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.
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 V
- 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 Jenis Aliran
< 2000 > 2000
Laminar Turbulen Bilangan Reynold dalam pipa
928 BJ V ID
NR = --- ... (3-1) Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan casing 928 BJ Van (IDc – OD)
NR = --- ... (3-2) Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan dinding lubang 928 BJ Van (dh – OD)
NR = --- ... (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:
BJ x Vdp x (IDdp) NR = 928 ---Vis 10 x 5.9 x (4.2) NR = 928 ---30 = 7665
Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill pipe adalah turbulen. Didalam drill collar:
BJ x Vdc x (IDdc) NR = 928 ---Vis 19 10 x 26 x (2) NR = 928 --- = 16085 30
Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill collar adalah turbulen. Didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang.
NR = 928 ---Vis 10 x 2 x (8.5 – 4.5) NR = 928 ---30 = 2474
Menurut tabel 1 jenis aliran didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang adalah turbulen.
Didalam annulus drill pipe dengan casing. 928 BJ x Van x (IDc - ODdp) NR = ---Vis 928 10 x 0.67 x (13.25 – 4.5) NR = 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
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 ID2 x YP x BJ)
Vc = --- ... (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 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 IDdp2 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.
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 IDdc2 x YP x BJ) Vcdc = --- 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: 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdp)2 x YP x BJ) Vcan dp-h = --- (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: 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdc)2 x YP x BJ) Vcan dc-h = --- (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:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (IDc-ODdp)2 x YP x BJ) Vcan dp-c = --- (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
YP
B 300 B 600 SR
PV
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
Gb.7. Fluida Power Law
Contoh 6 log SS K log SR n O
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.
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
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 2. a 3. c 4. a 5. a 6. c 7. b 8. b 9. a 10. b 11. c 12. a 13. a 14. c 15. a 16. b 4 PRESSURE LOSS
Pressure loss adalah kehilangan tekanan diwaktu fluida mengalir. Dalam hidrolika lumpur pressure loss merupakan tekanan yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur. Pressure loss total dihitung dari pressure loss pada peralatan-peralatan yang dilalui lumpur saat bersirkulasi.
Gambaran peralatan yang dilalui lumpur saat bersirkulasi dapat dilihat pada gambar 8 berikut ini. SWIVEL ROTARY HOSE STANDPIPE MUD PUMP MUD TANK KELLY BIT DC DP
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
(PV) x L x V (YP) x L
P = --- + ---... (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
f x L x BJ x V2
P = --- ... (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.
Gb.9. Hubungan Reynold Number
ID f
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
(PV) x Ldp x Vdp (YP) x Ldp
Pdp = --- + ---... (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: f x Ldp x BJ x Vdp2
Pdp = --- ... (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 f x Ldp x BJ x Vdp2 Pdp = 25.8 IDdp 0.008 x 4500 x 10 x (5.9)2 Pdp = 25.8 x 4.2 = 115.64 psi
Pressure loss didalam drill collar
(PV) x Ldc x Vdc (YP) x Ldc
Pdc = --- + ---... (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 f x Ldc x BJ x Vdc2 Pdc = --- ... (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