FORUM TEKNOLOGI Vol. 03 No. 3

Transkripsi

1 ANALISIS PERBANDINGAN EFEKTIFITAS MODEL FLUIDA BINGHAM DAN POWER LAW DALAM OPTIMASI FLOW RATE POMPA DAN PENGANGKATAN CUTTING Ganjar Hrmadi ST. MT *) ABSTRAK Oprasi pmboran pada suatu sumur tidak akan lpas dari pranan fluida atau lumpur pmboran sbagai bagian pnting dari sistm sirkulasi. Fungsi lumpur pmboran sangat luas dan salah satunya adalah mmbrsihkan srpih pmboran (cutting) hasil pnggrusan dari pahat bor (bit). Cutting yang tidak trangkat k prmukaan dngan baik akan mngganggu oprasi pmboran dan akan mnybabkan masalah pmboran, sprti pnurunan laju pnmbusan dan trjpitnya rangkaian pipa pmboran. Slain sifat-sifat dari lumpur pmboran yang harus dissuaikan dngan kondisi formasi pada sumur yang dibor, pnntuan laju alir (flow rat) dari lumpur pmboran yang dipompakan pun akan sangat brpngaruh dalam pngangkatan cutting dari dasar lubang sumur k prmukaan. Smakin bsar flow rat pompa yang digunakan maka kcpatan lumpur pmboran akan smakin bsar juga dalam mngangkat cutting k prmukaan. Dikarnakan cutting mmpunyai brat trtntu, maka cutting mmpunyai kcndrungan untuk jatuh k dasar lubang sumur mlawan kcpatan aliran lumpur pmboran yang disirkulasikan k prmukaan, yang disbut dngan kcpatan slip (slip vlocity) dari cutting trsbut. Kcpatan yang mngimbangi kcndrungan jatuhnya cutting k dasar lubang sumur adalah kcpatan angkat (lifting vlocity) dari lumpur pmboran. Dalam tulisan ini pnulis mlakukan analisis flow rat pompa yang ssuai untuk sumur pmboran trhadap kmampuan mngangkat cutting k prmukaan dngan mmprhitungkan paramtr-paramtr hidolika pada oprasi pmboran trsbut. Dari hasil prhitungan dan analisis akan ditntukan tip pompa dan flow rat yang ssuai untuk pngangkatan cutting pada sumur Z. Kata kunci: flow rat pompa, pmbrsihan cutting I. PENDAHULUAN Salah satu fungsi pnting dari fluida pmboran adalah mngangkat cutting pmboran k prmukaan. Slain dari sifat viskositas lumpur yang mnybabkan cutting trsbut trangkat, paramtr kcpatan angkat (lifting vlocity) dari lumpur juga sangat pnting, di mana kcpatan angkat trsbut tidak akan lpas kaitannya dngan flow rat yang optimum dari pompa lumpur. Shingga dngan flow rat optimum dari pompa dan pmilihan fluida pmboran yang tpat 10 akan mnghasilkan oprasi pmboran yang baik. Pmilihan fluida pmboran bisa dimodlkan dngan modl fluida yang mngalir dalam pipa, yang prtama kali ditliti olh Rynold. Fluida pmboran trmasuk kdalam fluida non-nwtonian di mana nilai viskositasnya tidak dapat diwakili olh nilai viskositas tunggal sprti pada fluida Nwtonian. Modl Bingham dan Powr law mrupakan fluida non-nwtonian yang dapat

2 mwakili karaktristik dari fluida pmboran. Analisis prbandingan dari kdua modl fluida trsbut, Bingham dan Powr law akan dilakukan dngan mlibatkan optimasi dari flow rat pompa yang dihitung dngan mmasukan paramtr khilangan tkanan pada sumur dan akan dilihat fktifitasnya dalam pngangkatan cutting di anulus. Snsitivitas dari kdua modl fluida trsbut akan mlibatkan pngaruh diamtr dan dnsitas cutting yang mlwati annulus. Prhitungan akan dilakukan dngan mnggunakan data sumur Z yang mrupakan sumur vrtikal dngan kdalaman mncapai 350 m atau ft. Pmodlan dnsitas cutting akan dissuaikan dngan dnsitas lapisan batuan yang ada pada data gologi sumur Z. II. HIDROLIKA PEMBORAN.1 Fungsi fluida pmboran Fluida pmboran disirkulasikan atau dipompa dari prmukaan, turun mlalui drill string, mlwati bit, dan kmbali k prmukaan mlwati anulus. Brikut adalah fungsi dari fluida pmboran pada oprasi pmboran : Mnyimbangkan tkanan formasi sbagai Wll Control (kndali sumur) Mmbawa cutting yang trbntuk dari sumur bor dan srpihan lainnya k prmukaan Mmbrsihkan srpihan batuan (cutting) dibawah bit Mnjaga cutting pmboran tidak turun kmbali kdasar sumur ktika sirkulasi pmboran dihntikan Mntranmisi tnaga hidrolik pada bit Mnjaga kstabilan formasi (lubang sumur) Mndinginkan dan mlumasi bit dan drillstring 11 Mmfasilitasi logging data Fungsi-fungsi fluida pmboran diatas dikndalikan olh lbih dari satu sifat lumpur pmboran, sprti dnsitas, viskositas, filtration loss, kandungan solid dan lainnya... Sistm hidrolika pngboran Tnaga hidrolik yang dikluarkan ktika mnsirkulasikan fluida pmboran adalah fungsi langsung dari khilangan tkanan dan laju aliran mlalui sistm. Karna laju aliran mlalui smua bagian dari sistm sama, prhatian umumnya trfokus pada khilangan tkanan pada stiap bagian dari sistm. Pnymburan fluida pmboran mlalui nozzl pada bit juga mngakibatkan hilangnya tkanan yang signifikan namun tidak mlakukan fungsi yang brguna, karna hanya mmbantu untuk mmbrsihkan cutting pmboran dari prmukaan bit saja. Olh karna itu prlu untuk mngoptimalkan khilangan tkanan mlalui nozzl (untuk pmbrsihan cutting pada prmukaan bit) dan mminimalkan khilangan tkanan di drillstring dan anulus. Khilangan tkanan pada drillstring yang umum, untuk laju alir trtntu, ditunjukkan pada Gambar.1. Gambar.1 Khilangan tkanan pada drillstring, nozzl bit dan annulus (Rabia, Hussain; 1989)

3 Khilangan tkanan akibat sirkulasi dan laju aliran fluida pmboran mlalui sistm adalah sama dngan tnaga hidrolik (hydraulic powr) dari pompa lumpur yang harus dihasilkan. Satuan daya yang sring digunakan dalam oprasi pmboran adalah horspowr, olh karna itu tnaga hidrolik yang dihasilkan olh pompa lumpur umumnya disbut sbagai hydraulic horspowr (HHP). Hydraulic horspowr (HHP) yang dibrikan olh pompa dapat ditulis kdalam prsamaan sbagai brikut: Pt Q HHPt.. (1) 1714 dimana: P t = Tkanan total (psi) Q = laju alir lumpur (gpm) Mngoptimalkan pnggunaan hydraulic horspowr yang dihasilkan olh pompa lumpur mmbutuhkan kmampuan untuk mnghitung khilangan tkanan di drillstring, di bit nozl dan di anulus antara drillstring dan lubang sumur. Faktor utama yang mmpngaruhi bsarnya khilangan tkanan dalam sistm trsbut adalah: Gomtri sistm sirkulasi (misalnya ID drillpip, panjang drillpip) Laju alir yang mlwati sistm Rgim aliran lumpur (laminar / turbuln) Sifat rologi dari fluida sirkulasi.3 Modl dan pola aliran Pnlitian prtama tntang pola aliran fluida dalam pipa dan tabung dilakukan olh Osborn Rynolds. Dapat diidntifikasi dua jnis pola aliran utama (Gambar.) Aliran Laminar: Pada jnis aliran ini, lapisan fluida brgrak dalam arus stramlin atau lamina. Tidak ada campuran mikroskopik atau makroskopik dari lapisan aliran. Sistm aliran laminar 1 umumnya scara grafis diwakili olh arus lurus. Aliran Turbuln: Dalam aliran turbuln ada grakan acak yang tidak tratur dari fluida dalam arah mlintang dngan aliran utama. Grakan ini, fluktuasi yang tidak tratur dapat dianggap sbagai tumpang tindih pada grakan rata-rata fluida. Gambar. Pola aliaran dalam pipa: (a) laminar; (b) transisi; (c) turbuln (Bourgoyn Jr., Adam T., dkk, 1991) Batasan laminar dan turbulnt Rynolds mnunjukkan bahwa ktika mnsirkulasikan fluida Nwtonian mlalui pipa, timbulnya turbulnsi trgantung pada variabl-variabl brikut: Diamtr pipa, d Dnsitas fluida, Viskositas fluida, μ Kcpatan aliran rata-rata, v Ia juga mnmukan bahwa trjadinya turbulnsi trjadi bila kombinasi variablvariabl trsbut mlbihi nilai 100. Pnltian Rynold ini sangat pnting karna brarti trjadinya turbulnsi dapat diprdiksi untuk pipa brbagai ukuran, dan dnsitas atau viskositas fluida, mngalir dngan laju alir trtntu mlalui pipa. Prsamaan tidak brdimnsi dan diknal sbagai bilangan Rynolds adalah: v d N 98 R () di mana: dnsitas fluida, ppg v = kcpatan rata-rata fluida, ft/s d = diamtr pipa, in

4 viskositas fluida, cp Tip Fluida Ada dua tip dasar fluida, yaitu Nwtonian dan non-nwtonian. Fluida Nwtonian dicirikan olh viskositas konstan pada suhu dan tkanan trtntu. Fluida Nwtonian umumnya mliputi: air, disl, glisrin dan clar brin Fluida non-nwtonian mmiliki viskositas yang brgantung pada laju gsr yang diukur pada suhu dan tkanan trtntu. Contoh cairan non-nwtonian mliputi: fluida pngboran pada umumnya dan slurry smn Modl rologi dari yang biasanya digunakan olh industri prminyakan uantuk mnjlaskan fluida pmboran adalah: Modl fluida Nwtonian Modl fluida non-nwtonian Bingham plastic Powr law adanya gaya gskan yang bkrja pada fluida trsbut. Gaya gskan pada fluida: Gskan intrnal karna viskositas fluida Gskan kstrnal karna kkasaran pipa Hilangnya nrgi ini disbut sbagai khilangan tkanan (prssur drop atau loss), dan dihitung brdasarkan prbdaan tkanan fluida trsbut diantara dua titik di pipa. Sprti yang tlah ditunjukan pada Gambar.1 bahwa khilangan tkanan trjadi di spanjang sistm sirkulasi. Khilangan tkanan trjadi pada : 1. Sambungan pralatan prmukaan. Di dalam pipa trmasuk drillpip dan drill collar 3. Annulus antara lubang sumur dan drillstring 4. Drill bit Prsamaan khilangan tkanan dipngaruhi olh faktor-faktor sbagai brikut : 1. Rologi fluida. Tip aliran (laminar atau turbuln) 3. Gomtri lubang sumur dan pipa Gambar.3 Modl rhologi dari brbagai tip fluida (Darly, H. C. H. dan Gray, Gorg R., 1988).4 Khilangan tkanan (prssur loss) Stiap fluida yang mngalir dalam pipa akan khilangan sbagian nrginya, yang trsrap akibat hilang karna 13 Khilangan tkanan di surfac connction Khilangan tkanan pada sambungan pralatan prmukaan trjadi di standpip, rotary hos, swivl dan klly. Prsamaan umum brikut dapat digunakan untuk mngvaluasi khilangan tkanan pada sambungan prmukaan: P sc E Q PV (3) di mana ρ = lumpur brat (ppg) Q = Volum rat (gpm) PV = plastik viskositas (cp) E = konstanta yang trgantung pada jnis pralatan yang digunakan di prmukaan

5 Dalam praktknya, hanya ada mpat jnis pralatan prmukaan, masing-masing jnis ini ditandai dngan dimnsi standpip, klly, rotary hos dan swivl. Tabl II.1 mrangkum kmpat tip pralatan prmukaan trsbut. Tabl II.1 Nilai konstanta E untuk tiap tip pralatan prmukaan (Rabia, Hussain, 1989) Surfac Valu E quipmnt typ Imprial units Mtric units x x x x x x x x 10-6 Khilangan tkanan dalam pipa dan annulus Mnghitung khilangan tkanan di dalam drillstring dan di annulus, sbaiknya mmprtimbangkan apakah aliran didalam pipa dan annulus trsbut laminar atau turbuln, dan mmprhatikan juga modl rologi yang dipilih, apakah Nwtonian atau non- Nwtonian. Pnntuan batasan laminar/turbuln Sbuah kritria turbulnsi, dngan kata lain titik di mana prubahan aliran dari laminar mnjadi turbuln, dibutuhkan untuk fluida non-nwtonian. Pnntuan apakah fluida laminar atau turbuln dapat mnggunakan prsamaan kcpatan rata-rata (avrag vlocity) dan kcpatan kritis (critical vlocity) dari fluida pmboran. Sprti yang tlah disbutkan diatas, karna karna tidak adanya nilai viskositas tunggal maka yang brpran dalam prsamaan pnntuan batasan laminar/turbuln ini adalah Plastic Viscosity (PV) dan Yild Point (YP) dari fluida. Prsamaan kcpatan rata-rata fluida didalam pipa : 4.5Q V ' (4) D V = kcpatan rata-rata (ft/min) Q = flow rat lumpur (gpm) D = diamtr dalam pipa (in) Untuk kcpatan rata-rata fluida di annulus : 4.5Q V ' D OD (5) h dimana D h dan OD adalah diamtr dalam casing/opn hol dan OD adalah diamtr luar pipa Prsamaan kcpatan kritis fluida didalam pipa untuk fluida Bingham plastic : 97PV 97 PV 8. D YP V c (6) D V c = kcpatan kritis fluida (ft/min) PV = plastic viscosity (cp) = brat jnis lumpur (ppg) D = diamtr dalam pipa (in) YP = yild point (lb/100 ft ) Prsamaan kcpatan kritis di annulus untuk fluida Bingham plastic : 97PV 97 PV YP Vc (7) D 6. D V c = kcpatan kritis fluida (ft/min) PV = plastic viscosity (cp) YP = yild point (lb/100 ft ) = brat jnis lumpur (ppg) D = D h OD Untuk fluida Powr law, prhitungan kcpatan rata-rata (V ) sama dngan fluida Bingham, prbdaannya pada prsamaan kcpatan kritisnya yang 14

6 mlibatkan indks Powr law (n) dan indks konsistnsi (K). Prsamaan kcpatan kritis fluida didalam pipa untuk fluida Powr law : V c K 1 n 1.6 (3n 1) D 4n V c = kcpatan kritis fluida (ft/min) = brat jnis lumpur (ppg) D = diamtr dalam pipa (in) n = indks Powr law K = indks konsistnsi n 1n (8) Prsamaan kcpatan kritis di annulus untuk fluida Powr law : V c K 1 n.4 (n 1) D 3n V c = kcpatan kritis fluida (ft/min) D = D h OD n 1n Untuk mnntukan apakah fluida laminar/turbuln adalah dngan mngikuti syarat brikut : Jika V < V c, maka aliran adalah laminar Jika V > V c, maka aliran adalah turbuln Aliran laminar fluida Powr law di pipa dan anulus Prsamaan untuk khilangan tkanan di dalam pipa dngan fluida Powr law dan aliran laminar dituliskan sbagai: (9) D = diamtr pipa (in) n = indks Powr law K = indks konsistnsi Prsamaan khilangan tkanan di annulus dngan fluida sirkulasi fluida Powr law dan aliran laminar adalah: P a K L 300 D.4V ' (n 1) D n 3 n (11) Pa= khilangan tkanan di anulus (psi) D = D h OD Aliran turbuln fluida Bingham Plastic di pipa dan annulus Hilangnya tkanan yang trkait dngan aliran turbuln suatu fluida Bingham plastic dipngaruhi trutama olh dnsitas dan viskositas plastik. Prsamaan untuk khilangan tkanan didalam pipa dngan fluida Bingham Plastic dan aliran turbuln dituliskan sbagai: Q ( PV ) L P p (1) 4.8 D P p = khilangan tkanan didalam pipa (psi) L = panjang pipa (ft) Q = flow rat pompa (gpm) D = diamtr pipa (in) = brat jnis lumpur (ppg) PV = viscositas plastik (cp) Prbandingan yang srupa dari prsamaan aliran turbuln untuk fluida Bingham plastic di annulus mnghasilkan: P p K L 300 D V n 1.6 ' (3 1) D 4n n (10) P p = khilangan tkanan didalam pipa (psi) L = panjang pipa (ft) V = kcpatan rata-rata (ft/min) 15 P a Q ( PV ) ( ID OD) ( ID OD) 0. L Pa= khilangan tkanan di anulus (psi) ID = diamtr dalam casing/opn hol (in) OD = diamtr luar pipa (in) (13)

7 Aliran turbuln fluida Powr law di pipa dan annulus Dodg dan Mtznr tlah mnrbitkan hubungan aliran turbuln untuk fluida yang mngikuti modl Powr law. Prsamaan untuk khilangan tkanan di dalam pipa dngan fluida Powr law dan aliran turbuln sama dngan Prsamaan 1 untuk Bingham. Prsamaan khilangan tkanan di annulus dngan fluida sirkulasi fluida Powr law dan aliran laminar sama dngan Prsamaan 13 untuk Bingham. Khilangan tkanan di bit Khilangan tkanan di nozl dibrikan olh: v P P 1 10 n (14) Dalam satuan lapangan psi, ppg, fps dan ft dan dngan mnsubstitusikan P b untuk khilangan tkanan (P1 P) dan mnylsaikan prsamaan ini untuk kcpatan nozzl v n mnghasilkan: Pb v n (15) P b = khilangan tkanan di nozzl bit (psi) = dnsitas fluida (ppg) Vn = kcpatan aliran (ft pr scond) Diamtr nozzl Bit juga sring dinyatakan 3nds dalam satu inci. Misalnya, jika nozl bit digambarkan sbagai ini mnunjukkan bahwa bit mmiliki satu nosl dngan diamtr 1/3 in dan dua nozl mmiliki diamtr 13/3 in..5 Cutting transport Untuk pmboran yang fktif, cutting yang dihasilkan olh bit harus sgra diangkat dari dasar lubang sumur. Kmampuan angkat (lifting capacity) dari lumpur sangat trgantung kpada bbrapa paramtr. Hal-hal pnting yang brhubungan dngan kmampuan lumpur dalam mngangkat cutting adalah : 1. Aliran turbuln sangat diharapkan agar pngangkatan cutting lbih fisin.. Viskositas dan gl strngth yang rndah, adalah sifat lumpur yang diharapkan dalam pngangkatan cutting. 3. Dnsitas lumpur yang tinggi mmbantu fisinsi pngangkatan cutting. 4. Putaran pipa pmboran mmbantu pngangkatan cutting. Pada dasarnya pngangkatan cutting brhubungan rat dngan kcpatan slip (slip vlocity) dari cutting dan kcpatan anular (anular vlocity) dari lumpur pmboran. Kcpatan slip dari cutting didfinisikan sbagai kcndrungan partikl batuan (cutting) untuk jatuh dan mngndap pada kcpatan yang konstan dan dapat ditulis dalam prsamaan sbagai brikut : Untuk aliran transisi : d p ( ) Vs (16) p f f Untuk aliran turbuln : 0.5 (( p f ) d p ) Vs 9.6 (17) p = dnsitas partikl (ppg) f = dnsitas lumpur pmboran (ppg) = viskositas fktif fluida (cp) p = kivaln diamtr partikl (in) f 16

8 Nilai viskositas fktif untuk fluida Bingham plastic dapat dihitung mnggunakan prsamaan brikut : gc YP D PV (18) 360v v = V a = kcpatan anular (ft/min), bisa mnggunakan prsamaan : 4.5Q V a ID OD D = diamtr pipa (in) PV = viskositas plastik (cp) YP = yild point (lb/100 ft ) g c = 3, Sdangkan untuk fluida Powr law, viskositas fktif adalah : n.4v ' (n 1) 00K ( ID OD) (19) ( ID OD)3n V ' 4.5Q V = V a ID OD n = indks Powr law K = indks konsistnsi Stlah mmprolh nilai V s dan V a, maka kcpatan transport (lifting vlocity), Vt dapat dihitung dngan mnggunakan prsamaan brikut : V V V (0) t a s Dari prsamaan 0 sangat jlas trlihat bahwa untuk fisinsi pmbrsihan lubang, kcpatan anular harus lbih bsar dari kcpatan slip. III. PERHITUNGAN OPTIMASI KAPA- SITAS POMPA DAN PENG- ANGKATAN CUTTING 3.1 Data sumur Z Data sumur yang digunakan dalam prhitungan khilangan tkanan dan horspowr dalam tsis ini adalah sumur Z, yaitu sumur minyak vrtikal dngan kdalaman total 350 m MD atau ft. Oprasi pmboran pada sumur Z ini adalah pmboran ksplorasi yang brtujuan untuk mmbuktikan cadangan migas yang tlah diprkirakan sblumnya, di mana diprkirakan formasi produktif brada pada kdalaman 350 m di batuan dasar (basmnt). Ilustrasi pnampang sumur Z dan konfigurasi casing yang dipakai dapat dilihat slnkapnya pada Gambar 3.1. Data gologi Brdasarkan data gologi, scara stratigrafi lapisan prospk yang akan ditmbus olh sumur Z ini trsusun atas formasi Gumai spanjang ± 631 m, formasi BRF spanjang ± 41 m, formasi Talang Akar (TRM) spanjang ± 619 m, formasi Talang Akar (GRM) spanjang ± 6 m, formasi Lmat spanjang ± 45 m dan trakhir adalah basmnt. Jnis rsrvoir pada formasi produkif di sumur Z ini adalah brlapis-lapis (multi layr) yang pada bbrapa formasi diatas. Tatanan stratigrafi formasi produktif dari sumur Z dari lapisan batuan atas k bawah (umur muda tua) dapat dilihat slngkapnya pada Tabl III.1. 17

9 Gambar 3.1 Skma pnampang sumur Z tanpa skala Tabl III.1 Stratigrafi formasi dan lapisan batuan pada zona produktif di sumur Z (dari umur muda tua) Formasi Lapisan batuan Ktrangan Trdapat sisipan Batu lmpung Air Bnakat batupasir Glauconit Gumai Batu lmpung globigrina Trdapat sisipan batu Batu lmpung pasir gampingan Baturaja (BRF) Batu lmpung Marly Batu Pasir Saling trjadi sisipan Talang Akar (TAF) diantara kdua lapisan Shal batuan ini dan sdikit sisipan batubara Tuff Agglomrat Lmat Batu lmpung Andsit Shal Ada sisipan batu pasir, tuff, silt dan batubara Basmnt Gnissic granit Quarzt diorit 18

10 Tabl III. Data pndukung sumur Z Hol in Flow rat gpm Mud Wight SG PV cp YP lb/100 ft TFA sq. in * PV = plastic viscosity, YP = yild point, TFA = Total Flow Ara 3. Prhitungan khilangan tkanan dan optimasi kapasitas pompa Contoh prhitungan khilangan tkanan dan optimasi kapasitas pompa hanya akan dilakukan pada sumur trdalam (lubang 8.5 ) dimana nilai flow rat optimum yang didadapat akan digunakan pada prhitungan slanjutnya yaitu mnntukan kcpatan transport dan kapasitas (konsntrasi) cutting pmboran. Asumsi-asumsi yang digunakan dalam prhitungan khilangan tkanan ini adalah sbagai brikut: a. Dikarnakan kurangnya data tntang konfigurasi drillstring (jumlah joint drillpip dan drill collar), shingga pnntuan panjang drill pip dan drill collar mngacu pada kbiasaan bahwa untuk sumur dngan kdalaman kurang lbih ft, panjang drill collar yang digunakan adalah skitar 600 ft (Hriot-Watt Univrsity). b. Mnggunakan prsamaan dngan asumsi fluida adalah modl Bingham plastic dan Powr law. c. Tip kombinasi pralatan diprmukaan mggunakan tip 4 dngan konstanta E = 4. x 10-5 (Rabia, Hussain, 1989). d. Efisinsi mkanik (Em), Efisinsi volumtric (Ev) dan Efisinsi transmisi (Et) dipilih 0,9. Notasi khilangan tkanan (P) pada tiap sction dalam prsamaan yang akan digunakan adalah sbagai brikut: a. P sc khilangan tkanan pada surfac connction b. P dp khilangan tkanan didalam drillpip c. P dc khilangan tkanan didalam drill collar d. P b khilangan tkanan di bit. P dp-cs khilangan tkanan di annulus antara drillpip dan casing f. P dp-oh khilangan tkanan di annulus antara drillpip dan opn hol g. P dc-oh khilangan tkanan di annulus antara drill collar dan opn hol Brikut ini akan dibahas tahap-tahap prhitungan untuk mnghitung khilangan tkanan dan Horspowr pada sumur Z dngan data-data yang tlah dijlaskan diatas. Contoh prhitungan khilangan tkanan dibawah ini adalah untuk diamtr 8.5 inci saja dan unruk aliran fluida Bingham plastic, sdangkan untuk diamtr yang lainnya akan ditampilkan pada tabl hasil akhir prhitungannya. Contoh Prhitungan Tahap-tahap prhitungan khilangan tkanan dan horspowr di sumur Z adalah sbagai brikut: 1. Mnyiapkan data sumur Z dan data pndukungnya. Brikut adalah data pmboran sumur Z, dimana oprasi pmboran tlah mmasuki tahap pmboran lubang sumur dngan diamtr 8.5 inci: 19

11 Data Pmboran: Diamtr opnhol 8.5 in TVD ft Q pump 585 gpm Plastic Viscosity 0 cp Yild Point 3 lb/100 ft Mud wigth 11.5 ppg Drillpip ID 4.76 in OD 5 in Lngth dp ft Drill collar ID.815 in OD 6.5 in Lngth dc 600 ft TFA (Total Flow Ara) 0.59 sq. in Casing ID 9.65 in Casing st 738 ft. Mnghitung khilangan tkanan di pralatan prmukaan (P sc ) dngan asumsi kombinasi yang dipakai tip 4 dngan konstata E = 4. x 10-5 Khilangan tkanan dipralatan prmukaan bisa dihitung sbagai brikut: P sc E Q ( psi 1.8 PV )(11.5) (585) 1.8 (0) 3. Mnghitung khilangan tkanan didalam drillpip (P dp ) Mnntukan kcpatan rata dan kcpatan kritis (V dan V c ) untuk modl fluida Bingham plastic didalam drillstring : 4.5Q V ' D 4.5(585) (4.76) ft / min 0. V c 97PV 97 D 97(0) 97 (0) 8.(11.5)(4.76) (3) (11.5)(4.76) ft / min PV 8.D YP Dikarnakan V > Vc maka aliran fluida adalah turbuln, shingga prhitungan khilangan tkanan didalam pipa drillpip : P dp psi Q ( PV ) L 4.8 D (11.5) (585) (0) (10063) 4.8 (4.76) 4. Mnghitung khilangan tkanan di dalam drill collar (P dc ) Prosdur prhitungan khilangan tkanan di dalam drill collar sama dngan poin 3 diatas. Hasil prhitungannya sbagai brikut: 4.5Q V ' D 4.5(585) (.815) V c P dc ft 97PV 97 97(0) 97 D ft / min psi / min PV 8.D YP (0) 8.(11.5)(.815) (3) (11.5)(.815) Q ( PV ) L 4.8 D (11.5) (585) (0) (600) 4.8 (.815) 5. Mnghitung khilangan tkanan di annulus antara drill pip dan casing (P dp-cs ) Mnntukan kcpatan rata dan kcpatan kritis (V dan V c ) untuk modl fluida Bingham plastic di anulus : 0

12 4.5Q V ' ID OD 4.5(585) (9.65) (5) ft 97PV 97 V c 97(0) 97 PV ft / min / min D 6.D YP (0) 6.(11.5)(4.65) (3) (11.5)(4.65) dimana D = ID - OD = = 4.65 in Dikarnakan V < Vc maka aliran fluida adalah laminar, shingga prhitungan khilangan tkanan di anulus : LPV V ' LYP Pdp cs 60000D 5D (738)( 0)(11.89) 60000(4.65) psi (738)(3) 5(4.65) 6. Mnghitung khilangan tkanan di annulus antara drill pip dan opn hol (P dp-oh ) Prosdur prhitungan khilangan tkanan di annulus antara drill pip dan opn hol sama dngan poin 5 diatas, dngan nilai D = 3.5 in dan L = L dp - L cs = 681 ft. Hasil prhitungannya sbagai brikut: 4.5Q V ' ID OD 4.5(585) (8.5) (5) ft / min 97PV 97 V c P 97(0) 97 PV ft / min dpoh D psi 6.D (0) 6.(11.5)(3.5) (3) (11.5)(3.5) L PV V ' LYP D 5 D YP (681)( 0)( ) (681)(3) 60000(3.5) 5(3.5) 7. Mnghitung khilangan tkanan di annulus antara drill collar dan opn hol (P dc-oh ) Prosdur prhitungan khilangan tkanan di annulus antara drill pip dan opn hol sama dngan poin 5 diatas, dngan nilai D =.5 in. Hasil prhitungannya sbagai brikut: 4.5Q V ' ID OD P 4.5(585) (8.5) (6.5) ft 97PV 97 V c 97(0) ft / min / min PV D 6.D (0) 6.(11.5)(1.5) (3) (11.5)(1.5) YP Dikarnakan V > Vc maka aliran fluida adalah turbuln, shingga prhitungan khilangan tkanan di anulus : dc oh Q ( PV ) ( IDOD) ( IDOD) psi 0. L (11.5) (585) (0) ( ) ( ) 0. (600) 8. Mnghitung khilangan tkanan di bit (P b ) 1

13 Mnghitung khilangan tkanan yang mlalui bit mnggunakan prsamaan 7 dngan C d = 0.95 (Hriot-Watt univrsity) dan A t = TFA (Total Flow Ara) = 0.59 sq in Q Pb C A d t (11.5)(580) (0.95) (0.59) psi psi 9. Mnghitung khilangan tkanan total dari sistm (P t ) Mnghitung khilangan tkanan total (P t ) dngan mnjumlahkan smua khilangan tkanan tiap sction : P P P P P P P P t sc dp dc dpcs dpoh dcoh 10. Mnghitung Hydraulic Horspowr (HHP) Mnghitung HHP : Pt Q HHPt 1714 ( )(580) HP 11. Mnghitung Input Horspowr (IHP) Mnghitung IHP dngan mmakai asumsi nilai E m dan E v sbsar 0,9 : HHP IHP E E m HP v (0.9)(0.9) b Optimasi kapasitas pompa Dasar optimasi dari kapasitas pompa ini adalah dngan mmakai asumsi yang biasa dipakai dilapangan bahwa untuk dsain hidrolika yang optimum pada suatu oprasi pmboran, maka flow rat dari pompa yang harus digunakan ada dalam rntang gpm/in diamtr lubang (Drilling Formula, GlobalSantaF). Dari data pmboran untuk lubang 8.5 dan prhitungan khilangan tkanan dianulus akan dibuat tabl rntang kapasitas pompa trhadap khilangan tkanannya yang akan mnunjukan flow rat optimum dari pompa yang pada sction lubang trsbut. Dngan mnggunakan pr-samaan khilangan tkanan pada annulus yang tlah dicontohkan diatas, prhitungan optimasi kapasitas pompa mnghasilkan tabl hasil prhitungan sprti pada Tabl III.3. Trlihat bahwa pada annulus antara drill collar dan opn hol ada saat dimana aliran mnjadi turbuln (ditandai dngan angka yang dictak tbal). Dngan mmbagi lagi nilai kapasitas pompa pada rntang gpm, maka dapat diktahui nilai optimum flow rat pompa pada saat aliran brubah dari laminar mnjadi turbuln, kmudian dapat dibuat grafik antara flow rat trhadap khilangan tkanan di annulus pada sction drill collar, sprti ditunjukan dngan Tabl III.4 dan Gambar 3..

14 P (psi) FORUM TEKNOLOGI Vol. 03 No. 3 GPM/ in Tabl III.3 Hasil prhitungan optimasi pompa pada annulus sumur Z dngan fluida Bingham plastic Q anulus dp - cs anulus dp - oh anulus dc - oh V' P dp-cs V' P dp-oh V' P dc-oh 8.5" (ft/min) (psi) (ft/min) (psi) (ft/min) (psi) (gpm) lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam turb V c = ft/min V c = ft/min V c = ft/min Tabl III.4 Flow rat vs Khilangan tkanan di P dc-oh (fluida Bingham plastic) Q (gpm) P dc-oh (psi) lam lam lam turb turb Kurva Q vs P dc-oh (fluida Bingham plastic) y = 0.138x R² = 1 y = 0.09x R² = aliran laminar Q (gpm) aliran turbuln Gambar 3. Kurva prpotongan aliran laminar dan turbuln untuk fluida Bingham plastic Dngan mnghitung prpotongan dari kdua prsamaan garis lurus pada kurva diatas maka akan didapat nilai flow rat optimum dari pompa. Sbagai pmbuktiannya, nilai flow rat yang diprolh dapat dimasukan kmbali kdalam prsamaan khilangan tkanan 3

15 untuk mngtahui apakah aliran laminar atau turbuln. Dngan mnsubstitusi kdua prsamaan di atas, maka didapat : 0.09 x = x x = gpm Maka nilai optimum dari flow rat pompa lumpur untuk modl fluida Bingham plastic adalah 58 gpm. Dngan cara yang sama dngan di atas, dapat ditntukan nilai flow rat pompa lumpur yang optimum untuk modl fluida Powr law. Tabl hasil prhitungannya sbagai brikut : Tabl III.5 Hasil prhitungan optimasi pompa pada annulus sumur Z dngan fluida Powr law Q anulus dp - cs anulus dp - oh anulus dc - oh GPM /in 8.5" (gpm) V' (ft/min) P dp-cs (psi) V' (ft/min) P dp-oh (psi) V' (ft/min) P dc-oh (psi) lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam lam turb turb lam V c = ft/min V c = 9.39 ft/min V c = ft/min Tabl III.6 Flow rat vs Khilangan tkanan di P dp-oh dan P dp-cs (fluida Powr law) Q (gpm) P dp-cs (psi) P dp-oh (psi) lam lam lam lam lam lam lam turb turb turb turb turb 4

16 P (psi) FORUM TEKNOLOGI Vol. 03 No Kurva Q vs P a dp (fluida Powr law) laminar dp-cs laminar dp-oh Q (gpm) turbuln dp-cs laminar dp-oh Gambar 3.3 Kurva Q vs P anulus untuk fluida Powr law Dari tabl hasil prhitungan dan kurva, trnyata mnunjukan grafik yang sangat brbda dngan modl fluida Bingham plastic. Olh karna itu, untuk mnntukan nilai optimum dari flow rat pompa lumpur dngan mlihat pada tabl hasil prhitungan. Nilai flow rat pompa optimum yang diambil adalah nilai trtinggi dari pompa sblum trjadinya aliran turbuln baik itu di anulus antara drillpip dan casing maupun antara drrillpip dan opn hol. Olh karna itu, nilai flow rat optimum untuk fluida Powr law dapat ditntukan di angka 560 gpm. Prhitungan cutting transport Sblum mlakukam prhitungan ada bbrapa batasan paramtr yang ditntukan agar bisa diprolh suatu trn yang mmuaskan. Prtama adalah batasan rntang diamtr partikl (cutting), disini akan ditntukan diamtr cutting dngan ukuran 0.1, 0.3, 0.5 dan 1 in. Paramtr yang kdua adalah dnsitas cutting, di mana ditntukan dari formasi sumur Z yang tlah ditunjukkan pada Tabl III.1, yaitu batuan dngan Spsifik Gravity., dan 3 yang mrupakan nilai rata-rata dari dnsitas lapisan batuan pada formasi produktif di sumur Z (Tabl III.7). Tahap-tahap prhitungan cutting transport dan konsntrasi cutting adalah untuk fluida Bingham plastic. Contoh prhitungan brikut ini adalah brdasarkan data-data sbagai brikut : Fluida Bingham plastic d p 0.1 in. (18.33 ppg) p f 11.5 ppg Q 58 gpm ID casing 9.65 in OD drillpip 5 in PV 0 cp YP 3 lb/100 ft Tabl III.7 Spcific Gravity lapisan produktif sumur Z 5

17 Formasi Lapisan batuan Spcific Gravity Air Bnakat Gumai Baturaja (BRF) Talang Akar (TAF) Lmat Basmnt Batu lmpung..9 Glauconit.6 Batu lmpung globigrina..9 Batu lmpung gampingan..6 Batu lmpung..9 Marly. Batu Pasir..8 Shal..8 Tuff.4.6 Agglomrat.75 Batu lmpung..9 Andsit.5.8 Shal.4.8 Gnissic granit.6.9 Quarzt diorit Hitung kcpatan anular : 4.5Q V ' ID OD 4.5(58) (9.65) (5) ft / min. Mnghitung viskositas fktif : gc YP D PV 360v (3.)(3)(4.65) 0 360(10.81) 0.05 cp 3. Mnghitung kcpatan slip cutting : d p ( p f ) Vs (0.1)( ) (11.5) (0.05) 10.6 ft / min f Mnghitung cutting transport : V V V t a s 00. ft / min Hasil prhitungan slngkapnya untuk pngangkatan cutting untuk fluida Bingham dapat dilihat pada Tabl III.8 sampai dngan III.10 d p (in) Tabl III.8 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drillpip dan casing (Bingham) anulus dp - cs V t (ft/min) p =

18 Tabl III.9 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drillpip dan opn hol (Bingham) d p (in) anulus dp - oh V t (ft/min) p = d p (in) Tabl III.10 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drill collar dan opn hol (Bingham) anulus dc - oh V t (ft/min) p = Hasil prhitungan pngangkatan cutting untuk fluida Powr law dngan Q optimum 560 gpm dapat dilihat Tabl III.11 sampai III.13 d p (in) Tabl III.11 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drillpip dan casing (Powr law) anulus dp - cs V t (ft/min) p = Tabl III.1 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drillpip dan opn hol (Powr law) anulus dp - oh d p V t (ft/min) (in) p = d p (in) Tabl III.13 Hasil prhitungan cutting transport pada annulus drill collar dan opn hol (Powr law) anulus dc - oh V t (ft/min) p = IV. Ksimpulan Ksimpulan yang dapat diambil dari studi kasus pada pnulisan tsis ini adalah sbagai brikut : 1. Kapasitas flow rat pompa pada modl fluida Powr law lbih kcil dibandingkan modl Bingham, ttapi mnunjukan fktifitas yang lbih baik untuk sistm sirkulasi pmboran.. Lumpur pmboran KCl-Polymr yang didsain pada sumur Z untuk kdalaman 350 m dan lubang 8.5 sudah tpat dngan dari kondisi formasi batuan dan kfktifan dari hasil prhitungan. 3. Mnunjukan bahwa modl yang tpat untuk fluida pmboran adalah modl Powr law 4. Cutting dngan variasi dnsitas dan diamtr dari formasi produktif sumur Z bisa ditangani olh pmodlan kdua modl fluida Bingham dan Powr law. 7

19 5. Modl fluida Powr law mnunjukan fktifitas yang lbih baik dalam hal pngangkatan cutting, karna mmpunyai rntang vlocity transport yang lbih luas. DAFTAR PUSTAKA (-) : Drilling Enginring, Hriot-Watt Univrsity. (1994) : Drilling Fluid Manual, Amoco Production Company. (00) : Drilling Formula, GlobalSantaF. (009) : Drilling Fluids and Halth Risk Managmnt, IPIECA/OGP Annis, Max R., dan Smith, Martin V. (1974) : Drilling Fluids Tchnology, Exxon Company, USA. Bourgoyn Jr., Adam T., Millhim, Kith K., Chnvrt, Martin E., dan Young Jr., F. S. (1991) : Applid Drilling Enginring, Socity of Ptrolum Enginrs. Darly, H. C. H. dan Gray, Gorg R. (1988) : Composition and Proprtis of Drilling and Compltion Fluids, Gulf Profssional Publishing. Gabold, G., dan Nguyn, J.-P. (1999) : Drilling Data Handbook, Editions Tchnip, Paris. Gatlin, Carl (1960) : Ptrolum Enginring; Drilling and Wll Compltion, Prntic-Hall, Inc. Mitchll, Bill, Dr. (1995) : Advancd Oil Wll Drilling Enginring, USA Library of Congrss. Moor, Prston L (1986) : Drilling Practic Manual, PnWll Publishing Company. Rabia, Hussain (1989) : Rig Hydraulics, Txtbook, Entra. : Bulk Matrial Dnsity Tabl : Avrag Spcific Gravity of Various Rock Typs *) Pnulis adalah Pjabat Fungsional Widyaiswara Pusdiklat Migas. 8