Electrical Submersible Pump (ESP) Pada Sumur Minyak Bumi (Migas)

Pendahuluan

Salah satu cara untuk mengalirkan minyak bumi dari dalam perut bumi adalah dengan bantuan alat berupa suatu pompa yang dibenamkan dalam fluida minyak yang mempunyai kedalaman yang sangat jauh dari permukaan tanah (deep well) dan diameter lubang yang sangat kecil. Cara tersebut merupakan salah satu produksi artificial lift (pengambilan buatan) disamping cara lain seperti gas lifting, sucker rod pumping atau juga beam pump, jet pump dan progressive cavity pump (sejenis dengan mud motor).

Susunan Lengkap Peralatan Electrical Submersible Pump 

Secara umum peralatan electrical submersible pump dapat dibagi menjadi dua bagian, yaitu : 

1.1. Peralatan Di Atas Permukaan 

1. Wellhead atau kepala sumur dilengkapi dengan tubing hanger khusus yang mempunyai lubang untuk cable pack-off atau penetrator. Cable pack-off ini biasanya tahan sampai tekanan 3000 psi. Tubing hanger dilengkapi juga dengan lubang untuk hidraulic control line, yaitu saluran cairan hidraulik untuk menekan subsurface ball valve agar terbuka.Gambar Wellhead memperlihatkan tubing hanger dengan cable pack-off. Wellhead juga harus dilengkapi dengan “seal” agar tidak bocor pada lubang untuk kabel dan line. Wellhead di desain untuk tahan terhadap tekanan 500 psi sampai 3000 psi.

Wellhead 

2. Junction Box Junction box ditempatkan di antara kepala sumur dan switchboard untuk alasan keamanan. Gas dapat mengalir keatas melalui kabel dan naik ke permukaan menuju switchboard, yang bisa menyebabkan terjadinya kebakaran, karena itu kegunaan dari junction box ini adalah untuk mengeluarkan gas yang naik keatas tadi. Junction box biasanya 15 ft (minimum) dari kepala sumur dan normalnya berada diantara 2 sampai 3 ft di atas permukaan tanah. Fungsi dari junction box antara lain : 

• Sebagai ventilasi terhadap adanya gas yang mungkin bermigrasi kepermukaan melalui kabel agar terbuang ke atmosfer. 

• Sebagai terminal penyambungan kabel dari dalam sumur dengan kabel dari swichboard. 

3. Switchboard Switchboard adalah panel kontrol kerja di permukaan saat pompa bekerja yang dilengkapi dengan motor controller, overload dan underload protection serta alat pencatat (recording instrument) yang bisa bekerja secara manual ataupun otomatis apabila terjadi penyimpangan. Switchboard ini dapat digunakan untuk tegangan dari 440 volt sampai 4800 volt.

Fungsi utama dari switchboard adalah : 

• Untuk mengontrol kemungkinan terjadinya downhole problem seperti: overload atau underload current. 

• Auto restart setelah underload pada kondisi intermittent well. 

• Mendeteksi unbalance voltage. 

Pada switchboard biasanya dilengkapi dengan ammeter chart yang berfungsi untuk mencatat arus motor versus waktu ketika motor bekerja.

Switchboard 

4. Transformer Merupakan alat untuk mengubah tegangan listrik, bisa untuk menaikan 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. Biasanya tegangan input transformer diberikan tinggi agar didapat 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.

Transformator 

1.2. Peralatan Di Bawah Permukaan 

Peralatan di bawah permukaan dari electrical submersible pump terdiri atas pressure sensing instruments, electric motor, protector, intake, pump unit dan electric cable serta alat penunjang lainnya. 

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

• PSI Surface Readout

Merupakan bagian dari sistem yang mengontrol kerja Down Hole Unit serta menampakkan (display) informasi yang diambil dari Down Hole Unit. 

2. Electric Motor Jenis motor electrical submersible pump adalah motor listrik induksi dua kutub tiga fasa yang diisi dengan minyak pelumas khusus yang mempunyai tahanan listrik (dielectric strength) tinggi. Dipasang paling bawah dari rangkaian, dan motor tersebut digerakkan oleh arus listrik yang dikirim melalui kabel dari permukaan. Motor berfungsi untuk menggerakan pompa dengan mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik. 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. 

      Jadi 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. Motor berfungsi sebagai tenaga penggerak pompa (prime mover), yang mempunyai 2 (dua) bagian pokok, yaitu : 

• Rotor (gulungan kabel halus yang berputar). 

• Stator (gulungan kabel halus yang stasioner dan menempel pada badan motor). 

    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). 

3. Protector Protector (Reda) sering juga disebut dengan Seal Section (Centrilift) atau Equalizer (ODI). Secara prinsip protector mempunyai 4 (empat) fungsi utama, yaitu : 

• Untuk melindungi tekanan dalam motor dan tekanan di annulus. 

• Menyekat masuknya fluida sumur kedalam motor. 

• Tempat duduknya thrust bearing (yang mempunyai bantalan axial dari jenis marine type) untuk merendam gaya axial yang ditimbulkan oleh pompa. 

• Memberikan ruang untuk pengembangan dan penyusutan minyak motor sebagai akibat dari perubahan temperatur dari motor pada saat bekerja dan saat dimatikan. 

Secara umum protektor mempunyai 2 (dua) macam tipe, yaitu : 

• Positive Seal atau Modular Type Protector. 

• Labyrinth Type Protector. 

Untuk sumur-sumur miring dengan temperatur > 300°F disarankan menggunakan protektor dari jenis positive seal atau modular type protector.

Motor 

4. Intake dipasang dibawah pompa dengan cara menyambungkan sumbunya (shaft) memakai coupling. Intake merupakan saluran masuknya fluida dari dasar sumur ke pompa menuju permukaan. Untuk jenis-jenis tertentu, intake ada yang dipasang menjadi satu dengan housing pompa (intregrated), tetapi ada juga yang berdiri sendiri. Ada beberapa jenis intake yang sering dipakai, yaitu : 

Standard 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 direkomendasi 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. Pump Unit Unit pompa merupakan Multistages Centrifugal Pump, yang terdiri dari : impeller, diffuser, shaft (tangkai) dan housing (rumah pompa). 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. 

        Prinsip kerja pompa ini adalah 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 tersebut akan terlempar keluar dan diterima oleh 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 stage yang dipasangkan, maka semakin besar kemampuan pompa untuk mengangkat fluida.

Pompa sentrifugal tingkat banyak (multiple stage) 

6. Electric Cable Kabel yang dipakai adalah jenis tiga konduktor. Fungsi utama dari kabel tersebut adalah sebagai media penghantar arus listrik dari switchboard sampai ke motor di dalam sumur. Kabel harus tahan terhadap tegangan tinggi, temperatur, tekanan migrasi gas dan tahan terhadap resapan cairan dari sumur. Untuk itu maka kabel harus mempunyai isolasi dan sarung yang baik. Bagian dari kabel biasanya terdiri dari : 

• Konduktor (conductor) 

• Isolasi (insulation) 

• Sarung (sheath) 

• Jaket (jacket) 

       Ada dua jenis kabel yang biasa dipakai yaitu : round dan flat cable. Pada jenis round cable di bagian luar sarungnya dibungkus lagi dengan karet (rubber jacket). Biasanya kabel jenis round ini memiliki ketahanan yang lebih lama daripada jenis flat cable, tetapi memerlukan ruang penempatan yang lebih besar. Secara umum ada dua jenis kabel yang biasa dipakai di lapangan, yaitu : 

• Untuk low temperature, disarankan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan maximum 200°F. 

• Pada high temperature, kabel disarankan untuk pemasangan pada sumur-sumur dengan temperatur yang cukup tinggi sampai mencapai mencapai 400°F. Untuk sumur bersuhu tinggi (lebih 250°F) perlu dipasang epoxy untuk melindungi kabel, O-ring dan seal. 

Kabel yang digunakan di bawah permukaan 

7. Check Valve Check valve biasanya dipasang pada tubing (2 – 3 joint) di atas pompa. Bertujuan untuk menjaga fluida tetap berada di atas pompa. Jika 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. Jadi umumnya check valve digunakan agar tubing tetap terisi penuh dengan fluida sewaktu pompa mati dan mencegah supaya fluida tidak turun ke bawah. 

8. Bleeder Valve Bleeder valve dipasang satu joint di atas check valve, mempunyai fungsi mencegah minyak keluar pada saat tubing dicabut. 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.

2. Langkah Kerja Perencanaan ESP 

1. Isi data yang diperlukan (data sumur, reservoir, dan fluida).
2. Hitung berat jenis rata-rata dan gradien tekanan fluida produksi menurut persamaan :

Bila mengandung gas, kurangi GF sekitar 10%. 

3. Tentukan kedudukan pompa (HPIP) kurang lebih 100 ft di atas lubang perforasi teratas. Jarak antara motor dan lubang perforasi teratas (HS) kurang lebih 50 ft. 

4. Tentukan laju produksi diinginkan dengan cara memilih kemudian mencoba harga Pwf untuk menghitung harga laju total menurut persamaan :

QTOT = (Ps - Pwf) × PI 

Hitung laju yang diinginkan (Qo) menurut persamaan :

Apabila harga tersebut belum sesuai, ulangi memilih harga Pwf dengan penjajalan. 

5. Hitung pump intake pressure (PIP) menurut persamaan : 

PIP = Pwf - GF × (HS-HPIP)

Harga PIP harus lebih besar dari BPP (tekanan jenuh); bila tidak terpenuhi, ulangi langkah 4 dan 5 dengan laju produksi yang lebih rendah. 

6. Hitung arus cairan kerja (Zfl) menurut persamaan :

7. Tentukan kehilangan tekanan sepanjang tubing (Hf) setiap 1000 ft dengan membaca pada grafik friction loss berdasarkan persamaan William Hazen, dimana :

HF = friction loss per 1000ft x pump setting depth (MD) / 1000

8. Hitung total dynamic head (TDH) menurut persamaan:

9. Pilih jenis dan ukuran pompa dari katalog perusahaan pompa bersangkutan dan gambar yang menunjukkan efisiensi maksimum untuk laju produksi yang diperoleh di langkah 4. Baca harga head capacity (HC) dan daya kuda motor (HP motor) pada laju produksi tersebut.

10. Hitung jumlah stages (tingkat) :

11. Hitung daya kuda yang diperlukan. 

HP = HP motor × Jumlah stages

12. Tentukan jenis motor yang memenuhi HP tersebut. 

13. Untuk masing-masing jenis motor, hitung kecepatan aliran di annulus motor (FV). Jenis motor dan OD motor terkecil yang memberikan FV > l ft/detik adalah pasangan yang harus dipilih.

14. Baca harga arus listrik (A) dan tegangan listrik (Vmotor) yang dibutuhkan untuk jenis motor yang bersangkutan. 

15. Dari harga arus listrik tersebut pilih jenis kabel (dianjurkan memilih jenis kabel yang mempunyai kehilangan tegangan di bawah atau sekitar 30 volt tiap 1000 ft). 

ΔVkabel = (HS - 50) × ΔV/1000 ft

Catatan : 

1. ESP dapat dipakai untuk laju produksi 300 sampai 60000 BPD. 
2. Dapat dipakai untuk fluida viskositas tinggi. 
3. Dapat dipakai untuk sumur-sumur air atau sumur injeksi air pada proyek waterflood. Untuk sumur injeksi, arah impeller harus dibalikkan. 
4. Untuk sumur kepasiran, ESP dapat dipakai sampai derajat kepasiran tertentu, yaitu dengan menggunakan impeller atau diffuser khusus yang terbuat dari Ni-Resist. 
5. Untuk sumur korosif perlu dipasang “Ressistant Coning Hausing” khusus, sumbu as pompa dari bahan K-monel. Apabila terdapat H2S gunakan kabel Al atau kabel biasa dengan ditutup monel. 
6. ESP menghasilkan panas sehingga dapat menurunkan viskositas fluida produksi; hal mana akan membantu sumur dengan masalah parafin. 
7. Untuk sumur bersuhu tinggi (lebih 250°F) perlu dipasang Epoxy untuk melindungi kabel, O-ring, dan seal (gasket). 
8. Untuk sumur miring atau tidak lurus (crooked well) perlu dipasang centralizer agar kabel tidak terkelupas. 

Daftar Acuan 

Gabor Takacs, “Electrical Submersible Pumps Manual : Design, Operation, and Maintenance”, Gulf Professional Publishing. 

Brown, K.E., et al. 1980. The Technology of Artificial Lift Methods (Tulsa: Pennwell Publishing), Vol. 2, 91.