BAB III
TEORI DASAR PENYEMENAN
Penyemenan suatu sumur merupakan salah satu faktor penentu yang juga mendukung keberhasilan suatu operasi pemboran. Pelaksanaan penyemenan yang salah akan dapat menyebabkan terbentuknya channel semen, adanya produksi air/gas yang tidak diinginkan dan korosi pada pipa. Untuk mencegah timbulnya problema tersebut maka diperlukan pengetahuan yang luas tentang prinsip-prinsip dasar dan perhitungan-perhitungan dalam melaksanakan penyemenan.
Semen yang digunakan dalam industri perminyakan adalah dalam bentuk material bubuk semen tanpa additives adalah semen portland. Bahan dari semen tersebut adalah limestone, clay dan senyawa besi (Fe2O3) ditambah gypsum sejumlah tertentu untuk memperlanbat setting time dan untuk meningkatkan kekerasan semen.
Portland Cement adalah semen yang biasa dipakai pada operasi penyemenan sumur dalam industri perminyakan. Portland cement ini akan mengeras bila bertemu dengan air. Semen ini dibuat dari bahan dasar calcareous seperti : limestone, marl, karang-karangan dan argillaceous seperti clay, shale, slate yang diproses pada rotary klin (tempat pembakaran berputar) dengan temperatur 2600 – 28000F.
3.1. Fungsi Semen
Cementing atau penyemenan adalah proses pendorongan bubur semen ke dalam casing dan naik ke annulus yang kemudian didiamkan sampai semen tersebut mengeras hingga mempunyai sifat melekat baik terhadap casing maupun formasi.
Fungsi semen pemboran dalam suatu pemboran dari sumur adalah :
a. Melindungi casing / liner dari tekanan yang datang dari bagian luar casing yang dapat menimbulkan collapse.
b. Mencegah adanya migrasi fluida yang tidak diinginkan dari satu formasi ke formasi lain.
c. Melindungi casing terhadap pengaruh cairan formasi yang bersifat korosif. d. Mengurangi kemungkinan terjadinya semburan liar atau blow out melalui
annulus. lindungi casing terhadap tekanan formasi.
Untuk memenuhi fungsi-fungsi tersebut di atas, maka semen pemboran harus memenuhi beberapa syarat, yaitu :
a. Semen setelah ditempatkan harus mempunyai kekuatan atau strength yang cukup besar dalam waktu tertentu.
b. Semen harus memberikan daya ikat casing dengan formasi yang cukup atau baik.
c. Semen tidak boleh terkontaminasi dengan kotoran (cairan formasi) maupun cairan pendorong semen.
d. Semen harus stabil atau tidak mudah berubah strength-nya setelah beberapa waktu dari penempatannya.
e. Semen harus impermeable (permeabilitas nol)
f. Semen harus tahan terhadap sulfate yang sering terdapat dalam cairan formasi. Prosedur untuk penyemenan dibagi menjadi dua, yaitu primary cementing dan secondary cementing. Primary cementing adalah proses penyemenan yang dilakukan segera setelah operasi pemboran selesai. Sedangkan yang dimaksud secondary cementing adalah proses penyemenan yang dilakukan setelah primary cementing dengan tujuan :
1. Memperbaiki primary cemanting yang kurang sempurna.
2. Menutup zone yang sudah tidak produktif untuk mencegah terjadinya migrasi fluida yang tidak diinginkan dari satu formasi ke formasi yang lainnya.
3.2. Komposisi Kimia Semen
Ada empat komponen utama semen yang apabila bereaksi dengan air akan membentuk struktur yang kaku/keras, yaitu :
a. Tricalcium Silicate (3CaO SiO2)
Dinotasikan sebagai C3S yang dihasilkan dari kombinasi CaO dan SiO2 dan merupakan komponen terbanyak dalam semen portland, sekitar 40 – 45% untuk semen yang lambat proses pengerasannya dan 60 – 65% untuk semen
yang cepat proses pengerasannya (high-early strength cement). Komponen ini pada semen memberikan strength yang terbesar pada awal pengerasan.
b. Dicalcium Silicate (2CaO SiO2)
Dinotasikan sebagai C2S yang juga dihasilkan dari kombinasi CaO dan SiO2. Memberikan pengaruh terhadap strength semen akhir. C2S menghidrasi sangat lambat maka tidak berpengaruh dalam setting time semen, tetapi sangat berpengaruh dalam kekuatan semen lanjut dan kadarnya dalam semen tidak lebih dari 20% Rumus kimia Dicalcium Silicate adalah, merupakan komponen yang memberikan kenaikkan strength yang lambat.
c. Tricalcium Aluminate (3CaO Al2O3)
Dinotasikan sebagai C3A yang terbentuk dari reaksi CaO dan Al2O3. Kadarnya 15% untuk high-early strength dan 3% untuk semen yang tahan terhadap kandungan sulfate, namun berpengaruh terhadap rheologi suspensi dan membantu proses pengerasan awal semen.
d. Tetracalcium Aluminoferrite (4CaO Al2O3 Fe2O3)
Dinotasikan sebagai C4AF yang terbentuk dari reaksi CaO.Al2O3 dan Fe2O3. Kadarnya tidak boleh lebih dari 24% untuk semen yang tahan terhadap kandungan sulfat tinggi. Penambahan oksida besi yang berlebihan akan menaikkan kadar C4AF dan menurunkan kadar C3A dan menurunkan panas hasil reaksi / hidrasi C2S dan C3S.
Semen portland terbuat dari bahan-bahan mentah tertentu, pemilihan bahan-bahan mentah tersebut sangat berpengaruh terhadap komposisi bubuk semen yang diinginkan. Ada dua macam bahan mentah yang dibutuhkan dalam menghasilkan semen portland, yaitu :
1. Material Calcareous
Yang termasuk material calcareous antara lain limestone hasil sedimentasi atau metamorf, koral (batu karang), batuan yang mengadung fosil-fosil kerang laut dan “batuan semen” (yang komposisinya sudah sama dengan semen portland secara alami). Serta material calcareous buatan antara lain endapan calcium carbonate dan silika hasil pembuangan dari proses pabrik.
2. Meterial Argillaceous
Material argillaceous alami yang sering digunakan antara lain clay, shale, marl, batu lumpur (endapan lumpur), slate, schist, debu vulkanik dan endapan lumpur alluvial. Ash atau abu dari hasil produksi pembakaran batu bara merupakan bahan buatan yang cukup penting.
Tabel III-1.
Komposisi Kimia Semen. 5)
Cement Class
A B C D,E,F G H
Ordinary Type (O)
Magnesium Oxide (MgO), maksimum, % Sulfur trioxide (SO3), maximum, %
Loss on ignition, maximum, % Insoluble residu, maximum, %
Tricalcium aluminate (3CaO. Al2O3), maximum, % Moderate Sulfate-Resistant Type (MSR)
Magnesium oxide (MgO), maximum, % Sulfur trioxide (SO3), maximum, %
Loss on ignition, maximum, % Insoluble residu, maximum, %
Tricalcium Silicate (3CaO. SiO3), maximum, %
Tricalcium Silicate (3CaO. SiO3), maximum, %
Tricalcium aluminate (3CaO. Al2O3), maximum, %
Total alkali content expressed as sodium oxide (Na2O)
equivalent, maximum, %
High Sulfate-Resistant Type (HSR)
Magnesium Oxide (MgO), maximum, % Sulfur trioxide (SO3), maximum, %
Loss on ignition, maximum, % Insoluble residu, maximum, %
Tricalcium Silicate (3CaO. SiO3), maximum, %
Tricalcium Silicate (3CaO. SiO3), maximum, %
Tricalcium aluminate (3CaO. Al2O3), maximum, %
Tetracalcium aluminoferrite (4CaO. Al2O3 . Fe2O3) plus twice the
tricalcium aluminate (3CaO. Al2O3), maximum, %
Total alkali content expressed as sodium oxide (Na2O)
equivalent, maximum, % 6.0 3.5 3.0 0.75 6.0 3.0 3.0 0.75 8 6.0 3.0 3.0 0.75 24 6.0 4.5 3.0 0.75 15 6.0 3.5 3.0 0.75 8 6.0 3.5 3.0 0.75 24 6.0 3.0 3.0 0.75 8 6.0 3.0 3.0 0.75 24 6.0 3.0 3.0 0.75 58 48 8 0.75 6.0 3.0 3.0 0.75 65 48 3 24 0.75 6.0 3.0 3.0 0.75 58. 48 8 0.75 6.0 3.0 3.0 0.75 65 48 3 24 0.75 3.3. Klasifikasi Semen
American Petroleum Institute (API) telah melakukan pengklasifikasian semen ke dalam beberapa kelas guna mempermudah pemilihan dan penggolongan semen yang akan digunakan. Pengklasikasian ini didasarkan atas kondisi sumur dan sifat-sifat semen yang disesuaikan dengan kondisi sumur tersebut. Kondisi
sumur tersebut meliputi kedalaman dan kandungan yang terdapat dalam fluida formasi (seperti sulfat dan sebagainya). American Petroleum Institute (API) menstandardisasikan semen portland berdasarkan pada konsentrasi bahan-bahan dasar di dalam semen, yaitu sebagai berikut :
a. Klas A : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft (1830 meter) dengan temperatur hingga 800C dan tidak tahan terhadap sulfate. Tersedia hanya dalam tipe Ordinary (O), digunakan pada kondisi normal. (Setara dengan ASTM C-150 tipe I).
b. Klas B : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft (1830 meter) dan temperatur hingga 800C dengan kondisi formasi banyak mengandung sulfate. Tersedia hanya dalam tipe Ordinary (O) dan Moderate Sulfate Resistent (MSR). (Setara dengan ASTM C-150 tipe II).
c. Klas C : Digunakan dari permukaan sampai kedalaman 6000 ft ft (1830 meter) dan temperatur hingga 800C pada kondisi dimana diperlukan pengerasan yang cepat. Tersedia semen tipe Ordinary (O), Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR). (Setara dengan ASTM C-150 tipe III). d. Klas D : Digunakan dari kedalaman 6000 ft (1830 meter) sampai 10.000 ft
(3050 meter) dengan kondisi tekanan formasi dan temperatur agak tinggi (antara 80 – 1300C). Tersedia semen tipe Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR).
e. Klas E : Digunakan dari kedalaman 10.000 ft (3050 meter) sampai 14.000 ft (4270 meter) dengan kondisi temperatur (130 – 1450C) dan tekanan formasi tinggi. Tersedia semen tipe Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR).
f. Klas F : Digunakan dari kedalaman 10.000 ft (3050 meter) sampai 16.000 ft (4880 meter) dengan kondisi temperatur (130 – 1600C) dan tekanan formasi yang sangat tinggi. Tersedia semen tipe Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR).
g. Klas G : Digunakan sebagai semen dasar untuk penyemenan dengan kedalaman dari permukaan sampai 8000 ft (2440 meter) dengan temperatur hingga 900C. Bila ditambah dengan additives, maka semen kelas G ini dapat
digunakan pada tekanan dan temperatur yang lebih tinggi serta kedalaman yang lebih. sebagai semen dasar dan jika diperlukan dapat ditambah additives yang sesuai. Tersedia semen tipe Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR).
h. Klas H : Digunakan sebagai semen dasar untuk penyemenan dengan kedalaman dari permukaan sampai 8000 ft (2440 meter) dengan temperatur hingga 950C. Tersedia semen tipe Moderate Sulfate Resistent (MSR) dan High Sulfate Resistent (HSR).
Tabel III-2.
Klasifikasi Semen Berdasarkan API. 4)
API Mixing Water Slurry Weight Well Depth Static Temperatur
Classification (gal/sk) (lb/gal) (ft) (0F)
A (portland) 5.2 15.6 0 to 6.000 80 to 170 B (portland) 5.2 15.6 0 to 6.000 80 to 170 C (high early) 6.3 14.8 0 to 6.000 80 to 170 D (retarded) 4.3 16.4 6.000 to 12.000 170 to 260 E (retarded) 4.3 16.4 6.000 to 14.000 170 to 290 F (retarded) 4.3 16.2 10.000 to 16.000 230 to 320 G (basic) 5.0 15.8 0 to 8.000 80 to 170 H (basic) 4.3 16.4 0 to 8.000 80 to 170 3.4. Additives Semen
Bermacam-macam semen telah dibuat orang untuk memenuhi kebutuhan bermacam-macam kondisi sumur, seperti kedalaman, temperatur, tekanan dan ini dapat diubah-ubah densitas dan thickening time-nya dalam batas-batas tertentu dengan mengubah kadar air. Additives atau zat-zat tambahan adalah material-material yang ditambahkan pada semen untuk memberikan variasi yang lebih luas pada sifat-sifat bubur semen agar memenuhi persyaratan yang diinginkan. Additives ini penting sekali dalam perencanaan bubur semen karena digunakan untuk :
a. Mempercepat atau memperlambat thickening time. b. Memperbesar strength.
c. Menaikkan atau menurunkan density bubur semen. d. Menaikkan volume bubur semen.
e. Mencegah lost circulation. f. Mengurangi fluid loss.
g. Menaikkan sifat tahan lama (durability). h. Mencegah kontaminasi gas pada semen. i. Menekan biaya.
3.4.1. Accelerator
Adalah additives yang digunakan untuk mempercepat pengerasan bubur semen. Penggunaan additives ini terutama untuk penyemenan pada temperatur dan tekanan rendah (sumur yang dibor masih dangkal) yang umumnya juga karena jarak untuk mencapai target tidak terlalu panjang. Selain itu juga mempercepat naiknya strength semen dan mengimbangi additives lain (seperti dispersant dan fluid loss control agent), agar tidak tertunda proses pengerasan suspensi semennya. Contoh-contoh additives yang berlaku sebagai accelerator yang umum digunakan adalah Calcium Chloride, Sodium Chloride, Gypsum, Sodium Silicate dan Sea Water.
Tabel III-3.
Accelerator untuk semen Klas A,B, C, G dan H. 4)
Accelerator Amount Used
(wt% of cement)
Calcium chloride (CaCl2) 2 to 4
(flake, powdered, anhydrous) Sodium chloride (salt - NaCl) 3 to 10 * Gypsum - hemyhydrate form 20 to 100 (plaster of Paris) Sodium silicate (Na2SiO2) 1 to 7.5
Cement dispersant 0.5 to 1.0 (with reduced water) Sea water (as mixing water) -
* Percent by weight of water
3.4.2. Retarder
Adalah additives yang digunakan untuk memperpanjang waktu pengerasan. Hal ini biasanya dilakukan pada penyemenan sumur yang dalam,
dimana temperaturnya tinggi. Additives yang berfungsi sebagai retarders antara lain : Lignosulfonate, Organic Acids, Modified Lignosulfonate, Carboxy Methyl Hydroxy Ethyl Cellulose.
Tabel III-4 Retarder. 4)
Material Usual Amount Used
Lignin retarder 0.1 to 1.0% *
Calcium lignosulfonate, organic acid 0.1 to 2.5% * Carboxymethyl Hidroxythyl Cellulose (CMHEC) 0.1 to 1.5%
Saturated salt 14 to 16 lbm/sack of cement
Borax 0.1 to 0.5% *
* Percent by weight of water
3.4.3. Extenders
Merupakan additives yang digunakan untuk membuat volume bubur semen menjadi lebih banyak dari setiap sak semenya, karena diperlukan penambahan air. Dengan demikian extenders berfungsi sebagai additives yang dapat mengurangi atau menurunkan density bubur semen. yang termasuk extenders adalah : Bentonite-Attapulgite, Gilsonite, Diatomaceous Earth, Perlite dan Pozzolans.
Tabel III-5 Extender. 4)
Material Amount Used
Bentonite 2 to 16 wt% of cement Diatomaceous earth 10, 20, 30 or 40 wt% of cement Gilsonite 1 to 50 lb/sk of cement
Coal 5 to 50 lb/sk of cement
Expanded perlite 5 to 20 lb/sk of cement
Nitrogen 0 to 70%
Sodium silicate 1 to 1.75 lb/sk of cement
3.4.4. Weighting Agents
Merupakan additives yang digunakan untuk memperbesar density bubur semen dan biasanya digunakan pada formasi yang bertekanan tinggi yang berguna
mengurangi kemungkinan terjadinya blow out. yang termasuk dalam additives ini adalah : Hematite, Limenite, Barite dan pasir.
Tabel III-6.
Additives Penambah Berat Semen. 4)
Material Amount Used
(wt% of cement)
Hematote 4 to 104
Ilmenite (iron-titanium oxide 5 to 100
Barite 10 to 108
Sand 5 to 25
Salt 5 to 16
Cement with dispersant and reduced water 0.05 to 1.75
3.4.5. Lost Circulation Materials
Seperti halnya dengan sirkulasi lumpur pemboran pada sirkulasi bubur semen pada penyemenan bisa juga terjadi kehilangan bubur semen. Sehingga di sini perlu ditambahkan additives untuk menghindari hal tersebut. Gilsonite dianggap material yang paling baik untuk itu, selain itu juga dapat berfungsi sebagai extenders. Lost Circulation Materials lainnya : Walnut Hulls, Cellophane Flakes dan Nylon Fibers.
Tabel III-7.
Additives Untuk Semen Loss Circulation.
Type Material Nature of
Particles Amount Used Water Required
Additives for Controlling Lost Circulation
Granular Gilsonite Graded 1 to 50 lbm/sack 2 gal / 50 lbm
Perlite Expanded 1/2 to 1 cuft/sack 4 gal/cuft
Walnut shells Graded 1 to 5 lbm/sack 0.85 gal / 50 lbm
Lamellted Coal Graded 1 to 10 lbm/sack 2 gal / 50 lbm
Fibrous Cellophane Flake 1/8 to 2 lbm/sack None
Nylon Short-fibered 1/8 to 1/4 lbm/sack None
Formulation of Material for Controlling Lost Circulation
Semisolid or flash setting Gypsum cement - - 4.8 gal / 100 lbm Gypsum / portland cement - 10 to 20% gypsum 5.0 gal / 100 lbm
Bentonite cement - 10 to 25% gel 12 to 16 gal/sack
Cement + sodium silicate - -
(the silicate is mixed with water before adding cement)
3.4.6. Dispersants
Adalah additives yang berfungsi untuk mengurangi viskositas suspensi semen. Pengurangan viskositas atau friksi terjadi karena dispersant mempunyai kelakuan sebagai thinner (pengencer). Hal ini menyebabkan suspensi semen menjadi encer, sehingga dapat mengalir dengan aliran turbulensi walaupun dipompa dengan laju pemompaan yang rendah. Additives yang dapat digunakan adalah Organic Acids, Lignosulfonate, Plymers dan Sodium Chloride.
Tabel III-8 Dispersants. 4)
Type of Material Amount Used
(lb/sack of cement)
Polymer : Blend 0.3 to 0.5
Long chain 0.5 to 1.5
Sodium chloride 1 to 16
Calcium lignosulfonate, organic acid (retarder and dispersant) 0.5 to 1.5
3.4.7. Fluid Loss Control Agent
Fluid loss control agent adalah additives yang berfungsi mencegah hilangnya fasa liquid semen ke dalam formasi, sehingga terjaga kandungan cairan pada suspensi semen. Additives yang termasuk ke dalam fluid loss control agents diantaranya polymer, CMHEC dan Latex.
Tabel III-9
Filtration Control Additives. 4)
Type and Fuction of Additives
Recommended
Amount Types of Cement How Handled
Organic polymer (cellulose) to form micellers 0.5 to 1.5% All API classes Dry mixed Organic polymers (dispersants) to improve praticle-size
distribution and form micelles in the filter cake 0.5 to 1.25% All API classes (densified) Dry mixed or with mixing water Carboxymethyl hydroyethyl cellulose to form
Micelles 0.3 to 1.0% All API classes Dry mixed
Latex additive to form films 1.0 gal/sack All API classes Dry mixed or with mixing water
Bentonite cement with dispersant to improve
particle-size distribution
12 to 16% gel, 0.7
3.4.8. Special Additives
Ada bermacam-macam additives lainnya yang dikelompokkan sebagai specially additives, diantaranya adalah silika, mud kill, radioactive tracers, fibers, antifoam agent.
a. Mud Decontaminant
Berfungsi sebagai additives yang menetralisir bubur semen terhadap zat-zat kimia dalam lumpur pemboran. Contoh mud kill adalah paraformaldehyde. Mud kill juga memberi keuntungan seperti memperkuat ikatan semen dan memperbesar strength semen.
b. Radioactive Tracers
Radioactive tracers ditambahkan ke dalam suspensi semen supaya memudahkan operasi logging dalam menentukan posisi semen dan mengetahui kualitas ikatan semen.
c. Antifoam Agents
Adanya foam (busa) dalam suspensi semen sering menyebabkan hilangnya tekanan pemompaan, maka untuk mencegahnya ditambahkan antifoam agent. Polypropylene Glycol adalah contoh antifoam agent yang sering digunakan, karena selain efektif juga harganya murah.
Tabel III-10
Special Additives Untuk Semen. 5)
Additives Recommended Quantity
Mud decontaminants 1.0% *
Silica flour 30 to 40% *
Radioactive tracers Variable
Dyes 0.1 to 1.0% *
Hydrazine 6 gal / 1.000 bbls mud
Fibers 0.125 to 0.5% *
Gypsum 4 to 10% *
* Percent by weight of cement
3.5. Semen-Semen Khusus
Semen khusus mempunyai keistimewaan jika dibandingkan dengan semen-semen yang telah dijelaskan sebelumnya. Harganya lebih mahal karena itu semen khusus baru digunakan apabila penyemenan dengan semen lain gagal.
3.5.1. Diesel Oil Cement (DOC)
DOC adalah bubur semen yang dibuat dari campuran bubur semen dengan minyak diesel (kerosen) dan surface active agent. Bubur semen yang terjadi tidak bersifat menyemen dan tidak mengeras bila tidak bertemu dengan air. Semen ini dipakai untuk daerah hilang sirkulasi dimana dua aliran yaitu aliran semen dan aliran air dipertemukan di depan zona yang bersangkutan.
3.5.2. Resin Cement
Merupakan pencampuran bubur semen dengan resin atau damar dengan air. Keistimewaan semen ini adalah bubur semen dapat menembus mud cake sehingga ikatan semen dengan formasi sangat baik. Semen ini baik untuk menutup formasi gas atau air dimana semen jenis lain mengalami kegagalan.
3.5.3. High Temperatur Cement
Semen ini baik digunakan untuk penyemenan formasi yang mempunyai temperatur tinggi. Dimana pada temperatur 4000F, masih memberikan strength yang baik, semen yang lain untuk temperatur 3500F ke atas akan mengalami penurunan strength semen.
3.5.4. Quick Setting Cement
Merupakan semen yang cepat mengeras, dibuat dari campuran semen dengan plaster of paris (CaSO4 ½ H2O) dengan perbandingan 1 : 1. Semen ini baik digunakan untuk menutup formasi ysng menimbulkan blow out dan lost circulation. Keistimewaan lain adalah semen ini mempunyai kekerasan awal (early strength) yang tinggi pada temperatur 4000F. Kekurangan semen ini adalah hanya dapat digunakan untuk menyemen formasi yang dangkal.
3.5.5. Gypsum Cement
Merupakan semen yang dibuat dari pencampuran gypsum (CaSO4 2H2O) dengan bubur semen. Semen ini mempunyai sifat cepat mengeras dan mengembang setelas ditempatkan, oleh karena itu semen ini baik untuk menutup daerah blow out dan lost circulation.
3.6. Sifat-Sifat Semen
Bubur semen yang dibuat harus disesuaikan sifat-sifatnya dengan keadaan formasi yang akan disemen. Sifat-sifat bubur semen yang di maksud adalah sebagai berikut : density, thickening time, strength, sifat filtrasi, permeabilitas semen, kualitas perforasi, ketahanan korosi dan pengaruh tekanan serta temperatur.
3.6.1. Density
Penambahan air dan additives akan berpengaruh pada density bubur semen. Pada umumnya density bubur semen dibuat lebih besar dari density lumpur, hal ini mengingat bahwa kontaminasi lumpur akan meningkat dengan density yang relatif sama. Penentuan density bubur semen tergantung dari faktor berat jenis bubuk semen dan air. Density ini dapat dihitung dengan menggunakan rumus : Va Vw Vbk Ga Gw Gbk Dbs ……… (3.1) dimana :
Dbs : Densitas suspensi semen, ppg. Gbk : Berat bubuk semen, lb. Gw : Berat air, lb.
Ga : Berat additives, lb.
Vbk : Volume bubuk semen, gal. Vw : Volume air, gal.
Va : Volume additives, gal.
Densitas suspensi semen sangat berpengaruh terhadap tekanan hidrostatis suspensi semen di dalam lubang sumur. Bila formasi tidak sanggup menahan tekanan suspensi semen, maka akan menyebabkan formasi pecah, sehingga terjadi lost circulation. Untuk mengurangi densitas suspensi semen dapat ditambahkan clay, zat-zat kimia silikat jenis jenis extender atau bahan-bahan yang dapat memperbesar volume suspensi semen seperti pozzolan. Untuk memperbesar densitas suspensi semen dapat ditambahkan pasir atau material-material pemberat ke dalam suspensi semen seperti barite.
Pengukuran densitas di laboratorium berdasarkan dari data berat dan volume tiap komponen yang ada di dalam suspensi semen, sedangkan di lapangan menggunakan alat “Pressurized Mud Balance”.
Gambar 3.1.
Pressurized Mud Balance. 5) 3.6.2. Thickening Time Dan Viscositas
Bubur semen harus tetap dalam keadaan cair agar dapat dipompakan ke tempat dimana semen harus mengeras dalam waktu tertentu. Thickening Time (pumpability) adalah waktu yang dibutuhkan bubur semen untuk mencapai konsistensi 100 poise. Harga 100 poise ini merupakan batas bubur semen masih dapat dipompakan. Dalam hidrasinya semen makin lama makin mengeras dan naik viskositasnya. Viskositas pada semen disebut konsistensi karena semen merupakan fluida yang Non-Newtonian dan ini untuk membedakan terhadap istilah viskositas fluida newtonian. Untuk memperpanjang atau memperpendek thickening time adalah dengan menambahkan additives-additives ke bubur semen. Besarnya thickening time yang diperlukan adalah tergantung dari kedalaman penyemenan, volume bubur semen yang akan dipompakan serta jenis penyemenan. Umumnya thickening time adalah 3 – 3,5 jam untuk penyemenan dengan kedalaman 6.000 – 18.000 ft. Waktu tersebut termasuk waktu pembuatan bubur semen sampai penempatan semen di belakang casing ditambah dengan harga safety faktor, sedangkan pada penyemenan yang lebih dalam dimana tekanan dan temperatur akan semakin tinggi sehingga diperlukan additives-additives untuk memperlambat pengerasan (thickening time).
Untuk memperpanjang thickening time perlu ditambahkan retarder ke dalam suspensi semen, seperti kalsium lignosulfonat, carboxymethil retarder
cellulose dan senyawa-senyawa asam organik. Untuk memperpendek thickening time dapat ditambahkan accelerator ke dalam suspensi semen seperti kalsium klorida, sodium klorida, gypsum, sodium silikat, air laut dan additives yang tergolong dispersant.
Bila semen mengeras di dalam casing merupakan problema yang fatal bagi operasi pemboran selanjutnya. Waktu pemompaan (pumpability time) yang maksimum umumnya disamakan dengan thickening time dengan pertimbangan faktor keamanan. Waktu pemompaan yang diperlukan dipengaruhi oleh tinggi kolom dan volume suspensi semen yang harus dipompakan, kecepatan laju alir pemompaan dan temperatur operasi sumur tersebut.
3.6.3. Water Cement Ratio (WCR)
Water cement ratio adalah perbandingan antara volume air dan semen yang dicampurkan untuk mendapatkan sifat-sifat bubur semen yang diinginkan. Air yang dicampurkan tidak boleh terlalu banyak ataupun kurang, karena akan mempengaruhi baik-buruknya ikatan semen nantinya. Batasannya diberikan dalam bentuk kadar maksimum dan minimum air. Kadar air minimum adalah jumlah air yang dicampurkan tanpa menyebabkan konsistensi suspensi semen lebih dari 30 Uc. Bila air yang ditambahkan lebih kecil dari kadar minimumnya maka akan menaikkan densitas suspensi semen yang akan menimbulkan gesekan (friksi) yang cukup besar di annulus sewaktu suspensi semen dipompakan yang akhirnya akan menaikkan tekanan di annulus.
Kadar air maksimum ditunjukkan oleh adanya kandungan air yang bebas (free water) yang dapat dicari dengan mengambil suspensi semen sebanyak 250 ml, kemudian didiamkan selama 2 jam sehingga akan terjadi air bebas pada bagian atas tabung. Untuk semen kelas G air bebas yang terjadi tidak boleh lebih dari 3,5 ml (1.4%). Bila air bebas yang terjadi melebihi 3,5 ml maka akan terjadi pori-pori pada semen. Dan ini akan mengakibatkan semen mempunyai permeabilitas yang besar. Kandungan air normal dalam suspensi semen yang direkomendasikan oleh API dapat dilihat pada tabel III-11.
Tabel III-11
Kandungan Air Normal Pada Suspensi Semen.
PROPERTIS OF NEAT CEMENT SLURRIES
Class Slurry Weight Gallon Mixing Cuft Slurry Percent Mixing
lb/gal water / sak sk. Cement water
A 15.6 5.2 1.18 46 B 15.6 5.2 1.18 46 C 15.8 6.32 1.32 56 D 16.46 4.29 1.05 38 G 15.8 4.97 1.15 44 H 16.46 4.29 1.05 38
3.6.4. Waiting On Cement (WOC)
Waiting on cement atau waktu menunggu pengerasan semen adalah waktu yang dihitung saat menunggu pengerasan suspensi semen setelah semen selesai ditempatkan. WOC ditentukan oleh faktor-faktor seperti tekanan dan temperatur sumur, WCR, compressive strength dan additives-additives yang dicampurkan ke dalam suspensi semen (seperti accelerator atau retarder). WOC berdasarkan API adalah jika compressive strength mencapai 1000 psi (7 Mpa).
3.6.5. Compressive Strength Dan Shear Strength
Strength pada semen terbagi menjadi dua yaitu compressive strength dan shear stregth. Compressive strength didefinisikan sebagai kekuatan semen dalam menahan tekanan-tekanan yang berasal dari formasi maupun dari casing, sedangkan shear strength didefinisikan sebagai kekuatan semen dalam menahan berat casing. Jadi compressive strength menahan tekanan-tekanan dalam arah horisontal dan shear strength menahan tekanan-tekanan pada arah vertikal.
Compressive strength dipengaruhi oleh besarnya kandungan air dalam suspensi semen dan lamanya waktu pengkondisian (curing time). Dalam mengukur strength semen seringkali yang diukur adalah compressive strength, sedang shear strength kurang diperhatikan. Umumnya compressive strength mempunyai harga 8 – 10 kali lebih dari harga shear strength. Pengujian compressive strength di laboratorium dilakukan dengan menggunakan alat “Curing Chamber” dan water curing bath, untuk kemudian diuji kekerasannya dengan menggunakan hydraulic chamber. Curing chamber dapat mensimulasikan
kondisi semen untuk tekanan dan temperatur tinggi sesuai dengan temperatur dan tekanan formasi. Hydraulic chamber merupakan mesin pemecah semen yang sudah mengeras dalam curing chamber. Compressive strength minimum dirokemendasikan oleh API untuk dapat melanjutkan operasi pemboran adalah 500 psi. Sedang shear strength yang baik tidak kurang dari 100 psi, sehingga casing dapat terikat dengan kokoh. Dalam keadaan ini pemboran sudah dapat dilanjutkan. Dari segi teknis, strength semen diharuskan memenuhi persyaratan sebagai berikut :
a. Kuat menahan pipa selubung. b. Mengisolasi zona-zona permeabel.
c. Menahan goncangan-goncangan pemboran dan tidak pecah karena perforasi. d. Mencegah terjadinya kontak antara casing dengan fluida formasi.
Kapasitas daya dukung semen terhadap casing di dalm lubang bor, dinyatakan : H
d Sc
F 0.969 ……..……… (3-2)
dimana :
F : Daya dukung semen atau beban rekah, lb. Sc : Compressive strength, psi.
d : Diameter luar casing, in. H : Tinggi kolom semen, ft.
3.6.6. Filtration Loss
Filtration loss adalah peristiwa hilangnya cairan dalam suspensi semen ke dalam formasi permeabel yang dilaluinya. Cairan atau umumnya air yang masuk ini disebut dengan filtrat. Filtrat yang hilang tidak boleh terlalu banyak, karena akan membuat suspensi semen kekurangan air yang disebut dengan flash-set. Bila suspensi semen mengalami flash-set, maka akibatnya akan sama jika air yang dicampurkan dalam bubur semen yang jumlahnya lebih kecil dari kadar minimumnya. Akibatnya friksi pada annulus akan naik, pressure loss naik dan tekanan bubur semen di annulus juga naik. Bila hal ini terjadi, maka formasi akan rekah. Jadi dapat disimpulkan, bila formasi yang akan dilalui bubur semen merupakan formasi yang porous dan permeabel, maka perlu penambahan
additives yang sesuai sebelum bubur semen dipompakan. Filtration loss yang direkomendasikan oleh API adalah :
- Untuk formasi permeabel dengan zona gas, dimana migrasi gas mudah terjadi maka semen dianjurkan memiliki semen fluid loss antara 20 – 40 ml / 30 menit. - Untuk semen densitas tinggi dengan pengurangan kadar air yang dapat
menimbulkan gangguan pada operasi pemompaan semen terutama pada pemompaan yang rendah API fluid lossnya adalah kurang dari 50 ml / 30 menit. - Dan untuk semen casing produksi API fluid lossnya kurang dari 100 ml / 30
menit.
Pengujian filtration loss di laboratorium menggunakan alat filter press pada kondisi temperatur sirkulasi dengan tekanan 1000 psi. Namun filter loss mempunyai kelemahan yaitu temperatur maksimum yang dapat digunakan hanya sampai 900F (1940C). Filtration loss diketahui dari volume filtrat yang ditampung dalam sebuah tabung atau gelas ukur selama 30 menit masa pengujian. Bila waktu pengujian tidak sampai 30 menit maka besarnya filtration loss dapat diketahui dengan rumus :
t F
F30 t 5.477 ………….... (3-3)
dimana :
F30 : Filtrat pada 30 menit. Ft : Filtrat pada t menit. t : Waktu pengukur, menit.
3.6.7. Permeabilitas Semen
Permeabilitas diukur pada semen yang mengeras dan bermakna sama dengan permeabilitas pada batuan formasi yang berarti sebagai kemampuan untuk mengalirkan fluida. Semakin besar permeabilitas semen maka semakin banyak fluida yang dapat melalui semen tersebut dan begitu pula sebaliknya.
Semen diinginkan tidak mempunyai permeabilitas. Karena jika semen mempunyai permeabilitas besar akan menyebabkan terjadinya kontak fluida antara formasi dengan annulus dan juga strength semen berkurang. Permeabilitas semen dapat naik karena air yang dicampurkan dalam bentuk bubur semen terlalu
banyak. Tetapi permeabilitas semen dapat juga meningkat karena terlalu berlebihan dalam penambahan additives.
Perhitungan permeabilitas semen di laboratorium dapat dilakukan dengan menggunakan “Cement Permeameter” dengan menggunakan sampel semen. Permeabilitas diukur dengan menggunakan laju alir air yang melalui luas permukaan sampel yang diberi perbedaan tekanan sepanjang sampel tersebut. Perhitungan permeabilitas dapat dilakukan dengan menggunakan rumus darcy sebagai berikut : P A L Q K ……… (3.4) dimana : K : Permeabilitas, mD. Q : Laju alir, ml/s. : Viscositas, cp. L : Panjang sampel, cm.
A : Luas permukaan sampel, cm2. P : Perbedaan tekanan, psi.
Harga permeabilitas maksimum yang direkomendasikan oleh API adalah tidak lebih dari 0,1 mD. Permeabilitas semen erat kaitannya dengan kekuatan semen. Harga permeabilitas yang kecil akan menyebabkan harga strength yang besar begitupun sebaliknya.
3.6.8. Kualitas Perforasi
Semen yang keras atau dengan kata lain semen yang mempunyai strength besar tidak baik diperforasi karena semen akan hancur. Sehingga dianjurkan untuk melakukan perforasi di saat semen belum keras betul.
Jika semen yang diperforasi pecah atau hancur maka pada daerah batas minyak dengan air atau batas minyak dengan gas akan terproduksikan fluida yang tidak diharapkan yang umum adalah cepat terproduksinya air. Agar semen tidak mempunyai strength awal yang tinggi dapat ditambahkan addives yang sesuai.
3.6.9. Pengaruh Tekanan dan Temperatur Tinggi
Meningkatnya tekanan dan temperatur di atas kondisi tekanan atmosfer akan menghasilkan penurunan thickening time terhadap sebagian semen sumur minyak. Meningkatnya tekanan di bawah kondisi isothermal akan meningkatkan compressive strength. Pengaruh peningkatan temperatur akan semakin mempersulit keadaan. Compressive strength sebagian besar semen akan meningkatkan kerapatan sampai mencapai tempertur kristis, biasanya antara 2000F sampai 2400F. Di atas harga ini maka compressive strength akan menurun. Pengaruh temperatur dan tekanan terhadap sifat semen dapat dilihat Tabel III-12.
Tabel III-12
Pengaruh Temperatur dan Tekanan Terhadap Sifat Semen. 2)
Well-Depth API Casing Cementing Conditions *
Temperatur Pumpability Time *
Static Cementing Portland Cement Water 5.2 gal/sk Slow–Set Cement Water 4.5 gal/sk 2.000 ft 4.000 ft 6.000 ft 8.000 ft 10.000 ft 12.000 ft 14.000 ft 1100F 1400F 1700F 2000F 2300F 2600F 2900F 910F 10.30F 11.30F 1250F 1440F 1720F 2060F 6 : 00 + 6 : 12 3 : 22 2 : 07 1 : 34 1 : 07 1 : 00 - - - 6 : 00 + 4 : 09 2 : 55 2 : 15 *
API Testing Code RP-10 B.
3.6.10. Daya Tahan Korosi
Adakalanya formasi mengandung cairan-cairan yang merusak sifat semen seperti Na2SO4, MgSO4 dan MgCl2. Hal ini menyebabkan semen akan lunak bila kena cairan tersebut. Hal ini mengakibatkan semen tidak berfungsi dalam hal menahan cairan formasi menuju casing, sehingga casing akan berkarat. Untuk menghindari pelunakan semen karena hal tersebut maka dipilih semen yang tahan terhadap cairan-cairan tersebut. Cairan garam sulfat ataupun MgCl2 tidak melunakkan semen untuk temperatur dangkal. Melunaknya semen dikarenakan
cairan garam tersebut bereaksi dengan lime dan senyawa alumina. Karena itu Tricalcium Aluminate di dalam semen tidak boleh lebih dari 3 %.
3.7. Perencanaan Pekerjaan Primary Cementing 3.7.1. Fluida Dalam Sumur
Fluida dalam sumur, baik berupa air maupun lumpur yang digunakan pada waktu pekerjaan pemboran. Hal ini sangat penting karena apabila lubang sumur masih ada fluida yang tidak diinginkan maka akan dapat mengganggu kesuksesan dalam penyemenan.
3.7.2. Desain Bubur Semen
Dalam mendesain bubur semen untuk operasi penyemenan ada beberapa faktor yang harus dipertimbangkan.
3.7.2.1. Suhu dan Tekanan
Dalam melaksanakan operasi penyemenan, pengaruh suhu dan tekanan harus diperhatikan. Sebab suhu dan tekanan akan mempengaruhi terhadap penempatan dan thickening time dari pada bubur semen. Tekanan penyemenan juga akan menpengaruhi bubur semen.
Suhu yang dijumpai dalam penyemenan dapat tinggi dikarenakan sumur belum dilakukan sirkulasi dengan air ataupun lumpur yang menyebabkan terjadinya penurunan suhu dasar sumur. Perlu diketahui bahwa bubur semen harus tetap dalam keadaan cair dalam waktu yang cukup lama. Jadi tidak hanya untuk ditempatkan dengan tepat tetapi juga untuk mencapai tekanan dan pengeluaran bubur semen yang berlebihan.
3.7.2.2. Jenis Semen
Sebagian besar semen API klas A, G atau H digunakan dalam operasi penyemenan. Semen klasA digunakan untuk kondisi sumur sampai kedalaman 6000 ft sedangkan klas G ini digunakan untuk kondisi sumur sampai kedalaman 800 ft dan suhu statik dasar lubang tidak melebihi 1700F.
Untuk sumur lebih dalam klas G atau H ini dapat ditambahkan dengan additive-additive tertentu yang disesuaikan dengan kondisi formasi, sehingga
bubur semen dapat digunakan untuk pekerjaan primary cementing berdasarkan waktu yang diperlukan bubur semen untuk operasi penyemenan di samping memberikan penutupan yang baik.
3.7.2.3. Kontrol Filtrasi
Filtrasi sangat penting dalam pendesainan semen untuk pekerjaan primary cementing. Bila semen di desak masuk terhadap media permeabel maka perbedaan tekanan akan memaksa air dari dalam solid semen membentuk filter cake. Cake ini akan lunak dan dapat dikeluarkan dengan jetting tetapi cake ini tidak dapat dipompakan. Ketebalan filter cake tergantung pad permeabilitas cake tersebut atau permeabilitas formasi, sifat fluid loss bubur semen, perbedaan tekanan squeeze dan waktu pemompan.
API filter loss dari semen dasar berkisar antara 600 – 2500 cc dalam 30 menit tetapi kenyataannya dehidrasi terjadi demikian cepat sehingga sukar untuk mengukurnya. Filter loss dapat diperkecil sampai 25 – 100 cc dalam 30 menit yaitu dengan cara menambahkan bentonite dan menyebar agent-agent atau polymer-polymer.
Tabel III-13
Perbandingan Bubur Semen Filtration Loss, Permeabilitas Filter Cake dan Waktu Membentuk Filter Cake. 4) API Filtration Loss Pada
1000 psi (cc/30 menit)
Permeabilitas Filter Cake Pada 1000 psi (md)
Waktu Membentuk Cake 2-in menit 1200 300 100 50 5.00 0.54 0.09 0.009 0.2 3.4 30.0 100.0
3.7.3. Volume Bubur Semen
Kualitas bubur semen yang digunakan dalam operasi penyemenan dapat berkisar dari beberapa sak sampai ratusan sak. Volume rata-rata berkisar 100 – 200 sak. Namum demikian jumlah semen yang tertentu akan tergantung dari tujuan operasi penyemenan. Volume bubur semen untuk keperluan penyemenan tidak dapat dikontrol dengan tepat sehingga untuk menentukan jumlah sak semen yang akan dipakai adalah berdasarkan pengalaman daerah tersebut.
3.7.4. Tekanan Pemompaan
Pemilihan tekanan pemompaan dalam operasi penyemenan sangat penting karena tekanan pemompaan akan menentukan pola aliran dalam proses pendorongan bubur semen ke dalam sumur, apakah berbentuk laminar ataukah turbulent.
3.7.5. Waktu Pemompaan
Waktu pemompaan yang cukup adalah waktu yang dihendaki agar sisa semen dapat dikeluarkan dari sumur. Penentuan waktu pemompaan lebih dari 1.5 jam cenderung memboroskan biaya pemboran apabila waktu tersebut hanya digunakan untuk mendapatkan strength semen cepat terbentuk.
3.7.6. Kekuatan Semen
Kekuatan semen menunjukkan besarnya gaya yang dapat ditahan oleh ikatan semen. Gaya-gaya yang bekerja pada ikatan semen tersebut terdiri dari gaya horisontal dan vertikal.
Kekuatan semen akan terbentuk ketika semen mulai hidrasi dan kekuatan semen tersebut terus meningkat untuk beberapa waktu, kemudian kekuatan ini akan konstan. Bertambahnya tekanan dan suhu akan mengakibatkan kenaikkan kekuatan semen, tetapi pada suhu di atas 2300F, kekuatan semen akan menurun. Besarnya penurunan kekuatan semen ini tergantung dari komposisi semen itu sendiri.
Pada semen dasar dan semen lainnya adalah semakin besar suhu dan semakin lama curing time-nya (waktu semen didiamkan) maka compressive strength dari semen semakin kuat tetapi apabila ditambah retarder, compressive strength akan menurun kekuatannya
3.8. Teknik Penyemenan Liner Produksi 3.8.1. Tujuan Penyemenan Liner Produksi
Untuk sumur-sumur yang dalam sering digunakan liner sebagai pengganti casing. Liner ini di pasang dengan cara menggantungkannya pada casing sebelumnya. Tujuan pemasangan liner ini adalah untuk penghematan casing di samping itu untuk mengurangi beban menara bor.
Gambar 3.2. memperlihatkan pemasangan casing liner. Pemakaian liner produksi ini bertujuan :
a. Menutup zona open hole di bawah intermediate casing dari guguran formasi. b. Lebih ekonomis bila dibanding dengan pemakaian production casing biasa.
Gambar 3.2. Casing Liner. 9)
Production liner di pasang dari trayek casing sebelumnya sampai pada kedalaman terakhir dan berfungsi sebagai casing produksi, dimana biasanya overlap antara liner dengan casing sebelumnya ini sekitar 150 meter. Overlap antara liner dengan casing sebelumnya ini, ditentukan dengan melihat pada kekuatan (kekompakan) formasi atau batuannya.
3.8.2. Peralatan Penyemenan Liner Produksi 3.8.2.1. Peralatan di Permukaan
Peralatan di permukaan yang diperlukan dalam penyemenan liner produksi, terdiri dari :
1. Cemnting Unit
Cementing unit merupakan suatu unit pompa yang berguna untuk memompakan bubur semen dan lumpur pendorong dalam proses penyemenan. Pada dasarnya cementing unit merupakan kumpulan dari berbagai peralatan yang diperlukan dalam proses penyemenan yaitu :
a. Pump Skid
Pump skid merupakan pompa yang berfungsi untuk memompakan bubur semen dan lumpur pendorong. Di samping itu pompa ini juga digunakan untuk menekan bubur semen agar masuk ke dalam formasi melalui lubang perforasi. Tekanan yang digunakan untuk memasukkan bubur semen tersebut disebut tekanan squeeze.
b. Jet Mixer
Jet mixer berfungsi untuk mencampur semen kering dengan air sehingga mengahsilkan bubur semen yang homogen.
c. Mixing Tub
Mixing tub adalah suatu alat yang berfungsi untuk menampung bubur semen yang telah dihasilkan oleh jet mixer, bubur semen yang tertampung selanjutnya dihisap oleh pump skid untuk diteruskan ke dalam sumur. d. Bulk Cement
Bulk cement adalah suatu alat yang berfungsi untuk menyimpan atau menampung semen kering.
Gambar 3.3 Cementing Unit. 5) 2. Flow Line
Flow line merupakan rangkaian pipa yang berfungsi untuk mengalirkan bubur semen atau sebagai media untuk mengalirkan fluida pendorong dari cementing unit ke cementing head.
3. Cementing Head
a. Liner Cementing Head
Merupakan ujung dari flow line yang mempunyai fungsi untuk memasukkan bubur semen ke dalam sumur.
b. Plug Dropping Head
Merupakan tempat top plug yang akan diluncurkan untuk mendorong bubur semen dan juga tempat memasukkan bola besi untuk pengesetan hydraulic liner hanger (Gambar 3.4).
Gambar 3.4. Plug Dropping Head. 3) 3.8.2.2. Peralatan Bawah Permukaan
1. Liner Hanger
Tempat menggantungkan liner yang diset pada casing sebelumnya. Liner hanger mempunyai dua tipe yaitu diset secara mechanical dan hydraulic. 2. Female Plug (Liner Wiper Plug)
Plug yang diset pada ujung tubing/drill pipe yang terletak dalam liner. 3. Male Plug (Drill Pipe Wiper Plug)
Plug yang berfungsi untuk mendorong bubur semen melalui tubing/drill pipe yang telah ditempatkan pada plug dropping head.
4. Landing Collar
Tempat untuk mendaratnya setting ball untuk keperluan pengesetan hydraulic hanger dan juga tempat pendukung plug.
5. DSCC (Dual Stage Cementing Collar)
Digunakan pada penyemenan bertahap / bertingkat, sebagai tempat keluarnya semen dari casing ke annulus setelah tahap pertama dan sebelumnya.
6. Float Shoe
Peralatan yang terletak paling ujung dari rangkaian liner. Float shoe dilengkapi dengan valve yang berfungsi untuk mencegah terjadinya aliran balik bubur semen dari annulus ke dalam liner (Gambar 3.5).
7. Float Collar
Adalah Collar yang mempunyai valve yang berfungsi untuk mencegah aliran balik bubur semen dari annulus ke dalam liner bila folat shoe tidak berfungsi sempurna (Gambar 3.5).
Gambar 3.5. Float Equipment. 3) 8. Scratcher
Digunakan untuk membersihkan dinding lubang bor dari mud cake sehingga semen akan melekat dengan baik pada formasi.
9. Centrallizer
Digunakan untuk menempatkan liner agar berada di tengah-tengah lubang bor sehingga akan didapatkan cincin semen yang merata.
Gambar 3.6. Centralizer. 3) 3.8.3. Operasi Penyemenan Liner Produksi
Untuk pelaksanaan penyemenan liner produksi setelah liner hanger diset pada intermediate casing adalah sebagai berikut :
1. Adakan sirkulasi terlebih dahulu dengan lumpur untk membersihkan kotoran yang masih ada, kemudian pompakan spacer dan selanjutnya bubur semen sebanyak yang diperlukan (Gambar 3.7a.).
2. Masukkan male plug ke dalam drill pipe melalui plug dropping head untuk mendorong bubur semen (Gambar 3.7b.).
3. Pompakan lumpur pendorong hingga male plug bertemu dengan female plug yang telah diset pada ujung setting tool (Gambar 3.7d.).
4. Gerakan male dan female plug yang turun ke bawah akan berhenti pada float collar. Setting tool dan rangkaian drill pipe kemudian diangkat ke permukaan (Gambar 3.7d dan e).
Gambar 3.7. memperlihatkan pekerjaan penyemenan liner produksi.
Gambar 3.7. Liner Cementing Job. 3)
Rangkaian liner seperti yang disebutkan di atas, dimasukkan ke dalam lubang bor dengan perantaraan setting tool yang disambung pada ujung rangkaian drill pipe (Gambar 3.8). Pada ujung setting tool ini dilengkapi dengan female plug yang berlubang.
Gambar 3.8. Liner Setting Tool. 3) 3.9. Hidrolika Penyemenan
Sifat atau pola aliran suspensi semen yang diterapkan delam operasi penyemenan primer merupakan salah satu faktor penting untuk keberhasilan penyemenan. Suspensi semen dan lumpur pemboran merupakan fluida non-Newtonian, yaitu fluida yang tidak bersifat adanya perbandingan tetap antara shear stress dan shear rate yang umumnya dianggap sebagai fluida bingham plastic. Fluida yang termasuk bingham plastic adalah fluida yang untuk terjadinya aliran harus ada minimum shear stress yang melebihi suatu harga minimum Ty (yield point). Setelah yield point dilampaui maka penambahan shear sterss lebih lanjut akan menghasilkan shear rate yang sebanding dengan p (plastic viscositas) dari bingham plastic.
Fluida non-Newtonian, dimana sifat rheologinya dapat diukur dengan Fann VG Meter. Seperti juga halnya pada lumpur, bubur semen juga mempunyai tiga macam pola aliran, yaitu : Plug flow, Laminer flow dan Turbulent flow.
3.9.1. Aliran Plug
Aliran dimana gesekan (shear) terjadi di dekat dinding pipa dan di tengah-tengah aliran terdapat suatu aliran tanpa gesekan seperti suatu sumbat. Pada aliran plug ini (Gambar 3.9) kecepatan aliran di annulus tidak melebihi 90 ft/menit.
Gambar 3.9. Pola Aliran Plug. 5)
Pada aliran ini baik sekali digunakan terhadap lubang “washout” atau daerah bahaya kehancuran formasi dimana pola aliran turbulent tidak dapat digunakan karena dikawatirkan akan terjadi pecah formasi. Apabila kecepatan aliran di annulus melebihi 90 ft/menit, dapat terjadi perembesan atau “by pass” suspensi semen ke lumpur terutama di daerah “washout” sehingga semen dapat mengalami kontaminasi. Kemungkinan lain aliran beralih ke pola aliran laminer yang tidak
dikehendaki. Kecepatan pompa maksimum yang diijinkan supaya kecepatan suspensi semen di annulus tidak melebihi 90 ft/menit dapat dihitung dengan persamaan :
2 2
0874 . 0 dh dc Q ……….……. (3-5) dimana :Q : Laju pemompaan maksimum, bbl/menit (BPM). dh : Diameter lubang bor, in.
dc : Diameter casing, in.
Sedangkan kecepatan aliran fluida di annulus ditentukan dengan persamaan :
dh dc
fps Q V 17.215 2 , ……… (3-6)sedangkan laju pemompaan aliran plug yang didasarkan atas bilangan reynold (Nre) = 2000, didapatkan dari persamaan :
2 2
2
8 . 92 92 . 15 p p Ty dh dc dc dh Qp (3-7) dimana :V : Kecepatan aliran di annulus, fps. Qp : Laju pemompaan aliran plug, bpm. : Berat jenis fluida, ppg.
p : Viscositas plastic, cps. Ty : Yield point, lb/100 sqft.
Besar bilanga Reynold (Nre) menurut bingham plastic :
dh dc
V
p
NRe 296.5 / ……... (3-8)
3.9.2. Aliran Laminer
Aliran laminer adalah gerak aliran fluida yang teratur dan arahnya sejajar dengan aliran atau dinding pada Gambar 3.10).
Gambar 3.10. Pola Aliran Laminer. 5)
Pada aliran laminer distribusi kecepatan berbentuk parabola, dimana kecepatan maksimum di tengah-tengah dan kecepatan minimum pada dinding pipa atau lubang. Jadi karena distribusi kecepatan aliran laminer dimana kecepatan pada dinding nol dan semakin ke tengah semakin besar menyebabkan semen melampaui lumpur (lumpur tertinggal di dalam semen) sehingga akan mempengaruhi kualitas ikatan semen. Hal ini tidak diingingkan dalam operasi penyemenan. Pada aliran laminer berlaku 90 < V < Vc dan Nre < 3000 dimana V adalah kecepatan fluida dan Vc adalah kecepatan kritis.
3.9.3. Aliran Turbulent
Pola aliran turbulent lebih efektif mengikis lumpur yang melekat pada dinding lubang maupun pada casing yang akan di semen. Pada aliran turbulent fluida bergerak dengan kecepatan besar (V > Vc) dan partikel fluida bergerak
pada garis-garis yang tak teratur sehingga terdapat aliran berputar (pusaran – Eddie current) ke semua arah. Gesekan yang terjadi juga tidak teratur, Nre > 3000 (Gambar 3.11).
Gambar 3.11. Pola Aliran Turbulent. 5) 3.9.3.1. Kecepatan Aliran
Kecepatan aliran harus cukup besar untu memungkinkan tercapainya atau terlampauinya kecepatan kritsi (vc) yang dihitung dengan persamaan :
dh dc
Ty dc dh p p Vc 2 2 20 . 8 62 . 1 62 . 1 (3-9)Untuk mendapatkan laju pemompaan kritis pada aliran turbulent (pump rate yang diperlukan untuk memperoleh aliran turbulent) didasarkan atas bilangan Reynold (Nre) = 3000 dengan persamaan :
dh dc p p dh dc Ty Qc 2 2 8.20 62 . 10 (3-10)3.9.3.2. Waktu Persentuhan (Contact Time)
Waktu persentuhan atau contact time adalah lamanya suatu titik tertentu dalam annulus berhubungan dengan suspensi semen yang didorong dengan aliran turbulent. Contact time ini dapat dihitung dengan persamaan :
Qc Vt
t / ………. (3-11)
dimana :
t : Waktu persentuhan, menit. Vt : Volume suspensi semen, bbl.
Qc : Laju pemompaan kristis aliran turbulent, BPM.
Banyak faktor yang mempengaruhi aliran fluida di annulus pada saat pendorongan suspensi semen seperti : tidak sentrisnya casing pada lubang bor (terutama pada deviated hole), mud cake pada dinding lubang maupun pada casing. Stand Off adalah faktor menyandarnya casing pada dinding lubang yang mengakibatkan letak casing tidak sentris di tengah-tengah lubang bor sebagai prosentase “Stand Off” yang ditunjukkan dengan persamaan :
rw re
Wn Off d S 100 % tan ………. (3-12) dimana :Wn : Jarak terdekat antara casing dinding lubang, in. rw : Jari-jari lubang bor, in.
re : Jari-jari casing, in.
Kolom lumpur yang berkontaminasi terhadap semen akan mengakibatkan ikatan semen kurang baik, juga akan menyebabkan terjadinya chanelling sehingga terjadi hubungan vertikal antara lapisan produksi dengan lapisan di atas atau di bawahnya.
3.10. Perhitungan Penyemenan 3.10.1. Perhitungan Volume Annulus
Volume annulus dihitung untuk menentukan jumlah semen yang diperlukan operasi penyemenan. Perhitungan ini juga diperlukan untuk menentukan total waktu yang diperlukan untuk mencampur dan memompakan
semen, serta mendorong ke annulus. Untuk perhitungan ini juga diperlukan caliper log untuk menyesuaikan volume semen dengan ukuran lubang yang sebenarnya. Dari perhitungan tersebut berarti diperlukan sejumlah volume tambahan (excess) dari perhitungan yang berdasarkan ukuran bit. Setelah itu biasanya volume ditambah 10 – 15% (berdasarkan pengalaman lapangan) untuk mengisi daerah-daerah kritis, juga kemungkinan pembesaran lubang karena cabut rangkaian bor.
3.10.2. Perhitungan Densitas, Yierld dan Air Pencampur
Densitas Suspensi atau slurry semen dan yield dihitung sebagai berikut : lb semen + lb air + lb additives
Densitas = --- ……... (3-13) gal semen + gal air + gal addives
Dalam perhitungan pembuatan bubur semen (slurry) dianggap bahwa : a. Seluruh konsentrasi additives kecuali garam, prosentasenya berdasarkan prosen
berat semen. Sedangkan additives garam berdasarkan prosen berat air
b. Additives seperti retarder, metasilicate, garam, dispersant, CaCl2 dan lain sebagainya yang prosentasenya lebih kecil dari 5 % dianggap tidak berpengaruh dalam perhitungan.
c. Additives seperti barite, silicate sand, hematite, bentonite, gilsonite dan garam dengan prosentase lebih dari 5 % dimasukkan dalam perhitungan.
Untuk perhitungan yield bubur semen adalah sebagai berikut : gal semen + gal water + gal additves
Yield slurry = --- ……... (3-14) 7.48 cuft/gal
Perhitungan total volume air sangat penting, yaitu untuk mencampur semen, sebagai spacer dan preflush, air cadangan dalam tangki serta air untuk displacement.
3.10.3. Perhitungan Fill Up Dan Volume Pendorong Bubur Semen
Perhitungan fill up adalah tinggi kolom semen yang harus diisikan di annulus. Agar penentuan bubur semen yang diperlukan lebih teliti maka
sebelumnya diadakan survey caliper log. Dari volume yield yang telah dihitung maka dapat ditentukan banyaknya sak semen yang dibutuhkan yaitu :
Volume yang diperlukan (cuft)
- Sak semen = --- ….….. (3-15) Yield semen (cuft/sak)
- Volume air = Total sak semen Air yang dibutuhkan ……... (3-16) - Volume pendorong (bbl) = Volume drill pipe Voleme liner ……... (3-17)
3.10.4. Tekanan Pendorong Untuk Plug
Tekanan pompa yang diperlukan untuk mendorong plug berbeda dengan tekanan hidrostatik fluida dalam annulus dan pipa. Berdasarkan laju pemompaan, tambahan tekanan pompa yang diperlukan untuk mengatasi beban gesek yang terjadi. Tekanan dihitung untuk menentukan tipe pompa yang diperlukan untuk menyakinkan cementing head cukup mendapat daya dorong dan tidak terjadi bahaya bursting casing.
3.10.5. Perhitungan Tekanan 1. Tekanan Hidrostatik
Ph = 0.052 x densitas (ppg) x kedalaman (ft) …………. (3-18) 2. Tekanan Rekah formasi
D P v v D P D S F 1 …………. (3-19) D F Pfr ……..……… (3-20) dimana :
F : Gradient rekah formasi, psi/ft. S : Overburden stress, psi. V : Poisson ratio’s. F : Tekanan formasi, psi. D : Kedalaman, ft.
Pfr : Tekanan rekah formasi, psi.
3. Tekanan Permukaan Maksimum Yang Diijinkan (MASP) :
G D
P SFdimana :
Gf : Gradient rekah formasi, psi. D : Kedalaman, ft.
Ph : Tekanan hidrostatik fluida, pdi. SF : Safety factor.
4. Volume bubur semen yang dibutuhkan untuk mengisi tinggi kolom semen di dalam casing :
V L
Volume ………. (3-22)
dimana :
L : Panjang kolom casing yang akan disemen, ft. V : Kapasitas lubang, cuft/ft.
5. Tinggi balance kolom semen sebelum pengangkatan tubing : volume bubur semen (cuft)
H (ft) = --- (3.23) volume annulus (cuft/ft) + volume tubing (cuft/ft)
3.11. Analisa Kualitas Hasil Operasi Penyemenan 3.11.1. Logging Yang Digunakan
Setelah pelaksanaan penyemenan selesai maka untuk mengetahui keberhasilan operasi penyemenan perlu dilakukan analisa untuk mengetahui kualitas hasil pelaksanaan penyemenan dengan menggunakan kombinasi dari peralatan Cement Bond Log (CBL) dan Variable Density Log (VDL). Dari kombinasi peralatan tersebut, analisa kualitas hasil penyemenan dapat dilakukan secara kualitatip maupun kuantitatip.
3.11.2. Prinsip Dasar Pengukuran CBL, VDL dan CET
Diantara beberapa faktor yang mempengaruhi sifat akustik dari casing yang tersemen terutama adalah kualitas ikatan antara semen dengan casing. Apabila kualitas ikatan semen tersebut baik, maka gelombang akustik yang merambat sepanjang casing akan menjadi lemah akibat dari hilangnya energi di sekitar daerah yang tersemen tersebut.
3.11.2.1. Cement Bond Log
Peralatan Cement Bond Log (CBL) adalah suatu log yang bekerja berdasarkan cepat rambat gelombang suara sebagai prinsip dasarnya. Dalam hal ini transmitter mengirimkan signal akustik yang telah diketahui bentuknya, kemudian dicatat responnya oleh masing-masing receiver setelah melewati casing, semen dan formasi yang tersemen.
Gambar 3.12. Perangkat CBL – VDL. 11)
Pada dasarnya peralatan ini terdiri dari dua bagian utama yaitu peralatan akustik dan elektronik. Peralatan akustuk ini terdiri dari sebuah transmiter dan sebuah receiver. Peralatan CBL akan mengukur amplitudo dari signal-signal gelombang akustik. Prinsip kerja dari peralatan CBL adalah pencatatan terhadap terjadinya pengurangan gelombang suara yang terukur antara transmitter dan receiver. Receiver ini biasanya diletakkan 3 ft dari transmitter. Amplitudo akan maksimum pada formasi yang tidak tersemen dan amplitudo minimum terjadi pada casing yang tersemen dengan baik pada formasi.
Pada umumnya gelombang akustik merambat sepanjang casing dan yang pertama kali diterima oleh receiver 3 ft akan menggambarkan bentuk tiga puncak gelombang, yang masing-masing diberi label E1, E2 dan E3. Apabila terdapat
ikatan semen yang baik antara semen dengan casing, maka amplitudo E1, E2 dan E3 akan mengecil seperti terlihat pada Gambar 3.13.
Gambar 3.13
Skema Bentuk Sinyal di Receiver pada CBL. 12)
Besarnya amplitudo berbanding terbalik dengan besarnya laju peredaman sinyal (attenuation rate, db/ft). apabila ikatan yang baik antara semen dengan casing, maka laju peredaman sinyal tergantung pada kekuatan kompresi semen dan persentase circumference bonded.
Cement Bond Log (CBL) mengukur dua parameter yaitu :
- Transit time yaitu waktu yang diperlukan E1 untuk mencapai receiver. - Amplitudo.
a. Pengukuran Transit Time
Pada saat pulsa akustik dipancarkan maka pencatat waktu elektronik mulai menghitung waktu yang diperlukan E1 untuk mencapai penerima. Dengan mengatur detection level, maka E1 akan terdeteksi sewaktu mencapai penerima dan pencatat waktu berhenti menghitung. Pada CBL terlihat bahwa transit time terlihat selalu merupakan garis lurus dan membentuk huruf (dilihat dari sisi kiri). Disetiap casing collar, kecuali pada good bond atau eccentering tool akan merupakan garis bergelombang. Apabila terdapat ikatan yang baik antara semen, maka pengukuran ini memperlihatkan dua karakteristik khusus yaitu terbentuknya stretching atau cycle skkiping.
Stretching adalah suatu keadaan dimana terjadi peningkatan transit time kecil (kurang dari 15 us) akibat adanya ikatan semen yang baik. Sedangkan cycle skipping adalah suatu keadaan dimana peningkatan transit time yang terjadi cukup besar (lebih dari 15 us) akibat adanya ikatan semen yang sangat baik.
Tabel III-14. CBL Interpretation Guide. 12) Casing Size WT Travel Time u-sec Free Pipe Signal Class H Cement Interval For Isolation 3000 Psi 100 % Cement 60% Bond Cut-off 4 ½” 9.5 11.6 13.5 254 81 mV 0.2 mV 0.6 mV 1.0 mV 2.3 mV 4.6 mV 7.9 mV 5 ft 5” 15.0 18.0 21.0 258 76 mV 0.9 mV 2.2 mV 3.6 mV 5.5 mV 10.0 mV 15.0 mV 5 feet 5 ½” 15.5 17.0 20.0 23.0 269 72 mV 0.7 mV 1.0 mV 2.1 mV 3.5 mV 4.8 mV 6.0 mV 9.0 mV 13.0 mV 6 feet 7” 23.0 26.0 29.0 32.0 35.0 38.0 40.0 289 62 mV 1.0 mV 1.7 mV 2.4 mV 3.3 mV 4.0 mV 5.0 mV 6.0 mV 5.5 mV 7.5 mV 9.3 mV 13.0 mV 14.0 mV 15 mV 17.0 mV 11 feet 7 5/8” 26.4 29.7 33.7 39.0 302 59 mV 1.1 mV 1.8 mV 2.6 mV 3.5 mV 5.5 mV 7.5 mV 10.0 mV 13.0 mV 12 feet 9 5/8” 40.0 43.5 47.0 53.5 332 51 mV 1.8 mV 2.2 mV 2.7 mV 4.0 mV 6.8 mV 8.5 mV 9.0 mV 12.0 mV 15 feet 10 ¾” 40.5 45.5 48.0 51.0 54.0 55.5 352 48 mV 1.2 mV 1.8 mV 2.1 mV 2.5 mV 2.7 mV 2.8 mV 5.1 mV 6.5 mV 7.6 mV 8.0 mV 8.4 mV 8.8 mV 18 feet
b. Pengukuran Amplitudo
Untuk mengatur amplitudo maka elektronik gate yang terdapat pada alat CBL akan terbuka untuk beberapa saat dan sinyal terbesar yang diterimanya akan terekam. Besarnya harga amplitudo untuk kondisi free pipe atau good bond tergantung pada ukuran casing serta berat nominalnya.
c. Eccentering Effect Pada CBL
Pengaruh alat CBL yang tidak terpusat di tengah lubang akan menyebabkan tersebarnya sinyal di receiver sehingga menghasilkan pembacaan amplitudo yang invalid. Pada Gambar 3.14 memperlihakan pengaruh eccentering terhadap sinyal akustik di receiver.
Gambar 3.14.
Pengaruh Eccentering Terhadap Sinyal Akustik di Receiver. 12)
Dari gambar tersebut dapat disimpulkan bahwa jika alat CBL tidak terletak di tengah lubang maka akan menyebabkan terjadinya dua hal, yaitu : transit time menurun dan amplitudo E1 menurun (1/2” accentering dapat menyebabkan penurunan amplitudo E1 lebih dari 50%).
Sedangkan Gambar 3.15, memperlihatkan pengaruh eccentering pada log CBL. Pada kurva tersebut terlihat bahwa pada eccentering penurunan amplitudo selalu disertai dengan penurunan kurva transit time.
Gambar 3.15
Pengaruh Eccentering Pada CBL. 12)
Peralatan CBL harus diletakkan ditengah-tengah lubang bor (dalam casing) sehingga pengukuran akan lebih akurat. Peralatan CBL secara umum digunakan untuk :
a. Menentukan puncak kedalaman semen.
b. Menentukan kualitas ikatan antara semen dengan casing. c. Memeriksa kembali keefektifan penginjeksian semen. d. Mengevaluasi beberapa teknik penyemenan yang berbeda.
3.11.2.2. Variable Density Log (VDL)
Peralatan Variable Density Log (VDL) mempunyai receiver yang biasanya diletakkan sejauh 5 ft dari transmitter. VDL ini mengevaluasi ikatan antara semen
dengan formasi dan semen dengan casing. VDL mencatat amplitudo gelombang suara dan biasanya berpasangan dengan CBL. Pencatatan dilakukan pada receiver yang terletak 5 ft dari sonic transmitter. Perubahan amplitudo dari gelombang suara menunjukkan variasi dari penembusan yang terekam pada log. Warna gelap atau terang dan bergelombang menunjukkan evaluasi dari VDL. Dalam casing yang tersemen ada empat kemungkinan gelombang yang terekam dari transmitter ke receiver yaitu :
a. Di sepanjang casing.
b. Disepanjang semen di belakang casing. c. Melewati formasi.
d. Melewati lumpur.
Gambar 16. Prinsip Dasar VDL. 12)
Identitas bentuk sinyal yang diperlihatkan oleh VDL adalah : - Casing arrival ditunjukkan oleh bentuk strip yang beraturan.
- Formation arrival ditunjukkan oleh bentuk strip yang beraturan.
Apabila terdapat ikatan yang baik antar casing dengan semen dan antara semen dengan formasi, maka depleksi kurva VDL adalah sebagai berikut :
- Casing arrival lemah atau tidak kelihatan. - Formation arrival kuat.
3.11.2.3. Cement Evaluation Tool (CET)
Untuk mengatasi kekurangan dan keterbatasan yang ada pada CBL – VDL diperlukan Cement Evaluation Tool (CET). Jika CBL mengukur ikatan semen dengan casing dan formasi maka CET akan mendeteksi adanya microannulus dan channeling serta mengukur besarnya compressive strength.
CET menggunakan perangkat ultarsonic berfrekuensi tinggi dengan pemusatan 8 transducer untuk mendeteksi kedelapan bagian azimuth dari casing dan setiap transducer berlaku sebagai pemancar dan penerima. Dari cement map yang terdapat pada lajur 3 maka dengan mudah dapat dilihat distribusi semen yang terdapat di annulus. Bayangan yang terjadi pada cement map sebanding dengan kekuatan kompresi semen dari putih yang menunjukkan free pipe ke hitam yang menunjukkan ikatan semen yang baik.
Seperti halnya pada CBL maka peranan posisi alat di dalam lubang sangat penting. Apalagi transducer menggeser dari pusat lubang, maka pancaran sinar ultrasonic ke dinding casing menjadi tidak normal (tegak) sehingga sinyal tersebut dipantulkan kembali menjauhi transducer. Besarnya harga yang dapat diterima pada sonde eccentering adalah 4 mm untuk casing 7” dan 5 mm untuk casing 9 5/8”. Penyimpangan yang lebih besar dari harga yang telah ditentukan akan mengakibatkan analisa yang invalid (tidak akurat).
3.11.3. Analisa Kualitas Hasil Penyemenan
3.11.3.1. Analisa Kualitas Ikatan Semen Terhadap Casing
Dalam menganalisa kualitas ikatan semen terhadap casing adalah dengan jalan mengamati karakteristik dari gelombang suara yang melalui casing. Sumber suara yang berasal dari transmitter melewati lumpur dan casing kemudian
