Senin, 06 Juli 2015

Electrical Submersible Pump

Electrical Submersible Pump ( ESP )





Electric Submersible Pump (ESP) telah digunakan di Indonesia oleh Caltex lebih dari 30 tahun yang lalu. Pada tahun 1970 60% dari total produksi minyak di Indonesia atau sekitar 80% produksi minyak Caltex diproduksi dengan pompa ini.
Dewasa ini ada beberapa produsen ESP, yang terbesar Reda (70% pasaran dunia, sekitar 2500 dipunyai oleh Caltex pada tahun 1970-an), Centrilift (25% pasaran dunia), Oil Line, ODI, Trico dan lain-lain.

      Pada prinsipnya pompa-pompa ini sama saja kecuali pada bentuk atau disain impeller dan diffuser, gas separator, seal section, putarannya dan arah putarannya.

Unit pompanya terdiri dari pompa centrifugal, seal section (istilah Centrilift, Reda menyebutnya protector dan ODI menyebutnya equilizer) dan electric motor. Unit ini ditenggelamkan di cairan, disambung dengan tubing dan motornya dihubungkan dengan kabel ke permukaan melalui junction box ke switchboard dan trafo. Kabel tersebut diklem di tubingnya pada jarak 15-20 ft. Listrik bisa dari 220-2400 volts di pompanya. Pompa ini bisa memproduksi minyak atau air dari 1500 s/d 60000 B/D (pada 10-3/4” OD casing) dan kedalamannya ada yang sampai 15000 ft (Brown). Ukuran motornya dari 1 sampai 700 daya kuda dan ini lebih besar dari pompa manapun. Penggunaannya antara lain pada industri minyak, baik untuk sumur produksi maupun injeksi (secondary recovery) dan pada instalasi air di offshore. Gambar 1 dan 2 menunjukkan suatu instalasi ESP, temperatur  sampai 400°F masih dapat menggunakan pompa ini (kabel khusus).
      Electric submersible pump dibuat atas dasar pompa sentrifugal bertingkat banyak dimana keseluruhan pompa dan motornya ditengelamkan ke dalam cairan. Pompa ini digerakkan dengan motor listrik dibawah permukaan melalui suatu poros motor (shaft) yang memutar pompa, dan akan memutar sudu-sudu (impeller) pompa. Perputaran sudu-sudu itu menimbulkan gaya sentrifugal yang digunakan untuk mendorong fluida ke permukaan.
Dibawah memperlihatkan sentrifugal kompresor multistage,impeller. Pada saat gas meninggalkan impeller pertama, gas akan mendapatkan kecepatan dan tekanan. Pertambahan kecepatan akan dikonversikan sebagian menjadi tekanan didalam diffuser.
II. Peralatan Electrical Submersible Pump (ESP)
            Peralatan electric submersible pump dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu:
1.       Peralatan diatas permukaan.
2.       Peralatan dibawah permukaan.

A. Peralatan di Atas Permukaan
Peralatan diatas permukaan terdiri atas : Wellhead, Junction Box, Switchboard dan Transformer.
1.  Wellhead
Wellhead harus dilengkapi dengan “seal” agar tidak bocor pada lubang kabel dan tubinng. Wellhead didesain untuk tahan terhadap tekanan 500 psi sampai 3000 psi. (Gambar 4)

            Wellhead atau kepala sumur dilengkapi dengan tubing hanger khusus yang mempunyai lubang untuk cable pack off atau penetrator (Gambar 5). Cable pack off biasanya tahan sampai tekanan 3000 psi. Tubing hanger dilengkapi  lubang hidraulic control line, saluran cairan hidraulik untuk menekan subsurface ball valve agar terbuka.
2.  Junction Box
Junction Box merupakan suatu tempat yang terletak antara switchboard dan wellhead yang berfungsi untuk tempat sambungan kabel atau penghubung kabel yang berasal dari dalam sumur dengan kabel yang berasal dari switchboard. Junction Box juga digunakan untuk melepaskan gas yang ikut dalam kabel agar tidak menimbulkan kebakaran di switchboard.
Fungsi dari junction box antara lain :
 Sebagai ventilasi terhadap adanya gas yang mungkin bermigrasi ke permukaan melalui kabel agar terbuang ke atmosfer.
- Sebagai terminal penyambungan kabel dari dalam sumur dengan kabel dari switchboard.
3. Switchboard
            Switchboard adalah panel kontrol kerja dipermukaan saat pompa bekerja yang dilengkapi motor controller, overload dan underload protection serta alat pencatat (recording instrument) yang bisa bekerja secara manual ataupun otomatis bila terjadi penyimpangan. Switcboard dapat digunakan untuk tegangan 4400-4800 volt. 
Fungsi utama dari switchboard adalah :
·         Mengontrol kemungkinan terjadinya downhole problem seperti overload atau underload current.
·         Auto restart underload pada kondisi intermittent well.
·         Mendeteksi unbalance voltage.
Switchboard biasanya dilengkapi dengan ampermeter chart yang berfungsi untuk mencatat arus motor versus waktu ketika motor bekerja.
Switchboard ditempatkan pada suatu kotak yang tahan cuaca. Isinya bermacam-macam tergantung keperluan, umumnya ada sekering (fuse), alat otomatis untuk mematikan (overload/ underload protection), tombol sakelar atau switch, start-stop otomatis, anti petir dan pencatat ampere (recording ammeter). Kadang-kadang terdapat lampu tanda bahaya, timers untuk pompa intermittent dan alat-alat kontrol otomatis seperti float atau tekanan. 
4. Transformer
            Transformer merupakan alat untuk mengubah tegangan listrik, bisa untuk menaikkan atau menurunkan tegangan. Alat ini terdiri dari core (inti) yang dikelilingi oleh coil dari lilitan kawat tembaga. Keduanya, baik core maupun coil direndam dengan minyak trafo sebagai pendingin dan isolasi. Perubahan tegangan akan sebanding dengan jumlah lilitan kawatnya. Tegangan input transformer biasanya diberikan tinggi agar ampere yang rendah pada jalur transmisi, sehingga tidak dibutuhkan kabel (penghantar) yang besar. Tegangan input yang tinggi akan diturunkan dengan menggunakan step-down transformer sampai dengan tegangan yang dibutuhkan oleh motor.

B. Peralatan Bawah Permukaan  
            Peralatan dibawah permukaan dari electric submersible pump terdiri atas pressure testing sensing instrument, electric motor, protector, intake, pump unit dan electri cable serta alat penunjang lainnya.

1.  PSI Unit (Pressure Sensing Instruments)
      PSI (Pressure Sensing Instrument) adalah suatu alat yang mencatat tekanan dan temperatur sumur. Secara umum PSI unit mempunyai 2 komponen pokok, yaitu :

a.      PSI Down Hole Unit
Dipasang dibawah Motor Type Upper atau Center Tandem, karena alat ini dihubungkan pada Wye dari Electric Motor yang seolah-olah merupakan bagian dari motor tersebut
b.      .PSI Surface Readout
Merupakan bagian dari system yang mengontrol kerja Down Hole Unit serta menampakkan (Display) informasi yang diambil dari Down Hole Unit.

2. Motor (Electric Motor)
            Jenis motor ESP adalah motor listrik induksi 2 kutub 3 fasa berbentuk sangkar burung (two pole, three phase, squirrel cage, induction-type electric motor), yang diisi dengan minyak pelumas khusus yang mempunyai tahanan listrik (dielectric strength) tinggi. Tenaga listrik untuk motor diberikan dari permukaan mulai kabel listrik, sebagai penghantar ke motor.
Putaran Motor adalah 3400 RPM – 3600 RPM pada 60 Hz dan 2915 rpm pada 50 Hz. (motor Reda lama 3450 rpm, sedang yang baru 3500 rpm, Centrilift 3475 rpm dan ODI 3500 rpm). tergantung besarnya frekuensi yang diberikan serta beban yang diberikan oleh pompa saat mengangkat fluida.   Secara garis besar motor ESP seperti juga motor listrik yang lain mempunyai dua bagian pokok, yaitu:
-        Rotor (bagian yang berputar)
-        Stator (bagian yang diam)                    
Stator menginduksi aliran listrik dan mengubah menjadi tenaga putaran pada rotor, dengan berputarnya rotor maka poros (shaft) yang berada ditengahnya akan ikut berputar, sehingga poros yang saling berhubungan akan ikut berputar pula (poros pompa, intake dan protector).
Untuk jenis motor listrik induksi dikenal putaran medan magnet yang biasa disebut Syncronous Speed yaitu putaran medan magnet atau putaran motor kalau seandainya tidak ada faktor kehilangan atau internal motor losses yang diakibatkan oleh beban shaft (shaft load) dan frictions. Putaran motor yang biasanya tertera pada nama plate dari pabrik misalnya : 3500 RPM/60 Hz  .          
Panas yang ditimbulkan oleh putaran rotor akan dipindahkan ke housing motor melalui media minyak motor , untuk selanjutnya dibawa ke permukaan oleh fluida sumur .
Fungsi dari minyak tersebut adalah :        
-        Sebagai pelumas
-        Sebagai tahanan (isolasi)
-        Sebagai media penghantar panas motor yang ditimbulkan oleh perputaran rotor ketika motor tersebut sedang bekerja.
Minyak tersebut harus mempunyai spesifikasi tertentu yang biasanya sudah ditentukan oleh  pabrik yaitu berwarna jernih tidak mengandung bahan kimia, dielectric strength tinggi, lubricant dan tahan panas. Minyak yang diisikan akan mengisi semua celah-celah yang ada dalam motor , yaitu antara rotor dan stator. Untuk mendapatkan pendingin yang baik, pihak pabrik sudah menentukan bahwa kecepatan fluida yang melewati motor (Velocity) harus > 1 ft/sec. Kurang dari itu motor akan menjadi panas dan kemungkinan bisa terbakar. Seperti yang terlihat pada gambar 8 atau gambar 9.
Karena diameter motor terbatas oleh ukuran casing, maka untuk mendapatkan daya kuda cukup, motor dibuat panjang dan kadang-kadang dibuat dua motor yang dihubungkan ke pompa (tandem). Pendinginan dilakukan oleh fluida sumur yang mengalir di dinding luarnya, maka pada instalasinya motor harus dipasang di atas perforasi, ataupun kalau terpaksa harus dibawah perforasi, harus ditambahkan suatu jacket (shroud) atau pipa tambahan di luar pompa agar fluida produksi akan mengalir ke bawah dan akan melalui motor sebelum masuk ke pompa. Tabel 1 menunjukkan bermacam-macam harga daya kuda motor maksimum untuk ukuran casing tertentu.

Tabel 1. HP Maksimum Motor dan Casing
Ukuran Casing
Max. Single Motor, hp
Multiple Motor, hp
4-1/2”
5-1/2”
6-5/8”-7”
8-5/8”
25.5
120
225
260
127.5
240
600
720

3. Protector/Seal Section/Equalizer
Protector sering juga disebut Seal Section. Alat ini berfungsi untuk menahan masuknya fluida sumur kedalam motor, menahan thrust load yang ditimbulkan oleh pompa pada saat pompa mengangkat cairan, juga untuk menyeimbangkan tekanan yang ada didalam motor dengan tekanan didalam annulus. Dengan tekanan luar dan dalam yang sama maka dinding motor tidak perlu terlalu tebal. Ia juga memisahkan thrust pompa dari bearing-bearing motor. Seal section terletak antara pompa dan motornya.
Secara umum protector mempunyai dua macam type, yaitu :
1.     Positive Seal atau Modular Type protector.
2.     Labyrinth Type Protector.
Untuk sumur-sumur miring dengan temperatur > 3000F disarankan menggunakan protector dari jenis seal atau modular type protector.
Secara prinsip protector mempunyai 4 fungsi utama yaitu:
-        Untuk mengimbangi tekanan dalam motor dengan tekanan diannulus.
-        Tempat duduknya thrust bearing untuk meredam gaya axial yang ditimbulkan oleh pompa.
-        Menyekat masuknya fluida sumur kedalam motor
-        Memberikan ruang untuk pengembangan dan penyusutan minyak motor akibat perubahan temperatur dalam motor pada saat bekerja dan pada saat dimatikan.

4. Intake (Gas Separator)
            Intake atau Gas separator dipasangkan dibawah pompa dengan cara menyambungkan sumbunya (shaft) memakai coupling. Intake ada yang dirancang untuk mengurangi volume gas yang masuk ke dalam pompa, disebut dengan gas separator, tetapi ada juga  yang tidak. Untuk yang terakhir ini disebut dengan intake saja atau standart intake.
Prinsip kerja gas separator dengan aliran balik (reverse flow), gravitasi atau hydraulic-centrifugal dimana gas mengalir di tengah dan dibelokkan ke annulus sedang mnyak yang terlempar keluar oleh gaya centrifugal dialirkan ke inlet pompa di tengah lubang. Gas separator tidak baik untuk minyak yang sangat kental (viscous) atau emulsi karena bisa mengganggu lubang masuk pompa.
            Ada beberapa intake gas separator yang populer dipakai, yaitu :
- Standart intake, dipakai untuk sumur dengan GLR rendah. Jumlah gas yang masuk pada intake harus kurang dari 10% sampai dengan 15 % dari total volume fluida. Intake mempunyai lubang untuk masuknya fluida ke pompa, dan dibagian luar dipasang selubung (screen) yang gunanya untuk menyaring partikel masuk ke intake sebelum masuk kedalam pompa.
- Rotary Gas Separator, dapat memisahkan gas sampai dengan 90%, dan biasanya dipasang untuk sumur-sumur dengan GLR tinggi. Gas separator jenis ini tidak direkomendasikan untuk dipasang pada sumur-sumur yang abrasive.
Static Gas Separator atau sering disebut reverse gas separator, yang dipakai untuk memisahkan gas hingga 20% dari fluidanya.

5. Unit Pompa
Pompa tersedia dalam bermacam-macam ukuran, baik diameter maupun panjang susunannya. Unit pompa merupakan Multistage Centrifugal Pump, yang terdiri dari: impeller (sudu-sudu), diffuser, shaft (tangkai) dan housing (rumah pompa). Impeller melekat pada as secara tetap (fixed) atau dapat bergerak sepanjang as (floating impeller).
Di dalam housing pompa terdapat sejumlah stage, dimana tiap stage terdiri dari satu impeller dan satu diffuser. Jumlah stage yang dipasang pada setiap pompa akan dikorelasi langsung dengan Head Capacity dari pompa tersebut. Dalam pemasangannya bisa menggunakan lebih dari satu (tandem) tergantung dari Head Capacity yang dibutuhkan untuk menaikkan fluida dari lubang sumur ke permukaan. Impeller merupakan bagian yang bergerak, sedangkan diffuser adalah bagian yang diam. Seluruh stage disusun secara vertikal, dimana masing-masing stage dipasang tegak lurus pada poros pompa yang berputar pada housing.
Untuk casing 7” atau kurang, biasanya impellernya floating, karena dapat meratakan tekanan pada as (thrust). Tetapi bila casingnya besar, dipakai yang tetap, karena lebih kokoh dan lebih tahan pasir. As pada mana impeller melekat berhubungan dengan as seal dan motor. Diffuser dan impeller (Gambar 16) dibuat dari alloy besi – nikel (Ni-resist), atau bronze dan untuk as digunakan K-Monel agar awet dan kuat. Head per stage sangat tergantung pada diameter impeller. Karena diameter impeller ini terbatas oleh casing maka diperlukan banyak tingkat (atau multi-stage). Impeller/diffuser bisa sampai 417 stages.
Bila minyak mengandung gas, maka sebelum masuk ke pompa ia dapat dimasukkan dahulu melalui suatu gas separator yang berputar dan merupakan bagian dari pompa, agar effisiensi pompa bisa tetap cukup besar. Gas separator ini merupakan bagian dari pompa dan terdapat dalam banyak ukuran.
Prinsip kerja pompa ini, yaitu fluida yang masuk kedalam pompa melalui intake akan diterima oleh stage paling bawah dari pompa, impeller akan mendorongnya masuk, sebagai akibat proses centrifugal maka fluida akan terlempar keluar dan diterima diffuser.
Oleh diffuser, tenaga kinetis (velocity) fluida akan diubah menjadi tenaga potensial (tekanan) dan diarahkan ke stage selanjutnya. Pada proses tersebut fluida memiliki energi yang semakin besar dibandingkan pada saat masuknya. Kejadian tersebut terjadi terus-menerus sehingga tekanan head pompa berbanding linier dengan jumlah stages, artinya semakin banyak stages yang dipasangkan, maka semakin besar kemampuan pompa untuk mengangkat fluida.

6. Electric Cable
            Kabel yang dipakai adalah 3 jenis konduktor. Dilihat dari bentuknya ada dua jenis, yaitu flat cable type dan round cable type. Fungsi kabel tersebut adalah sebagai media penghantar arus listrik  dari switchboard sampai ke motor di dalam sumur. Secara umum ada 2 jenis /kelas kabel yang sering digunakan di lapangan, yaitu :
-        Low temperatur cable, yang biasanya dengan material isolasi nya terdiri dari jenis polypropylene ethylene (PPE) atau nitrile. Direkomendasikan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan temperatur maximum 205oF
-        High temperatur cable, banyak dibuat dengan jenis ethylene prophylene diene methylene (EPDM). Direkomendasikan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan temperatur yang cukup tinggi sampai 400oF
Kerusakan pada round cable merupakan hal yang sering kali terjadi pada saat menurunkan dan mencabut rangkaian ESP. Untuk menghindari atau memperkecil kemungkinan itu, maka kecepatan string pada saat menurunkan rangkaian tidak boleh melebihi dari 1500 ft / jam dan harus lebih pelan lagi ketika melewati deviated zone atau dog leg. Kabel harus tahan terhadap tegangan tinggi, temperatur, tekanan migrasi gas dan tahan terhadap resapan cairan dari sumur maka kabel harus mempunyai isolasi dan sarung yang baik. Bagian dari kabel biasanya terdiri dari :
-        Konduktor (conductor )
-        Isolasi (Insulation)
-        Sarung (sheath) Jaket
Kabel didisain menurut nomor seperti 1/0, 2/0 dst. Untuk ESP dibuat dari tembaga (Cu) dan Aluminium (Al) serta bentuknya ada yang bulat untuk penggunaan dilekatkan pada tubing dan pipih (flat) untuk di sekitar pompa (dan protector) ke arah motornya. Standard tahanan –ohm untuk Cu = 10.37 dan Al = 17.0 (20°C). Tabel 2 menunjukkan voltage drop dari bermacam-macam kabel tsb.
Kabel Al lebih murah dan tahan korosi (terhadap H2S) tetapi lebih mudah patah dan sukar disambung kembali. Walaupun demikian kabel Al tetap dipakai untuk sumur dengan kadar H2S tinggi.
Kapasitas aliran maksimum adalah:
No.1 Cu dan 2/0 Al maksimum 110 ampere
          2 Cu dan 1/0 Al maksimum 95 ampere
          4 Cu dan 2 Al maksimum 70 ampere
          6 Cu dan 4 Al maksimum 55 ampere
Kadang-kadang bila coupling tubing sangat besar maka seluruh instalasi menggunakan kabel flat. Dalam hal penggunaan kabel flat akan kehilangan tegangan lebih banyak.
Kabel harus berdiameter kecil, tahanan listriknya sedikit, tahan karat/oli dan bisa digulung. Dalam memilih kabel, dianjurkan agar kabel tsb mempunyai penurunan tegangan listrik di bawah 30 volts per 1000 ft².
Tabel 2. Penurunan Tegangan Listrik pada Kabel
Ukuran Kabel
Penurunan Tegangan Per Ampere
Per 1000 ft @ 100% Power Factor dan 149°F
# 12 Cu atau # 10 Al
# 10 Cu atau # 8 Al
# 8 Cu atau # 6 Al
# 6 Cu atau # 4 Al
# 4 Cu atau # 2 Al
# 2 Cu atau # 1/0 Al
# 1 Cu atau # 2/0 Al
3.907
2.447
1.553
0.988
0.624
0.390
0.307

Sedang clearance (lubang untuk kabel antara casing dan coupling tubing) harus:
OD kabel £ ID casing – OD coupling tubing – 0.250                      
Dimana:
OD kabel = diameter luar kabel, in
ID casing = diameter dalam casing, in
OD coupling tubing = diameter luar sambungan (kopling) tubing, in
Bila digunakan flat cable seluruhnya maka kehilangan tegangan listrik akan bertambah sekitar 8%. Selain itu flat cable lebih mudah rusak dalam pemasangannya.
Kabel dengan bungkus polyethylene terbatas penggunaannya sampai 130°F. Polypropylene dengan armor sampai 180°F, dan EPR lead sheath sampai 250°F. Kabel standard biasanya dibuat untuk maksimum 167°F, 10 tahun masa pakai dengan umur dibagi dua untuk setiap kenaikan 18°F. Kabel dipasang dengan klem pada tubing dimana klem dipasang setiap 15 – 20 ft.

7. Check Valve dan Drain Valve
            Check valve dipasang pada tubing  (2-3 joint) diatas pompa. Bertujuan untuk menjaga fluida tetap berada di atas pompa. Check valve tidak dipasang maka kebocoran fluida dari tubing (kehilangan fluida) akan melalui pompa yang dapat menyebabkan aliran balik dari fluida yang naik ke atas, sebab aliran balik (back flow) tersebut membuat putaran impeller berbalik arah, dan dapat menyebabkan motor terbakar atau rusak.
Check valve umumnya digunakan agar tubing tetap terisi penuh dengan fluida sewaktu pompa mati dan mencegah supaya fluida tidak turun kebawah pada waktu pompa dihentikan, hal mana dapat menyebabkan pompa terbalik. Bila pada waktu ini langsung distart, maka as pompa bisa rusak dan motor atau kabel bisa terbakar. Jika check valve tidak ada, maka sebelum di start kembali maka perlu diberi waktu minimum 30 menit (dihitung dari waktu pompa dimatikan).
Check valve harus diangkat kembali dengan wireline kalau pompa mau diangkat, karena kalau tidak minyak akan berceceran di permukaan atau kalau tidak maka 1 joint d atas check valve dipasang pula bleeder valve (drain valve, katup pengering) untuk mengeringkan fluida di dalam tubing yang jatuh di annulus selama mengangkat tubingnya. Bleeder valve dibuka dengan menjatuhkan suatu batang rod (stang). Dalam menjatuhkan rod ini harus yakin bahwa tubing memang berisi cairan (ditunggu sampai tubing basah terangkat), ini agar rod tsb tidak jatuh keras ke pompa bila fluida memang bocor ke bawah (tubing kering).

8. Bleeder Valve
            Bleeder Valve dipasang satu joint di atas check valve, mempunyai fungsi mencegah minyak keluar pada saat tubing di cabut. Fluida akan keluar melalui bleeder valve.

9. Centralizer
Berfungsi untuk menjaga kedudukan pompa agar tidak bergeser atau selalu ditengah-tengah pada saat pompa beroperasi, sehingga kerusakan kabel karena gesekan dapat dicegah serta untuk pendinginan sempurna untuk motor.

10. Lain-lain
Cable guards untuk pelindung kabel flat di pompa ke motor; swaged nipple untuk penyambung kepala pompa atau drain valve ke tubing; service cable yaitu kabel dari trafo ke switchboard; vent box. Cable guide wheel, untuk pemasangan kabel; cable reels, gulungan kabel dan penahannya (reel support).

Tidak ada komentar:

Posting Komentar