OPTIMASI HIDROLIKA PADA PENGGUNAAN DOWN HOLE MUD MOTOR (DHMM)
DENGAN KONSEP MINIMUM ANNULAR VELOCITY
UNTUK PEMBORAN SUMUR-SUMUR BERARAH
Herianto
1, P. Subiatmono
1, M. Sauman
21
T.Perminyakan UPN
2
Vico Indonesia
ABSTRAK
Pada pemboran berarah sekarang ini telah banyak menggunakan Down Hole Mud Motor (DHMM) dan untuk menambah RPM sehingga laju penembusan meningkat. Kehilangan tekanan pada downhole tool dipertimbangkan dalam optimasi hidrolika. Kehilangan tekanan ini berubah-ubah tergantung tipe peralatan yang digunakan, pabrik, model dan ukuran peralatan. Downhole motor memberikan rotasi pada bit, mengurangi putaran drillstring dari permukaan.
Dalam persamaan ini memperhitungkan optimasi pada DHMM, optimasi pada pahat, dan optimasi di annulus. Untuk memperoleh hasil optimasi yang optimum maka harus mengubah ukuran nozzle atau mengubah laju alir (Q) yang terjadi pada motor, pahat dan annulus.
1. PENDAHULUAN
Dalam optimasi hidrolika, lumpur memegang peranan penting dalam operasi pemboran terutama dalam proses pembersihan cutting di dasar sumur dan pengangkatan cutting ke permukaan. Pada sumur berarah biasanya menggunakan Down Hole Mud Motor (DHMM). Keuntungan utama dari downhole motor adalah (a) memberikan tikungan lubang yang kecil dalam bagian buld-up dan drop-off (b) memberikan kontrol yang lebih baik dari dog leg severity dan kondisi lubang yang lebih baik. (c) mengijinkan menggunakan peralatan MWD yang dapat memberikan pembacaan ke permukaan, dimana memberikan pembacaan yang secara terus-menerus dari data survey.
Faktor-faktor yang mempengaruhi pengangkatan cutting pada sumur berarah.yaitu : kecepatan fluida di annulus sebagai fungsi dari luas area annulus dan rate pemompaan yang diberikan, kapasitas untuk menahan fluida yang merupakan fungsi dari rheology lumpur pemboran (density lumpur, aliran laminer/turbulen, viscositas), laju penembusan yang dilakukan drill bit (rate of penetration), kecepatan pemutaran pipa pemboran (RPM), ukuran partikel cutting, pengaruh sudut pada sumur berarah.
2. TEORI DASAR 2.1. Lumpur Pemboran
Fluida pemboran adalah suatu fluida yang bersirkulasi dalam pemboran putar, yang mempunyai berbagai fungsi yang diperlukan dalam operasi pemboran. Jenis lumpur pemboran sifat-sifatnya yang sesuai akan mendukung keberhasilan operasi pemboran, dimana pola aliran, serta kecepatan pemboran serta keberhasilan pengangkatan cutting ke permukaan.
2.1. Rheology Lumpur Pemboran
Rheology adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang perubahan bentuk dan aliran dari suatu jenis fluida. Sifat rheology ini dijelaskan dengan hubungan antara gaya dari fluida terhadap aliran dalam satuan tekanan persatuan luas (shear stress) dengan besarnya laju perubahan kecepatan
aliran antar lapisan yang terjadi waktu fluida mengalir dalam satuan kecepatan persatuan panjang (shear rate). Rheology lumpur pemboran meliputi sifat aliran dan jenis fluda pemboran. Sifat aliran meliputi aliran laminer dan aliran turbulen sedangkan jenis fluida pemboran meliputi fluida newtonian dan non- newtonian.
2.3. LANGKAH PENGERJAAN
a) Menentukan tekanan pompa maksimum (Pmax) dan tekanan pompa minimum (Pmin)
Pmin = Total Pressure Loss
= Slow Pump Rate + (P MWD + Pmotor)
b) Menentukan laju alir pompa maksimum (Qmax) dan laju alir pompa minimum (Qmin)
• …………... (1)
• Qmin = pada motor
= dengan menggunakan konsep minimum annular velocity (Vmin)
Persamaan Vmin tersebut sebagai berikut : Vmin = Vcut + Vs
dimana :
Vs = kecepatan slip, ft/s
Vmin = kecepatan minimum, ft/s
Vcut = kecepatan cutting, ft/s
Dilakukan koreksi terhadap sudut inklinasi, densitas lumpur, dan RPM maka untuk : θ≤ 45 ...…. (2) θ≥ 45 ……... (3) Vsv m ñ Rpm è Vcut V 202500 ) + 3 )( 600 ( + 1 + = min Vsv C C C Vcut Vmin= +(1+ i* mw* Rpm) 231 1 4 3 = 2 max xD xSxNx ð Q Vsv m ñ Rpm è Vcut V 202500 ) + 3 )( 600 ( + 1 + = min
dimana :
Vcut = kecepatan cutting, ft/s
Vsv = kecepatan slip vertikal Moore, ft/s
RPM = rotation per menit
ρm = densitas lumpur, ppg
θ = sudut inklinasi, derajad
Kecepatan cutting dihitung dengan persamaan :
……… (4)
Persamaan konsentrasi cutting, yaitu :
Cconc = 0.01778 ROP + 0.505 …….……….(5)
Kemudian laju alir lumpur di annulus dapat di hitung dengan persamaan :
Qmin = K x Aannulus x Vmin
……… (6) dimana :
Dpipe = diameter pipa, inch
Dhole = diameter lubang, inch
Cconc = konsentrasi cutting, %
ROP = laju penembusan, ft/hr
Qmin = kecepatan minimum, gpm
K = konstanta konversi
Vmin = kecepatan minimum, ft/s
Kecepatan Slip Serbuk Bor
Menurut Preston. L. Moore 10), Partikel yang jatuh dalam fluida mempunyai friksi terhadap fluida di sekitarnya. Akibat friksi ini, aliran fluida sekitar partikel mempunyai bilangan Reynold yang dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
…….………(7)
dimana :
Np = bilangan Reynold partikel
ρf = densitas fluida, ppg
Vs = kecepatan slip partikel, fps
Ds = diameter partikel, inch
Berdasarkan bilangan Reynold partikel, apabilaNp > 300 maka pola aliran di sekitar partikel adalah turbulen penuh, kecepatan slip partikel-partikel dapat dihitung dengan persamaan :
………...(8)
Sedangkan apabila Np < 3 maka pola aliran di sekitar partikel adalah laminer, dan kecepatan slip dapat dihiutng dengan persamaan :
………(9)
Untuk bilangan Reynold di antara 3 dan 300, maka alirannya adalah transisi dan kecepatan slip dapat dihitung dengan persamaan :
………..… (10)
dimana :
Vs = kecepatan slip partikel, fps
Ds = diameter partikel, inch
ρs = densitas partikel, ppg
ρf = densitas fluida, ppg
µa = apparent viscosity, cp
Sedangkan apparent viscosity dapat dihitung dengan
persamaan :
………..…….….. (11)
dimana :
µa = apparent viscosity, cp
K = indeks konsistensi, cp
n = indeks power law
Va = kecepatan lumpur di annulus, fps
Dh = diameter lubang, inch
Dp = diameter pipa bor, inch
Indeks konsistensi dihitung dengan persamaan :
………..(12)
ndeks power law dihitung dengan persamaan :
……….…………... (13) dimana :
PV = viscositas plastis, cp
YP = yield point, lb/100 ft2
c). Optimasi Hidrolika di Down Hole Mud Motor
Optimasi hidrolika pada motor ini untuk mengetahui laju alir (Q) optimum pada motor, sehingga dapat ditentukan RPM optimum sehingga didapatkan laju penembusan (ROP) yang optimum dalam menembus batuan. Persamaan yang digunakan yaitu :
……….….(14)
dimana :
TFA = total flow area, in2
Q = laju alir, gpm
MW = densitas lumpur, ppg
P = Differential pressure, psi
d) Optimasi Hidrolika pada Pahat
Dalam mengoptimasikan hidrolika pada pahat, yang perlu diperhatikan adalah profil sumur dan lithologi batuan yang ditembus. Ada tiga konsep hidrolika pada pahat yaitu : Bit Hydraulic Horse Power (BHHP), Bit Hydraulic Impact (BHI), dan Jet Velocity. Dari ketiga konsep tersebut dipilih yang paling cocok sesuai dengan profil sumur dan lithologi batuan.
Cconc Dhole Dpipe ROP Vcut − = 2 1 36 min ) 2 2 ( 4 1 1172 . 3 min x Dh Dp xV Q = π − µ ρf Vs Ds Np = 928 . + + = YP PV YP PV n 3,32log 2 n YP PV K 511 ) ( 510 + = n n n Va Dp Dh K a + − − = 0208 , 0 / 1 2 1 144 µ 10858 = 2 Px xMW Q TFA a ì f ñ s ñ Ds Vs=82.87 ( ) 2 f ñ f ñ s ñ Ds Vs=1.54 ( ) 333 , 0 333 , 0 667 , 0 ) ( 9 . 2 = a ì f ñ f ñ s ñ Ds Vs
Disini yang digunakan yaitu konsep Konsep Bit Hydraulic Impact (BHI)
Untuk konsep BHI sesuai digunakan pada pemboran sumur berarah dan jenis batuan yang kekerasannya menengah. Prinsip dasar dari metoda ini, menganggap bahwa semakin besar impact (tumbukan sesaat) yang diterima batuan formasi dari lumpur yang dipancarkan dari bit semakin besar pula efek
pembersihannya, sehingga metoda ini berusaha
mengoptimumkan impact pada bit. BHI akan optimum jika kehilangan tekanan pada pahat adalah sebesar 48% tekanan pompanya. Rumus yang digunakan yaitu :
………(15)
Untuk mengetahui hasil optimasi pada konsep BHI dilakukan dengan menghitung
Bit Impact.
………..………... (16) e) Optimasi Hidrolika di Annulus
• Rasio Transport Serbuk Bor
Batas minimal untuk rasio transport adalah 90%,
persamaan yang digunakan yaitu4) :
……….………(17)
• Konsentrasi Serbuk Bor
Konsentrasi serbuk bor di annulus harus lebih kecil
dari 5% persamaan yang digunakan sebagai berikut9) :
……… (18)
• Indeks Pengendapan Serbuk Bor
Ziedler14), merumuskan perbandingan waktu
pengendapan dan waktu tempuh lintasan tersebut sebagai Indeks Pengendapan Serbuk Bor (Particle Bed Index), yang membentuk persamaan sebagai berikut untuk pola aliran laminer .
………(19)
Pada pola aliran lumpur turbulen untuk melihat indeks pengendapan serbuk bor, digunakan persamaan sebagai berikut :
PBI = Va / 17 Vs ………...(20) Setelah mendapatkan harga PBI, maka dipakai acuan sebagai berikut :
* PBI > 1 → tidak terjadi pengendapan serbuk bor.
* PBI =1 → serbuk bor berada pada kondisi hampir
mengendap.
* PBI < 1 → serbuk bor mulai mengendap.
3. STUDI KASUS
Sumur yang di evaluasi adalah sumur berarah, metoda optimasinya adalah Bit Hydraulic Impact (BHI), sedangkan parameter yang dirubah adalah ukuran nozzle dan laju alir. Data yang diperlukan adalah laju alir, tekanan pompa , sifat fisik Lumpur, serbuk bor dan data pemboran yang lain. Langkah pertama menentukan kecepatan minimum annular velocity setiap interval kedalaman dimana laju alir pada motor
< laju alir.Langkah kedua menentukan tekanan pompa minimum dengan menghitung kehilangan tekanan sepanjang aliran, langkah berikutnya menentukan hidrolika pada pahat actual dan hidrolika di annulus aktual.
Dari hasil perhitungan hidrolika pada pahat (Tabel-1) diketahui tidak optimum, dengan mengubah ukuran nozzle dan laju alir dapat ditentukan optimasinya pada pahat (Tabel-2), sedangkan grafik laju alir vs (BHHP/HHP) x 100% dapat dilihat pada Gambar-1 dan Gambar-2. Untuk menentukan optimasi hidrolika pada annulus dengan mengubah laju alir dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel-2.
4. DISKUSI
Tujuan dilakukannya optimasi hidrolika Lumpur pemboran adalah agar dapat meningkatkan effek pembersihan dasar lubang bor dan mengangkat serbuk bor bor dari annulus ke permukaan sehingga dapat membantu meningkatkan laju pemboran. Konsep BHI memaksimalkan tumbukan pada dasar lubang maka gaya yang bekerja cenderung akan mengikuti arah pahat dan inklinasi lubang, maka metoda BHI sangat cocok untuk lubang berarah secara maksimal. Dalam melakukan optimasi dengan down hole mud motor dimana batas laju alir pada trayek 12 ½ ” adalah 300 – 900 gpm dan trayek 8 ½ ” adalah 300 –600 gpm. Apabila laju alir dibawah batas minimal maka motor yang digunakan tidak dapat memutar stator maupun rotor sedangkan apabila di atasnya maka motor akan mengalami kerusakan.
Pada trayek 12 ½” dan 8½” dengan konsep minimum annular velocity dan laju alir minimum pada motor sebesar 300 gpm. dapat ditentukan laju alir minimum serta tekanan minimum pompa yang diperlukan, seperti terlihat pada Tabel-1.
Dari perhitungan yang telah dilakukan terlihat bahwa hidrolika pada pahat di semua trayek belum optimum. Hal ini terlihat dari perbandingan BHHP/HHP x 100% masih di bawah optimasinya 48 % lihat Tabel-2. Dengan melakukan perubahan kombinasi ukuran nozzle dan laju alir akan didapatkan optimasinya, seperti terlihat pada Tabel-3. Hidrolika pengangkatan serbuk bor dari hasil perhitungan tidak semua trayek telah optimum, lihat Tabel-2. Untuk melakukan optimasi pada trayek yang belum optimum yaitu dengan cara menurunkan laju sirkulasinya menjadi laminar dan didapatkan optimasinya seperti terlihat pada Tabel-3.
5. KESIMPULAN
Konsep minimum annular velocity pada penggunaan Down Hole Mud Motor akan terlihat bahwa laju alir dan tekanan pemompaan tidak akan merusak pompa dan pembersihan cuttingnya bisa sempurna.
DAFTAR PUSTAKA
1. Adam, N.J. (1985) “Drilling Engineering, A Complete
Well Planning Approach” Pen Well Publishing, Tulsa, Oklahoma.
2. Athur W Mc Cray, (1959) “Oil Well Drilling
Technology”, University of Oklahoma Press. % 48 = HHP BHHP W b P Q I=0.0173 Va Vs Va Ft= − % 100 7 , 14 2 ) ( Q Ft D ROP Ca= Vsr Lc Vsa Va Dp Dh PBI=1/12( − )( − )
3. Azar, J.J. (1980),”Drilling Optimation”, University of Tlsa, Petroleum Engineering Department, Tulsa.
4. Bourgoyne, A.T., et al. (1986), “Applied Drilling
Engineering”, Society of Drilling Engineerings,
Richardson, Texas.
5. Chillingarian, G. V., Voraburt, P. (1981), “Drilling
and Drilling Fluids”, Elsevier Scientific Publishing Company, New York.
6. Gatlin, C.(1960), “ Petroleum Engineering Drilling
and Well Completion”, Prentice Hall Inc.,
Englewood Clift, New Jersey
7. J.M Peden, J.T Ford, and M.B Oyeneyin, Heriot-Watt U
(1990), SPE Paper “Comprehensive Experimental Investigation of Drilled Cuttings Transport in Inclined Well Including The effect of Ratation and Eccentricity Drillpipe”, SPE no 20925.
8. Lummus. J.L.(1986), Drilling Fluids Optimization”,
Penn Well Publishing Co., Tulsa Oklahoma.
9. Millpark Staff (1993), “Drilling Fluid Manual”, Millaprk
Drilling Fluids, A Baker Hughes Company
10. Preston L. Moore (1974)., “Drilling Practices Manual”, The Petroleum Publishing Co., Tulsa.
11. Rabia, H.(1985), “Oil Well Drilling Engineering Principles and Practice”, University of New Castle, UK. 12. Rudi Rubiandini R.S “Diklat Kuliah Teknik dan Alat
Pemboran”.
13. T.I. Larsen, A.A. Pilehvari, and J.J. Azar (1997), SPE Paper “Development of a New Cutting Transport Model for High-Angle Wellbores Including Horizontal Well”, SPE No 25872
14.
Ziedler. H. Udo, Dr. P.E.(1988), “Drilling FluidTechnology applied to Horisontal Drilling”, Maurer Engineering Inc, Houston, Texas
Tabel-1
Kecepatan Minimum Annular Velocity dan Tekanan Pompa Minimum Hasil Perhitungan
Depth, ft Dia Hole, in Laju Alir, gpm Qmin, gpm Pmin, psi
470-4356 12 ¼ 549,28 549,28 1544 4356-4920 12 ¼ 534,11 534,02 1708 4920-8962 8 ½ 300 276,54 1580 8962-9777 8 ½ 300 279,84 1624 9777-10468 8 ½ 300 268,11 1760 10468-11000 8 ½ 300 267,41 1815 Tabel-2
Hasil Perhitungan Hidrolika Actual di Pahat dan Annulus
Depth Q Uk. Nz. Pahat Annulus
Ft gpm (1/32)in (BHHP/HHP) BIF Ft Ca PBI
x 100% lbf % % 470-4356 858 4x16,4x13 15,85 806,05 96,94 2,23 1,00 4356-4920 858 4x16,4x13 16,77 852,92 96,57 2,24 1,00 4920-8962 590 2x16,2x13 15,07 630,46 91,37 1,05 0,68 8962-9777 577 2x16,4x13 13,19 607,41 90,60 1,08 0,62 9777-10468 577 2x16,4x13 13,93 641,15 92,50 1,06 1,00 10468-11000 577 2x16,4x13 13,93 641,15 92,87 1,05 1,00
Tabel-3
Hasil Perhitungan Optimasi Hidrolika di Pahat dan Annulus
Depth Q Uk. Nz. Pahat Annulus
Ft gpm (1/32)in (BHHP/HHP) BIF Ft Ca PBI
x 100% lbf % % 470-4356 858 4x14,4x7 47,71 1398,48 96,93 2,23 1,00 4356-4920 858 4x14,4x7 48,05 1408,24 96,51 2.30 1,00 4920-8962 590 5x8,1x15 47,92 1015,53 98,04 1,08 1,00 8962-9777 577 5x8,1x15 48,07 1129,04 95,21 1,05 1,00 9777-10468 577 5x8,1x15 48,06 1128,99 92,23 1,12 1,00 10468-11000 577 5x8,1x15 48,06 1128,99 92,62 1,11 1,00 Gambar-1
Grafik Optimasi Hidrolika Pahat pada Trayek 12 ¼”
Gambar-2
Grafik Optimasi Hidrolika Pahat pada Trayek 8½” 0 10 20 30 40 50 60 400 500 600 700 800 900 1000 Q, gpm (BHHP/HHP)x100% 470 ft - 4356 ft, Qop=858 gpm 4356 ft - 4920 ft, Qop = 837 gpm 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 Q, gpm 4 9 2 0 f t - 8 9 6 2 f t , Q o p = 5 3 3 g p m 8 9 6 2 f t - 9 7 7 7 f t , Q o p = 5 6 2 g p m 9 7 7 7 f t - 1 0 4 6 8 f t , Q o p = 5 4 7 g p m 1 0 4 6 8 f t - 1 1 0 0 0 f t , Q o p = 5 4 7 g p m
