Sucker Rod Pump Well Design
PERANCANGAN DAN ANALISA SUMUR SUCKER ROD PUMP
10/5/2013
PERALATAN SUMUR SUCKER ROD PUMP
•
•
Peralatan Atas Permukaan
Peralatan Bawah Permukaan
10/5/2013
PERALATAN SUMUR SUCKER ROD PUMP
•
•
Peralatan Atas Permukaan
Peralatan Bawah Permukaan
10/5/2013
CERITA SINGKAT SRP Teknologi Pompa Air mulai berkembang di China sekitar 400 BC, dan di Mesir 476 BC Sumur air Zaman Romawi (Abad 1) menggunakan sejenis pompa angguk Dua per tiga sumur-sumur minyak/air di dunia menggunakan SRP lap angan dangkal da ngkal Terutama di lapangan SRP besar mampu berproduksi sampai 4000 bbl/d Kedalaman bisa mencapai 10 o00 feet
10/5/2013
PUMPING UNIT KOMPONEN SURFACE DAN SUBSURFACE
Keunggulan : • Komponen permukaan mudah Diperbaiki • Mudah mengatur laju produksi • Cepat diketahui kalau mati Kerugian : • memerlukan tempat luas • tidak bisa dipasang di offshore • tidak untuk sumur miring
10/5/2013
TIGA JENIS PUMPING UNIT
Dibedakan berdasarkan letak titik pusat putaran pada walking beam, yaitu:
Di tengah
: Conventional
Di ujung depan
: Mark II
Di ujung belakang
: Air Balanced
JENIS PUMPING UNIT (1) CONVENTIONAL UNITS The LUFKIN Conventional Crank Balanced Unit, widely known and accepted, is the old reliable "WORK HORSE" of the oil patch. This is the most universally adaptable unit in the „LUFKIN LINE‟, simple to operate and requires minimum maintenance. Shown here is the twopoint base design installed on front and rear concrete blocks.
JENIS PUMPING UNIT (2)
MARK II UNITORQUE UNITS The Mark II unit, due to its unique geometry and phased counterbalance feature, lowers peak torque and horsepower requirements. The unusual geometry of the Mark II produces a somewhat slower up stroke and faster down stroke with reduced acceleration where the load is greatest, resulting in lower peak loads and longer rod life.
JENIS PUMPING UNIT (3) AIR BALANCED UNITS The utilization of compressed air instead of heavy cast iron counterweights allows more accurate fingertip control of counterbalance. As a result, the weight of the unit is greatly reduced, significantly lowering transportation and installation costs. Air Balanced units have a distinct advantage in the larger sizes with long strokes, where cast iron counterweights on conventional crank counterbalanced units must be so massive that their use is practically prohibitive.
10/5/2013
TIGA TYPE PUMPING UNIT YANG SERING DIGUNAKAN
Conventional Pumping Unit
1
Air Balanced Pumping Unit
2
10/5/2013
Mark II Pumping Unit
3
10/5/2013
BEBERAPA BENTUK PUMPING UNIT
BEAM BALANCED UNIT: Sumur dangkal
LOW PROFILE : Unit Kecil
REVERSED MARK UNIT
CONVENTIONAL PORTABLE
10/5/2013
PUMPING UNIT KOMPONEN SURFACE DAN SUBSURFACE
Komponen Peralatan pokok SRP :
1. 2. 3. 4.
Motor pe pengg nggerak erak Pera Perala lata tan n Perm Permuk ukaa aan n Pera Perala lata tan n Bawa Bawah h Perm Permuk ukaa aan n Rods Rods (Su (Suck cker er Rod Rod dan dan Pol Polis ishe hed d Rod)
10/5/2013
SPESIFIKASI PUMPING UNIT API Standard 11 11 E Contoh:
C – 114 – 143 - 64 Max. Stroke Length : 64 inch Structure Capacity : 14 300 lb Peak Torque Rating : 114 000 in-lb C = Conventional M = Mark II A = Air Balance
Catatan: • Peak Torque Rating = Reducer Rating • Structure Capacity = Polished Rod Load
10/5/2013
PERALATAN BAWAH PERMUKAAN Komponen Peralatan Bawah Permukaan:
Working Barrel
Plunger
Jenis Pompa Bawah Permukaan
Klasifikasi Pompa Bawah Permukaan
10/5/2013
KOMPONEN SUBSURFACE SUCKER ROD PUMP
10/5/2013
LAJU PRODUKSI YANG DIPEROLEH: Pada saat sucker rod terangkat, akan terbawa fluida reservoir sebanyak volume pump barrel sepanjang STROKE LENGTH : penampang barrel x panjang langkah Jika pompa bergerak keatas setiap waktu t menit, PUMPING SPEED, maka dapat dihitung perolehan dalam satu hari, bbl/hari Tetapi STROKE LENGTH di permukaan tidak sama dengan STROKE LENGTH di pump barrel… MENGAPA?
10/5/2013
VOLUME BARREL – SP EFFEKTIF
Ap
Sp
Volume Barrel
10/5/2013
JENIS PLUNGER
10/5/2013
JENIS POMPA TUBING PUMP DAN ROD PUMP
10/5/2013
Klasifikasi Sub-surface PUMP
10/5/2013
KODE SPESIFIKA SI SUBSURFACE PUMP
PERANCANGAN PERALATAN POMPA BAWAH PERMUKAAN
•
Pump Displacement & Efficiency Volumetric
•
Perhitungan Beban pada Polished Rod
10/5/2013
PERKEMBANGAN METODE PERANCANGAN
Pada waktu WW2 para ahli Sucker Rod Pump (Slonneger, Mills, Coberly, Kemler, Marsh, dll) melakukan banyak penelitian yang hasilnya merupakan makalah ilmiah. Pendekatan yang dilakukan berdasarkan model fisik dan pengukuran Makalah tersebut menjadi dasar dalam perancangan sumur sucker rod pump Pengembangan model matematik, dengan menyusun non-dimensional parameter, yang dilakukan oleh Sucker Rod Pump Research (SRPR) Inc. Model menghasilkan Metode API RP 11L
10/5/2013
PARAMETER DESIGN
Pemilihan peralatan atas dan bawah permukaan yang sesuai dengan laju produksi yang diinginkan Produktivitas lapisan yang dinyatakan dalam besaran tekanan reservoir dan productivity index Hasil pemilihan peralatan berdasarkan pada produktivitas lapisan, divalidasi dengan melakukan pengukuran beban dengan menggunakan dynamometer serta pengukuran tinggi kolom fluida dinamik dalam sumur. Dapat dilakukan adjustment terhadap parameter design untuk mendapatkan parameter operasi yang optimum
10/5/2013
PARAMETER POMPA DI PERMUKAAN
Panjang Langkah – Stroke Length – inch
Kecepatan Pompa – Pumping Speed – SPM (Stroke Per Menit)
Motor memberikan gerak putar, yang kemudian diubah menjadi gerak naik turun oleh CRANK yang diteruskan ke WALKING BEAM Walking Beam menarik dan menurunkan POLISHED ROD
10/5/2013
PUMP DISPLACEMENT, PD • Diperlukan untuk menentukan laju produksi sumur pompa Luas penampang plunger Effective Stroke Length Pumping Speed
PD = (Ap) (Sp) (N) (Conversion)
o.1484 spm in in2 bbl/day
10/5/2013
EFISIENSI VOLUMETRIK, EV
Pump Displacement, PD adalah laju produksi teoritis untuk satu konfigurasi pompa tertentu. Q-actual adalah laju produksi nyata yang dihasilkan untuk satu konfigurasi pompa tertentu, yang sama. Ev = Q-actual/PD
10/5/2013
PARAMETER YANG BERPENGARUH TERHADAP TERHADA P EFFICIENCY VOL VOLUMETRIK UMETRIK
Parameter external
Gas yang masuk kedalam pompa Kedalaman Pompa (D>> Ev<<) Fluid level (Fluid Level >> Ev >>)
Parameter internal
Oversize plunger Plunger over travel yang disebabkan rod memanjang waktu upstroke yang disusul mengkerut pada waktu down stroke Liquid fall back pada waktu up-stroke melalui ruang antara plunger dengan pompa/tubing
10/5/2013
PENGARUH GAS DAN OIL SHRINKAGE (1)
Gas bebas yang terproduksi akan mengisi pump barrel Jika GLR sebesar 200 scf/stb, maka setiap bbl liquid akan terdapat 200 scf. Pada kondisi pompa, volume gas sebesar 15.45 cuft atau 2.75 bbl, sehingga mengurangi tempat untuk liquid Adanya Bo menyebabkan kurangnya volume minyak yang diterima di permukaan.
10/5/2013
PENGARUH GAS DAN OIL SHRINKAGE (2)
Gas Into Pump = GIP ditentukan oleh efisiensi Gas Anchor Effisiensi Gas Anchor 80% artinya 20% gas tetap masuk dalam pompa EV = 100/(Bg.GIP + Bo) Perhitungan EV ini diperlukan untuk menentukan Pump Displacement yang diperlukan.
10/5/2013
GERAK NAIK-TURUN SUCKER ROD
Gerak Naik – Turun Sucker Rod merupakan gerak harmonik, dengan jarak gerak yang sama dan kecepatan gerak yang tetap Gerak harmonik tersebut dapat direpresentasikan dalam bentuk gerak melingkar suatu partikel, dimana posisi dari partikel tersebut diproyeksikan ke diagonal lingkaran Posisi dari partikel dalam gerak melingkar tersebut, pada garis tengah lingkaran merupakan gerak harmonik naik – turun Fenomena gerak harmonik ini digunakan untuk menurunkan percepatan gerak up-stroke dan down stroke dari sucker rod, yang selanjutnya digunakan untuk menghitung beban percepatan
10/5/2013
GERAK HARMONIK
Gerak Naik-Turun Pompa merupakan gerak harmonik
Kecepatan pada waktu up stroke dan down stroke dapat diproyeksikan dalam bentuk lintasan lingkaran
Pada titik awal down stroke dan awal upstroke terjadi percepatan yang maximum
Pada titik akhir upstroke dan akhir down stroke terjadi perlambatan maximum.
P
r c
q Vp
Up stroke O
Down stroke
10/5/2013
GERAK HARMONIK (1) Faktor percepatan :
Dimana : harmonik
α didefinisikan sebagai :
a g
a : percepatan maksimal pada titik
g : percepatan gravitasi Jika jarak antara pusat lingkaran ke lingkaran sebesar r c, maka percepatan gerak harmonik : Untuk satu putaran atau satu cycle pompa, N
Faktor percepatan,
α
2
a
v p r c
v p 2 r c N
v p2 r c g
2 2 4 r c N
g
10/5/2013
GERAK HARMONIK (2)
Pada siklus pemompaan
: r c
S
2
dimana S = polished rod stroke length 2
2
2 SN
SN 2
Dengan demikian :
disebut sebagai Mills Acceleration Factor, yang menentukan beban pada polished rod pada saat down stroke ataupun up stroke.
Dua jenis beban yang dialami polished rod, yaitu:
g
Peak polished rod load, PPRL
Minimum polished rod load, MPRL
70500
Dimana harga dari kedua beban tersebut tergantung pada jenis Pumping Unitnya
Perhitungan Beban Peak Polished Rod Load Minimum Polished Rod Load
PERANCANGAN SUMUR SUCKER ROD PUMP
10/5/2013
JENIS RODS
Polished Rods : the topmost portion of a string of sucker rods.
It
is used for lifting fluid by the rod-pumping method. It has a uniform diameter and is smoothly polished to seal pressure effectively in the stuffing box attached to the top of the well.
Sucker Rods : a special steel pumping rod.
Pony Rods : 1. a sucker rod, shorter than usual, used to make up a
Several rods screwed together make up the mechanical link from the beam pumping unit on the surface to the sucker rod pump at the bottom of a well. Sucker rods are threaded on each end and manufactured to dimension standards and metal specifications set by the petroleum industry. Lengths are 25 or 30 feet (7.6 or 9.1 meters); diameter varies from 1/2 to 1-1/8 inches (12 to 30 millimeters). There is also a continuous sucker rod (tradename: Corod). sucker rod string of desired length. Pony rods are usually placed just below the polished rod. 2. the rod joined to the connecting rod and piston rod in a mud pump
Sinker Bars : a heavy weight or bar placed on or near a lightweight wireline tool. The bar provides weight so that the tool will lower properly into the well.
Stabilizer Bars
10/5/2013
SUCKER ROD & PONY ROD Sucker Rods are manufactured from micro alloyed, modified, special bar quality hot rolled carbon or alloy steel. Bar and sucker rod dimensions and tolerances conform to API Spec 11B, latest edition, and AISI Steel Products Manual. Sucker rods are available in 5/8" (15.88mm), 3/4" (19.05mm), 7/8" (22.23mm), 1" (25.40mm), and 1 1/8" (28.58mm) body diameter and in 25' (7.62m) and 30' (9.14m) lengths, depending on grade.
Pony rods are manufactured to the same chemical properties, rod diameters, dimensions, and tolerances as sucker rods. Standard lengths: 2' (.61 m), 4' (1.22 m), 6' (1.83 m), and 8' (2.44 m). Other lengths are available on special order Norris A Dover Company
10/5/2013
POLISHED ROD & SINKER BARS
Norris A Dover Company
Polished Rod - Piston Steel Polished rods are made from cold finish 1045 carbon steel. They are recommended for moderate-to-heavy loads where corrosion is not a factor. Polished Rod - Alloy Steel Polished rods are made from cold finish 4140 alloy steel. They are recommended for moderate-to-heavy loads under mild corrosive conditions. Polished Rod - Sprayloy® These hard surfaced polished rods are made from cold finish 1045 carbon steel with a hard spraymetal surface applied to the O.D. They are recommended for abrasive and corrosive conditions under moderate-to-heavy loads. Sinker bars provide concentrated weight above the pump to help keep the rod string straight and in tension, which reduces buckling of the sucker rods or the pump plunger. Norris sinker bars are made from hot rolled carbon manganese steel bar stock. Sinker bars are surface turned and have API double sucker rod pins, shoulders, and wrench flats on both ends. One end has a
10/5/2013
STABILIZER BARS Stabilizer Bars... •Stabilize Pumps •Stabilize Sinker Bars •Reduce Wear •Pump More Oil Oil producers have long suspected that a “stabilizer” at the top of the rod pump plunger would be very beneficial. Under compression load, the rod pump plunger can bend to one side and cause excessive wear on the pump and possible on the tubing string.
Norris A Dover Company
Stabilizer Bars provide strength and stability for the pump plunger, which results in less flexing of the new and improved “Sidewinder” Sucker Rod Guide. The Sidewinder Sucker Rod Guide provides maximum pumping and flow efficiency while virtually eliminating flexing.
10/5/2013
BEBAN POLISHED ROD (1)
Polished Rod mengalami pembebanan dari:
Beban Fluida
W f 0.433 f L A p Ar 0.433 f LA p 0.294 W r
Beban Rod
R1
W r LR1 M 1 LR2 M 2 ...... LRn M N Rn
Beban Percepatan W r
L1 L Ln L
10/5/2013
BEBAN POLISHED ROD (2) PUMPING UNIT
Peak Polished Rod Load PPRL W f W r 1
Minimum Polished Rod Load 62.4 f W r W r 1 0.127 f MPRL W r 1 490
10/5/2013
BEBAN POLISHED ROD (3) PUMPING UNIT
Untuk Air Balance terjadi percepatan 30% lebih lambat pada akhir down stroke, dan 30% lebih cepat pada awal up stroke.
Peak Polished Rod Load PPRL W f W r 1 0.7
Minimum Polished Rod Load MPRL W r 1 1.3 0.127 f
10/5/2013
BEBAN POLISHED ROD (4) PUMPING UNIT
Untuk Air Balance terjadi percepatan 40% lebih lambat pada akhir down stroke, dan 40% lebih cepat pada awal up stroke.
Peak Polished Rod Load PPRL W f W r 1 0.6
Minimum Polished Rod Load MPRL W r 1 1.4 0.127 f
10/5/2013
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (1)
Untuk memperoleh beban rod minimum, namun mampu menahan beban yang optimum, maka sucker rod dipilih terdiri dari beberapa ukuran rod. Ukuran kecil berada di bagian bawah rangkaian rod, dan makin keatas makin besar. Misalkan : 3 4
7 8
1
Dengan demikian perlu ditentukan panjang dari masing-masing ukuran rod, kemudian jumlah masing-masing rod (panjang satu segmen rod 25 ft)
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (2)
Rangkaian sucker rod yang berbeda ukuran disebut dengan tapered rod Perlu ditentukan perbandingan panjang masingmasing ukuran rod Dasar penentuan panjang rod setiap ukuran adalah:
Stress di puncak setiap ukuran rod sama besarnya Stress disebabkan oleh beban fluida dan beban rod 0.433 A p sendiri
Beban Fluida :
Beban Rod : L M dimana : L panjang rod M berat/satuan panjang
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (2) Stress Rod 2 A2 ; L2 R2=L2/L
Stress Rod 1 A1 ; L1 R1 = L1/L
L = L1+L2
Stress = beban/luas penampang Asumsi :
Rod tidak bergerak (statik)
SG fluida = 1.0
Beban bekerja pada seluruh luas penampang plunger
Pompa dipasang pada fluid level
Stress di puncak Rod-1 0.433 A p L1 M 1
A1
0.433 A p R1 LM
A1
Stress di puncak Rod-2 0.433 A R LM R LM
0.433 A p L1 M 1 L2 M 2
p
1
2
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (3)
Jika stress di setiap puncak rod sama besar, maka 0.433 A p R1 LM 1
A1
0.433 A p R1 LM 1 R2 LM 2
A2
R1 R2 1
Untuk 3 ukuran rod yang berbeda, persamaan stress menjadi: 0.433 A p R1 LM 1
A1
0.433 A p R1 LM 1 R2 LM 2 R3 LM 3
R1 R2 R3 1
A3
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (4) Tabel – Sucker Rod Data Rod Size
Metal Area, in2
Rod Weight lb/ft
Elastic Constant, Er inch/lb.ft
½
0.196
0.72
1.990 x 10-6
5/8
0.307
1.13
1.270 x 10-6
¾
0.442
1.63
0.883 x 10-6
7/8
0.601
2.22
0.649 x 10-6
1
0.785
2.90
0.497 x 10-6
1 1/8
0.994
3.67
0.393 x 10-6
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (4) Tabel – Tubing Data Tubing Size in
OD Tubing in
ID Tubing in
Metal Area in2
Et in/lb.ft
1.90
1.900
1.610
0.800
0.500 x 10-6
2 3/8
2.375
1.995
1.304
0.307 x 10-6
2 7/8
2.875
2.441
1.812
0.221 x 10-6
3 ½
3.500
2.992
2.590
0.154 x 10-6
4
4.000
3.476
3.077
0.130 x 10-6
4 1/2
4.500
3.958
3.601
0.111 x 10-6
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (5) Rod Sizes in String, inch
34
R1 = 0.759 – 0.0896 Ap
78
R1 = 0.786 – 0.0566 Ap
1
R1 = 0.814 – 0.0375 Ap
5 8
3 4 7 8
Values of R
R2 = 0.241 + 0.0896 Ap R2 = 0.214 + 0.0566 Ap R2 = 0.186 + 0.0375 Ap R1 = 0.627 – 0.1393 Ap
5 8
34 78
R2 = 0.199 + 0.0737 Ap R3= 0.175 + 0.0655 Ap R1 = 0.664 – 0.894 Ap
3 4
78 1
R2 = 0.181 + 0.0478 Ap R3= 0.155 + 0.0416 Ap R1 = 0.582 – 0.01110 Ap
3 4
78 1 1 18
R2 = 0.158 + 0.4210 Ap R3= 0.137 + 0.0364 Ap R4= 0.123 + 0.0325 Ap
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (5) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er, in/lb.ft
44
All
0.726
1.990x106
54
1.06
0.908
54
1.25
54
Fc
Rod String, % of each size 1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
1.000
-
-
-
-
-
100.0
1.990x106
1.138
-
-
-
-
44.6
55.4
0.929
1.990x106
1.140
-
-
-
-
49.5
50.5
1.50
0.957
1.990x106
1.137
-
-
-
-
56.4
43.6
54
1.75
0.990
1.990x106
1.122
-
-
-
-
64.6
35.4
54
2.00
1.027
1.990x106
1.095
-
-
-
-
73.7
26.3
54
2.25
1.067
1.990x106
1.061
-
-
-
-
83.4
16.6
54
2.50
1.108
1.990x10-
1.023
-
-
-
-
93.5
6.5
6
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (6) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er, in/lb.ft
55
All
1.135
1.270x106
64
1.06
1.164
64
1.25
64 64
Fc
Rod String, % of each size 1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
1.000
-
-
-
-
100
-
1.382x106
1.229
-
-
-
33.3
33.1
33.5
1.211
1.319x106
1.215
-
-
-
37.2
35.9
26.9
1.50
1.275
1.232x106
1.184
-
-
-
42.3
40.4
17.3
1.75
1.341
1.141x10-
1.145
-
-
-
47.4
45.2
7.4
Dp = plunger diameter F = frequency factor
6
10/5/2013
DESIGN SUCKER ROD (7)
Dengan menggunakan data pada Tabel Rod, Tubing, dan Pump #, maka dapat dihitung beban-beban rod.
Selanjutnya dapat dihitung Peak Polished Rod Load, dan Minimum Polished Rod Load.
Perhitungan beban tersebut akan digunakan untuk menentukan effective plu
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE Polished Rod Stroke Length vs
Actual Length of Plunger Travel
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (1)
Effective Plunger Stroke :
Liquid OUT
Liquid IN
gerakan plunger relatif terhadap working barrel
Pada saat up stroke, traveling valve tertutup dan standing valve terbuka, rod akan mengalami beban tambahan, yaitu beban fluida (disamping beban rod sendiri) yang menyebabkan terjadi stretch pada rod (pemanjangan) Pada saat upstroke, gaya tarik dari plunger juga akan memberikan stretch (pemendekan) pada tubing
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (2)
Effective Plunger Stroke :
Liquid OUT
gerakan plunger relatif terhadap working barrel
Pada saat down stroke, akibat beban percepatan maka rod juga mengalami stretch (pemendekan)
Pada saat down stroke, traveling valve terbuka, dan standing valve tertutup, akan menyebabkan tubing mengalami stretch (pemanjangan)
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (3) Rod dan tubing memanjang dan mengkerut sebagai akibat pengaruh beban yang bekerja dan beban yang terbebaskan selama siklus pompa Plunger over travel sebagai akibat dari beban dinais dan sifat elastis dari rod Rod bervibrasi selama siklus pompa Pengaruh gesekan pada peralatan subsurface Adanya gas dalam working barrel
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (4)
Effective Plunger Stroke:
S p S e p et er
dimana: Sp S ep et er
= effective plunger stroke, inch = polished rod stroke, inch = plunger overtravel, inch = tubing strecth, inch = rod stretch, inch
Berlaku untuk Conventional, Mark II, dan Air Balance Pumping Unit Jika ujung tubing di-anchor, maka tidak terjadi stretch terhadap tubing
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (5) Akibat terjadi stretch pada rod dan pada tubing, maka akan terjadi (Marsh & Coberly):
Plunger overtravel (Coberly‟s Formula) 2
e p
40 .8 L
E
Tubing Stretch
Rod Stretch Single Rod
er
5.20 f DA p EA
E = Modulus Young – besi = 30 x 106 psi D = kedalaman working fluid level, ft
et
5.20 f LDA p EAt
Tapered Ro d
er
5.20 f DA p L1 E
L L 2 ..... n An A1 A2
10/5/2013
EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (6)
Berdasarkan Marsh‟s Formula: Rod Stretch :
Tubing Stretch
er
et
2 5.20 g L A p Ar
Ar E
5.20 L A p Ar L2
At E
10/5/2013
PUMP DISPLACEMENT, PD • Diperlukan untuk menentukan laju produksi sumur pompa Luas penampang plunger Effective Stroke Length Pumping Speed
PD A p S p N Conversion o.1484 spm in in2 bbl/day
10/5/2013
PERANCANGAN PERALATAN BAWAH PERMUKAAN Perkiraan Laju Produksi Sumur Pompa Diameter Plunger yang dibutuhkan Rod Number (dari Tabel) Ukuran-Ukuran Rod
Perhitungan Beban Beban rod, fluida, percepatan, bouyancy, dll Effective Plunger Stroke
Perhitungan Laju Produksi berdasarkan peralatan Perhitungan Pump Displacement Efisiensi Volumetrik
PERANCANGAN PUMPING UNIT
SUMUR SUCKER ROD PUMP
Counterbalance Torque pada Gear Reducer Horsepower of Prime Mover Speed Reduction and Engine Sheave Size
10/5/2013
ENERGY FLOW PADA SUCKER ROD PUMP
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTER BALANCE (1)
Counter Balance bertujuan untuk mengurangi beban maximum yang dialami prime mover pada saat upstroke Tanpa counter balance, maka prime mover harus mampu mengangkat seluruh beban polished rod, yaitu beban rod, beban fluida, beban percepatan, beban gesekan, dll Pada saat awal down stroke, counter balance mulai bergerak keatas, sampai akhir dari down stroke. Gerakan ini tidak menggunakan energi yang minimum dari prime mover tetapi bergerak terutama akibat dari berat rod; Pada saat upstroke, energi yang di”simpan” oleh counter balance, di”lepas”kan untuk mengangkat beban polished rod, fluida, dll.
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTER BALANCE (2)
Dengan demikian pada saat down stroke beban rod harus mampu mengangkat counter balance, atau pada waktu down stroke berat counter balance harus sepadan dengan berat rod.
Demikian pula, pada waktu up stroke berat counter balance harus dapat membantu prime mover dan gear reducer untuk mengangkat rod dan fluida yang dipompa
Secara ideal, counter balance effect: C i
PPRL MPRL 2
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (3)
Beban Maximum : W f W r 1 bouyancy friction
Beban Minimum : W r 1 bouyancy friction 0.5 BebanMax BebanMin
Beban rata-rata : 0.5W f 2W r 2bouyancy
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (4)
Maka Counter balance Effect yang ideal adalah: C i 0.5W f W r 1 0.127 f
Pada waktu up stroke beban pada prime mover adalah beban rod + beban fkuida, dibantu dengan counterbalance, keadaan ini menimbulkan unbalanced force
Besarnya unbalanced force : unbalance _ force upstroke_ load counterbal ance 0.5W f
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (5)
Sedangkan pada waktu down stroke beban meliputi beban rod dan beban bouyancy, yang berlawanan dengan counterbalance, yang juga menimbulkan unbalance force, yaitu unbalanced _ force counterbal ance downstroke _ load 0.5W f
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (6) Dengan demikian diupayakan bahwa unbalanced force selalu sama pada waktu down stroke dan upstroke, untuk menghasilkan counterbalanced yang tepat Pada kondisi ini, torque yang bekerja pada gear reducer sama besarnya, baik pada waktu up stroke dan down stroke.
Pada kondisi bagaimana bisa terjadi torque pada gear reducer yang tidak sama besarnya pada saat upstroke dan downstroke?
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (7)
Persamaan Ci, merupakan persamaan teoritis dari sisi mechanical, namun pada keadaan sebenarnya harga C menunjukkan harga yang berbeda, yaitu Ca. Yang menyebabkan perbedaan tersebut adalah: Geometri dari pumping unit Stroke length Posisi dari counterweight pada`waking beam atau crank, Dll
Oleh karena itu perhitungan harus berdasarkan keadaan nyata di lapangan, dan tidak boleh melampaui dari batasan yang telah ditetapkan untuk setiap pumping unit.
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (8) Diagram Counterweight dan Walking Beam
l2
l1
b b
CW Fp
Fp r q
O
d
Jarak crankshaft sampai center of gravity dari counterweight
r
Jarak crankshaft ke pitman bearing
l1
Jarak saddle bearing ke tail bearing
l2
Jarak saddle bearning ke bridle
Cs
Structural unbalance, lb (dari spesifikasi)
Wc
Berat counterweight, lb
d Wc
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (9) Perhitungan counterbalance effect nyata : l1
l2
b b
CW Fp
Fp r q
O
d Wc
Actual counter balance effect ditentukan dari berat counterweight, dan geometri dari counventional pumping unit. Total counterbalance effect, Ct adalah jumlah counter balance effect Cw (yang diperoleh dari berat counter weight, Wc, ditambah counter balance effect yang dihasilkan dari structural unbalanced, Cs
C t C s C w
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (10) Perhitungan counterbalance effect nyata : l1
l2
b b
CW
C t C s C w
Fp
d l 1 C w W c r l 2
d l 1 C t C s W c r l 2
Fp r q
O
d Wc
d l 1 C s C t W c r l 2
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (11) Perhitungan Torque Torque adalah gaya tegak lurus yang bekerja pada ujung batang dikalikan dengan panjang batang, yang cenderung untuk menghasilkan rotasi. d
F
Pada pumping unit torque merupakan gaya (inchpound) yang bekerja pada crank dan yang terhubung dengan poros dari gear reducer. Gaya tersebut dihasilkan dari beban tarikan pada pitman sebagai akibat beban dari sumur, gerak yang berlawanan dari counter balance dan putaran dari prime mover.
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (12)
Peak Torque pada saat upstroke ditentukan dengan persamaan: S PT u PPRL C t 2 PTu = peak torque upstroke, lbs = peak polished rod load, lbs PPRL = total counterbalance effect, lbs Ct S = polished rod stroke, in
Peak Torque pada saat downstroke : S PT d C t MPRL 2
MPRL
= minimum polished rod load, lbs
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (13) Prime Mover Dua jenis Prime Mover, yaitu: Internal Combustion Engine
Single-, dual-, atau multi-cylinder
Electric Motor , lebih banyak digunakan karena sangat reliable,dan trouble-free. Pembahasan selanjutnya tentang Prime Mover akan ditekankan pada Electric Motor. Namun demikian parameter yang digunakan tidak jauh berbeda dengan parameter pada internal combustion engine
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (14) Horsepower
Total Nameplate Motor Horse Power: HP np
PRHP CLF E s
dimana:
PRHP = polished rod horsepower
CLF
Es = surface efficiency dari pumping system
= cyclic load factor
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (15) Horsepower
Polished rod horsepower: PRHP HP h HP f
dimana:
PRHP = polished rod horsepower
HPh
= hydraulic horsepower
HPf
= friction horsepower
Hydraulic horsepower:
HP h 7.36 x106 Q f Ln
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (16) Net Lift Menyatakan perbedaan tekanan ke arah pergerakan fluida yang dipompa. Jika pompa di pasang pada working fluid level, maka Net Lift sama dengan kedalaman pompa dipasang (dengan anggapan, bahwa tidak ada tekanan gas dalam annulus) Jika pompa dipasang dibawah working fluid level, maka net lift akan dipengaruhi oleh tekanan casing dalam annulus Net Lift juga dipengaruhi oleh tubing back pressure yang cenderung untuk melawan pengangkatan fluida
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (17) Net Lift Jika pompa dipasang pada working fluid level: 2.31 P t L N L f
Jika tekanan tubing tidak berpengaruh, maka P t = 0 Maka LN = L = D
Jika pompa dipasang dibawah working 2.31 P 2.31 P fluid level: L L L D D t
N
f
t
f
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (18) Frictional Horsepower W r 2S N 8 HP f 6.31 x10 7 W r SN 33000 12
Untuk Air balanced dan Mark II 7 6 . 25 10 HP x W r SN f
Catatan : persamaan diatas hanya merupakan pendekatan, dan tidak disarankan untuk digunakan jika ada persamaan lain yang lebih baik.
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (16) Cyclic Load Factor (CLF) Prime Mover diharapkan dapat memenuhi kebutuhan power, untuk:
Hydraulic horsepower Surface equipment losses Subsurface losses Cyclic load, yang disebabkan perubahan beban selama upstroke dan downstroke.
Perubahan beban tersebut menyebabkan kebutuhan arus listrik yang selalu berubah. Harga CLF tergantung pada jenis Motor Listrik yang digunakan
10/5/2013
PERANCANGAN COUNTERBALANCE (17) Cyclic Load Factor (CLF) Conventional & Air Balanced
NEMA “D” Electric Motor Slow speed engine
1.375
NEMA “D” Electric Motor Multi-Cylinders engine
Mark II
NEMA “D” Electric Motor Slow speed engine
1.10
NEMA “D” 1.897
Electric Motor Multi-Cylinders engine
1.517
10/5/2013
SPEED REDUCTION & ENGINE SHEAVE SIZE
Menghitung hubungan antara sheave pada motor dengan sheave pada pumping unit. Kedua sheave tersebut dihubungkan dengan BELT
d e
N u d u N e
Dimana : de du Ne Nu
= diameter engine sheave, inches = diameter pumping unit sheave, inches = kecepatan putaran engine sheave, rpm = kecepatan putaran pumping unit sheave, rpm
10/5/2013
SPEED REDUCTION & ENGINE SHEAVE SIZE
Jika Z = speed ratio dari speed reducer, yaitu: Z
N u N
dimana N = pumping speed, spm
Maka: d e
NZd u N e
10/5/2013
SPESIFIKASI PUMPING UNIT
API Standard 11 E Contoh:
C – 114 – 143 - 64 Max. Stroke Length : 64 inch Structure Capacity : 14 300 lb Peak Torque Rating : 114 000 in-lb C = Conventional M = Mark II A = Air Balance
Catatan: • Peak Torque Rating = Reducer Rating • Structure Capacity = Polished Rod Load
10/5/2013
Dilanjutkan dengan Slides tentang Prosedur Perancangan Pompa Sucker Rod berdasarkan :
API RP 11 L
OLD BRAGA - 1933
10/5/2013
APPENDIX A ROD AND PUMP DATA
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (1) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er, in/lb.ft
44
All
0.726
1.990x106
54
1.06
0.908
54
1.25
54
Fc
Rod String, % of each size 1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
1.000
-
-
-
-
-
100.0
1.990x106
1.138
-
-
-
-
44.6
55.4
0.929
1.990x106
1.140
-
-
-
-
49.5
50.5
1.50
0.957
1.990x106
1.137
-
-
-
-
56.4
43.6
54
1.75
0.990
1.990x106
1.122
-
-
-
-
64.6
35.4
54
2.00
1.027
1.990x106
1.095
-
-
-
-
73.7
26.3
54
2.25
1.067
1.990x10-
1.061
-
-
-
-
83.4
16.6
= 2.50 plunger1.108 diameter 1.990x106 F = frequency factor
1.023
-
-
-
-
93.5
6.5
D 54 p
6
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (2) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er, in/lb.ft
55
All
1.135
1.270x106
64
1.06
1.164
64
1.25
64 64
Fc
Rod String, % of each size 1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
1.000
-
-
-
-
100
-
1.382x106
1.229
-
-
-
33.3
33.1
33.5
1.211
1.319x106
1.215
-
-
-
37.2
35.9
26.9
1.50
1.275
1.232x106
1.184
-
-
-
42.3
40.4
17.3
1.75
1.341
1.141x10-
1.145
-
-
-
47.4
45.2
7.4
Dp = plunger diameter F = frequency factor
6
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (3) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (4) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (5) Rod #
Dp, inch
Rod Weight
76
1.06
1.802
0.816x106
76
1.25
1.814
76
1.50
76
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
lb/ft
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
1.072
-
-
28.5
71.5
-
-
0.812x106
1.077
-
-
30.6
69.4
-
-
1.833
0.804x106
1.082
-
-
33.8
66.2
-
-
1.75
1.855
0.795x106
1.088
-
-
37.5
62.5
-
-
76
2.00
1.880
0.785x106
1.093
-
-
41.7
58.3
-
-
76
2.25
1.908
0.774x106
1.096
-
-
46.5
53.5
-
-
76
2.50
1.934
0.764x106
1.097
-
-
50.8
49.2
-
-
76
2.75
1.967
0.751x106
1.094
-
-
56.5
43.5
-
-
76
3.75
2.039
0.722x106
1.078
-
-
68.7
31.3
-
-
76
3.75
2.119
0.690x10-
1.047
-
-
82.3
17.7
-
-
Dp = plunger diameter F = frequency factor
6
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (6) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (7) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (8) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
10/5/2013
ROD AND PUMP DATA (9) Rod #
Dp, inch
M lb/ft
Er,
Fc
Rod String, % of each size
in/lb.ft
Dp = plunger diameter F = frequency factor
1 1/8
1
7/8
3/4
5/8
1/2
