HUBUNGAN DRILABILITAS DENGAN SIFAT FISIK DAN SIFAT
MEKANIK BATUAN PADA LAPANGAN MINYAK DAN GAS
BUMI DI CEKUNGAN JAWA BARAT UTARA
ABSTRAK DISERTASI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Bidang Ilmu Teknik dari Institut Teknologi Bandung Dipertahankan pada Sidang Terbuka Komisi Program Doktor
Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung Tanggal 29 Juli 2000
Oleh: Sudarmoyo
Promotor : Prof Dr. In Purwanto Mardisewojo Ko-promotor : Dr.Ir. Dody Nawangsidi
Dr.Ir. Made Astawa Rai
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2000
ABSTRAK
Dalam industri perminyakan, pemboran sumur minyak dan gas bumi merupakan salah satu kegiatan utama dalam eksplorasi dan eksploitasi minyak dan gas bumi. Dalam setiap operasi pemboran selalu dituntut bahwa target pemboran harus dapat dicapai secara baik dengan laju penembusan batuan (laju pemboran) yang optimum. Laju penembusan batuan adalah jarak penembusan pahat bor kedalam batuan per satuan waktu (ft/jam). Salah satu faktor yang mempengaruhi laju penembusan batuan adalah drilabilitas batuan, yaitu ukuran kemudahan suatu batuan untuk di bor (in3/1b-in). Drilabilitas batuan ini mempunyai hubungan berbanding terbalik dengan kuat tekan batuan.
Untuk memperoleh laju penembusan batuan yang optimum harus dilakukan perencanaan pemboran yang lebih baik. Salah satu prasyarat adalah harga drilabilitas batuan yang akan di bor harus dapat ditentukan (diprediksi) dengan akurat. Kemampuan untuk dapat memprediksi drilabilitas formasi batuan merupakan sesuatu yang sangat didambakan oleh setiap industri perminyakan, karena drilabilitas batuan merupakan parameter penting sebagai salah satu data masukan untuk perencanaan pemboran sumur. Dalam hal ini, tentunya metode penentuan (prediksi) drilabilitas batuan sangat dibutuhkan oleh setiap industri perminyakan.
Berdasarkan kajian pustaka, belum diperoleh kejelasan tentang perilaku drilabilitas batuan, dan juga hubungan drilabilitas dengan sifat fisik dan sifat mekanik batuan, karena penelitian tentang drilabilitas ini relatif masih jarang dilakukan, khususnya pada lapangan minyak dan gas bumi di Indonesia. Oleh karena itu, penelitian tentang drilabilitas batuan dilakukan. Implementasi prinsip-prinsip geomekanik pada teknik pemboran dan penilaian formasi merupakan suatu dasar pertimbangan utama dari penelitian ini.
Penelitian ini merupakan salah satu upaya dalam mengungkap kejelasan perilaku drilabilitas batuan dan hubungannya dengan sifat fisik dan sifat mekanik batuan. Tujuan utama penelitian ini adalah mengusulkan model persamaan empirik hubungan drilabilitas dengan sifat fisik dan sifat mekanik batuan. Berdasarkan persamaan empirik ini dikembangkan suatu metode penentuan (prediksi) drilabilitas batuan.
Penelitian ini diawali dari model persamaan drilabilitas batuan yang diturunkan secara analisis dimensi dari laju penembusan batuan (ft/jam). Laju penembusan batuan ini sesungguhnya merupakan hasil interaksi antara sistem pemboran surnur dengan menggunakan pahat rolling cutter,
sifat batuan yang di bor dan sistem sirkulasi fluida pemboran. Persamaan empirik hubungan drilabilitas dengan sifat fisik dan sifat mekanik batuan dikembangkan berdasarkan data hasil pengukuran pada sumur-sumur minyak dan gas bumi yang dipilih sebagai sumur penelitian di beberapa lapangan minyak dan gas bumi Pertamina di cekungan Jawa Barat Utara, meliputi data pemboran (drilling records) dan log sumuran (well logging) yang dikombinasikan dengan percobaan percontoh batu (core) di laboratorium.
Besaran kuat tekan batuan yang diukur di laboratorium diperlukan untuk kuantifikasi keakuratan dari model persamaan drilabilitas yang digunakan.
Diskripsi kuantitatif drilabilitas batuan dan- sifat dinamik batuan diselidiki melalui analisis data lobang bor, seperti rekaman data pemboran dan log sumuran terutama log Sonik, log Densitas dan log Neutron. Sifat statik batuan pada kondisi insitu diselidiki melalui percobaan percontoh batu di laboratorium. Peralatan laboratorium yang digunakan adalah satu unit set triaksial tekanan-tinggi. Alat set triaksial ini dirancang dan dibangun untuk meniru kondisi lobang bor sebenarnya, yaitu dengan memberikan tekanan pemampatan dan tekanan pori. Satu unit transduser gelombang tekan ultrasonik dan strain gauge dipasang didalam set ini. Keuntungan alat set triaksial tekanan-tinggi iniadalah dapat mengukur besaran sifat mekanik batuan dan waktu rambat (transit time) gelombang tekan ultrasonik percontoh batu dari lobang bor dalam secara serempak pada kondisi tegangan seperti ditempat anal (insitu).
Persamaan-persamaan empirik hubungan drilabiftas dengan kuat tekan batuan, hubungan drilabilitas dengan porositas batuan, hubungan drilabilitas dengan transit time dan hubungan drilabilitas dengan densitas batuan ditentukan melalui analisis korelasi dan regresi.
Dari penelitian ini dapat dihasilkan persamaan persamaan empirik hubungan drilabilitas batuan dengan sifat mekanik dan sifat fisik batuan dan dengan menggunakan suatu metode tertentu drilabilitas formasi batuan dapat diprediksi. Dengan dapat diprediksinya harga drilabilitas batuan dari formasi yang akan di bor, dan dengan menggunakan data masukan tertentu seperti jenis dan ukuran pahat, beban pada pahat (WOB) dan kecepatan putar pahat (RPM), maka laju pemboran yang optimum dapat diperkirakan dengan lebih baik.
Metode prediksi drilabilitas batuan dapat dikelompokkan menjadi 2 cara, yaitu pertama prediksi dengan cara perhitungan menggunakan persamaan empirik dan kedua prediksi dengan menggunakan nomograph untuk mempermudah dan lebih praktis untuk pemakaian di lapangan.
Prosedur prediksi drilabilitas batuan baik dengan cara perhitungan maupun menggunakan nomograph adalah sebagai berikut,
1. Tentukan formasi batuan atau jenis batuan yang akan ditembus oleh pahat pemboran, yaitu batuan limestone atau bukan limestone (batuan pasir dan batuan volkanik).
2. Gunakan data sifat mekanik dan sifat fisik batuan yang ada di lapangan. Alternatif pertama yang harus digunakan adalah data kuat tekan batuan. Jika data kuat tekan batuan tidak tersedia, alternatif kedua adalah gunakan data porositas batuan. Jika data porositas batuan tidak tersedia, Alernatif ketiga adalah gunakan data transit time batuan atau data densitas batuan.
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Secara umum, korelasi drilabilitas dengan sifat fisik dan sifat mekanik batuan menunjukkan kecenderungan hubungan eksponensial.
2. Parameter kuat tekan, porositas, densitas atau transit time batuan adalah urutan prioritas sifat batuan untuk prediksi drilabilitas batuan, khususnya di cekungan Jawa Barat Utara. Pada harga porositas batuan < 28 %, transit time batuan > 57 µsec/ft dan densitas batuan > 2.4 gr./cc, drilabilitas batuan limestone lebih besar dari pada drilabilitas batuan sandstone.
3. Faktor kedalaman formasi batuan berpengaruh terhadap harga drilabilitas batuan, seperti ditunjukkan oleh drilabilitas Formasi Limestone Cibulakan Atas (kedalaman rendah) lebih besar daripada drilabilitas Formasi Limestone Baturaja dan Formasi Volkanik Jatibarang. Akan tetapi pengaruh kedalaman ini menjadi tidak berlaku bagi Formasi Volkanik Jatibarang (kedalaman paling tinggi) jika porositas batuan volkanik tersebut > 15 %, yaitu drilabilitas Formasi Volkanik menjadi lebih besar dari Formasi Limestone Baturaja.
4. Drilabilitas batuan di beberapa lapangan minyak dan gas bumi di cekungan Jawa Barat Utara merupakan parameter spesifik yang besarnya bervariasi antara lokasi sumur yang sate dengan lainnya. Untuk penentuan drilabilitas batuan berdasarkan sifat fisik atau sifat mekanik batuan, dalam tulisan ini telah diusulkan metode prediksi berdasarkan persamaan empirik.
5. Unit peralatan sel triaksial tekanan tinggi dan perlengkapannya beserta prosedur percobaan telah dibangun. Peralatan ini dapat digunakan untuk penelitian uji triaksial batuan dari lapangan minyak dan gas bumi yang lain.
RELATIONSHIPS BETWEEN ROCK DRILLABILITY TO
PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ROCK IN OIL
AND GAS FIELDS IN NORTHERN WEST JAVA BASIN
In oil industry, the oil and gas well drilling is one of the main activity in oil and gas exploration and exploitation. In every drilling operation is always required that the drilling target must be able to be achieved well with optimum rate of penetration or optimum drilling rate. Rate of penetration is a distance of bit penetration into rock formation per time units (ft/hour). One of the most important factors which affects rate of penetration is rock drillability. Rock drillability is a measure of how ease the rock to be drilled (in3/lb-in), it is inversely related to rock compressive
strength.
To achieve the optimum drilling rate is required a drilling design better. One of the requirements is data of rock drillability that will be drilled must be able to be determined before, since the rock drillability is an important parameter as one of the input data for drilling design purpose in oil and gas fields. Therefore, a method of rock drillability prediction accurately is highly desirable in oil and gas industries.
Based on literature review, behavior of rock drillability and their relationships to rock properties is only partially understood since research on rock drillability is rarely performed, especially in Indonesia's oil and gas fields. Therefore, the research on rock drillability will be conducted. Implementation of geomechanic principles in drilling engineering and formation evaluation is the principal basis of the research.
This research is one of the efforts to clarify the behavior of rock drillability and their relationships to physical and mechanical rock properties. The main objective of this research is to propose the empirical equations of relationships between rock drillability to physical and mechanical properties of rock. Based on the empirical equations will be developed a prediction method of rock drillability. The research is started from a dimensionally derived rock drillability equation model that developed from dimensional analysis of penetration rate (ft/hr). It is an analysis of the interaction of the rotating rolling cutter bit, circulation system and rock properties. The empirical equations of relationships between rock drillability to physical and mechanical properties of rock are investigated by using the research wells data of Pertamina's oil and gas fields in Northern West Java
Basins, such as drilling records and well logging combined with experimental coreprobe in laboratory. An independent measure of rock compressive strength is required to quantify the accuracy of drillability equation model used.
Quantitative description of rock drillability and dynamic properties of rock were investigated through analyzing the borehole data, such as drilling records and well logging data especially Sonic, Density and Neutron logs. The static mechanical properties of rock in insitu conditions were investigated through laboratory works on core samples by using a unit of triaxial cell device. The apparatus was designed and built to simulate actual borehole conditions, that provide a confining and pore pressure. A unit of longitudinal ultrasonic wave transducers and strain gauges were installed in the cell. The benefit of high pressure triaxial cell device is able to measure some mechanical properties and compressional ultrasonic transit time of core samples were obtained from high depth borehole simultaneously under insitu stress conditions.
The empirical equations of relationship between rock drillability and rock compressive strength, relationship between rock drillability and rock porosity, relationship between rock drillability and rock sonic transit time, relationship between rock drillability and rock bulk density is determined through correlation and regression analysis.
From this research can be obtained the relationships between rock drillability to physical and mechanical properties of rock, and by using the certain method the drillability of rock formation can be predicted. Based on the data of rock drillability from prediction result, and using the value of certain input data such as bit type and size, weight on bit, bit rotary speed, the optimum drilling rate can be estimated better.
The method in predicting the drillability of rock formation can be classified into two ways. First, prediction using the empirical equations and second, prediction using the nomograph to make easier application and practice in the field.
The procedure for predicting the drillability of rock formation is as follows:
1. Determine the rock formation, limestone or non-limestone (sandstone and volcanic rock) that will be penetrated by drilling bit.
2. Use the available data of mechanical and physical properties of rock in the field. First alternative, the data must be used is rock compressive strength. If data of rock, compressive
strength is not available, second alternative use data of rock porosity. If data of rock porosity is not available, third alternative use data of rock sonic transit time or rock bulk density.
According to this research, the following conclusions can be drawn:
1. The correlation of drillability to physical and mechanical properties of rock generally shows a tendency of exponential relation.
2. The following rock parameter of compressive strength, porosity, transit time or bulk density is priority sequence of rock properties to predict the rock drillability, especially in Northern West Java Basin. The rock porosity < 28% and rock transit time > 57 µsec/ft and rock bulk density > 2,4 . gr./cc the drillability of limestone greater than the drillability of sandstone.
3. The rock drillability generally tends to decrease with the formation depth, such as shown by drillability of limestone Upper Cibulakan Formation greater than the drillability of limestone Baturaja Formation and volcanic Jatibarang Formation, respectively. But the depth effect becomes not valid to volcanic Jatibarang Formation if the volcanic rock porosity greater than 15 %. The drillability of Jatibarang Formation becomes greater than Baturaja Formation.
4. Rock drillability in several oil and gas fields in Northern West Java Basin are a specific parameter that vary with field location. To predict the drillability base on physical and mechanical properties of rock, in this dissertation has been proposed the prediction method based on empirical equation.
5. Unit high-pressure triaxial cell equipment and experimental procedure has built. This equipment can be used to research on rock triaxial test from the other oil and gas fields.
