PENELITIAN SIFAT-SIFAT RHEOLOGI LUMPUR FILTRASI RENDAH PADA TEMPERATUR TINGGI

Transkripsi

1 PROCEEDING SIMPOSIUM NASIONAL IATMI 2001 Yogyakarta, 3-5 Oktober 2001 PENELITIAN SIFAT-SIFAT RHEOLOGI LUMPUR FILTRASI RENDAH PADA TEMPERATUR TINGGI Luqman Arif 1, Aris Buntoro 1, Sudarmoyo 1, Rudi Rubiandini R.S. 2 1 Teknik Perminyakan UPN Veteran Yogyakarta 2 Teknik Perminyakan ITB Kata Kunci : Sifat rheologi, Lumpur Filtrasi rendah, Temperatur tinggi ABSTRAK Tekanan dan temperatur merupakan faktor yang selalu ditemui pada operasi pemboran yang besarnya berbanding lurus dengan kedalaman yang ditembus. Adanya temperatur yang tinggi akan mempengaruhi sifat fisik lumpur pemboran yaitu sifat rheologi dan filtration loss. Terhadap sifat rheologi lumpur, temperatur akan mempengaruhi viskositas plastik dan yield point. Besarnya kedua parameter tersebut sulit untuk diprediksikan pada temperatur tinggi akan tetapi mempunyai kecenderungan turun pada temperatur yang semakin tinggi. Begitu juga dengan sifat filtration loss yang akan berubah pada saat dibebani temperatur tinggi. Perubahan sifat fisik lumpur pemboran tersebut akan menyebabkan penurunan kualitas lumpur dengan ditandai oleh hilangnya fungsi lumpur sebagai fluida pemboran. Untuk mengatasi masalah ini maka dilakukan suatu penelitian sifat rheologi lumpur pada temperatur tinggi. Metodologi yang digunakan adalah penelitian secara laboratorium untuk menguji sifat rheologi lumpur yang sudah ditreatment dengan aditif FLCA (Filtration loss control agent) pada kondisi tekanan 3000 psig dan temperatur 50 0 C C dengan interval pengujian 25 0 C dengan menggunakan alat HPHT viscometer model -70 yang kemudian parameter keluarannya dibandingkan dengan standart API. Hasil akhir yang diperoleh dari penelitian ini adalah jenis dan konsentrasi aditif yang mampu mempertahankan sifat rheologi lumpur sesuai dengan standart API pada temperatur tinggi dalam bentuk Tabel skala temperatur dan sekaligus memperoleh referensi tentang pengaruh temperatur terhadap perubahan sifat rheologi lumpur. 1. PENDAHULUAN Dalam suatu operasi pemboran baik pada sumur migas atau sumur panasbumi sering dijumpai adanya temperatur yang sangat tinggi. Temperatur yang tinggi akan mengakibatkan perubahan sifat rheologi lumpur pemboran yaitu viskositas plastik, yield point, dan gel strenght. Perubahan tersebut antara lain menurunnya harga viskositas akibat kenaikan temperatur yang dapat menimbulkan masalah pemboran yaitu kurang baiknya fungsi lumpur sebagai media pengangkat cuting ke permukaan. Akibat dari kondisi tersebut cuting akan mengendap di dasar sumur dan akan mengakibatkan pipa terjepit. Lumpur pemboran yang baik adalah lumpur pemboran yang mempunyai volume filtrat rendah dan mud cake yang tipis serta kuat. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh tekanan dan temperatur tinggi terhadap sifat rheologi lumpur dasar air (water based mud) yang ditreatment aditif FLCA (filtration loss control agent) terbaik yang mampu mempertahankan sifat rheologi lumpur pemboran sesuai standart API pada temperatur tinggi. Permasalahannya adalah kebanyakan lumpur pemboran tidak mampu mempertahankan sifat rheologinya sesuai standart API ketika dibebani temperatur tinggi sehingga lumpur tersebut tidak berfungsi sebagai media pengangkat cuting ke permukaan. Metodologinya adalah secara laboratorium dengan mengkaji sifat rheologi lumpur dasar yang sudah ditambah aditif FLCA (filtration loss control agent) dengan berbagai konsentrasi dari temperatur rendah (50 0 C) sampai dengan temperatur tinggi (200 0 C) untuk tekanan 3000 psig dengan Fann model-70 kemudian hasilnya dibandingkan dengan standart API (Tabel- 1.1) dalam bentuk grafik. Hasil akhir yang akan diperoleh dari penelitian ini adalah jenis dan konsentrasi aditif yang mampu mempertahankan sifat rheologi lumpur sesuai standart API pada temperatur tinggi dan sekaligus mendapatkan referensi tentang pengaruh temperatur terhadap perubahan sifat rheologi lumpur yang secara umum adalah semakin tinggi temperatur yang dibebankan maka akan semakin rendah viskositas lumpur pemboran. 2. TINJAUAN PUSTAKA Lumpur pemboran adalah suatu cairan yang terdiri dari campuran dari berbagai macam material yang dipakai pada waktu pemboran Teori Dasar Lumpur Pemboran Secara umum lumpur pemboran mempunyai empat komponen dasar, yaitu 8 : 1. Komponen Cair 2. Komponen Padat Reaktif 3. Komponen Padat Innert 4. Komponen Additive/Pengontrol Komponen Cair Komponen cair adalah suatu material yang diperlukan dalam pembuatan sistem lumpur (mud base) yang nantinya akan menentukan jenis sistem lumpur. Komponen cair dapat

2 berupa air atau minyak. Air dapat pula dibagi menjadi dua yaitu air tawar dan air asin. Komponen Padat Reaktif Padatan ini bereaksi dengan sekelilingnya (sistem) membentuk koloidal. Clay air tawar seperti bentonite menyerap air tawar dan membentuk lumpur. Jumlah barel lumpur yang dihasilkan dari satu ton clay agar viscositasnya 15 cp, disebut yield. Untuk bentonite yield-nya kira-kira 100 bbl/ton. Komponen Padat Non-Reaktif Komponen padat non-reaktif adalah komponen padat yang tidak bereaksi (inert) terhadap sistem lumpurnya atau komponen pemberat, seperti barite (BaSO 4 ), galena (PbS) dan biji besi atau ore (Fe 2 O 3 ). Komponen Additive (bahan kimia) Komponen additive merupakan bagian dari sistem yang digunakan untuk mengontrol sifat-sifat lumpur bor. Bahan kimia tersebut pada umumnya digunakan untuk mengontrol: viscositas, filtration loss, ph, densitas Fungsi Lumpur Pemboran Fungsi utama lumpur pemboran adalah 1, 2, 4 : 1. Mengangkat serbuk bor ke permukaan. 2. Mengontrol tekanan formasi 3. Mendinginkan serta melumasi pahat dan drillstring 4. Membersihkan dasar lubang bor 5. Membantu dalam evaluasi formasi 6. Melindungi formasi produktif 7. Membantu stabilitas formasi 2.3. Sifat-Sifat Fisik Lumpur Pemboran Sifat fisik Lumpur yang terpenting yang dikontrol pada setiap operasi sumur migas dan panas bumi ada tiga, yaitu: 1. Densitas 2. Rheologi (sifat aliran) 3. Filtration Loss Densitas Pengontrolan densitas lumpur pada hakekatnya adalah mencegah blow out, dan kadang-kadang juga digunakan untuk menjaga stabilitas lubang bor. Lumpur yang terlalu berat dapat menyebabkan terjadinya lost sirculation, sedangkan, lumpur yang terlalu ringan dapat menyebabkan masuknya fluida formasi ke dalam lubang bor (kick ) dan jika tidak segera diatasi akan menyebabkan terjadinya semburan liar (blow out). Rheologi (Sifat Aliran) Pengontrol rheologi diperlukan untuk mengangkat serbuk bor (cutting) pada saat pemboran berlangsung. Dalam terminology lapanga minyak, istilah sifat aliran (flow properties) dan viscositas adalah merupakan ungkapan umum yang digunakan untuk menggambarkan perilaku lumpur pemboran dalam keadaan bergerak. Viscositas fluida pemboran merupakan fungsi dari beberapa faktor, yaitu : Viscositas fasa cair Volume padatan dalam lumpur Volume fluida yang terdispersi (emulsi) Jumlah partikel per satuan lumpur Bentuk partikel padatan Gaya tarik (atau gaya tolak) antara partikel-partikel padat, dan antara fasa padat dengan fasa fluida Viscositas menunjukkan kekentalan lumpur dalam aliran, dan gel strength menunjukkan kekentalan lumpur dalam kondisi diam pada periode waktu tertentu. Secara ilmiah, viscositas adalah suatu konstanta antara shear stress dan shear rate untuk fluida Newtonian, seperti air, tetapi tidak berlaku untuk lumpur pemboran. Untuk fluida pemboran, perbandingan antara shear stress dan shear rate berkurang dengan naiknya shear rate. Penggunaan utama plastic viscosity yang diukur dalam centi poises, adalah untuk menunjukkan pengaruh kandungan padatan terhadap kekentalan lumpur. Plastic viscosity diperoleh dengan mengurangkan dial reading 600 rpm dengan 300 rpm pada viscometer. Besarnya plastic viscosity dipengaruhi oleh kandungan padatan, ukuran padatan, dan temperatur. Sukar mengatakan bahwa lumpur berat tertentu harus mempunyai viscositas tertentu juga, karena faktor ukuran padatan berpengaruh. Yield point adalah merupakan suatu pseudometer, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1, yang diperoleh dengan ekstrapolasi garis lurus antara pembacaan dial 300 rpm dan 600 rpm pada viscometer. Yield point ditentukan secara kuantitatif dengan pengurangan pembacaan 300 rpm dengan plastic viscosity. Gel strength adalah merupakan suatu harga yang menunjukkan kemampuan lumpur untuk menahan padatanpadatan. Faktor yang menyebabkan terbentuknya gel strength yaitu adanya gaya tarik menarik dari partikel-partikel atau plat-plat clay sewaktu tidak adanya sirkulasi lumpur. Fungsi gel strength dalam lumpur pemboran adalah menahan cutting dan pasir dalam suspensi sewaktu sirkulasi lumpur dihentikan. Filtration Loss Filtration loss adalah kehilangan sebagian fasa cair (filtrate) lumpur yang masuk ke dalam formasi permeable. Filtration loss yang terlalu besar berpengaruh jelek terhadap formasi maupun terhadap lumpurnya sendiri, karena dapat menyebabkan terjadinya formation damage (pengurangan permeabilitas efektif terhadap minyak/gas) dan lumpur akan kehilangan banyak cairan. Mud cake sebaiknya tipis agar tidak memperkecil lubang bor Pengaruh Temperatur Tinggi Terhadap Lumpur Pada temperatur tinggi lumpur, sifat fisik lumpur yaitu sifat rheologi dan filtration loss sulit untuk diprediksikan perubahannya. Hal ini disebabkan karena sifat-sifat tersebut sangat sensitif terhadap perubahan temperatur. Parameter dari sifat rheologi yang paling sensitif terhadap perubahan pembebanan temperatur adalah viskositas. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Viscositas Faktor-faktor yang mempengaruhi viscositas lumpur pemboran dapat dikelompokkan sebagai 2 : 1) Interaksi mekanis antara padatan dan cairan 2) Interaksi elektris antara padatan-padatan dan 3) Shear rate

3 Pada umumnya fluida non-newtonian cenderung encer dengan adanya pengaruh shear, sebagai contoh, viscositas berkurang sebagai akibat naiknya shear rate. Perilaku fluida nonnewtonian ini adalah karena interaksi padatan-padatan dalam lumpur. Interaksi padatan menyebabkan tahanan terhadap aliran dari gaya-gaya listrik atraski dan refulsi pada permukaan padatan yang bermuatan listrik, atau dari tahanan mekanis terhadap aliran antara partikel dan fluida. Perubahan viscositas plastis terhadap temperatur dan perubahan viscositas air terhadap temperatur mengindikasikan bahwa high-shear-rate viscosities ditentukan oleh interaksi mekanis antara padatan dan cairan. Hal ini berarti bahwa untuk meminimalkan viscositas pada high-shear-rate (seperti shear rate dibawah pahat), konsentrasi padatan dalam lumpur dan viscositas fraksi cairan di minimalkan. Pengaruh Shear Rate Terhadap Viscositas Gambar 2.2 juga menunjukkan bahwa viscositas shear rate rendah lebih besar dari viscositas pada viscositas pada shear rate yang lebih tinggi dan bahwa perbedaan ini menjadi lebih besar dengan bertambahnya temperatur. Suspensi menjadi lebih encer karena pengaruh shear dengan naiknya temperatur. Di bawah ini akan ditinjau macam-macam hubungan penyebaran partikel-partikel clay dengan harga viscositas, yield point, dan gel strength (Gambar 2.3.). Sistem dispersi. Keadaan dimana plat-plat clay tersebar merata karena gaya atraksi ternetralisir. Sistem penyebaran ini biasa dicapai dengan mengagitasikan bentonite ke dalam fresh water dengan menambahkan sedikit thinner. Thinner yang disebut pula protection colloid akan melapisi plat-plat clay sehingga jumlah air yang terhidrasi menjadi lebih sedikit. Dengan cara ini akan didapatkan fasa kontinu (air bebas) yang lebih banyak, oleh karenanya akan tercapai keadaan dispersi yang lebih stabil. Sistem penyebaran ini memberikan ukuran partikel-partikel clay yang terkecil sehingga viscositas plastik system ini adalah yang tertinggi. Yield point cukup tinggi dan dengan ditambahkannya thinner akan menjadi lebih rendah. Gel strength rendah tapi progressive. Sistem Flokulasi. Keadaan dimana partikel-partikel clay tersebar berupa kumpulan-kumpulan plat-plat yang saling terikat antara bidang permukaan dengan tepi atau tepi dengan tepi. Keadaan penyebaran ini bias didapatkan dengan menambahkan garam monovalent ke dalam system lumpur dispersi deflokulasi. Sistem penyebaran ini kurang stabil, apabila dilakukan pengadukan system akan berubah menjadi dispersi deflokulasi. Viscositas plastis system flokulasi di bawah sistem dispersi deflokulasi. Yield point dan gel strength progressive tinggi karena adanya gaya atraksi antara plat-plat clay-nya. Sistem agregasi. Sistem penyebaran partikel clay di dalam lumpur dimana platplat clay akan tersebar dalam kumpulan plat-plat clay yang terikat pada bidang-bidang permukaan dan antara tepitepinya, kumpulan plat-plat clay ini juga saling terikat, atau antara tepi dan bidang permukaan kumpulan plat-plat clay. Sistem ini mempunyai luas pemukaan singgung partikelpartikel clay dengan fasa kontinu yang terkecil, maka dari itu viscositas plastis system ini adalah yang terendah dari keempat system di atas. Karena adanya gaya atraksi yang kuat antara plat-plat clay maka yield pointnya menjadi tinggi (tertinggi dari keempat system), gel strength -nya tinggi tapi non-progressive. Sistem deflokulasi. Dalam system ini plat-plat clay tersebar dalam kumpulan platplat terikat pada bidang permukaannya. Sistem ini biasa didapatkan dengan menambahkan garam-garam divalent kedalam system dispersi. Viscositas plastis system ini rendah karena luas bidang singgung plat clay dengan fasa kontinunya kecil. Yield point rendah dan gel strength non-progressive rendah. Lumpur pemboran harus mampu mengontro problemproblem tersebut, sehingga lubang bor tetap terbuka dan proses pemboran dapat terus dilanjutkan. Perencanaan sistem lumpur untuk menjaga stabilitas lubang bor sering digunakan sebagai basis untuk pemilihan jenis lumpur. 3. PENGUJIAN LABORATORIUM Pengujian lumpur yang dilakukan di laboratorium yaitu melakukan pengukuran terhadap sifat rheologi lumpur (viskositas plastik, dan yield point) dengan diagram penelitian seperti pada Gambar Bahan-bahan yang Digunakan Aquades Wyoming Bentonite CMC-HV Resinex-II Pyrotrol Baranex 3.2. Kondisi Pengukuran Temperatur pengukuran : C C C C C C C Tekanan pengukuran : 3000 psig Parameter-parameter yang diukur: 1. θ 600, yaitu pembacaan (dial reading) pada putaran 600 rpm 2. PV, Plastis Viscosity 3. YP, Yield Point 3.4. Peralatan yang Digunakan Timbangan Listrik Multi-mixer Agitator HPHT Viscometer (Gambar 3.2) ph meter Cell Roll Oven

4 Gelas Ukur 4. PEMBAHASAN Hal terpenting yang perlu diketahui dalam menentukan sifat aliran (rheologi) lumpur pemboran adalah dengan parameterparameter antara lain viskositas plastik, viskositas nyata, yield point, dan gel strenght dimana parameter-parameter tersebut didapatkan dari harga pembacaan (dial reading) yang merupakan output dari HPHT viscometer. Dari hasil pengujian dapat dianalisa dengan berpatokan pada pengaruh kenaikan temperatur terhadap sifat rheologi lumpur pemboran sebagai berikut : 4.1. Lumpur Dasar (LS) Deskripsi kinerja yang dimiliki oleh lumpur dasar memperlihatkan bahwa pada pembebanan temperatur sampai C harga pembacaan 600 masih sapat memenuhi standart API, sementara harga viskositas plastiknya diatas temperatur C sudah tidak memenuhi standart API. Sedangkan harga yield point yang dimiliki hanya sampai temperatur C. Kemampuan menstabilkan sifat rheologi lumpur berdasarkan dari tiga parameter tersebut maka sifat rheologi lumpur dasar hanya mampu stabil pada temperatur sampai C untuk memenuhi standart API. Fenomena diatas menunjukkan adanya perubahan sifat rheologi lumpur akibat pembebanan temperatur. Dalam kondisi tersebut terjadi proses ikatan antar partikel lempung akibat adanya gaya tarik dan tolak antar partikelnya dengan katalisator temperatur Lumpur Filtrasi Rendah Fenomena yang ditunjukkan oleh merupakan prilaku reaksi aditif dalam mengkontrol volume filtrat lumpur yang sesuai dengan fungsinya akibat adanya pembebanan temperatur. Acuan yang dipakai untuk menentukan tinggi rendahnya volume filtrat adalah harga maksimum standart API pada kondisi statik. Hal ini dikarenakan sampai saat ini belum ada standart maksimum untuk kondisi dinamik akan tetapi dalam aplikasi dilapangan direkomendasikan harga toleransi antara ml Lumpur Dasar + 2 ppb Baranex Kinerja aditif baranex seperti pada Gambar-4.1. menunjukkan bahwa dengan pembebanan temperatur sampai C belum ada perubahan sifat rheologi yang diindiksikan dengan konstannya harga pembacaan 600, PV, dan YP. Tetapi diatas C adanya perubahan dari ketiga parameter rheologi tersebut. Oleh karena itu aditif baranek berfungsi sebagai media untuk menstabilkan temperatur (Temperatur stability agent) 4.4. Lumpur Dasar + 1 ppb CMC-HV Kinerja aditif seperti yang ditunjukkan pada Gambar-4.2 memperlihatkan adanya perubahan sifat rheologi akibat pembebanan temperatur. Indikasi adanya perubahab adalah cenderung turunnya harga pembacaan 600, PV, dan YP dengan naiknya temperatur, akan tetapi harga ketiga parameter tersebut masih memenuhi standart API sampai pada temperatur C. Fenomena tersebut menandakan terjadinya ikatan antar partikel lempung semakin besar yang dikenal dengan flokulasi akibat penambahan CMC-HV pada temperatur rendah sebagai akibat adalah naiknya viskositas lumpur. Dan sebaliknya semakin besar pembebanan temperatur mengakibatkan terjadinya deflokulasi sehingga viskositas lumpur turun Lumpur Dasar + 4 ppb Pyrotrol Kinerja aditif pyrotrol mampu memperthankn sifat rheologi lumpur sesuai standart API cenderung turun seiring dengan naiknya pembebanan temperatur seperti yang terlihat pada Gambar-4.3. Batas kemampunya dalam mempertahankan sifat rheologi lumpur agar sesuai dengan standart API sampai temperatur C, diatas temperatur ini sudah tidak memenuhi lagi. Performance tersebut dikarenakan adanya interaksi antar partikel aditif dengan partikel lempung (bentonite) untuk mengurahi pengaruh temperatur terhadap perubahan sifat rheologi lumpur pada kondisi dibawah temperatur C, sehingga additif pyrotrol dapat dikatakan bersifat penstabil temperatur (Temperature Stability Agent) 4.6. Lumpur Dasar + 2 ppb Resinex II Gambaran yang ada pada Gambar-4.4. mempunya arti bahwa penambahan aditif resinex mampu mempertahankan sifat rheologi lumpur pada temperatur C sampai C. Meskipun sifat rheologinya cenderung naik dan mencapai puncaknya pada temperatur C yang kemudian mengalami penurunan sampai pada temperatur C. Akan tetapi sifat rheologi yang memenuhi standart API berdasarkan ketiga parametrnya adalah pada interval temperatur C C. Kenaikan viskositas menunjukkan adanya ikatan partikelpartikel lempung yang membentuk house cart atau terjadinya proses dispersi sehingga mengakibtkan semakin besar jumlah partikelnya. Sedang kan penurunan viskositas sbagai akibat proses agregasi yang menyebabkan semakin kecilnya jumlah partikel sistem lumpur dan proses deflokulasi sebagai proses penetralisir muatan plat-plat lempung. Sebagai gambaran secara sistimatis tentang kemampuan aditif untuk mempertahankan sifat rheologi lumpur sesuai dengan standart API dan hubungan antara volume filtrat dengan sifat rheologi lumpur pada temperatur tinggi ditunjukkan pada Ta bel KESIMPULAN Dari data hasil pengujian dan pembahasan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Kemampuan aditif yang diteliti dalam mempertahankan sifat rheologi lumpur agar sesuai dengan standart API dipengaruhi oleh besarnya temperatur maksimum C. 2. Lumpur filtrasi rendah dengan aditif resinex-ii 2 ppb mempunyai volume filtrat 21,35 ml (300 0 F) mampu mempertahankan sifat rheologi yang sesuai dengan standart API pada temperatur C sampai C dan pyrotrol 4 ppb volume filtrat 9,67 ml (300 0 F) rheologinya dapat bertahan sesuai standart API dari temperatur 50 0 C sampai C.

5 3. Sedangkan lumpur filtrasi rendah dengan aditif CMC-HV 1 ppb dengan volume filtratnya 17,64 ml (300 0 F) mampu mempertahankan sifat rheologi yang sesuai dengan standart API sampai pada temperatur C. Sementara baranex 2 ppb dengan volume filtrat 16,81 ml (300 0 F) rheologinya dapat bertahan sesuai dengan standart API pada temperatur dari C sampai C. Tabel-1.1. Standart API DAFTAR PUSTAKA 1. Adam, N.J., Drilling Engineering, A Complate Well Planning Approach, Penn Well Publishing Co., Tulsa, Oklahuma, Zaba, J. And Doherty, W.T. Practical Petroleum Engineer s Handbook, Gulf Publishing Company Huston, Mut Engineering, Dresser Magcobar, Division Of DresserIndustri, Inc., Huston-Texas, Tabel-4.1. Hubungan Antara Volume Filtrat Dengan Sifat Rheologi Lumpur 4. Moore, P.L., et al, Drilling Practice Manual, The Petroleum Publishing Company, Oklahuma, , Manual Of Drilling Fluids Technology, Baroid NL Industries Inc. Huston, Rudi Rubiandini R.S. Mud Design And Problem Solving Pt. Radikatama Mitra, Yossie Sri W., Prilaku Filtrasi Dinamik Bentonite Dalam Negeri Dengan Variasi Aditif Pada Temperatur Tinggi, Tugas Akhir, Jurusab Teknik Perminyakan, UPN Veteran Yogyakarta, Fluida Bingham Plastik Shear Stress (t) Fluida Model Power Law Shear Rate ( g ) Gambar-2.1. Yield Point hasil Ekstrapolasi Garis Lurus Antara Pembacaan Dial 300 dan Dial 600

6 Gambar-2.2. Pengaruh Share rate Terhadap Temperatur Gambar-3.1. Diagram Penelitian Gambar-2.3. Gambaran Penyebaran Partikel-partikel Clay Gambar-3.2. Alat HPHT Viscometer Model - 70

7 Gambar-4.1. Sifat Rheologi Lumpur Dasar + 2 ppb Baranex Gambar-4.3. Sifat Rheologi Lumpur Dasar + 4 ppb Pyrotrol Gambar-4.2. Sifat Rheologi Lumpur Dasar + 1 ppb CMC Gambar-4.4. Sifat Rheologi Lumpur Dasar + 2 ppb Resinex