HIDROLIKA LUMPUR PEMBORAN
JILID I ROTARY HOSE
SWIVEL KELLY
STANDPIPE MUD TANK
DP
MUD PUMP
DC
BIT
DISUSUN OLEH: IR. KASWIR BADU
CEPU, APRIL 1998
i KATA PENGANTAR Industri perminyakan di Indonesia sudah berlangsung lebih dari seratus tahun. Minyak diproduksikan dari dalam bumi melalui sumur produksi. Untuk membuat sumur tersebut dilakukan dengan pemboran. Oleh sebab itu dapat dikatakan operasi pemboran sangat penting didalam industri perminyakan, gas bumi maupun panas bumi. Dalam operasi pemboran dituntut para pekerja mempunyai pengetahuan dan ketrampilan untuk kelancaran operasi. Untuk mendapatkan pengetahuan diperlukan suatu buku untuk dipelajari. Buku-buku tentang teknik pemboran boleh dikatakan sukar untuk didapatkan di pasaran. Di perusahaan minyak dan gas bumi yang ada hanya dalam bahasa Inggris, sedangkan para pekerja banyak yang tidak mampu untuk memahaminya. Berdasarkan hal tersebut diatas penulis berusaha untuk membuat buku-buku teknik operasi pemboran dalam bahasa Indonesia. Untuk kesempatan ini penulis mencoba membuat salah satu bagian dari Teknik Operasi Pemboran yaitu “HIDROLIKA LUMPUR PEMBORAN”. Buku ini baru jilid I yang berisikan dasar-dasar hidrolika lumpur pemboran. Mudah-mudahan penulis diberikan kesempatan oleh Yang Maha Kuasa untuk menulis lebih lanjut. Semoga buku ini bermanfaat bagi pembaca dan terima kasih atas perhatiannya. Cepu, April 1998 Hormat penulis
ii PENGUMUMAN
Bersama ini kami kabarkan bahwa telah terbit buku-buku Teknik Pemboran sebagai berikut: 1. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid I 2. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid II 3. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid III 4. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid IV 5. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid V 6. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid VI 7. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Latihan Soal-soal dan Kuncinya 8. Peralatan Pencegahan Semburan Liar (BOP) Jilid I 9. Lumpur Pemboran Jilid I 10. Lumpur Pemboran Jilid II 11. Hidrolika Pemboran Jilid I 12. Hidrolika Pemboran Jilid II 13. Peralatan Pemboran Jilid I 14. Peralatan Pemboran Jilid II 15. Perhitungan Teknik Pemboran Jilid I 16. Perhitungan Teknik Pemboran Jilid II 17. Perhitungan Teknik Pemboran Jilid III 18. Fishing Jilid I 19. Fishing Jilid II 20. Casing Jilid I 21. Cementing Jilid I 22. Pemboran Lurus Jilid I 23. Pemboran Berarah Jilid I 24. Mud Loss Jilid I 25. Pipa Terjepit Jilid I 26. Pemboran Lepas Pantai (Offshore Drilling) Jilid I 27. Latihan Soal Teknik Pemboran Jilid I 28. Latihan Soal Peralatan Pemboran Jilid I
iii Bagi anda yang berminat untuk mempunyai buku-buku tersebut diatas dapat menghubungi:
IR. KASWIR BADU Jl. Dumai No.154 Nglajo, Cepu Telp
: 0296 – 422130
HP
: 0815 5033761
Rek
: BNI Cabang Cepu 252000005733.901
Harga buku per buah adalah Rp. 40.000,-. Terima kasih atas perhatiannya. Hormat penulis
iv DAFTAR ISI Hal. KATA
PENGANTAR
………………………………………………………………………………………………… DAFTAR
i ISI
………………………………………………………………………………………………………….. iv DAFTAR
GAMBAR
………………………………………………………………………………………………….. v I. PENDAHULUAN …………………………………………………………………………………………………. 1 II. RATE DAN KECEPATAN ALIRAN …………………………………………………………………………. 2 2.1
Rate
Aliran
…………………………………………………………………………………………………. 2.2
2
Kecepatan
Aliran
…………………………………………………………………………………………. 2 2.3
Hubungan
Antara
Rate
Aliran
Dengan
Kecepatan
Aliran
………………………………….. 3 2.4
Kecepatan
Aliran
Dalam
Pipa
Annulus
Pipa
………………………………………………………………………… 3 2.5
Kecepatan
Aliran
……………………………………………………………
Dalam
4
2.6
Persamaan
Kontinuitas
………………………………………………………………………………… 10 2.7
Pertanyaan
Untuk
Bab
……………………………………………………………………………… 13 III. JENIS ALIRAN DAN JENIS
II FLUIDA
…………………………………………………………………….. 16 3.1
Laminar
Flow
……………………………………………………………………………………………… 16 3.2
Turbulent
Flow
…………………………………………………………………………………………… 16 3.3
Bilangan
Reynold
……………………………………………………………………………………….. 17 3.4
Titik
Kritis
………………………………………………………………………………………………….. 19 3.5
Jenis
Fluida
Pemboran
………………………………………………………………………………… 22 3.6
Latihan
……………………………………………………………………………………………………… 25 IV. PRESSURE LOSS ……………………………………………………………………………………………… 28 4.1 Penentuan Harga Pressure Loss Secara
Bingham
Plastic
Model
……………………………………………………………………… 29 4.1.1
Pressure
loss
dalam
pipa
…………………………………………………………………….. 29 4.1.2
Latihan
Pertanyaan
…………………………………………………………………………….. 32 DAFTAR
PUSTAKA
…………………………………………………………………………………………………. 32 PENUTUP ………………………………………………………………………………………………………… …. 34
v DAFTAR GAMBAR Gb. 01 :
Hal Aliran
dalam
pipa
……………………………………………………………………………. 3 Gb. 02 :
Aliran
di
annulus
……………………………………………………………………………… 5 Gb. 03 : Gambar aliran di dalam rangkaian pemboran dan di annulus casing dan lubang
terbuka
……………………………………………………………………………….. 7 Gb. 04 :
Laminar
flow
………………………………………………………………………………….. 16 Gb. 05 :
Turbulent
flow
………………………………………………………………………………… 16 Gb. 6 :
Fluida
Bingham
plastik
…………………………………………………………………….. 23 Gb. 07 :
Fluida
Power
Law
……………………………………………………………………………. 24 Gb. 08 :
Peralatan
sirkulasi
lumpur
……………………………………………………………….. 28 Gb. 09 :
Hubungan
Reynold
…………………………………………………………….. 30
Number
1 I.
PENDAHULUAN
Banyak faktor-faktor yang mempengaruhi kelakuan operasi pemboran. Salah satu dari faktor tersebut adalah hidrolika lumpur pemboran. Pada tulisan ini penulis menyajikan pengertian dasar dari hidrolika pemboran yang dapat digunakan dan dikembangkan. Selama lumpur pemboran melalui peralatan-peralatan sirkulasi, maka akan terjadi gesekan-gesekan disepanjang peralatan yang dilalui tersebut. Hal ini akan menyebabkan kehilangan tekanan aliran yang dikenal dengan pressure loss atau juga sering disebut dengan pressure drop. Rate sirkulasi ataupun rate pemompaan lumpur merupakan volume dari lumpur yang dipompakan atau disirkulasikan per satuan waktu. Rate pemompaan lumpur ini
tergantung kepada diameter liner panjang langkah, diameter piston dan stroke per menit dari pompa lumpur. Pressure loss dan rate pemompaan lumpur ini sangat mempengaruhi daya dari pompa lumpur yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur. Sekarang harus dipikirkan apakah daya pompa yang ada sanggup untuk mensirkulasi lumpur dalam suatu pemboran atau tidak. Pressure loss tergantung kepada rate sirkulasi, luas penampang aliran, panjang peralatan yang dilalui, berat jenis lumpur, viskositas lumpur, yield point. Dengan hidrolika lumpur yang baik, pengangkatan cutting dari bawah bit akan sempurna dan akan didapatkan rate of penetration yang baik.
2 II.
RATE DAN KECEPATAN ALIRAN
Dalam operasi pemboran lumpur bersikulasi melalui peralatan sirkulasi dengan rate dan kecepatan tertentu. II.1
Rate Aliran
Rate aliran atau yang disebut juga dengan rate pemompaan atau kapasitas aliran lumpur adalah volume lumpur yang mengalirkan dalam waktu tertentu. Secara matematis dinyatakan sbb: Vol Q = ----- ............................ (2-1) t Dimana: Q
: kapasitas aliran
Vol
: volume lumpur
t
: waktu
Contoh 1 Pompa lumpur bekerja dengan rate aliran 400 gpm. Maksudnya volume lumpur yang dipompakan setiap menit adalah 400 galon. II.2
Kecepatan Aliran
Kecepatan aliran lumpur adalah jarak yang ditempuh oleh lumpur dalam waktu tertentu. Secara matematis dinyatakan sbb: L V = ----- ............................ (2-2) t Dimana: V
: kecepatan aliran
L
: jarak yang ditempuh lumpur
t
: waktu
3 2.3 Hubungan antara rate aliran dengan kecepatan aliran Menurut persamaan (2-1), rate aliran adalah: Vol Q = ----t Volume adalah: Vol = A x L ........................... (2-3) Dimana A adalah luas penampang aliran. Bila persamaan (2-3) digabungkan kedalam persamaan (2-1), maka: AxL Q = --------- ............................ (2-4) t Bentuknya bisa diubah menjadi: L Q = A x ----- ............................ (2-5) t atau, Q = A x V ................................ (2-6)
2.4
Kecepatan Aliran Dalam Pipa
Gambaran aliran dalam pipa dapat dilihat pada gambar 1. ID
V
PENAMPANG DALAM PIPA
Gb.1. Aliran Dalam Pipa 4 Luas penampang aliran dalam pipa adalah: A = ----- x (ID) 2 ............................ (2-7) 4 Sehingga kecepatan aliran didalam pipa adalah: Q V = ------------ .................................. (2-8) --- x (ID) 2 4 2.4.1
Kecepatan aliran dalam drill pipe
Q V = ------------ .................................. (2-9) --- x (IDdp) 2 4 Dimana: Iddp adalah diameter dalam drill pipe. 2.4.2
Kecepatan aliran dalam drill collar
Q V = ------------ .................................. (2-10)
--- x (IDdc) 2 4 Dimana: IDdc adalah diameter dalam drill collar 2.5
Kecepatan Aliran dalam Annulus Pipa
Gambaran aliran di annulus adalah seperti gambar 2. Luas penampang annulus adalah: Aan = ----- x (dh2 – OD2) …......................... (2-11) 4 Sehingga kecepatan aliran di annulus pipa adalah: Q Van = ----------- --- x (dh2 – OD2) …............................. (2-12) 4
5 OD DH
Van
PENAMPANG ANNULUS
Gb.2. Aliran Di Annulus Dimana Van
: kecepatan aliran didalam annulus pipa
OD
: outside diameter pipa
dh
: diameter lubang terbuka (open hole)
Dalam operasi pemboran aliran lumpur di annulus dapat dibagi dua yaitu: -
Aliran lumpur di annulus drill pipe dengan lubang terbuka
-
Aliran lumpur di annulus drill pipe dengan casing yang sudah terpasang
-
Aliran lumpur di annulus drill collar dengan lubang terbuka
-
Aliran lumpur di annulus drill collar dengan casing yang sudah terpasang
2.5.1 Kecepatan Aliran dalam Annulus Drill Pipe dengan lubang terbuka Q Vandp = ----------------------- --- x (dh2 – Oddp2) …...................... (2-13) 4
6 Dimana Vandp : kecepatan aliran didalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka Oddp : outside diameter drill pipe dh
: diameter lubang terbuka (open hole)
2.5.2 Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan casing Q Vandp = ----------------------- --- x (Idc2 – Oddp2) …...................... (2-14) 4 Dimana Vandp : kecepatan aliran didalam annulus drill pipe dengan casing Oddp : outside diameter pipe Idc
: diameter dalam dari casing
2.5.3 Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan lubagn terbuka Q Vandc = ----------------------- --- x (dh2 – Oddc2) …...................... (2-15) 4 Dimana:
Vandc : kecepatan aliran didalam annulus drill collar dengan lubang terbuka Oddc : outside diameter drill collar dh
: diameter lubang terbuka (open hole)
2.5.4 Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan casing Q Vandc = ----------------------- --- x (Idc2 – Oddc2) …...................... (2-16) 4 Dimana: Vandc : kecepatan aliran didalam annulus drill collar dengan casing Oddc : outside diameter drill collar Idc
: diameter dalam dari casing 7
Contoh 2 Drill pipe
: 4-1/2 in OD, 4,2 in ID
Drill collar
: 6 in OD, 2 in ID
Casing yang sudah terpasang 13-3/8” OD, 13.25”ID, 900 ft. Diameter bit adalah 8.5 in. Kapasitas aliran adalah 450 gpm. Berapakah: a. Kecepatan aliran didalam drill pipe? b. Kecepatan aliran di dalam drill collar? c. Kecepatan aliran di dalam annulus drill pipe dengan dinding lubang? d. Kecepatan aliran di dalam annulus drill collar dengan dinding lubang? Penyelesaian: Kondisi pada contoh 2 tsb diatas dapat dilihat gambarannya pada gambar 3. DRILL PIPE 4.5" OD, 4.2 ID
CASING 13-3/8" OD, 13.25" ID, 400 FT
OPEN HOLE 8.5"
DRILL COLLAR 6" OD. 2" ID
Gb.3. Gambaran Aliran Didalam Rangkaian Pemboran dan Di Anuulus dan Lubang Terbuka
8 Kecepatan aliran dalam drill pipe Q Vdp = ------------------- --- x (Iddp)2 4 450 gal/menit = -------------------- --- x (4.2)2 in2 4 Karena satuan kecepatan dalam hidrolika pemboran pada umumnya adalah ft/detik, maka diperlukan merubah satuan (konversi). Diketahui: 1 ft
= 12 in
1 cuft
= 7.48 gal
1 menit
= 60 detik
1 ft2
= 122 in2 = 144 in2
Sehingga Vdp
Vdp
450 gal/menit ft3 144 in2 menit = -------------------- x ------------ x --------- x ---------- --- x (4.2)2 in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144 = --------------------------------------------- ft/detik
--- x (4.2)2 x 7.48 x 60 4 = 10.42 ft/detik Kecepatan aliran dalam drill collar Vdc
Q = --------------- --- x (Iddc)2 4
9 450 gal/menit = ----------------- --- x (2)2 in2 4 Vdc
Vdp
450 gal/menit ft 144 in menit = -------------------- x ------------ x --------- x ---------- --- x (2)2 in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144 = ------------------------- ft/detik --- x (2)2 x 7.48 x 60 4 = 45.96 ft/detik
Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka. Q Vandp = --------------- --- x (dh2 – Oddp2) 4 450 gal/menit ft 144 in menit = ------------------------- x ------------ x --------- x ---------- --- x (8.52 – 4.52) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144 = ------------------------- ft/detik --- x (8.52 – 4.52) x 7.48 x 60 4
= 3.54 ft/detik Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan casing Q Vandp = --------------- --- x (Idc2 – Oddp2) 4
10 450 gal/menit ft 144 in menit = ---------------------------- x ------------ x --------- x ---------- --- x (13.252 – 4.52) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144 = ------------------------- ft/detik --- x (13.252 – 4.52) x 7.48 x 60 4 = 1.18 ft/detik Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan lubang terbuka Q Vandp = --------------- --- x (dh2 – Oddc2) 4 450 gal/menit ft 144 in menit = ----------------------- x ------------ x --------- x ---------- --- x (8.52 – 62) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144 = ------------------------- ft/detik --- x (8.52 – 62) x 7.48 x 60 4 = 5.07 ft/detik 2.6
Persamaan Kontinuitas
Rate aliran dalam sistim sirkulasi lumpur dalam operasi pemboran adalah sama.
Q
= --- Vdp x (Iddp)2 = --- Vdc x (Iddc)2 4 4 = --- Vandp x (dh2 – Oddp2) 4 = --- Vandp x (Iddc2 – Oddp2) = --- Vandc x (dh2 – Oddc2) 4 11 = --- Vandc x (Iddc2 – Oddc2) 4
Dengan membagi semuanya dengan ---, maka 4 Vdp x (Iddp)2 = Vdc x (Iddc)2 = Vandp x (dh2 – Oddp2) = Vandp x (Idc2 – Oddp2) = Vandc x (dh2 – Oddc2) = Vandc x (Idc2 – Oddc2) …................................(2-17) Contoh 3 Drill pipe
: 4-1/2 in OD, 4.2 in ID
Drill collar
: 6 in OD, 2 in ID
Casing yang sudah terpasang 13-3/8”OD, 13.25”ID, 900 ft. Diameter bit adalah 8.5 in Kecepatan aliran lumpur di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik. Berapakah: a. Kecepatan aliran didalam drill pipe? b. Kecepatan aliran di dalam drill collar? c. Kecepatan aliran di dalam annulus drill collar dengan dinding lubang? d. Kecepatan aliran di dalam annulus drill pipe dengan casing? e. Kapasitas pemompaan? Penyelesaian: Dari persamaan kontinuitas atau persamaan (2-17), kecepatan aliran didalam drill pipe adalah:
Vdp x (Iddp)2 = Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandp x (dh2 – Oddp2) Vdp = ---------------------------(Iddp)2 2 x (8.52 – 4.52) Vdp = ---------------------(4.2)2 12 = 5.9 ft/detik Kecepatan aliran didalam drill collar adalah: Vdc x (Iddc)2 = Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandp x (dh2 – Oddp2) Vdc = -----------------------------(Iddc)2 2 x (8.52 – 4.52) Vdc = --------------------(2)2 = 26 ft/detik Kecepatan aliran annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah: Vandc x (dh2 – Oddc2)
= Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandc = -----------------------------(dh2 – Oddc2) 2 x (8.52 – 4.52) Vdc = --------------------(8.52 – 62) = 2.87 ft/detik
Kecepatan aliran annulus drill pipe dengan casing yang sudah terpasang adalah: Vandp x (Iddc2 – Oddp2)
= Vandp x (dh2 – Oddp2)
Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandp = -----------------------------(Idc2 – Oddc2) 2 x (8.52 – 4.52) Vdc = --------------------(13.252 – 4.52) = 0.67 ft/detik Kapasitas pemompaan atau rate pemompaan adalah: Q
= --- x Vandp x (dh2 – Oddp2) 4
Q
ft2 7.48 gal 60 detik 2 2 = ----- x 2 ft/det x (8.5 – 4.5 ) in2 x ---------- x ---------- x ---------4 144 in2 ft3 menit
Q
x 2 x (8.52 – 4.52) x 7.48 x 60 = ------------------------------------------ gpm 2.. x 144 = 254.58 gpm 13
2.7 Pertanyaan untuk Bab II Pertanyaan ini dimaksudkan untuk menguji pengertian pembaca pada bab II. Sub bab ini berisikan: -
soal
-
kunci
2.7.1 Soal Pilihlah salah satu jawaban yang benar! 1. Kehilangan tekanan disebut dengan istilah: a. pressure loss b. pressure drop c. a dan b benar 2. Bila pressure loss pada peralatan sirkulasi lumpur makin besar, maka tenaga yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur: a. makin besar b. makin kecil c. tetap saja 3. Tenaga pompa yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur disebut dengan: a. hydraulic horse power b. paracitic horse power c. pneumatic horse power 4. Bila rate sirkulasi lumpur dinaikkan maka tenaga yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur: a. makin besar b. makin kecil c. tetap saja 5. Hidrolika lumpur yang baik menghasilkan: a. pengangkatan cutting dari bawah bit sempurna b. penetration rate yang cepat c. jawaban a dan b benar 6. Rate aliran lumpur adalah:
a. jarak lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu b. volume lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu c. kehilangan tekanan lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu 14 7. Satuan dari rate sirkulasi umumnya adalah: a. fps b. pcf c. gpm 8. Kecepatan aliran lumpur atau velocity adalah: a. jarak lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu b. volume lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu c. kehilangan tekanan lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu 9. Satuan dari velocity umumnya adalah: a. fps b. pcf c. gpm 10. Untuk suatu harga rate aliran tertentu, ukuran diameter dalam pipa diperkecil, kecepatan aliran dalam pipa akan: a. lebih besar b. lebih kecil c. tetap saja 11. Untuk suatu harga rate aliran tertentu, ukuran diameter dalam pipa diperkecil, kecepatan aliran dalam annulus pipa akan: a. lebih besar b. lebih kecil c. tetap saja 12. Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir dengan rate 300 gpm. Kecepatan aliran dalam drill pipe adalah: a. 5.37 fps b. 5.73 fps c. 7.57 fps 13. Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir dengan rate 300 gpm. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe adalah: a. 2.59 fps b. 5.59 fps
c. 9.52 fps 15 14. Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir di annulus drill pipe 1.5 ft/detik. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Kecepatan aliran dalam drill pipe adalah: a. 2.59 fps b. 3.31 fps c. 3.13 fps 15. Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir di annulus drill pipe 1.5 ft/detik. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Rate aliran dalam drill pipe adalah: d. 137.5 gpm e. 315.7 gpm f.
173.5 gpm
2.7.2 Kunci Kunci soal adalah sbb: 1. c 2. a 3. a 4. a 5. c 6. b 7. c 8. a 9. a 10. a 11. b 12. b 13. a 14. b 15. c
16 III.
JENIS ALIRAN DAN JENIS FLUIDA
Jenis aliran lumpur dalam operasi pemboran dibedakan menjadi dua yaitu: -
laminar flow
-
turbulent flow
3.1 Laminar Flow Laminar flow adalah aliran yang berbentuk peluru. Kecepatan aliran terbesar adalah ditengah, makin ke dinding pipa mengecil. Aliran ini teratur, dimana lumpur yang mengalir sejajar dengan bentuk pipa yang dilalui. Aliran yang seperti ini kita kehendaki adalah di annulus lubang terbuka. Untuk jelasnya gambaran aliran laminar ini dapat dilihat pada gambar 4.
V
Gb.4. Laminar Flow 3.2 Turbulent Flow Turbulent flow merupakan aliran yang bergejolak. Aliran ini tidak teratur. Aliran yang seperti ini tidak kita kehendaki adalah di annulus lubang terbuka, karena dapat mengikis dinding lubang. Kalau hal ini terjadi akan menyebabkan lubang sumur. Gambaran aliran turbulen dapat dilihat pada gambar 5 berikut ini.
Gb.5. Turbulent Flow Pola atau jenis aliran tergantung sifat-sifat lumpur yang mengalir dan kecepatan alirannya serta parameter dimana lumpur mengalir. 17 Untuk menentukan jenis aliran lumpur dapat dilihat dari harga
-
bilangan Reynold
-
kecepatan aliran kritis
3.3 Bilangan Reynold (NR) Bilangan Reynold tergantung kepada: -
berat jenis lumpur (BJ)
-
viskositas lumpur (Vis)
-
diameter dalam pipa (ID), untuk dalam pipa
-
diameter luar pipa (OD), untuk di annulus pipa
-
diameter lubang (dh), untuk di annulus pipa dengan lubang
-
diameter dalam dari casing yang sudah terpasang (IDc) untuk di annulus pipa dengan casing
-
kecepatan aliran
Tabel 1. Penentuan Jenis Aliran berdasarkan bilangan Reynold Bila < 2000
Jenis Aliran Laminar
> 2000
Turbulen
Bilangan Reynold dalam pipa NR
928 BJ V ID = --------------- ............ (3-1) Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan casing NR
928 BJ Van (IDc – OD) = --------------------------- ............ (3-2) Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan dinding lubang NR
928 BJ Van (dh – OD) = -------------------------- ............ (3-3) Vis
Satuan yang digunakan untuk persamaan bilangan Reynold adalah sbb: -
berat jenis lumpur dalam ppg
-
viskositas lumpur dalam cp
-
diameter dalam inchi
-
kecepatan dalam ft/detik 18
Contoh 4 Drill pipe
: 4-1/2 in OD, 4,2 in ID
Drill collar
: 6 in OD, 2 in ID
Casing yang sudah terpasang 13-3/8” OD, 13.25” ID, 900 ft. Diameter bit adalah 8.5 in. Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik. Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan casing 0.67 ft/detik. Kecepatan aliran di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah 2.87 ft/detik. Kecepatan aliran di dalam drill pipe 5.9 ft/detik. Kecepatan aliran di dalam drill collar 26 ft/detik. Sifat-sifat lumpur adalah sbb: Berat jenis = 10 ppg Viskositas = 30 cp Tentukanlah jenis aliran: a. didalam drill pipe? b. Didalam drill collar? c. Didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang? d. Didalam annulus drill pipe dengan casing? e. Didalam annulus drill collar dengan dinding lubang? Penyelesaian: Didalam drill pipe: NR
BJ x Vdp x (IDdp) = 928 ----------------------Vis
NR
10 x 5.9 x (4.2) = 928 ----------------------30 = 7665
Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill pipe adalah turbulen. Didalam drill collar: NR
BJ x Vdc x (IDdc) = 928 ----------------------Vis 19
10 x 26 x (2) = 928 ----------------------- = 16085 30 Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill collar adalah turbulen. NR
Didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang. BJ x Vandp x (dh - ODdp)
NR
NR
= 928 ----------------------Vis 10 x 2 x (8.5 – 4.5) = 928 ----------------------30 = 2474
Menurut tabel 1 jenis aliran didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang adalah turbulen. Didalam annulus drill pipe dengan casing. NR
928 BJ x Van x (IDc - ODdp) = --------------------------------Vis
NR
928 10 x 0.67 x (13.25 – 4.5) = ------------------------------------30 = 610.25
3.4 Kecepatan Kritis Selain cara diatas untuk melihat apakah aliran itu laminar atau turbulen, maka ditentukan dahulu kecepatan kritisnya. Apabila kecepatan kritis lumpur lebih besar dari kecepatan aliran rata-rata, maka alirannya adalah laminar. Bila kecepatan rata-rata aliran lebih besar dari kecepatan kritis, maka jenis aliran lumpur adalah turbulen. Kecepatan kritis dipengaruhi oleh: -
viskositas plastik dari lumpur
-
yield point lumpur
-
berta jenis lumpur
-
ukuran lubang dan pipa
Kecepatan Kritis dalam pipa Kecepatan Kritis dalam pipa adalah: 20 2
Vc
2
1.078 PV + 1.078 (PV + 12.34 ID x YP x BJ) = ------------------------------------------------------------ .................... (3-4) ID x BJ
Dimana: Vc
: kecepatan kritis aliran dalam pipa, fps
PV
: viskositas plastik dari lumpur, cp
YP
: yield point lumpur, lb/100 ft2
Bj
: berat jenis lumpur, ppg
ID
: inside diameter dari pipa, inch
Kecepatan kritis dalam annulus Kecepatan kritis dalam annulus pipa adalah: 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-OD)2 x YP x BJ) Vcan = ------------------------------------------------------------ .................... (3-5) (dh-OD) x BJ Dimana: Vcan : kecepatan kritis aliran di annulus, fps PV
: viskositas plastik dari lumpur, cp
YP
: yield point lumpur, lb/square ft
BJ
: berat jenis lumpur, ppg
OD
: outside diameter dari pipa, inch
dh
: diameter lubang, inch (dalam casing diganti dengan IDc)
Contoh 5 Lanjutan soal contoh 4 Yield point adalah 15 lb/100 ft2 Tentukanlah jenis aliran lumpur berdasarkan kecepatan aliran kritis: a. dalam drill pipe b. dalam drill collar c. dalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka d. dalam annulus drill collar dengan lubang terbuka e. dalam annulus drill pipe dengan casing Penyelesaian Kecepatan kritis dalam drill pipe adalah: 21 2
2
1.078 PV + 1.078 (PV + 12.34 IDdp x YP x BJ) Vcdp = -----------------------------------------------------------IDdp x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 12.34 4.22 x 15 x 10) = -------------------------------------------------------------4.2 x 10 = 5.13 ft/detik Kecepatan aliran didalam drill pipe adalah 5.9 ft/detik dan lebih besar dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis aliran didalam drill pipe adalah turbulen. Kecepatan kritis dalam drill collar adalah:
Vcdc
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 IDdc2 x YP x BJ) = -------------------------------------------------------------IDdc x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 12.34 x 22 x 15 x 10) = -------------------------------------------------------------2 x 10 = 6.53 ft/detik
Kecepatan aliran didalam drill collar adalah 26 ft/detik dan lebih besar dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis aliran didalam drill collar adalah turbulen. Kecepatan kritis dalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah: Vcan dp-h
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdp)2 x YP x BJ) = -------------------------------------------------------------------(dh-ODdp) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (8.5 – 4.5)2 x 15 x 10) = ---------------------------------------------------------------------(8.5 – 4.5) x 10 = 4.91 ft/detik
Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah laminar. Kecepatan kritis dalam annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah: Vcan dc-h
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdc)2 x YP x BJ) = -------------------------------------------------------------------(dh-ODdc) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (8.5 – 6)2 x 15 x 10) = ---------------------------------------------------------------------(6 – 4.5) x 10 = 5.45 ft/detik 22
Kecepatan aliran di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah 2.87 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah laminar. Kecepatan kritis dalam annulus drill pipe dengan casing adalah: Vcan dp-c
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (IDc-ODdp)2 x YP x BJ) = ---------------------------------------------------------------------(IDc-ODdp) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (13.25 – 4.5)2 x 15 x 10) = -------------------------------------------------------------------------(13.25 – 4.5) x 10 = 4.4 ft/detik
Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan casing adalah 0.67 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan kritis alirannya. Sehingga jenis aliran di annulus drill pipe dengan casing adalah laminar. 3.5 Jenis Fluida Pemboran Lumpur pemboran termasuk fluida non Newtonian. Fluida non newtonian menunjukkan hubungan shearing stress dan shearing rate yang tidak konstan. Fluida non newtonian kita dibedakan menjadi dua, yaitu: -
Bingham Plastic Fluid
-
Power Law Fluid
3.5.1
Bingham Plastic Fluid
Hubungan matematis antara shearing stress dan shearing rate untuk bingham plastic fluid adalah sbb: SS = YP + (PV) SR ................................... (3-6) Dimana: SS
: shearing stress
SR
: shearing rate
YP
: yield point
PV
: viskositas plastik
Viskositas plastik diukur dengan viskosimeter. Dimana: PV = 0600 – 0300................................... (3-7) Dimana: 0600
: Hasil pembacaan dial reading pada putaran 600 rpm 23
0300
: Hasil pembacaan dial reading pada putaran 300 rpm SS
PV
YP
O
B 300
B 600
SR
Gb.6. Fluida Bingham Plastik 3.5.2
Power Flow Fluid
Lumpur pemboran termasuk power law fluid apabila mempunyai padatan yang rendah. Hubungan matematis antara shearing stress dan shearing rate untuk fluida power law adalah sbb: SS = K x (SR)n ......................... (3-8) Dimana: K
: Flow behaviour index
n
: consistency factor
Consistency factor dapat dicari dengan persamaan berikut: 0600 n = 3.32 log ------- ............................. (3-9) 0300 Bila harga K bertambah besar berarti padatan dalam lumpur bertambah. Behavior index dapat dicari dengan persamaan berikut: 0300 K = ------- ............................. (3-10) 511n Dalam bentuk log, persamaan (3-8) menjadi: Log SS = Log K + n log SR ................................ (3-11)
24 log SS
n
K
O
log SR
Gb.7. Fluida Power Law Contoh 6
Dari pengaturan lumpur menggunakan viscometer didapat data untuk putaran 300 rpm harga angka yang tetap adalah 35, untuk putaran 300 rpm harga angka yang tetap adalah 64. Berapakah harga: a. viskositas plastik b. yield point c. consistency index d. flow behavior index Penyelesaian a. Viskositas plastik adalah: PV = 0600 - 0300 = 64 – 35 = 29 cp b. Yield point adalah: YP = 0300 - PV = 35 – 29 = b lb/100 ft2 c. Consistency index 0600 N = 3.32 log -------0300 25 64 N = 3.32 log ----35 = 0.870 d. Flow behavior index dapat dicari dengan persamaan berikut: 0300 K = ------511n 35 K = -----5111 = 0.154 3.6
Latihan
Untuk menguji pengertian pembaca, cobalah menjawab soal yang diberikan. Kuncinya dapat dilihat pada akhir bab ini. 3.6.1
Soal
1. Bila partikel lumpur yang mengalir teratur dan sejajar dengan dinding pipa, maka pola alirannya adalah: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow 2. Kecepatan aliran terbesar pada pola laminar flow adalah: a. ditengah-tengah b. dipinggir dalam pipa c. jawaban a dan b benar 3. Pola aliran dalam annulus rangkaian pemboran dengan lubang terbuka dikehendaki: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow 4. Pada pola aliran turbulent flow: a. alirannya bergejolak b. alirannya teratur c. partikel mengalir sejajar dengan dinding pipa 26 5. Bila lumpur mengalir di annulus lubang terbuka turbulent flow, maka a. lumpur akan mengikis dinding lubang b. rangkaian pemboran cepat berkarat c. rangkaian pemboran mudah terkikis 6. Bila bilangan Reynold harganya 4000, maka pola aliran: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow 7. Bila bilangan Reynold harganya 2000, maka pola aliran: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow 8. Bila kecepatan aliran di annulus 1.5 ft/detik dan kecepatan kritis aliran di annulus 2.5 ft/detik, maka pola aliran: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow
9. Bila kecepatan aliran di annulus 2.5 ft/detik dan kecepatan kritis aliran di annulus 1.5 ft/detik, maka pola aliran: a. turbulent flow b. laminar flow c. plug flow 10. Bila berat jenis
lumpur adalah 10 ppg, viskositas lumpur 30 cp, yield point
lumpur 16 lb/100ft2, ukuran drill pipe adalah 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft. Reynold number harganya: a. 5389 b. 3233 c. 5838 11. Bila berat jenis lumpur adalah 10 ppg, viskositas lumpur 30 cp, yield point lumpur 16 lb/100ft2, ukuran drill pipe adalah 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft. Kecepatan kritis adalah: a. 6.55 ft/detik b. 5.65 ft/detik c. 5.56 ft/detik 27 12. Bila Reynold number harganya adalah 20000, ID drill pipe adalah 4.276 inchi, faktor gesekan adalah: a. 0.0066 b. 0.0076 c. 0.0086 13. Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah: Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50 Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80. Plastic viscosity lumpur adalah: a. 30 cp b. 40 cp c. 20 cp 14. Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah: Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50. Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80. Yield point viscosity lumpur adalah: a. 30 lb/100ft2 b. 40 lb/100ft2
c. 20 lb/100ft2 15. Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah: Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50. Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80. Consistency index lumpur adalah: a. 0.678 b. 0.767 c. 0.876 16. Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah: Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50. Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80. Flow behavior index lumpur adalah: d. 0.279 e. 0.729 f.
0.792 28
Kunci 1. a
9. a
2. a
10. b
3. c
11. c
4. a
12. a
5. a
13. a
6. c
14. c
7. b
15. a
8. b
16. b
4
SWIVEL PRESSURE LOSS
ROTARY HOSE
Pressure loss adalah kehilangan tekanan diwaktu fluida mengalir. Dalam hidrolika KELLY
STANDPIPE lumpur pressure loss merupakan tekanan yang diperlukan untuk mensirkulasikan
lumpur. Pressure loss total dihitung dari pressure loss pada peralatan-peralatan yang MUD TANK dilalui lumpur saat bersirkulasi. Gambaran peralatan yang dilalui lumpur saat bersirkulasi dapat dilihat pada gambar MUD PUMP
8 berikut ini.
DP
DC
BIT
Gb.8. Peralatan Sirkulasi Lumpur 29 Pressure loss ini dikelompokkan menjadi: -
pressure loss di permukaan, Psc, yang terdiri dari pressure loss di: •
flow line
•
stand pipe
•
rotary hose
•
kelly
-
pressure loss didalam drill pipe, Pdp
-
pressure loss didalam drill collar, Pdc
-
pressure loss di bit, Pb
-
pressure loss didalam annulus drill collar, P andc
-
pressure loss didalam drill pipe, P andp
Dalam membahas pressure loss dianalisa dengan cara: -
bingham plastic model
-
power law model
4.1 Penentuan Harga Pressure Loss secara Bingham Plastic Model Cara ini adalah dengan menganggap lumpur pemboran yang digunakan digolongkan kepada Bingham plastic fluid. 4.1.1 Pressure loss didalam pipa Bila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam pipa adalah sebagai berikut:
P
(PV) x L x V (YP) x L = --------------- + ------------.................... (4-1) 1500 ID2 225 ID
Dimana: PV
: plastic viscosity, dalam cp
L
: panjang pipa yang dilalui, dalam ft
V
: kecepatan aliran didalam pipa, dalam ft/detik
YP
: yield point, dalam lb/100 ft2
P
: pressure loss didalam pipa, psi
ID
: diameter dalam dari pipa, dalam inch
Bila aliran adalah turbulent maka pressure loss didalam pipa adalah sbb:
30 P
f x L x BJ x V2 = ------------------- .................... (4-2) 25.8 ID
Dimana: f
: adalah faktor gesekan, tanpa satuan
BJ
: berat jenis lumpur, dalam ppg
Harga faktor geselan dapat dicari dengan menggunakan chart Funning. Sket dari chart Funning dapat dilihat pada gambar berikut. Untuk mencari harga ini maka tentukanlah terlebih dahulu bilangan Reynold (NR). Pada chart Funning pada gambar 9, untuk mencari harga f adalah dengan jalan menarik garis tegak dari harga NR tertentu dengan memotong ID tertentu. Kemudian tarik garis datar ke kanan memotong harga f.
f ID
NRE
Gb.9. Hubungan Reynold Number
Contoh 7 Bila diketahui suatu pipa mempunyai diameter dalam 4 inch dan bilangan Reynold 6000. Berapakah harga faktor gesekan? Penyelesaian NR
= 6000
ID
= 4 inch
Lihat gambar 10, didapat harga f = 0.009 Pressure loss didalam drill pipe Bila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam drill pipe adalah sbb: 31 Pdp
(PV) x Ldp x Vdp (YP) x Ldp = --------------------- + --------------.................... (4-3) 1500 (IDdp)2 225 IDdp
Dimana: Ldp
: panjang drill pipe yang dilalui, dalam ft
Vdp
: kecepatan aliran didalam drill pipe, dalam ft/detik
Pdp
: pressure loss didalam drill pipe, psi
IDdp
: diameter dalam dari drill pipe, dalam inch
Bila aliran didalam drill pipe adalah turbulen, maka pressure loss adalah sbb: Pdp
f x Ldp x BJ x Vdp2 = ------------------------ .................... (4-4) 25.8 IDdp
Contoh 8 Drill pipe 4.5”OD, 4.2”ID, 4500 ft. Kecepatan aliran didalam DP adalah 5.9 ft/detik. Berat jenis lumpur 10 ppg. Aliran didalam drill pipe adalah turbulen. Faktor gesekan adalah 0.008. Berapakah pressure loss disepanjang drill pipe? Penyelesaian Pdp
f x Ldp x BJ x Vdp2 = ------------------------25.8 IDdp
Pdp
0.008 x 4500 x 10 x (5.9)2 = ------------------------25.8 x 4.2 = 115.64 psi
Pressure loss didalam drill collar Bila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam drill collar adalah sbb:
Pdc
(PV) x Ldc x Vdc (YP) x Ldc = --------------------- + --------------.................... (4-5) 1500 (IDdc)2 225 IDdc
Dimana: Ldc
: panjang drill collar yang dilalui, dalam ft
Vdc
: kecepatan aliran didalam drill collar, dalam ft/detik
Pdc
: pressure loss didalam collar pipe, psi
IDdc
: diameter dalam dari drill collar, dalam inch
Bila aliran didalam drill collar adalah turbulen, maka pressure loss adalah sbb: 32 Pdc
f x Ldc x BJ x Vdc2 = ------------------------ .................... (4-6) 25.8 IDdc
4.1.2 Latihan Pertanyaan Soal 1. Lumpur yang mengalir mempunyai berat jenis 10 ppg. Viskositas 30 cp, yield point 16 lb/100ft2. Lumpur mengalir didalam drill pipe 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft dengan kecepatan 5 ft/detik, aliran laminar. Pressure loss sepanjang drill pipe adalah: a. 421.22 psi b. 211.44 psi c. 124.44 psi 2. Lumpur yang mengalir mempunyai berat jenis 10 ppg. Viskositas 30 cp, yield point 16 lb/100ft2. Lumpur mengalir didalam drill pipe 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft dengan kecepatan 9 ft/detik, aliran turbulen, faktor gesekan adalah 0.0075. Pressure loss sepanjang drill pipe adalah: a. 539.13 psi b. 313.95 psi c. 395.13 psi Kunci 1. c 2. b DAFTAR PUSTAKA
1. Azar, J.J: “Drilling Fluid”, The University of Tulsa, Oklahoma. 2. Adam, Neal, J.: “Drilling Engineering, Complete Well Planning Approach”, Penn Well Publishing Company, Tulsa, Oklahoma, 1985. 3. Anon: “A guide to oil well cement and cementing additives”, Petroleum Equipment and Services, 1968. 4. Bakerline Service: “Product/Service Catalog”, A Baker Toll Co., San Antonio, 1981. 5. Bambang T. : “Teknik Pemboran II”. PATRA, ITB, Bandung, 1970. 33 6. Brantly J.E: “Rotary Drilling Handbook”, Palmer Publ., New York, 1961. 7. Barid Division:” Flow Characteristics and Gelstrength”, NL Industries, Houston, Texas, 77001. 8. Craft and Holden: “Well Design Drilling and Production”, New Jersey, 1962. 9. Halliburton Services: Salae and Services catalog, Number 41, Halliburton Company, Duncan, 1983. 10. Hall, H.N., Thomson, Howard and Nuss, Frank: Ability of Drilling Mud to Lift Bit Cutting, Trans-AIME, Vol.189, 1950.
34 PENUTUP Syukur Alhamdulillah buku Hidrolika Pemboran Jilid I ini telah dapat penulis selesaikan dengan tidak mengalami halangan yang berarti. Mudah-mudahan dengan membaca dan mempelajari buku ini pembaca dapat memperoleh pengertian tentang dasar-dasar hidrolika lumpur pemboran dengan baik. Buku ini berjumlah lengkap dan untuk lebih dapat memahami Hidrolika Lumpur Pemboran yang lebih sempurna, penulia menyarankan agar mempelajari juga buku Hidrolika Lumpur Pemboran jilid-jilid selanjutnya. Semoga buku ini bermanfaat dan terima kasih. Cepu, April 1996 Hormat Penulis
