergantungnya rangkaian rod dan polished rod.
11. Polished rod Clamp, merupakan komponen yang bertumpu pada carrier bar yang fungsinya untuk mengeraskan kaitan polish rod pada carrier bar dan tempat di mana dinamo meter (alat pencatat unit berapa pompa) diletakkan.
12. Polished rod, merupakan bagian teratas dari rangkaian rod yang muncul dipermukaan. Fungsinya adalah menghubungkan antara rangkaian rod di dalam sumur dengan perlatan-peralatan di permukaan.
13. Suffing box, Dipasang di atas kepala sumur (casing atau tubing head) untuk mencegah/menahan minyak agar supaya tidak keluar bersama naik turunnya polish rod. Dengan demikian seluruh aliran minyak hasil pemompaan akan mengalir ke flowline lewat crosstee. Disamping itu juga berfungsi sebagai tempat kedudukan polish head rod sehingga dengan demikian polish rod dapat bergerak naik turun dengan bebas,
14. Sampson post, merupakan kaki penyangga atau penopang walking bean.
15. Saddle bearing, adalah tempat kedudukan dari walking bean pada sampson post pada bagian atas.
16. Equalizer, adalah bagian atau dari pitman yang dapat bergerak secara leluasa menurut kebutuhan operasi pemompaan minyak berlangsung.
17. Brake,  berfungsi untuk mengerem gerak pompa jika dibutuhkan, misalnya pada saat akan dilakukan reparasi sumur atau unit pompanya sendiri.

Bagian-bagian Sucker Rod Pump, via industrimigas.com

C. Peralatan Pompa di Dalam Sumur.
Fungsi peralatan pompa sucker rod di dalam sumur adalah untuk membantu menaikan fluida sumur ke permukaan melalui tubing. Unit pompa sucker rod di dalam sumur terdiri dari :

1. Tubing, seperti halnya peralatan sembur alam, tubing digunakan untuk mengalirkan minyak dari dasar sumur ke permukaan setelah minyak diangkat oleh pompa yang di tempatkan pada ujung tubing.
2. Working barrel, merupakan tempat di mana plunger dapat bergerak naik turun sesuai dengan langkah pemompaan dan menampung minyak sebelum diangkat oleh plunger pada saat up stroke. Menurut standart API ada 2 (dua) jenis barrel, yaitu : 
1. Liner barrel, biasanya jenis diberi simbol “L”.
2. Full barrel, yang terdiri dari satu bagian yang utuh dan kuat, biasanya jenis ini diberi simbol “H” untuk heavy-wall dan “W” untuk thin-wall.
3. Plunger, merupakan bagian dari pompa yang terdapat di dalam barrel dan dapat bergerak naik turun yang berfungsi sebagai pengisap minyak dari formasi masuk ke dalam barrel yang kemudian diangkat ke permukaan melalui tubing.
4. Standing valve, merupakan katup yang terdapat di bagian bawah working barrel yang berfungsi memberi kesempatan minyak dari dalam sumur masuk ke working barrel (pada saat up-stroke valve terbuka) dan untuk menahan minyak agar tidak keluar dari working barrel pada saat plunger bergerak ke bawah (pada saat down stroke valve tertutup). Standing valve ini mempunyai peranan yang penting dalam sistem pemompaan, karena effisiensi volumetris pompa sangat tergantung pada cara kerja dan bentuk dari ball dan seat standing-valve.
5. Travelling valve, merupakan ball and seat yang terletak pada bagian bawah dari plunger dan akan ikut bergerak ke atas dan ke bawah menurut gerakan plunger. Pada saat plunger bergerak ke bawah travelling valve mengalirkan atau memindahkan minyak dari working masuk ke plunger. Pada saat plunger bergerak ke atas (up stroke) minyak tertahan, sehingga minyak tersebut dapat (dipindahkan) ke tubing untuk selanjutnya dialirkan ke permukaan.
6. Anchor,
1. Komponen di pasang pada bagian bawah dari pompa, yang berfungsi :
• Untuk memisahkan gas dari minyak agar supaya gas tersebut tidak ikut masuk ke dalam pompa bersama-sama dengan minyak, karena adanya gas akan mengurangi efisiensi pompa.
• Untuk menghindarkan masuknya pasir atau padatan ke dalam pompa.
• Mengurangi/menghindari terjadinya tubing stertch.
2. Ada dua macam tipe Gas Anchor :
• Poorman type. Larutan dalam minyak yang masuk ke dalam anchor akan melepaskan diri dari larutan (bouyancy effect). Minyak akan masuk ke dalam barrel melalui suction pipe, sedangkan gas yang telah terpisah akan dialirkan ke annulus. Apabila suction pipe terlalu panjang atau diameternya terlalu panjang atau diameternya terlalu kecil, maka akan terjadi pressure lost yang cukup besar sehingga menyebabkan terjadinya penurunan PI sumur pompa. Sedangkan apabila suction pipe terlalu pendek, maka proses pemisahan gas kurang sempurna. Diameter suction pipe terlalu besar menyebabkan ruang annulus antara dinding anchor dengan suction pipe menjadi lebih kecil, sehingga kecepatan aliran minyak besar dan akibatnya gas akan masih terbawa oleh butiran-butiran minyak. Diameter gas anchor yang terlalu besar akan menyebabkan penurunan PI sumur pompa.
• Packer type, minyak masuk melalui ruang dinding anchor dan suction pipe. Kemudian minyak jatuh di dalam annulus antara casing dan gas anchor dan ditahan oleh packer, selanjutnya minyak masuk ke dalam pompa melalui suction pipe. Disini minyak masuk ke dalam annulus sudah terpisah dari gasnya.
7. Tangkai pompa, atau biasa disebut dengan sucker rod string terdiri dari :
• Sucker rod, merupakan batang/rod penghubung antara plunger dengan peralatan di permukaan. Fungsi utamanya adalah melanjutkan gerak naik turun dari horse head ke plunger. Berdasarkan konstruksinya, maka sucker rod dibagi menjadi 2 (dua) yaitu berujung box-pin dan berujung pin-pin. Untuk menghubungkan antara dua buah sucker rod digunakan sucker rod coupling. Umumnya panjang satu single dari sucker rod yang sering digunakan berkisar antara 25-30 ft. Dalam perencanaan sucker rod selalu diusahakan atau yang dipilih yang ringan, artinya memenuhi kriteria ekonomis, tetapi dengan syarat tanpa mengabaikan kelebihan (allowable stress) pada sucker rod tersebut. Sucker rod yang dipilih dari permukaan, sampai unit pompa di dasar sumur (plunger) tidak perlu sama diameternya, tetapi dapat dilakukan/dibuat kombinasi dari beberapa tipe dan ukuran rod. Sucker string yang merupakan kombinasi dari beberapa tipe dan ukuran tersebut. Disebut Tappered Rod String.
• Poni rod, merupakan rod yang mempunyai panjang yang lebih pendek dari panjang rod umumnya (25 feet). Fungsinya adalah untuk melengkapi panjang dari sucker rod, apabila tidak mencapai kepanjangan yang dibutuhkan ukurannya adalah : 2, 4, 6, 8, 12 feet.
• Polished rod, adalah tangkai rod yang berada di luar sumur yang mengubungkan sucker rod string dengan carier bar dan dapat naik turun di dalam stuffing box. Diameter stuffing box lebih besar daripada diameter sucker rod, yaitu : 1 1/8, 1 ¼, 1 ½, 1 ¾. Panjang polished rod adalah : 8,11,16, 22 feet.

1.2. Prinsip Kerja Pompa Sucker Rod
Gerak rotasi dari prime mover diubah menjadi gerak naik turun oleh sistem pitman-crank assembly, kemudian gerak naik turun ini oleh horse head, dijadikan gerak lurus naik turun (angguk) untuk menggerakan plunger melalui rangkaian rod. Pada saat up stroke, plunger bergerak ke atas menyebabkan tekanan di bawah turun. Karena tekanan dasar sumur lebih besar dari tekanan dalam pompa, akibatnya standing valve terbuka dan minyak masuk ke dalam barrel. Pada saat down stroke, beban fluida yang ada di dalam barrel dan tekanan yang diakibatkan oleh naiknya plunger, maka standing valve menutup sedangkan travelling valve pada plunger terbuka akibat tekanan minyak yang tidak di dalam barrel, selanjutnya pada saat up stroke maksimum minyak akan dipindahkan ke dalam tubing. Proses ini dikakukan secara berulang-ulang, sehingga minyak dapat mengalir ke permukaan.

1.3. Tipe Unit Pompa di Dalam Sumur (Sub Surface Pump)
Unit pompa di dalam sumur dapat dibedakan atas beberapa tipe, antara lain :
A. Tipe Rod Pump/Insert Pump (R-TYPE)
Unit pompa keseluruhan (working barrel, standing valve, plunger, travelling valve) di masukan ke dalam sumur bersama-sama dengan rod lewat dalam tubing. Untuk keperluan reparasi dan penggantian pompa cukup dicabut sucker rod-nya saja, dengan demikian seluruh unit pompa akan ikut terangkat ke atas. Tipe pompa demikian ini sering digunakan pada sumur-sumur yang dalam.
Tipe ini dibagi atas 3 (tiga) golongan :

• Stationary barrel, Top anchor, misalnya RWA.
• Stationary barrel, Bottom anchor, misalnya RWB.
• Travelling barrel, Bottom anchor, misalnya RWT.

B. Tubing Pump (T-TYPE)
Pompa semacam ini dimasukan ke dalam sumur bersama-sama dengan tubing, sedangkan plunger dan travelling valve diikatkan pada ujung bawah dari sucker rod dan di turunkan sampai standing valve. Apabila pompa hendak dicabut baik sucker rod maupun tubing harus pula dicabut bersama-sama. Tipe ini sering digunakan pada sumur-sumur dangkal dan produktifitasnya kecil. Untuk suatu tubing dengan ukuran tertentu, volume rod pump lebih kecil daripada tubing pump. Karena diameter working barrel pada rod pump lebih kecil daripada diameter dalam tubing, panjang pompa berkisar antara 4 – 22 feet.
Tipe tubing pump ada 2 (dua) jenis, yaitu :

• Tubing pump dengan regular shoes.
• Tubing pump dengan extenstion shoes dan nipple pada bagian bawah pompa.

Catatan :
Kode-kode huruf yang terdapat pada jenis pompa sucker rod :

• T di depan menyatakan Type Tubing Pump
• R di depan menyatakan Type Rod Pump
• W di tengah menyatakan Full barrel
• L di tengah menyatakan Linear barrel
• E di belakang menyatakan Extention Shoe nipple
• A menyatakan Stationary-barrel dimana bagian atas yang disambung pada tubing.
• B menyatakan Stationary-barrel dengan bagian atas dan bawah disambung dengan tubing.
• T di belakang menyatakan travelling barrel.