4.2.4. Perencanaan Sistem Lumpur 1. Fungsi Lumpur
4.2.5.6. Perhitungan Desain Casing
4.2.5.6.1. Surface Casing -Beban Burst
Beban burst untuk surface casing ditimbulkan oleh kolom gas yang mengisi seluruh panjang casing. Karena tekanan injeksi pada kedalaman surface casing relatif rendah, maka batas tekanan maximum di permukaan dapat diabaikan, atau dapat diartikan bahwa tekanan peralatan BOP lebih besar dari tekanan gas di permukaan. Sehingga batasan tekanan maksimum hanya terdapat pada kaki casing sebesar tekanan injeksi.
IP = 0.052 (Gfr + SF) D………...…………(4-48) IP = 0.052 (Gfr + 1) Ls ………(4-49) dimana :
IP = Tekanan injeksi pada kaki casing, psi. Gfr= Gradient tekanan rekah, ppg.
SF = Safety Factor, 1 ppg. D = Kedalaman, ft.
Ls = Panjang surface casing, ft.
Dengan menganggap gradient hidrostatik gas sebesar 0.115 psi/ft maka tekanan gas dipermukaan adalah tekanan injeksi dikurangi tekanan hidrostatik gas.
Ps = IP – (0.052 g Ls) ………...…(4-50) = {0.052 (Grf + 1) – 0.115}Ls ………...…….(4-51) Secara grafis desain untuk surface casing ini dapat dilihat pada gambar 4.25. a. beban collapse = resultan, karena didalam casing kosong.
b. garis desain = a x desain factor.
Garis yang menghubungkan tyitik Ps dan titik IP disebut garis beban burst. Pada kenyataannya casing juga mendapat tekanan dari luar yang sifatnya membantu casing untuk menahan beban burst. Pada metode maksimum load beranggapan bahwa tekanan luar casing minimal sebesar tekanan hidrostatik kolom air asin. Jadi :
Pe = 0.052 f Ls………...…..(4-52) Pe = 0.465 Ls………..(4-53) Dengan Pe merupakan tekanan di luar casing, sehingga resultan beban burst sama dengan beban burst dikurangi tekanan di luar casing. Garis desain diperoleh dari
mengalikan resultan dengan desain factor. Garis desain ini merupakan kekuatan burst minimal casing yang harus dipasang.
Dimana :
Ls = panjang surface casing,ft. g = densitas gas, ppg
m = densitas lumpur. Ppg. f = densitas fluida, ppg. IP = tekanan injeksi, psi Pfr = tekanan rekah, psi. Pf = tekanan formasi, psi. Pe = tekanan di luar casing, psi.
Gambar 4.25.
Beban Burst Pada Surface Casing32) - Beban Collapse
Pada surface casing umumnya penyemenan dilakukan sampai permukaan. Tinggi kolom semen ini memberikan beban collapse pada casing yang besarnya
sama dengan tekanan hidrostatik semen. Karena kedalaman surface casing relatif dangkal, lost circulation yang terjadi dapat memungkinkan kolom lumpur turun hingga di bawah kaki casing, ini berarti bahwa di dalam casing kosong, tidak ada fluida yang membantu casing menahan collapse. Kondisi seperti ini merupakan kondisi terburuk beban collapse untuk surface casing.
Gambar 4.26.
Beban Collapse Pada Surface Casing32) 4.2.5.6.2. Intermediate Casing
- Beban Burst
Beban burst di dalam intermediate casing dibentuk oleh dua macam fluida yaitu lumpur terberat yang akan digunakan dan gas. Dengan menggunakan densitas lumpur terberat dalam perhitungan maka berarti tekanan hidrostatis pada casing lebih besar, sehingga diharapkan dapat diperoleh casing dengan kwalitas yang paling kuat. Beban burst pada intermediate casing dapat dilihat pada gambar 4.27.
Gambar 4.27.
Beban Burst Pada Intermediate Casing32) Keterangan gambar :
Li = panjang intermediate casing, ft Hm= tinggi kolom lumpur terberat, ft. Hg = tinggi kolom gas, ft
f = densitas fluida, ppg. Pe = tekanan di luar casing, psi. C = resultan = A – B
D = garis desain = C x desain factor.
B = batas tekanan maksimum untuk intermediate casing. - Di Permukaan Ps = PBOP - Di Kaki Casing IP = 0.052 (Gfr + 1) D………..(4-54) IP = 0.052 (Gfr + 1) Li………...………..(4-55) Dengan :
Ps = tekanan di permukaan, psi. Gfr= gradient tekanan rekah, ppg Li = panjang intermediate casing, ft D = kedalaman, ft
Dengan kedua batasan tekanan maksimum tersebut akan ditentukan berapa tinggi kolom masing – masing fluida sehingga memberikan beban burst yang terbesar. Untuk lumpur dan gas yang berada di dalam intermediate casing, maka :
Hm + Hg = Li Dengan :
Hm= tinggi kolom lumpur terberat, ft. Hg = tinggi kolom gas, ft.
Dengan menganggap gradient hidrostatis gas sebesar 0.115 psi/ft, maka :
IP = Ps + 0.0052 (Gfr + 1) Li ………...………...(4-56) 0.0052 (Gfr + 1) Li = (0.052 m Hm) + (0.115 Hg)………(4-57) Persamaan di atas merupakan persamaan dengan dua variable yang tidak diketahui (Hm dan Hf), sehingga
m m fr ρ 0.052 0.0052 Li ρ 0.0052 Ps Li 1 G 0.0052 Hg ………...……(4-58)Terdapat dua kemungkinan kedudukan kolom gas dan lumpur di dalam casing. Pertama kolom gas berada di atas dan lumpur di bawah, kedua kolom gas berada di bawah dan kolom lumpur di atas. Dari dua kemungkinan tersebut dapat dilihat dengan jelas bahwa kemungkinan kedua memberikan beban burst yang paling besar. Dalam perhitungan maka kemungkinan kedua yang dipakai. Sebagaimana diketahui di luar casing juga terdapat tekanan yang membantu casing dalam menahan beban burst minimal sebesar gradient hidrostatis air asin = 0.465 psi/ft, jadi
Pe = 0.052 f Li………...………(4-59) - BebanCollapse
Beban collapse pada intermediate casing terdiri atas tekanan hidrostatik lumpur saat casing dipasang dan tekanan hidrostatis semen. Secara keseluruhan ditunjukan oleh garis OP1P2 pada gambar 4.28.
P1 = 0.052 m1 Lme Dan
Kondisi terburuk terjadi apabila lumpur terberat mengalami lost circulation, sehingga kolom lumpur dalam casing akan berkurang. Lost circulation terjadi antara lain karena turunnya gradient tekanan formasi. Tetapi perlu diingat bahwa batas minimum gradient tekanan formasi adalah sebesar gradient tekanan hidrostatis air asin, atau sebesar 0.465 psi/ft. Karena pada metode maksimum load selalu mencari kondisi terburuk untuk setiap pembebanan, maka dianggap gradient tekanan formasi turun sampai ke batas minimumnya ini. Pada interval kedalaman lubang yang belum dicasing dapat dipahami bahwa tekanan formasi terkecil akan berada tepat di bawah kaki casing. Sehingga kolom lumpur terberat dalam casing akan turun sampai terdapat kesetimbangan anatar tekanan hidrostatis lumpur dengan tekanan formasi di bawah kaki casing. Dengan demikian hal ini akan memberikan tinggi kolom lumpur tersisa (Lm2) di dalam casing yang paling kecil. Jadi tekanan formasi minimum pada kaki casing :
P sub 3 = 0.465 D2………(4-61) Dan tekanan hidrostatis lumpur terberat pada kaki casing setelah lost adalah : P3 = 0.052 m Lm2……….(4-62) m2 2 2 m2 3 ρ 0.052 D 0.465 D ρ 0.052 D ………...(4-63) 2 m3 3 D ρ 8.942 1 D ……….(4-64) dimana :
D2 = kedalaman kaki casing, ft
Gambar 4.28.
Beban Collapse Pada Intermediate Casing32) 4.2.5.6.3. Production Casing
- Beban Burst
Pada production casing perhitungan beban burst tidak lagi didasarkan kepada kondisi saat sumur mengalami kick, dan dengan demikian batasan tekanan maksimum di permukaan dan di kaki casing tidak dipergunakan.
Karena pada tahap ini sumur telah berproduksi, maka pembebanan pada casing diakibatkan pula oleh masalah yang timbul ketika sumur tersebut berproduksi. Pada sumur produksi umumnya ruang antara tubing dengan production casing diisi oleh suatu cairan yang biasa dikenal dengan packer fluid. Densitas packer fluid ini sama dengan densitas fluida yang terdapat di luar production casing (air asin) atau sekitar 9 ppg. Dengan demikian pada kondisi normal tekanan hidrostatis kedua fluida pada casing akan saling meniadakan, sehingga casing tidak menerima beban burst maupun collapse. Kondisi terburuk
untuk burst adalah apabila terdapat kebocoran pada pipa tubing dekat permukaan dan mengakibatkan fluida produksi, diambil contoh gas akan masuk ke dalam packer fluid.
Dengan mengabaikan kehilangan tekanan di sepanjang tubing maka tekanan gas tersebut pada packer fluid di permukaan sama dengan tekanan dasar sumur. Beban burst pada production casing ditunjukkan oleh garis (a).
Tekanan di permukaan :
Ps = BHP………...………...(4-65) Pcs = Ps + 0.052 Pf Lpd……….(4-66) Dimana :
BHP = tekanan dasar sumur, psi. Pcs = tekanan di kaki casing, psi. pf = densitas packer fluid, ppg. Lpd = panjang production casing, ft
Umumnya densitas packer fluid dipakai yang ringan agar tidak menimbulkan beban burst yang besar pada kaki casing. Tekanan di luar casing sebagaimana diketahui adalah minimal sebesar tekanan hidrostatis air asin.
Gambar 4.29.
Beban Burst Pada Production Casing32) Keterangan gambar :
THP = Tubing Head Pressure, psi. PF = densitas packer fluid, ppg F = densitas fluida, ppg. Ps = tekanan di permukaan, psi. Pe = tekanan di luar casing, psi. a = beban burst, psi.
b = tekanan di luar casing, psi c = resultan = a – b
- Beban Collapse
Seperti pada intermediate casing maka beban collapse pada production casing juga terdiri atas tekanan hidrostatis Lumpur saat casing dipasang dan tekanan hidrostatis semen di annulus. Pada gambar 4.30. beban collapse ditunjukkan oleh garis OP1P2.
Gambar 4.30.
Beban Collapse Pada Production Casing32) Keterangan Gambar :
m = densitas lumpur saat casing dipasang, ppg s = densitas semen, ppg.
Lm = tinggi kolom lumpur, ft. Hs = tinggi kolom semen, ft. D = kedalaman, ft.
P = tekanan, psi. Dimana :
P1 = 0.052 m Lm………(4-68) Sebagaimana disebutkan pada sub bab sebelumnya, ruang antara tubing dengan production casing diisi oleh packer fluid. Kondisi terburuk terjadi apabila penyekat di dasar sumur bocor sehingga seluruh kolom packer fluid menghilang. Dan dengan demikian casing menahan beban collapse tanpa mendapat bantuan tekanan dari dalam. Pada gambar 4.29. karena di dalam casing kosong, maka : OP1P2 = resultan (a)
Garis desain (b) = a x desain factor. 4.2.5.6.4. Beban Tension
Beban tension sebagaimana diketahui adalah beban dari berat rangkaian casing yang digantung di dalam sumur. Tetapi dengan adanya lumpur di dalam sumur tersebut akan memberi gaya apung terhadap casing, sehingga berat casing di dalam lumpur lebih ringan bila dibandingkan dengan berat lumpur di udara. Akibat lain dari adanya gaya apung ini adalah bahwa pada sebagaian rangkaian casing tepatnya pada bagian bawah casing berada pada kondisi compressive dan selebihnya dalam kondisi tension. Titik netral merupakan titik pada rangkaian casing yang tidak berada dalam kondisi kompressi maupun tension. Distribusi beban tension pada rangkaian casing dapat digambarkan sebagai berikut.
Gambar 4.31. Beban Tension 32) Keterangan gambar :
1, 2, 3 = menyatakan seksi dari casing D = kedalaman, ft.
L = panjang casing, ft.
Untuk beban tension di permukaan dapat digambarkan dalam bentuk persamaan sebagai berikut :
Ts = W1 + BF1 + W2 + BF2 + W3 + BF3………...(4-69) Titik netral sebagaimana dijelaskan di atas adalah titik pada rangkaian casing dimana beban axial sama dengan 0 (nol). Letak kedalaman titik netral dapat ditentukan dengan persamaan berikut :
1 1 1 1 x D W BF D Tn ………...…………..(4-70)
Dengan Tn adalah letak kedalaman titik netral dalam ft. untuk mendapatkan garis desain tension maka dilakukan sebagai berikut :
1. Tambahkan pada garis beban tension beban over pull sebesar 100.000 lbs. Over pull merupakan factor keamanan, apabila rangkaian casing terjepit sehingga diperlukan gaya tambahan untuk melepasnya.
2. Kalikan garis beban tension dengan desain factor 1.6 maka garis desain tension dipilih mana yang memberikan harga lebih besar di antara keduanya. Pada gambar 4.31 :
a = garis beban tension
b. = garis beban tension + 100.000 lbs. c.= garis beban tension x 1.6
Pada gambar tersebut b dan c berpotongan sehingga garis desain tension adalah yang bercetak tebal. Garis desain tension dipergunakan untuk menguji body yield strength dan joint strength casing yang dipakai. Selain itu juga akan dipakai dalam perhitungan beban biaxial.