OPTIMALISASI PEROLEHAN MINYAK MENGGUNAKAN PEMISAHAN SECARA BERTAHAP

Transkripsi

1 OPTIMALISASI PEROLEHAN MINYAK MENGGUNAKAN PEMISAHAN SECARA BERTAHAP Reza Fauzan * ABSTRAK Penelitian tentang peningkatan jumlah produksi minyak yang diperoleh dari sumur produksi yang menggunakan separator untuk memisahkan fluida pada fasa yang berbeda dengan metode bertahap dan tekanan yang optimum telah dilakukan. Untuk mendapatkan jumlah tahap dan tekanan yang optimum digunakan metode komputasi dengan perhitungan iterasi Newton dan perhitungan pemisahan secara flash menggunakan bahasa pemograman C++, menggunakan data dari sumur produksi di Myanmar. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa produksi minyak yang optimum didapatkan dengan menggunakan tiga tahap separator dengan tekanan 500 psia pada separator pertama, tekanan 30 psia pada separator kedua dan tekanan 14.7 psia pada tangki penyimpanan. Kata Kunci: multistage separator, C++, oil recovery ABSTRACT. The enhancement of oil produced at the production well have been study by using separator for separating fluid in different phases with gradual and optimum pressure. To get the number of stages and the optimum pressure used computational methods using calculation of the Newton iteration with flash and separation calculations using the C++ programming language. The results showed that the optimum oil production obtained using the three-stage separator pressure of 500 psia at the first separator, the second separator 30 psia and 14.7 psia and the storage tank. Key words: multistage separator, C++, oil recovery, 17

2 PENDAHULUAN Hidrokarbon yang dihasilkan dari sumur mengandung komposisi cair, gas dan juga pasir. Pasir ini harus dihilangkan untuk mengurangi pengaruh yang tidak diinginkan pada sumur produksi. Hidrokarbon yang dihasilkan juga akan dipisahkan ke dalam fasa yang berbeda, terutama dalam fasa gas dan cair. Dalam bentuk fasa seperti ini, fluida akan berada dalam kondisi yang stabil karena hidrokarbon yang terpisah berada pada temperatur dan tekanan pada permukaan yang berbeda dengan kondisi di dalam sumur. Operasi pemisahan fasa gas dan cair akan melibatkan proses separasi dan stabilisasi untuk menghasilkan produk yang siap untuk dijual. Pemisahan gas dan cairan merupakan proses utama pada unit proses minyak dan gas. Separator digunakan untuk melepaskan tekanan yang berlebih pada gas yang bergabung dengan minyak dan gas yang telah dipisahkan dari minyak. Proses pemisahan dapat berjalan dua, tiga atau lebih tahap, dimana dua tahap pemisahan berarti menggunakan satu separator dan tiga tahap menggunakan dua separator dan masing masing mempunyai satu tangki penyimpanan. Jumlah tahap yang diperlukan untuk proses pemisahaan ini tergantung pada karakteristik dan tekanan reservoir itu sendiri. Perkiraan dari jumlah gas dan cairan di dalam proses separasi dapat diperhitungkan dari komposisi campuran hidrokarbon pada inlet separator. Hal ini dapat tercapai dengan menggunakan kesetimbangan uap-cair dan neraca massa. Teknik ini yang akan digunakan untuk memperkirakan sifat fluida pada berbagai tekanan dan temperatur. Minyak mentah dari sumur produksi mengandung gas terlarut dan biasanya bertekanan tinggi, tetapi ketika minyak mentah mendekati permukaan, tekanan menjadi lebih rendah dan gas terlarut keluar dari cairan sehingga gas ini yang diharapkan agar terpisah dari minyak tanpa mengurangi jumlah minyak tersebut. Pemisahan gas dan cairan yang di peroleh menggunakan pengaruh dari tekanan, temperatur dan komposisi dari umpan fluida yang menuju separator. Dari referensi, ketika tekanan meningkat atau temperatur menurun, akan ada sejumlah besar cairan yang didapatkan, sampai pada titik optimum. Perhitungan secara flash untuk kesetimbangan uap-cair akan mendapatkan tekanan dan temperatur optimum secara mudah. Bagaimanapun, tidak mungkin mengoperasikan pada titik optimum karena masalah biaya pada saat pelaksanaan dan penyimpanan. Secara umum, dengan peningkatan tekanan, kapasitas gas dari separator juga meningkat. Sebagai akibat dari pengaruh tekanan pada densitas gas dan cairan, volume fluida yang mengalir dan kapasitas yang dibolehkan melalui separator (Kumar, 1987). Fluida yang keluar dari sumur produksi terdiri dari dua fase yaitu uap dan cair dalam kondisi tekanan tinggi. Didalam produksi, tekanan akan menurun dan fluida yang akan keluar sebagai campuran dari minyak mentah dan gas dimana sebagian dalam bentuk bebas dan dalam bentuk larutan. Sebelum fluida menuju ke gas oil separator, tekanan fluida harus 18

3 diturunkan dan kecepatan dikurangi untuk mendapatkan bentuk yang stabil di dalam separator. Gambar 1. Klasifikasi hidrokarbon yang ditemukan pada sumur Campuran hidrokarbon terbagi dalam tiga group utama: Light group, terdiri dari CH 4 (methane) dan C 2 H 6 (ethane), Intermediate group, terdiri dari propane/butane group and pentane/hexane group dan Heavy group, terdiri dari C 7 H Dalam dunia perminyakan, target utama dalam pemisahan minyak dan gas adalah untuk dapat: 1. memisahkan C 1 and C 2, light group dari minyak 2. maksimalkan perolehan heavy group dari intermediate group dalam minyak mentah 3. mengambil heavy group dalam produk cair Untuk mencapai target ini, ada dua metode yaitu pemisahan secara differential dan pemisahan secara flash. Pemisahan secara differensial, light gas dipisahkan dari minyak secara bertahap, total tekanan dalam keluaran sumur dikurangi (uap dihilangkan segera setelah terbentuk) sedangkan pemisahan secara flash, cairan dan uap tetap dijaga kondisinya sampai titik kesetimbangan tercapai. Gas bebas dari minyak dijaga tetap kontak dengan fase cair. Perbandingan dari dua metode ini, pada pemisahan secara differential, group hidrokarbon intermediate dan heavy group akan diperoleh maksimal dan volume minyak yang hilang didalam tangki penyimpanan akan minimal. Ini terjadi karena pemisahan dari gas light yang dominan terjadi pada tahap awal pada tekanan yang tinggi. Pemisahan secara flash tidak lah sebaik pemisahan secara diffential karena berdasarkan pengalaman kehilangan jumlah besar hidrokarbon heavy grup yang terbawa keluar dengan light gas dikarenakan kondisi kesetimbangan. Tetapi konsep pemisahan secara diffential tidak bisa diimplementasikan pada kondisi sebenarnya karena biaya yang sangat tinggi dan membutuhkan banyak tahapan pemisahan. Ratio Kesetimbangan Ratio kesetimbangan K i untuk setiap komponen adalah fraksi mol dari komponen dalam fase gas y i dibagi dengan fraksi mol dari komponen dalam fase cair x i. dapat didefiniskan sebagai berikut: (1) Dimana: K i = ratio kesetimbangan komponen i y i = fraksi mol komponen i dalam fase gas x i = fraksi mol komponen i dalam fase cair Jumlah mol total dalam system sama dengan jumlah mol cair dan gas, jika dipisahkan seperti pada persamaan ini: (2) 19

4 (3) Dimana: n = total mol umpan n L = total mole fase cair n V = total mole fase uap z i = fraksi mol dari setiap komponen didalam total aliran umpan Sehingga: n1 nv1 nl1 nv2 (4) Gambar 2. Proses pemisahan dengan tiga tahap Rasio kesetimbangan dari komponen i tergantung pada kondisi temperatur dan tekanan separator dan juga komposisi fluida dalam sumur. Nilai ini lebih akurat bila melalui pengujian di laboratorium. Nilai dari K i ditentukan dengan bantuan metode diagram. Metode ini akan dihubungkan dengan komposisi dari system itu sendiri yang akan menuju tekanan yang konvergen. Jadi untuk menemukan nilai K i, perlu ditentukan nilai tekanan konvergen terlebih dahulu. Faktor yang mempengaruhi perolehan minyak dalam separator 1. Pemisahan secara bertahap (Stage separation) Jika jumlah tahap pemisahan lebih dari dua, proses pemisahan ini akan meningkatkan jumlah minyak dengan kondisi stabil dalam tangki. Oleh karena itu, kehilangan dalam nl2 nv3 nl3 bentuk uap dalam tangki terbuka akan berkurang setelah tahap pemisahan. Peningkatan jumlah tahap dari 2 hingga 3 membawa peningkatan yang cukup baik. Pada peningkatan jumlah stage 3 ke 4, perbaikan dalam pemulihan cenderung lebih sedikit dan empat tahap pemisahan biasanya tidak ekonomis. Dalam studi ini, peningkatan perolehan minyak dengan pemisahan bertahap akan dipelajari dengan menggunakan pemodelan perhitungan secara flash untuk menemukan tekanan optimum yang digunakan dalam proses pemisahan pada separator. 2. Pertimbangan tahap pemisahan Fluida yang berasal dari sumur produksi berada dalam dua fasa: uap dan cair pada tekanan yang relatif tinggi. Cairan yang muncul sebagai campuran minyak mentah dan gas yang sebagian bebas dan sebagian dalam larutan. Tekanan fluida harus diturunkan dan kecepatannya harus dikurangi agar mendapatkan minyak dalam kondisi yang stabil dalam tangki penyimpanan. Setelah penurunan tekanan pada proses pemisahan minyak dan gas, beberapa komponen hidrokarbon ringan dan lebih yang bernilai ekonomi tidak akan hilang bersama dengan gas ke fasa uap. Hal ini merupakan langkah pemisahan minyak dan gas sebagai tahap pertama di serangkaian operasi perawatan lapangan minyak mentah. Tujuan utama adalah memungkinkan sebagian besar gas untuk membebaskan diri dari hidrokarbon yang berharga, sehingga meningkatkan recovery minyak mentah (Abdel, 2003). Proses pemisahan yang dilakukan secara bertahap adalah proses dimana 20

5 campuran hidrokarbon yang akan terpisah menjadi fasa uap dan cair menggunakan beberapa keseimbangan secara flash. Proses pemisahan ini menggunakan satu separator dan tangki penyimpanan, hal ini yang disebut pemisahan dua tahap. Sedangkan pemisahan tiga tahap membutuhkan dua pemisah dan satu tangki penyimpanan. Tahap akhir dari pemisahan selalu menuju ke dalam tangki penyimpanan. Penambahan tahap pemisahan akan menaikkan biaya seperti perpipaan, control, ruang, dan kompressor. Sehinga untuk setiap fasilitas yang ada perlu dicarikan jumlah optimal dari tahap pemisahan dan dalam beberapa kasus nilai ini sulit untuk ditentukan karena perbedaan fluida antara sumur dan pengaruh penurunan tekanan dengan waktu (Arnold, 1999). Dalam proses ini tekanan akan berkurang sedikit demi sedikit dan mengakibatkan cairan tangki lebih stabil. Kinerja separator dalam sistem pemisahan multistage dapat diprediksi dengan menggunakan model komputer dimana terdapat komposisi sumur awal, suhu operasi dan tekanan di setiap tahap. n n V Separator n L Storage Tank Gambar 3. Flow diagram untuk dua tahap pemisahan Secara teori, meningkatnya jumlah pemisahan tahap akan meningkatkan perolehan minyak seperti pada tahap 3 dan 4 namun proses ini memerlukan biaya yang lebih. Persentase peningkatan perolehan minyak untuk dua tahap pemisahan dibandingkan dengan pemisahan satu tahap biasanya bervariasi dari 2 sampai 12 persen, meskipun 20 sampai 25 persen peningkatan perolehan minyak telah dilaporkan. n n v1 n L1 n v2 n L2 Separator-1 Separator-2 Storage Tank Gambar 4. Flow diagram untuk tiga tahap pemisahan Flash Calculation Perhitungan secara flash diperlukan untuk mengetahui jumlah hidrokarbon gas dan cair dalam reservoir atau tangki pada suhu dan tekanan tertentu. Perhitungan flash dilakukan untuk menentukan komposisi fasa hidrokarbon yang ada atau secara umum untuk: - mole fasa gas n v - mole fasa cair n L - Komposisi dari fase cair x i - Komposisi dari fase gas y i Langkah langkah perhitungan flash untuk menentukan komposisi tersebut adalah: Langkah 1: Perhitungan n v Neraca massa dari komponen i: (5) dimana: z i n = total moles Komponen i pada sistem 21

6 x i n L = total moles Komponent i pada fase cair y i n v = total moles Komponent i pada fase uap untuk memperoleh nilai x i (6) (14) dimana (n v ) n = nilai n v yang baru yang digunakan pada iterasi selanjutnya. Prosedur tersebut diulangi dengan nilai n v yang baru sampai nilainya mencapai konvergen. dimana: (7) Langkah 2: Perhitungan n L : (15) (8) Langkah 3: Perhitungan x i menggunakan persamaan 2.8: oleh karena itu, atau (9) (10) Langkah 4: Perhitungan y i menggunakan persamaan 2.9: (16) (17) (11) menggantikan n L dengan (1-n v ): (12) n v dapat diselesaikan dengan menggunakan teknik iterasi Newton- Raphson : (13) Metode Peningkatan jumlah tahap pemisahan akan menghasilkan lebih banyak hidrokarbon tetapi dari sudut pandang ekonomi, tidak layak untuk menggunakan banyak tahap pemisahan. Jadi yang dibutuhkan adalah mencari jumlah optimal dari tahap separator dan tekanan optimum untuk mendapatkan peningkatan jumlah minyak dalam reservoir yang terbaik. Prediksi kinerja di masing-masing separator akan menggunakan model komputer yang merupakan iterasi metode Newton dengan menggunakan software Microsoft Visual C++. 22

7 Gambar 5. Perbandingan antara mekanisme pemisahan (Abdel, 2003) Program ini dipilih untuk membuat perhitungan matematis yang lebih mudah pada pemisahan cairan dan gas dalam reservoir dengan input awal dari komposisi reservoir, suhu dan tekanan operasi. Data yang digunakan dalam kasus ini berasal dari sumur produksi di Myanmar. Data ini merupakan data input pada program yang digunakan untuk menentukan komposisi cairan, uap dan tekanan disetiap separator. Data di sajikan dalam Tabel 1. Tabel 1. Mol feed pada separator component mole fraction Methane Ethane Propane I-Butane n-butane Pentane Hexane Heptane HASIL DAN PEMBAHASAN Proses pemisahan dua tahap melibatkan satu separator dan satu tangki penyimpanan, cairan yang terpisah dengan metode flash dan outlet cairan dari separator ini akan terpisah lagi secara flash di tangki penyimpanan. Hasil perhitungan jumlah mol dalam fase cair dalam separator dan tangki penyimpanan adalah 0,23 mol dan 1,26 mol. Nilai-nilai ini diperoleh dengan menggunakan metode iterasi Newton. Total perolehan cairan untuk contoh ini adalah L1 x L2 = 0, mol. Perhitungan perolehan minyak menggunakan tekanan yang berbeda dari 30 psia ke 700 psia dan recovery minyak yang optimal diperoleh ketika tekanan separator 50 psia dengan total perolehan minyak 0,302 mol. Tekanan optimum pada separator pertama dan kedua adalah hal penting untuk mendapatkan oil recovery yang maksimum pada pemisahan menggunakan tiga tahap. Metode penentuan tekanan optimum di mana tekanan separator pertama adalah 500 psia, tekanan separator kedua adalah 50 23

8 psia dan tekanan tangki penyimpanan adalah 14,7 psia. Program C++ digunakan untuk mendapatkan tekanan optimum dengan berbagai tekanan separator pertama dan kedua. Hasil perolehan minyak maksimum pada pemisahan tiga tahap dari contoh ini adalah mol. Hal ini diperoleh dari L1 = 0.421mol, L2 = dan L3 = mol. Perolehan minyak maksimum ditemukan dalam kondisi dimana tekanan separator pertama adalah 500 psia, tekanan separator kedua adalah 30 psia dan tekanan tangki penyimpanan adalah 14,7 psia, dimana perolehan minyak total mol. Rasio kesetimbangan untuk masing-masing komponen (K) untuk berbagai tekanan diambil dari grafik tekanan konvergensi. Nilai-nilai ini digunakan dalam perhitungan flash seperti dalam perhitungan iterasi menggunakan software C++. Berdasarkan perhitungan tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa semakin banyak tahapan pemisahan semakin banyak komponen yang lebih stabil dalam fase cair dan tekanan pemisahan terbaik adalah pada kondisi pemisahan yang menghasilkan produksi cairan maksimum. Tiga-tahap pemisahan mencapai produksi maksimum dimana tekanan berkurang secara bertahap tetapi jika penurunan tekanan terlalu besar pada separator tunggal, maka akan menyebabkan pemisahan akan mengarah kepada ketidakstabilan. Seperti pada perhitungan kesetimbangan yang ditunjukkan pada tabel dan grafik, jika tekanan pemisahan terlalu tinggi, banyak komponen ringan akan tetap dalam fase cair pada separator dan hilang ke fase gas di tangki. Jika tekanan terlalu rendah, tidak banyak dari komponen ringan akan stabil ke dalam cairan di separator dan mereka akan hilang ke fase gas. Setiap komponen dalam proses pemisahan menjadi fase uap tergantung pada tekanan parsial yang didefinisikan sebagai jumlah molekul dalam ruang uap dibagi dengan jumlah total molekul dari semua komponen dalam waktu ruang uap separator sangat efektif pada pemisahan gas dan cairan seperti referensi dari Arnold, (1999). Tekanan separator awal akan berpengaruh terhadap efektifitas pemisahan. Fase cair ditemukan lebih banyak ketika tekanan meningkat secara bertahap karena tekanan parsial untuk komponen akan tinggi dan komponen cenderung menjadi fase cair. Tapi pada tangki penyimpanan, terjadi perubahan dari fase cair setelah tekanan operasi separator mencapai tekanan optimal. Hal ini karena keberadaan hidrokarbon ringan yang memiliki kecenderungan kuat untuk flash ke fase gas dan menciptakan tekanan parsial rendah untuk rentang hidrokarbon menengah yang cenderung rentan terhadap perubahan tekanan parsial walaupun kecil. Semakin banyak tahapan pemisahan akan mendapatkan lebih stabil komponen ringan ke dalam fase cair karena molekul hidrokarbon ringan yang terpisah secara flash akan dikeluarkan pada tekanan yang relatif tinggi dan menjaga tekanan parsial hidrokarbon menengah bawah pada setiap tahap. Molekul-molekul komponen yang lebih ringan akan hilang ketika mereka terbentuk dan tekanan parsial komponen menengah dimaksimalkan pada setiap tahap. 24

9 Gambar 6. Penentuan tekanan optimum pada dua tahap pemisahan Gambar 7. Penentuan tekanan optimum pada pemisahan dengan tiga tahap 25

10 SIMPULAN Perhitungan secara flash merupakan perhitungan dasar untuk menemukan perolehan minyak dan komposisi cairan dan dalam fase uap yang optimum. Tekanan optimum pada dua tahap pemisahan sebesar 50 psia dengan maksimum total perolehan mol. Tekanan optimum pada tiga tahap pemisahan sebesar 500 psia pada separator pertama, 30 psia pada separator kedua dan maksimum perolehan mol. Kedua tahap menggunakan tangki penyimpanan dengan tekanan 14.7 psia. Kenaikan jumlah tahap akan meningkatkan perolehan pada tangki penyimpanan dengan kondisi yang stabil. Tetapi dengan penambahan lebih dari tiga tahap, akan memperlihatkan jumlah peningkatan yang tidak ekonomis pada tangki penyimpanan. Pemisahan dengan menggunakan tiga tahap dianjurkan untuk digunakan karena tingkat perolehan minyak pada kondisi maksimal. DAFTAR PUSTAKA Arnold, K. (1999), Surface Production Operations. Houston: Gulf Publishing Company. Abdel, E. (2003), Petroleum and Gas Field Processing. New York: Marcell Dekker Inc. Kumar, S. (1987), Gas Production Engineering. Houston: Gulf Publishing Company 26