Sucker Rod Pump Design - 2008

100
PERANCANGAN DAN ANALISA SUMUR SUCKER ROD PUMP Sucker Rod Pump Well Design

description

this is presentation about Sucker Rod Pump

Transcript of Sucker Rod Pump Design - 2008

Page 1: Sucker Rod Pump Design - 2008

PERANCANGAN DAN ANALISA SUMUR SUCKER ROD PUMP

Sucker Rod Pump Well Design

Page 2: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

2

• Peralatan Atas Permukaan• Peralatan Bawah Permukaan

PERALATAN SUMUR SUCKER ROD PUMP

Page 3: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

3

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

Terutama di lapangan dangkal SRP besar mampu berproduksi sampai 4000

bbl/d Kedalaman bisa mencapai 10 o00 feet

Page 4: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

4

PUMPING UNITKOMPONEN 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

Page 5: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

5

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

Page 6: Sucker Rod Pump Design - 2008

6

JENIS PUMPING UNIT (1)

CONVENTIONAL UNITSThe 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.

Page 7: Sucker Rod Pump Design - 2008

7

JENIS PUMPING UNIT (2)

MARK II UNITORQUE UNITSThe 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 loadsand longer rod life.

Page 8: Sucker Rod Pump Design - 2008

8

JENIS PUMPING UNIT (3)

AIR BALANCED UNITSThe 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.

Page 9: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

9

TIGA TYPE PUMPING UNIT YANG SERING DIGUNAKAN

Conventional Pumping Unit Air Balanced Pumping Unit

1 2

Page 10: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

10

Mark II Pumping Unit

3

Page 11: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

11

BEBERAPA BENTUK PUMPING UNIT

BEAM BALANCED UNIT: Sumur dangkal REVERSED MARK UNIT

LOW PROFILE : Unit Kecil CONVENTIONAL PORTABLE

Page 12: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

12

PUMPING UNITKOMPONEN SURFACE DAN SUBSURFACE

Komponen Peralatan pokok SRP :

1. Motor penggerak2. Peralatan Permukaan3. Peralatan Bawah Permukaan4. Rods (Sucker Rod dan Polished Rod)

Page 13: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

13

SPESIFIKASI PUMPING UNIT

API Standard 11 EContoh:

C – 114 – 143 - 64

C = Conventional

M = Mark II

A = Air Balance

Peak Torque Rating : 114 000 in-lbStructure Capacity : 14 300 lb

Max. Stroke Length : 64 inch

Catatan:• Peak Torque Rating = Reducer Rating• Structure Capacity = Polished Rod Load

Page 14: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

14

Komponen Peralatan Bawah Permukaan: Working Barrel Plunger Jenis Pompa Bawah Permukaan Klasifikasi Pompa Bawah Permukaan

PERALATAN BAWAH PERMUKAAN

Page 15: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

15

KOMPONEN SUBSURFACE SUCKER ROD PUMP

Page 16: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

16

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?

Page 17: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

17

VOLUME BARREL – SP EFFEKTIF

Sp

Ap

VolumeBarrel

Page 18: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

18

JENIS PLUNGER

Page 19: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

19

JENIS POMPATUBING PUMP DANROD PUMP

Page 20: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

20

KlasifikasiSub-surfacePUMP

Page 21: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

21

KODE SPESIFIKASI SUB-SURFACE PUMP

Page 22: Sucker Rod Pump Design - 2008

PERANCANGAN PERALATAN POMPA BAWAH PERMUKAAN

• Pump Displacement & Efficiency Volumetric• Perhitungan Beban pada Polished Rod

Page 23: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

23

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

Page 24: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

24

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

Page 25: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

25

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

Page 26: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

26

PUMP DISPLACEMENT, PD• Diperlukan untuk menentukan laju produksi sumur pompa

PD = (Ap) (Sp) (N) (Conversion)

Luas penampang plunger

Effective Stroke Length

Pumping Speed

bbl/day

in2

inspm

o.1484

Page 27: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

27

EFISIENSI VOLUMETRIK, EV

Pump Displacement, PD adalah laju produksiteoritis untuk satu konfigurasi pompa tertentu.

Q-actual adalah laju produksi nyata yang dihasilkanuntuk satu konfigurasi pompa tertentu, yang sama.

Ev = Q-actual/PD

Page 28: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

28

PARAMETER YANG BERPENGARUH TERHADAP EFFICIENCY VOLUMETRIK 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

Page 29: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

29

PENGARUH GAS DAN OIL SHRINKAGE (1)

Gas bebas yang terproduksi akan mengisi pump barrelJika GLR sebesar 200 scf/stb, maka setiap bbl liquid akanterdapat 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 minyakyang diterima di permukaan.

Page 30: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

30

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.

Page 31: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

31

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

Page 32: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

32

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.

Up stroke

Down stroke

rc

O

P

Vp

q

Page 33: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

33

GERAK HARMONIK (1)Faktor percepatan : α didefinisikan sebagai :

g

a

Dimana : a : percepatan maksimal pada titik harmonik

g : percepatan gravitasi

c

p

r

va

2

Jika jarak antara pusat lingkaran ke lingkaran sebesar rc, maka percepatan gerak harmonik :

Untuk satu putaran atau satu cycle pompa, N Nrv cp 2

Faktor percepatan, αg

Nr

gr

vc

c

p222

4

Page 34: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

34

GERAK HARMONIK (2) Pada siklus pemompaan :

dimana S = polished rod stroke length

Dengan demikian :

a 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: Peak polished rod load, PPRL Minimum polished rod load, MPRLDimana harga dari kedua beban tersebut tergantung pada jenis Pumping

Unitnya

g

SN 222 70500

2SN

2

Src

Page 35: Sucker Rod Pump Design - 2008

PERANCANGAN SUMUR SUCKER ROD PUMP

Perhitungan BebanPeak Polished Rod LoadMinimum Polished Rod Load

Page 36: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

36

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.  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).

Pony Rods : 1. a sucker rod, shorter than usual, used to make up a 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

Page 37: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

37

SUCKER ROD & PONY ROD

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

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.

Page 38: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

38

POLISHED ROD & SINKER BARS

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 reduced section for elevator seating and lifting.

Polished Rod - Piston SteelPolished 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.

Norris A Dover Company

Page 39: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

39

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.

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.

Norris A Dover Company

Page 40: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

40

BEBAN POLISHED ROD (1)

Polished Rod mengalami pembebanan dari: Beban Fluida

Beban Rod

Beban Percepatan

rpfrpff WLAAALW 294.0433.0433.0

Nnr MLRMLRMLRW ......2211

L

LR

L

LR

nn

11

rW

Page 41: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

41

BEBAN POLISHED ROD (2)CONVENTIONAL PUMPING UNIT

Peak Polished Rod Load

Minimum Polished Rod Load

1rf WWPPRL

frrf

r WW

WMPRL

127.01490

4.621

Page 42: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

42

BEBAN POLISHED ROD (3)AIR BALANCE 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

Minimum Polished Rod Load

7.01 rf WWPPRL

frWMPRL 127.03.11

Page 43: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

43

BEBAN POLISHED ROD (4)MARK II 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

Minimum Polished Rod Load

6.01 rf WWPPRL

frWMPRL 127.04.11

Page 44: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

44

Page 45: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

45

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 :

Dengan demikian perlu ditentukan panjang dari masing-masing ukuran rod, kemudian jumlah masing-masing rod (panjang satu segmen rod 25 ft)

18

7

4

3

Page 46: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

46

DESIGN SUCKER ROD (2) Rangkaian sucker rod yang berbeda ukuran

disebut dengan tapered rod Perlu ditentukan perbandingan panjang masing-

masing 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

sendiri Beban Fluida :

Beban Rod : L M dimana : L panjang rod M berat/satuan panjang

pA433.0

Page 47: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

47

DESIGN SUCKER ROD (2)

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

Stress di puncak Rod-2

Stress Rod 2A2 ; L2

R2=L2/L

Stress Rod 1 A1 ; L1

R1 = L1/L

L = L1+L2

1

1

1

11 433.0433.0

A

LMRA

A

MLA pp

2

21

1

2211 433.0433.0

A

LMRLMRA

A

MLMLA pp

Page 48: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

48

DESIGN SUCKER ROD (3) Jika stress di setiap puncak rod sama

besar, maka

Untuk 3 ukuran rod yang berbeda, persamaan stress menjadi:

2

2211

1

11 433.0433.0

A

LMRLMRA

A

LMRA pp

121 RR

3

332211

1

11 433.0433.0

A

LMRLMRLMRA

A

LMRA pp

1321 RRR

Page 49: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

49

DESIGN SUCKER ROD (4)

Rod Size Metal Area,in2

Rod Weightlb/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

Tabel – Sucker Rod Data

Page 50: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

50

DESIGN SUCKER ROD (4)

Tubing Sizein

OD Tubingin

ID Tubingin

Metal Areain2

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

Tabel – Tubing Data

Page 51: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

51

DESIGN SUCKER ROD (5)Rod Sizes in String, inch

Values of R

R1 = 0.759 – 0.0896 Ap

R2 = 0.241 + 0.0896 Ap

R1 = 0.786 – 0.0566 Ap

R2 = 0.214 + 0.0566 Ap

R1 = 0.814 – 0.0375 Ap

R2 = 0.186 + 0.0375 Ap

R1 = 0.627 – 0.1393 Ap

R2 = 0.199 + 0.0737 Ap

R3= 0.175 + 0.0655 Ap

R1 = 0.664 – 0.894 Ap

R2 = 0.181 + 0.0478 Ap

R3= 0.155 + 0.0416 Ap

R1 = 0.582 – 0.01110 Ap

R2 = 0.158 + 0.4210 Ap

R3= 0.137 + 0.0364 Ap

R4= 0.123 + 0.0325 Ap

43

85

87

43

187

87

43

85

187

43

81

87

43 11

Page 52: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

52

DESIGN SUCKER ROD (5)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

44 All 0.726 1.990x10-6

1.000 - - - - - 100.0

54 1.06 0.908 1.990x10-6

1.138 - - - - 44.6 55.4

54 1.25 0.929 1.990x10-6

1.140 - - - - 49.5 50.5

54 1.50 0.957 1.990x10-6

1.137 - - - - 56.4 43.6

54 1.75 0.990 1.990x10-6

1.122 - - - - 64.6 35.4

54 2.00 1.027 1.990x10-6

1.095 - - - - 73.7 26.3

54 2.25 1.067 1.990x10-6

1.061 - - - - 83.4 16.6

54 2.50 1.108 1.990x10-6

1.023 - - - - 93.5 6.5Dp = plunger diameter Fc = frequency factor

Page 53: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

53

DESIGN SUCKER ROD (6)

Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

55 All 1.135 1.270x10-6

1.000 - - - - 100 -

64 1.06 1.164 1.382x10-6

1.229 - - - 33.3 33.1 33.5

64 1.25 1.211 1.319x10-6

1.215 - - - 37.2 35.9 26.9

64 1.50 1.275 1.232x10-6

1.184 - - - 42.3 40.4 17.3

64 1.75 1.341 1.141x10-6

1.145 - - - 47.4 45.2 7.4

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 54: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

54

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

Page 55: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

55

Polished Rod Stroke Length vs

Actual Length of Plunger Travel

EFFECTIVE PLUNGER STROKE

Page 56: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

56

EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (1) Effective Plunger Stroke :

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

LiquidIN

LiquidOUT

Page 57: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

57

EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (2) Effective Plunger Stroke :

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)

LiquidOUT

Page 58: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

58

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

Page 59: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

59

EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (4)

Effective Plunger Stroke:

dimana:Sp = effective plunger stroke, inch

S = polished rod stroke, inchep = plunger overtravel, inch

et = tubing strecth, inch

er = rod stretch, inch

Berlaku untuk Conventional, Mark II, dan Air Balance Pumping Unit

Jika ujung tubing di-anchor, maka tidak terjadi stretch terhadap tubing

rtpp eeeSS

Page 60: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

60

EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (5)

Akibat terjadi stretch pada rod dan pada tubing, maka akan terjadi (Marsh & Coberly): Plunger overtravel (Coberly’s Formula)

Tubing Stretch Rod Stretch

E

Lep

28.40

t

pft EA

LDAe

20.5

r

pfr EA

DAe

20.5

E = Modulus Young – besi = 30 x 106 psi D = kedalaman working fluid level, ft

n

npfr A

L

A

L

A

L

E

DAe .....

20.5

2

2

1

1

Single Rod Tapered Rod

Page 61: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

61

EFFECTIVE PLUNGER STROKE – SP (6)

Berdasarkan Marsh’s Formula:

Rod Stretch :

Tubing Stretch

EA

AALe

r

rpgr

220.5

EA

LAAe

t

rpLt

220.5

Page 62: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

62

PUMP DISPLACEMENT, PD• Diperlukan untuk menentukan laju produksi sumur pompa

Luas penampang plunger

Effective Stroke Length

Pumping Speed

bbl/day

in2

inspm

o.1484

ConversionNSAPD pp

Page 63: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

63

Perkiraan Laju Produksi Sumur PompaDiameter Plunger yang dibutuhkan

Rod Number (dari Tabel)Ukuran-Ukuran Rod

Perhitungan BebanBeban rod, fluida, percepatan, bouyancy, dll

Effective Plunger StrokePerhitungan Laju Produksi berdasarkan peralatan

Perhitungan Pump DisplacementEfisiensi Volumetrik

PERANCANGAN PERALATAN BAWAH PERMUKAAN

Page 64: Sucker Rod Pump Design - 2008

PERANCANGAN PUMPING UNITSUMUR SUCKER ROD PUMP

CounterbalanceTorque pada Gear ReducerHorsepower of Prime MoverSpeed Reduction and Engine Sheave Size

Page 65: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

65

ENERGY FLOW PADA SUCKER ROD PUMP

Page 66: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

66

PERANCANGAN COUNTER BALANCE (1)

Counter Balance bertujuan untuk mengurangi beban maximum yang dialami prime mover pada saat up-stroke

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.

Counter balance merupakan “jantung” dari pumping unit

Page 67: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

67

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:

2

MPRLPPRLCi

Page 68: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

68

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (3)

Beban Maximum :

Beban Minimum :

Beban rata-rata :

frictionbouyancyWW rf 1

frictionbouyancyWr 1

bouyancyWW

BebanMinBebanMax

rf 225.0

5.0

Page 69: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

69

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (4)

Maka Counter balance Effect yang ideal adalah:

Pada waktu up stroke beban pada prime mover adalah beban rod + beban fkuida, dibantu dengan counterbalance, keadaan ini menimbulkan unbalanced force

Besarnya unbalanced force :

frfi WWC 127.015.0

ancecounterballoadupstrokeforceunbalance __fW5.0

Page 70: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

70

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

loaddownstrokeancecounterbalforceunbalanced __

fW5.0

Page 71: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

71

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?

Page 72: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

72

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.

Page 73: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

73

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (8)

OWc

Fp

Fp

CW

l1

l2

d

r

bb

g

g

q

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

Diagram Counterweightdan Walking Beam

Page 74: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

74

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (9)

OWc

Fp

Fp

CW

l1

l2

d

r

bb

g

g

q

Perhitungan counterbalance effect nyata :

wst CCC

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

Page 75: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

75

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (10)

OWc

Fp

Fp

CW

l1

l2

d

r

bb

g

g

q

Perhitungan counterbalance effect nyata :

wst CCC

2

1

l

l

r

dWC cw

2

1

l

l

r

dWCC cst

2

1

l

l

r

dWCC cts

Page 76: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

76

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (11)

Perhitungan Torque Torque adalah gaya tegak lurus yang bekerja pada

ujung batang dikalikan dengan panjang batang, yang cenderung untuk menghasilkan rotasi.

Pada pumping unit torque merupakan gaya (inch-pound) 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.

Fd

Page 77: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

77

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (12)

Peak Torque pada saat upstroke ditentukan dengan persamaan:

PTu = peak torque upstroke, lbs PPRL = peak polished rod load, lbs Ct = total counterbalance effect, lbs S = polished rod stroke, in

Peak Torque pada saat downstroke :

MPRL = minimum polished rod load, lbs

2

SCPPRLPT tu

2

SMPRLCPT td

Page 78: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

78

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (13)

Prime MoverDua 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

Page 79: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

79

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (14)

Horsepower Total Nameplate Motor Horse Power:

dimana: PRHP = polished rod horsepower CLF = cyclic load factor Es = surface efficiency dari pumping

system

s

np E

CLFPRHPHP

Page 80: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

80

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (15)

Horsepower Polished rod horsepower:

dimana: PRHP = polished rod horsepower HPh = hydraulic horsepower HPf = friction horsepower

Hydraulic horsepower:

fh HPHPPRHP

nfh LQxHP 61036.7

Page 81: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

81

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

Page 82: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

82

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (17)

Net Lift Jika pompa dipasang pada working fluid

level:

Jika tekanan tubing tidak berpengaruh, maka Pt = 0

Maka LN = L = D

Jika pompa dipasang dibawah working fluid level:

f

tN

PLL

31.2

f

t

f

tN

PD

PDLLL

31.231.2

Page 83: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

83

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (18)

Frictional Horsepower

Untuk Air balanced dan Mark II

Catatan : persamaan diatas hanya merupakan pendekatan, dan tidak disarankan untuk digunakan jika ada persamaan lain yang lebih baik.

SNWxNS

W

HP r

r

f71031.6

1233000

28

SNWxHP rf71025.6

Page 84: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

84

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

Page 85: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

85

PERANCANGAN COUNTERBALANCE (17)

Cyclic Load Factor (CLF)

Conventional & Air Balanced

Mark II

NEMA “D”Electric MotorSlow speed engine

1.375NEMA “D”Electric MotorSlow speed engine

1.10

NEMA “D”Electric MotorMulti-Cylinders engine

1.897NEMA “D”Electric MotorMulti-Cylinders engine

1.517

Page 86: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

86

SPEED REDUCTION & ENGINE SHEAVE SIZE

Menghitung hubungan antara sheave pada motor dengan sheave pada pumping unit.

Kedua sheave tersebut dihubungkan dengan BELT

Dimana : de = diameter engine sheave, inches du = diameter pumping unit sheave, inches Ne = kecepatan putaran engine sheave, rpm Nu = kecepatan putaran pumping unit sheave, rpm

e

uue N

dNd

Page 87: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

87

SPEED REDUCTION & ENGINE SHEAVE SIZE

Jika Z = speed ratio dari speed reducer, yaitu:

dimana N = pumping speed, spm Maka:

e

ue N

NZdd

N

NZ u

Page 88: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

88

SPESIFIKASI PUMPING UNIT

API Standard 11 EContoh:

C – 114 – 143 - 64

C = Conventional

M = Mark II

A = Air Balance

Peak Torque Rating : 114 000 in-lbStructure Capacity : 14 300 lb

Max. Stroke Length : 64 inch

Catatan:• Peak Torque Rating = Reducer Rating• Structure Capacity = Polished Rod Load

Page 89: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

89

TERIMA KASIH

Dilanjutkan dengan Slides tentangProsedur Perancangan Pompa Sucker Rod berdasarkan :

API RP 11 L

OLD BRAGA - 1933

Page 90: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

90

ROD AND PUMP DATA

APPENDIX A

Page 91: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

91

ROD AND PUMP DATA (1)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

44 All 0.726 1.990x10-6

1.000 - - - - - 100.0

54 1.06 0.908 1.990x10-6

1.138 - - - - 44.6 55.4

54 1.25 0.929 1.990x10-6

1.140 - - - - 49.5 50.5

54 1.50 0.957 1.990x10-6

1.137 - - - - 56.4 43.6

54 1.75 0.990 1.990x10-6

1.122 - - - - 64.6 35.4

54 2.00 1.027 1.990x10-6

1.095 - - - - 73.7 26.3

54 2.25 1.067 1.990x10-6

1.061 - - - - 83.4 16.6

54 2.50 1.108 1.990x10-6

1.023 - - - - 93.5 6.5

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 92: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

92

ROD AND PUMP DATA (2)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

55 All 1.135 1.270x10-6

1.000 - - - - 100 -

64 1.06 1.164 1.382x10-6

1.229 - - - 33.3 33.1 33.5

64 1.25 1.211 1.319x10-6

1.215 - - - 37.2 35.9 26.9

64 1.50 1.275 1.232x10-6

1.184 - - - 42.3 40.4 17.3

64 1.75 1.341 1.141x10-6

1.145 - - - 47.4 45.2 7.4

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 93: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

93

ROD AND PUMP DATA (3)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 94: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

94

ROD AND PUMP DATA (4)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 95: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

95

ROD AND PUMP DATA (5)

Rod #

Dp,inch

Rod Weigh

tlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

76 1.06 1.802 0.816x10-6

1.072 - - 28.5 71.5 - -

76 1.25 1.814 0.812x10-6

1.077 - - 30.6 69.4 - -

76 1.50 1.833 0.804x10-6

1.082 - - 33.8 66.2 - -

76 1.75 1.855 0.795x10-6

1.088 - - 37.5 62.5 - -

76 2.00 1.880 0.785x10-6

1.093 - - 41.7 58.3 - -

76 2.25 1.908 0.774x10-6

1.096 - - 46.5 53.5 - -

76 2.50 1.934 0.764x10-6

1.097 - - 50.8 49.2 - -

76 2.75 1.967 0.751x10-6

1.094 - - 56.5 43.5 - -

76 3.75 2.039 0.722x10-6

1.078 - - 68.7 31.3 - -

76 3.75 2.119 0.690x10-6

1.047 - - 82.3 17.7 - -

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 96: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

96

ROD AND PUMP DATA (6)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 97: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

97

ROD AND PUMP DATA (7)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 98: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

98

ROD AND PUMP DATA (8)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 99: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

99

ROD AND PUMP DATA (9)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor

Page 100: Sucker Rod Pump Design - 2008

04/17/2023

100

ROD AND PUMP DATA (10)Rod #

Dp,inch

Mlb/ft

Er, in/lb.ft

Fc Rod String, % of each size

1 1/8 1 7/8 3/4 5/8 1/2

Dp = plunger diameterFc = frequency factor