Bab 2 Sistem Sumur Dual Gas Lift 2.1 Metode Pengangkatan Buatan (Artificial Lift Penurunan tekanan reservoir akan menyebabkan penurunan produktivitas sumur minyak, serta menurunkan laju produksi sumur. Penurunan produktivitas sumur ini disebabkan oleh dua hal yaitu penurunan kemampuan reservoir dalam mensuplai fluida ke dasar sumur, dan peningkatan tekanan yang dibutuhkan untuk mengangkat fluida ke permukaan. Kedua kondisi inilah yang kemudian disebut dengan kondisi masukan (inflow dan keluaran (outflow yang dapat mengindikasikan berubahnya performa sebuah sumur minyak. Salah satu jalan untuk menjaga agar masukan (inflow dari reservoir cukup tinggi adalah dengan menurunkan tekanan di dasar sumur, salah satunya dengan metode pengangkatan buatan. Upaya ini akan berimbas pada berubahnya performa keluaran (outflow dari sumur. Masukan atau inflow dari reservoir bergantung pada tekanan dasar sumur atau P w f, sedangkan keluaran atau outflow fluida dari dasar sumur menuju ke permukaan 7
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 8 akan berubah sesuai dengan metode pengangkatan buatan yang digunakan. Empat metode pengangkatan buatan yang sering digunakan adalah, sucker rod pump, gas lift, submersible pumping dan hydraulic pumping. Dalam thesis ini, dibahas tentang penggunaan metode gas lift pada satu sumur yang mempunyai dua tubing, yang disebut sebagai sumur dual gas lift. 2.2 Sumur Dual Gas Lift Sumur dual gas lift adalah sebuah sumur yang terdiri dari dua tubing yang memproduksi dua layer atau reservoir yang berbeda dan gas injeksi akan terbagi untuk tubing yang satu dengan tubing yang lain. Gas diinjeksikan melalui annulus casing dan memasuki tubing melalui dua buah valve yang terpasang pada masing-masing tubing. Karenanya, masalah yang sering terjadi pada sumur dual gas lift adalah adanya ketakstabilan dari distribusi gas injeksi untuk masing-masing tubing yang akan berimbas pada masalah ketakstabilan produksi sumur. Skema sumur dual gas lift dapat diilustrasikan pada gambar 2.1, Masalah ketakstabilan jumlah injeksi gas pada masing-masing tubing dari sumur dual gas lift disebabkan oleh beberapa faktor kondisi operasi, salah satunya adalah terbatasnya alat untuk menentukan gas injeksi bagi masing-masing tubing. Akibatnya, dapat terjadi gas injeksi akan mengarah kepada salah satu gas lift valve saja. Sebagai konsekuensinya, tubing yang lain akan mendapatkan sisa gas injeksi dan memproduksi sedikit sekali minyak atau bahkan tidak berproduksi sama sekali, akibatnya akan terjadi penurunan total produksi secara keseluruhan. Aliran fluida pada sumur dual gas lift dapat dinyatakan sebagai berikut: 1. Gas injeksi dari annulus akan masuk kedalam tubing, dan bercampurnya
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 9 Gambar 2.1: Ilustrasi Sumur Dual Gas Lift gas dengan fluida reservoir akan menurunkan gradien tekanan alir, sehingga tekanan alir dalam tubing akan menurun. Penurunan gradien tekanan alir tersebut, sesuai dengan jumlah aliran gas injeksi. 2. Gas injeksi akan mengangkat kolom fluida keluar dari tubing dipermukaan sementara tekanan gas dalam annulus akan berkurang dengan cepat. 3. Sebagai akibatnya annulus akan kosong, sehingga perbedaan tekanan antara casing dengan tubing pada titik injeksi akan menuju negatif, sehingga gas injeksi akan berada di tubing seluruhnya. 4. Injeksi gas selanjutnya akan meningkatkan tekanan dalam annulus dan akan menekan gas injeksi masuk kedalam tubing. 5. Proses ini akan terulang secara kontinu. Dalam sumur dual gas lift, untuk menghindari ketakstabilan injeksi gas, valve in-
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 10 jeksi harus diatur sedemikian rupa, sehingga aliran gas injeksi memenuhi aliran kritis. Dalam penelitian ini, telah diasumsikan bahwa aliran yang melalui valve injeksi adalah aliran kritis. Ketakstabilan distribusi gas injeksi dapat dijelaskan sebagai berikut, ketika gas injeksi memasuki salah satu tubing dan bercampur dengan cairan reservoir, gradien tekanan dalam tubing akan menurun, yang mengakibatkan penurunan tekanan yang cukup besar pada bagian tubing diatas valve gas injeksi. Penurunan tekanan tubing pada titik injeksi tersebut makin besar sehingga akan meningkatkan jumlah gas injeksi yang masuk kedalam tubing. Sebagai akibatnya aliran gas injeksi pada tubing kedua akan mengalami penurunan, sehingga gradien tekanan pada tubing kedua akan mengalami peningkatan. Jadi, jika pada tubing pertama terjadi penurunan tekanan diatas valve gas injeksi maka sebagai konsekuensinya jumlah gas injeksi yang akan masuk pada tubing kedua akan berkurang. Hal inilah yang menyebabkan bahwa gas injeksi pada sumur dual gas lift dapat berkumpul hanya pada satu tubing saja. 2.3 Aliran Fluida di Reservoir Fluida reservoir dalam media berpori terdiri dari gas, minyak dan air yang akan mengalir bersama-sama ke lubang sumur, jika terjadi perbedaan tekanan antara reservoir dan lubang sumur, sebesar P = P r P w f. Besarnya aliran fluida tersebut, dinyatakan oleh laju alir (q. Nilai laju alir ditentukan oleh P, sifat fisik media berpori seperti, permeabilitas (k, geometri reservoir (jari-jari reservoir (r e, jari-jari sumur (r w, dan tebal reservoir (h, dan sifat fisik fluida yang mengalir (viscositas (µ. Hubungan tersebut dapat direpresen-
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 11 tasikan dalam bentuk q = f ( P,k,h,r e,r w,µ. Dalam bentuk persamaan dan dengan menggunakan satuan lapangan, hubungan tersebut dinyatakan dalam persamaan Darcy, yaitu: q = 7.08 10 3 kh ( P r P w f ( B o µ o ln r e r w 0.75. Variabel B o,k,h,µ o,r e dan r w dapat berharga konstan sehingga berdasarkan variabel produksi dapat dinyatakan q = f ( P w f. Asumsi pengembangan persamaan Darcy tersebut, bahwa fluida yang mengalir satu fasa (liquid, dan q = f ( P w f merupakan hubungan yang linier, dan dapat ditulis dalam bentuk persamaan q L = J ( P r P w f. (2.1 Dimana, q L menyatakan jumlah cairan yang mengalir dari reservoir yang terdiri dari minyak dan air (stb/day, P r mewakili tekanan reservoir (psia, P w f menyatakan tekanan dasar sumur (psia dan J menyatakan indeks produktivitas suatu reservoir (stb/day/psia. Persamaan (2.1 dapat dituliskan: P w f = P r q L J = f 1 (q L. (2.2 Pada keadaan sebenarnya, fluida yang mengalir di reservoir adalah gas, minyak dan air. Namun, untuk sumur-sumur tua, produksi fluida akan didominasi oleh air,
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 12 sehingga dapat didekati dengan asumsi tersebut diatas. Persamaan Darcy tersebut, dapat digunakan sebagai dasar untuk menentukan produktivitas sumur, yang selanjutnya dapat ditentukan dengan melakukan uji sumur. Pengujian dilakukan dengan mengukur tekanan reservoir (P r, dan mengukur harga tekanan dasar sumur ( P w f pada suatu harga produksi cairan (ql yang konstan. Berdasarkan data test tersebut, maka dapat ditentukan nilai kemampuan produksi reservoir (J dan dapat dibuat hubungan antara q vs P w f, yang disebut sebagai inflow. 2.4 Persamaan Aliran Fluida Dalam Tubing Persamaan aliran fluida dalam tubing diturunkan dari persamaan kesetimbangan energi, yang menganut hukum konservasi energi [1]. Hukum konservasi energi menyatakan Energi fluida yang masuk titik 1 pada pipa, ditambah beberapa usaha tambahan yang dikerjakan terhadap fluida diantara titik 1 dan 2, dikurangi beberapa energi yang hilang dalam sistem diantara titik 1 dan 2, adalah sama dengan energi fluida yang meninggalkan titik 2 pada pipa. Berdasarkan hukum konservasi energi tersebut, maka persamaan kesetimbangan energi dapat dituliskan: U 1 + mv2 1 2 + mgh 1 + P 1 V 1 + q W = U 2 + mv2 2 2 + mgh 2 + P 2 V 2. (2.3 Dimana, (U menyatakan energi dalam, ( mv 2 2 mewakili energi kenetik, ( mgh menyatakan energi potensial, (PV sebagai tekanan volume, (q menyatakan perpindahan
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 13 panas dan (W merupakan usaha yang dilakukan oleh fluida. Penurunan persamaan perhitungan perbedaan tekanan dalam pipa diperoleh berdasarkan persamaan kesetimbangan massa (2.3 U 1 + mv2 1 2 + mgh 1 + P 1 V 1 + q W = U 2 + mv2 2 2 + mgh 2 + P 2 V 2. Persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi ( mv 2 U + + 2 ( mgh + (PV + W q = 0. (2.4 Dalam azas thermodinamika, diketahui bahwa faktor entalpi H, merupakan fungsi dari energi dalam dan tekanan volume, H = U + PV. Jika entalpi ini disubstitusikan dalam persamaan (2.4 maka diperoleh persamaan sebagai berikut: ( mv 2 H + + 2 ( mgh + W q = 0. Menurut definisi thermodinamika, U dapat dinyatakan sebagai fungsi entropi, S, yaitu: U = S 2 v2 TdS + p( dv + S 1 v 1 dengan F menyatakan gaya luar lainnya. Jika diasumsikan F = 0, maka diperoleh F, U = S 2 v2 TdS + p( dv. (2.5 S 1 v 1
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 14 Dengan mensubstitusikan persamaan (2.5 ke persamaan (2.4 maka diperoleh S 2 S 1 v2 TdS p(dv + v 1 ( mv 2 2 + ( mgh P2 v2 + VdP + p(dv + W q = 0. P 1 v 1 (2.6 Selanjutnya diketahui dari hukum termodinamika bahwa S 2 TdS = q + lw, dengan S 1 lw adalah usaha yang hilang yang disebabkan karena gesekan fluida pada dinding pipa, kelicinan, efek pergesekan antara beberapa fasa, efek kekentalan, efek tegangan permukaan dll. Dengan mensubstitusikan persamaan S 2 TdS = q+lw kedalam S 1 persamaan (2.6, akan diperoleh: P2 P 1 ( mv 2 VdP + + 2 ( mgh + W + lw = 0. (2.7 Untuk m = 1, persamaan diatas dapat ditulis sebagai berikut: ( v 2 VdP + + g ( z + W + lw = 0. 2 Persamaan diatas dapat dinyatakan dalam bentuk: dp ρ + vdv + g dz + d(lw + dw. Jika diasumsikan fluida tidak melakukan usaha atau tidak ada usaha yang dilakukan terhadap fluida tersebut maka diperoleh: dp dz + ρvdv dz + g ρ + ρ d (lw = 0. dz atau [ dp g dz = ρ + ρvdv ] (lw + ρd dz dz. (2.8
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 15 Menyatakan nilai perbedaan tekanan pada suatu pipa produksi secara umum. Jika ρ d(lw dz = f ρv2 2 d disubstitusikan pada persamaan (2.8, maka persamaan diatas menjadi [ dp g dz = ρsinθ + ρvdv dz + f ] ρv2 2 d. (2.9 Dari persamaan (2.9, persamaan perhitungan perbedaan tekanan sepanjang pipa terdiri atas 3 komponen yang sangat mempengaruhi, yaitu: 1. Komponen elevasi g ρsinθ. 2. Komponen friksi f ρv2 2 d. 3. Komponen akselerasi ρvdv dz. Persamaan perbedaan tekanan dalam pipa diatas akan diterapkan pada pipa vertikal (sudut kemiringan pipa, θ = 90 o, dan jika aliran dalam pipa terdiri dari dua fasa yaitu liquid dan gas, maka persamaan (2.4 dapat dituliskan menjadi: dp dh = g ρ m + ρ mv m dv m + f mρ m v 2 m dh 2 d. Berdasarkan persamaan umum kehilangan tekanan tersebut, Hagedorn and Brown [2] mengembangkan korelasi kehilangan tekanan alir dalam pipa untuk fluida dua fasa secara empiris, yang ditunjukkan oleh persamaan (2.10. ( v 2 144 dp dh = ρ f w 2 d m 2 m + 2.9652 10 11 d 5 + ρ m ρ m dh. atau ( 144 dp dh = ρ f w 2 m + 2.9652 10 11 d 5 + ρ mv m d vm2 ρ m dh. (2.10
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 16 dimana, d adalah diameter tubing (in, P menyatakan tekanan sepanjang tubing (psia, ρ m menyatakan kerapatan campuran antara liquid dan gas (lb m /cu f t, f sebagai faktor gesekan antara pipa dengan fluida. w mewakili laju alir massa (lb m /day, v m mewakili kecepatan campuran dua fasa dan menyatakan gaya gravitasi. Persamaan (2.10 dapat disederhanakan dengan mensubstitusikan d(v m dh = d ( vsl + v sg. dh ( d v sl + d(v m dh = ( ( ( 1 ql GLRt R s 1+WOR (14.7+(T+460Z 86400A p (520P 2 dh d(v m dh ( ( = q L GLRt R s 86400A p 1 1+WOR ( ( 14.7 (T + 460Z P 2 520 dp dh. Dengan demikian, persamaan perbedaan tekanan untuk korelasi Hagedorn-Brown dapat dituliskan sebagai berikut: dp ρ m + dh = 144 + ( ( ρ m v m q L f w 2 2.9652 10 11 d 5 ρ m ( (. 1 GLRt R s 1+WOR (14.7+(T+460Z 86400A p (520P 2 Dengan demikian, persamaan gradien diatas dapat dinyatakan sebagai fungsi dari tekanan dan kedalaman (ketinggian, dimana untuk suatu laju injeksi gas akan dicari besar laju produksi minyak. Secara matematis, dapat dinyatakan sebagai berikut:
BAB 2. SISTEM SUMUR DUAL GAS LIFT 17 dengan dp dh = f ( 2 P,h;qL,q g. (2.11 P wh, merupakan tekanan kepala sumur, dan P(0 = P wh, (2.12 P(L = P w f. (2.13