9

BAB III

DASAR TEORI

Pembuatan sumur berarah pada prinsipnya sama dengan pembuatan sumur

vertikal, namun dengan tambahan alat untuk memungkinkan pembuatan deviasi

pada lubang. Laju pengeboran umumnya lebih lambat karena kebanyakan alat yang

digunakan dalam membuat deviasi lubang memiliki efisiensi yang lebih buruk bila

dibandingkan dengan alat untuk pengeboran vertikal.

3.1. Sumur Berarah KRX-13

Pada pembuatan sumur berarah terdapat kegiatan yang tidak berkaitan dengan

pengeboran. Kegiatan-kegiatan tersebut diantaranya adalah pengukuran inklinasi,

orientasi, waktu sirkulasi untuk kegiatan pembersihan lubang yang lebih lama, trip

tambahan untuk berbagai macam peralatan pembuatan deviasi serta waktu trip yang

lebih lama karena drag dan torque yang besar.

Pengukuran variabel bawah permukaan didapat dengan menggunakan alat

bernama Measurement While Drilling (MWD). Alat ini merekam pulsa-pulsa

lumpur yang kemudian diterjemahkan oleh receiver di permukaan (menjadi angka).

Terdapat beberapa jenis sumur berarah yang umum dijumpai yaitu:

1. Slant-hole

Lubang ini biasanya dibuat pada sumur dangkal. Lubang ini dibuat dengan

slant hole rig.

2. Kickoff and hold a constant angle

Pada lubang jenis ini, deviasi lubang dimulai pada titik awal pembelokan

lubang (kickoff point) dengan sudut yang telah ditentukan. Besar sudut ini dijaga

tetap konstan hingga kedalaman akhir dari lubang.

3. S-shaped hole

Lubang jenis ini memiliki dua deviasi. Deviasi pertama adalah pada saat kick-

10

-off point hingga kedalaman tertentu, kemudian sumur dikembalikan pada jalur

vertikal hingga kedalaman akhir lubang.

Sumur KRX-13 termasuk dalam jenis S-shaped hole.

3.2. Lumpur Pemboran

Operasi pemboran memiliki tujuan menghasilkan sumur yang sesuai dengan

perencanaan, baik untuk eksplorasi, deliniasi, maupun pengembangan. Kegiatan

operasi ini perlu ditunjang dengan lumpur pemboran, sehingga tujuan operasi dapat

dicapai. Peranan lumpur pemboran, sebagai salah satu faktor penunjang, sangat

menentukan dalam operasi pemboran. Salah satu contohnya yang merupakan

pekerjaan rutin dalam operasi pemboran yaitu melakukan kontrol terhadap sifat

fisik lumpur pemboran untuk memperkecil kemungkinan terjadinya hole problem.

Komposisi dari lumpur pemboran akan menentukan sifat-sifat serta karakteristik

dari lumpur itu sendiri. Sistim pengontrolannya harus dikoreksi terhadap formasi

selama operasi pemboran berlangsung, hal ini dimaksudkan agar lumpur pemboran

bekerja sesuai dengan harapan.

Tanggungjawab ini diemban oleh mud engineer bersama dengan drilling

engineer. Serta perwakilan dari oil company yang bertugas memastikan prosedur-

prosedur yang dilakukan sudah tepat. Tugas utama seorang mud engineer adalah

untuk menjamin fungsi dari lumpur pemboran yang digunakan berjalan dengan

semestinya, menyesuaikan dengan karakter dari formasi yang ditembus. Mud

engineer juga harus bisa memberikan rekomendasi untuk melakukan perubahan

yang dirasa perlu agar tujuan operasi pemboran dapat tercapai dengan efektif dan

efisien.

3.2.1. Fungsi Lumpur Pemboran

Pemilihan sistim lumpur berkenaan dengan sifat-sifat lumpur yang cocok

dengan karakteristik dari formasi sehingga mampu untuk menunjang kegiatan

operasi pemboran, dalam hal ini lumpur pemboran diharapkan dapat memenuhi

fungsi-fungsi seperti: sebagai media pengangkatan cutting, mengontrol tekanan

formasi, menahan dan melepaskan cutting, mengisolasi zona permeabel,

mempertahankan stabilitas lubang, meminimalkan kerusakan formasi,

11

mendinginkan, melumasi, dan menahan rangkaian serta bit, meneruskan energi

hidrolika pada bit, memberikan kualitas yang cukup untuk evaluasi formasi,

mengontrol korosi dan membantu proses penyemenan serta komplesi.

1. Sebagai Media Pengangkatan Cutting

Salah satu fungsi utama dari lumpur pemboran adalah mengangkat cutting

dari dasar lubang ke permukaan. Cutting yang dihasilkan dari proses pengeboran

harus segera dikeluarkan dari dalam sumur. Hal ini dilakukan dengan

mensirkulasikan lumpur pemboran melalui drillstring lalu keluar melalui nozzle bit

(lubang yang ada diantara mata bor) dan kemudian mengalir ke permukaan melalui

annulus. Pengangkatan cutting atau yang biasa disebut kegiatan pembersihan

lubang (hole cleaning) dipengaruhi oleh beberapa hal seperti ukuran, bentuk serta

densitas cutting bersama dengan besar dari rate of penetration (ROP), juga

dipengaruhi oleh besar putaran dari drillstring (RPM), dan besar viskositas,

densitas serta kecepatan anular lumpur pemboran.

Viskositas adalah tahanan fluida terhadap aliran. Viskositas merupakan sifat

fisik yang mengontrol besarnya shear stress akibat adanya pergeseran antar lapisan

fluida. Viskositas dapat pula didefinisikan sebagai perbandingan antara shear stress

(tekanan penggeser) dan shear rate (laju penggeseran).

Viskositas lumpur pemboran dapat dihitung secara cepat dengan

menggunakan marsh funnel. Pengukuran lebih tepat di laboratorium menggunakan

alat viskometer. Alat yang biasa digunakan adalah Fann VG meter. Alat ini dapat

digunakan untuk mengukur plastic viscosity (PV) dan yield point (YP). Plastic

Viscosity adalah tahanan terhadap aliran fluida yang disebabkan oleh gesekan

antara benda padat di dalam lumpur. Yield Point adalah tahanan terhadap aliran

yang disebabkan oleh gaya tarik-menarik antara partikel dalam lumpur.

Viskositas dan karakteristik rheologi dari lumpur pemboran memiliki

pengaruh yang penting dalam kegiatan hole cleaning. Pada lumpur pemboran

berviskositas-rendah cutting akan cepat mengendap sehingga sulit untuk

disirkulasikan ke permukaan. Umumnya, lumpur pemboran berviskositas-tinggi

memiliki kemampuan lebih baik dalam mengangkat cutting. Kebanyakan dari

12

lumpur pemboran bersifat thixotropi, yang berarti lumpur pemboran akan

membentuk gel dalam kondisi statis. Karakteristik ini meyebabkan lumpur

pemboran dapat menahan cutting, seperti ketika sedang melakukan penyambungan

pipa dan situasi lain dimana lumpur tidak disirkulasikan. Lumpur pemboran dengan

shear rate rendah serta viskositas tinggi pada kondisi aliran laminar, telah terbukti

memiliki efisiensi yang paling baik dalam kegiatan hole cleaning.

Umumnya kecepatan anular yang semakin besar akan meningkatkan proses

pengangkatan cutting. Penggunaan lumpur pemboran yang lebih encer untuk

mendapatkan kecepatan anular yang semakin besar dapat menyebabkan

terbentuknya aliran turbulen, yang dapat membantu pembersihan lubang namun

juga memiliki potensi timbulnya masalah pemboran. Kecepatan dimana cutting

mulai mengendap disebut slip velocity. Kecepatan slip dari cutting dipengaruhi oleh

densitas, ukuran serta bentuk, dan viskositas cutting, juga oleh densitas serta

kecepatan lumpur pemboran. Jika kecepatan anular dari lumpur pemboran lebih

besar dari kecepatan slip dari cutting, maka cutting akan terangkat ke permukaan.

Kecepatan yang bekerja ketika cutting bergerak di annulus adalah transport

velocity.

Pada sumur vertikal kecepatan transport sama dengan kecepatan anular

dikurangi kecepatan slip. Pengangkatan cutting pada sumur berarah dan horizontal

lebih kompleks dari pada sumur vertikal. Definisi kecepatan transport pada sumur

vertikal tidak relevan untuk dipakai pada sumur berarah, karena cutting akan

mengendap pada sisi yang lebih rendah, dalam hal ini adalah sisi ketika sumur

berbelok bukan dasar sumur sehingga prosesnya menjadi lebih cepat bila

dibandingkan dengan pengendapan cutting pada sumur vertikal. Pada sumur

horizontal, cutting akan terakumulasi pada bagian bawah dari lubang horizontal,

membentuk cutting bed. Terbentuknya cutting bed dapat menghambat aliran,

meningkatkan torsi dan sulit untuk ditangani. Terdapat dua pendekatan berbeda

yang dapat digunakan untuk kegiatan hole cleaning pada sumur berarah dan sumur

horizontal:

a. Penggunaan lumpur pemboran bersifat thixotropi dengan low-shearrate high-

viscosity atau high LSRV pada kondisi aliran laminar. Sistim lumpur pemboran

13

dengan viskositas yang tinggi dan kecepatan anular yang relatif datar (kondisi

laminar) dapat membersihkan sebagian besar bagian pada sisi miring sumur.

Pendekatan ini cenderung menahan cutting pada alur laju lumpur pemboran dan

mencegah cutting untuk mengendap.

b. Penggunaan lumpur pemboran yang encer dengan kecepatan alir yang tinggi

untuk menstimulasi terbentuknya aliran turbulen. Aliran turbulen akan memberi

kemampuan pembersihan lubang yang baik serta mencegah cutting mengendap

ketika sirkulasi, namun cutting akan mengendap dengan cepat ketika sirkulasi

terhenti. Pendekatan ini bekerja dengan menjaga cutting tertahan dengan aliran

turbulen dan kecepatan anular yang tinggi. Cara ini bekerja sangat baik pada

lumpur pemboran dengan densitas rendah dan tanpa aditif pemberat (cocok

untuk formasi yang kompak). Efektivitas dari cara ini menjadi terbatas oleh

beberapa faktor yaitu: ukuran lubang yang besar, kapasitas pompa yang kecil,

extended reach, kecilnya integritas sumur, dan penggunaan mud motor serta

peralatan bawah permukaan yang membatasi laju alir.

Densitas adalah perbandingan berat suatu zat dengan volume zat tersebut.

Densitas lumpur pemboran merupakan variabel penting dalam sistim lumpur

pemboran. Variabel ini dinyatakan dalam satuan pound per gallon (ppg), specific

gravity (SG), atau pound per cubic feet (lb/ft3).

Lumpur pemboran berdensitas tinggi membantu kegiatan hole cleaning

dengan meningkatkan gaya buoyancy yang bekerja pada cutting, sehingga cutting

dapat terangkat ke permukaan. Dibandingkan dengan lumpur pemboran berdensitas

rendah, lumpur pemboran berdensitas tinggi dapat membersihkan lubang walaupun

dengan kecepatan anular yang rendah dan karakteristik rheologi yang juga rendah.

Namun, bila berat lumpur pemboran melebihi batas yang dibutuhkan untuk

mengimbangi tekanan formasi, maka akan muncul efek negatif terhadap operasi

pemboran, salah satunya adalah terjadinya lost circulation. Sehingga penambahan

berat untuk kegiatan hole cleaning perlu dibatasi oleh tujuan utama operasi

pemboran, dalam hal ini keamanan operasi.

Pengontrolan densitas lumpur dapat dilakukan dengan menambahkan zat-zat

aditif, yang bersifat menaikkan maupun menurunkan densitas lumpur. Densitas dari

14

lumpur pemboran dapat dihitung dengan menggunakan alat mud balance.

Kecepatan putaran yang semakin besar dapat membantu kegiatan hole cleaning

dengan memberikan komponen (arah) melingkar pada jalur laju anular. Aliran

helical (berbentuk spiral) disekitar drillstring menyebabkan cutting yang berada

dekat dengan sisi dari lubang, tempat dimana kondisi pembersihan lubang buruk,

bergerak ke dalam jalur laju anular. Ketika memungkinkan putaran drillstring

merupakan metode terbaik untuk memindahkan cutting bed pada sumur berarah dan

sumur horizontal.

Gambar 3.1.

Mud Balance1

2. Menahan Tekanan Formasi

Fungsi mendasar dari lumpur pemboran adalah untuk mengontrol tekanan

formasi sehingga operasi pemboran dapat berjalan dengan aman. Umumnya, ketika

tekanan formasi meningkat, densitas lumpur pemboran ditingkatkan dengan

menambahkan aditif penambahan berat (contohnya barite) untuk dapat

mengimbangi tekanan serta mempertahankan stabilitas lubang. Penambahan ini

menghalangi fluida formasi untuk mengalir ke dalam lubang sehingga dapat

mencegah kemungkinan terjadinya kick. Tekanan yang dihasilkan oleh kolom

lumpur pemboran ketika dalam keadaan statis (tidak bersirkulasi) disebut tekanan

hidrostatis. Besar tekanan hidrostatis ditentukan beberapa variabel seperti densitas

1 Department of Petroleum Engineering of Heriot-Watt University, Drilling Fluid, Drilling Engineering Handbook, Institute of Petroleum Engineering of Heriot-Watt University, hal 10

15

lumpur pemboran dan true vertical depth (TVD) dari sumur. Besar tekanan

hidrostatis ditunjukkan dalam persamaan:

h mP 0,052 TVD ..................................................................... (3-1)

Keterangan :

Ph = Tekanan hidrostatis kolom lumpur, psi

m = Densitas lumpur, ppg

TVD = Kedalaman vertikal sumur, ft

Jika tekanan hidrostatis dari kolom lumpur pemboran sama dengan atau lebih besar

dari tekanan formasi, fluida formasi tidak akan mengalir ke dalam lubang.

Menjaga untuk tetap dapat mengendalikan keadaan lubang sama dengan

menjaga agar tidak ada fluida formasi yang mengalir ke dalam lubang. Tetapi

pengendalian tersebut juga termasuk kondisi dimana fluida formasi diperbolehkan

untuk mengalir ke dalam lubang, tentunya dengan kondisi yang tertentu dan

terkontrol. Kondisi seperti ini beragam untuk tiap kasus, dari kasus dimana

background gas yang tinggi dapat ditolerir ketika pengeboran hingga kasus dimana

sumur telah berproduksi secara komersil untuk minyak dan juga gas ketika

dilakukan pengeboran. Well control (pengendalian sumur) atau presssure control

(pengendalian tekanan) memiliki arti tidak ada aliran fluida formasi yang tidak

diduga atau tidak terkontrol atau tidak terkondisi yang mengalir ke dalam lubang.

Tekanan hidrostatis juga berfungsi untuk menahan tekanan disekitar lubang

selain dari tekanan yang dihasilkan fluida formasi. Pada wilayah gunung api aktif,

gaya tektonik membebankan tekanan pada formasi sehingga dapat membuat lubang

menjadi tidak stabil bahkan ketika tekanan dari fluida formasi dapat ditahan.

Lubang pada formasi dengan tipe tectonically stressed formation dapat dikontrol

dengan menyeimbangkan tekanan ini dengan tekanan hidrostatis. Begitu juga pada

lubang untuk sumur berarah dan sumur horizontal, kondisi ini dapat menyebabkan

berkurangnya stabilitas lubang, dan sama seperti pada lubang untuk sumur vertikal

kondisi ini juga dapat dikontrol dengan tekanan hidrostatis.

Tekanan normal dari formasi beragam mulai dari formasi dengan pressure

gradient sebesar 0,433 psi/ft (equivalen dengan 8,33 lb/gal air murni) pada area

daratan hingga formasi dengan pressure gradient sebesar 0,465 psi/ft (equivalen

16

dengan 8,95 lb/gal) pada cekungan marin. Elevasi, lokasi dan beragam kondisi

geologi dapat menciptakan keadaan dimana tekanan formasi menyimpang sangat

jauh dari keadaan normal (baik lebih besar maupun lebih kecil). Pada keadaan

seperti ini densitas lumpur pemboran yang digunakan dapat berkisar antara

penggunaan udara (tanpa memperhitungkan berat atau sebesar 0 psi/ft) hingga lebih

dari 20 lb/gal (1,04 psi/ft).

Sering dijumpai pada formasi dengan tekanan sub-normal, pengeboran

dilakukan dengan menggunakan udara, gas, mist, stiff foam, aerated mud atau

lumpur pemboran dengan densitas sangat rendah (biasanya oil-base mud). Berat

lumpur pemboran yang digunakan dalam pengeboran dibatasi oleh berat minimal

yang dibutuhkan agar dapat menahan tekanan formasi dan oleh berat maksimal agar

lumpur pemboran tidak merusak formasi. Pada praktiknya, berat lumpur pemboran

dibatasi oleh nilai minimal yang dibutuhkan untuk kegiatan well control dan

menjaga stabilitas lubang bor.

3. Menahan Cutting

Lumpur pemboran harus dapat menahan cutting, dengan tambahan material

pemberat juga aditif lainnya dalam kondisi yang dinamis, namun juga

memungkinkan agar cutting dapat dipisahkan pada solid-control equipment.

Cutting yang mengendap dalam kondisi statis dapat menyebabkan terjadinya

bridges and fill, yang dapat sewaktu-waktu mengakibatkan stuck pipe (terjepitnya

pipa) atau lost circulation (hilang sirkulasi). Material pemberat yang dapat

mengendap dikenal sebagai sag, kondisi ini dapat menyebabkan perbedaan nilai

densitas pada kolom fluida. Sag terjadi, paling sering, pada kondisi dinamis di

sumur berarah, dimana lumpur pemboran disirkulasikan dengan kecepatan anular

yang rendah.

Cutting dengan konsentrasi padatan tinggi bersifat merusak untuk hampir

semua aspek operasi pemboran, yaitu efisiensi pengeboran dan ROP. Kondisi

tersebut dapat meningkatkan berat dan viskositas lumpur pemboran, yang secara

langsung meningkatkan biaya perawatan dan kebutuhan untuk kegiatan

pengenceran (dilution). Kondisi ini juga meningkatkan horsepower yang

17

dibutuhkan untuk melakukan sirkulasi, ketebalan filter cake, torsi serta drag, dan

juga kemungkinan terjadinya differential sticking.

Sifat lumpur pemboran yang berkaitan dengan fungsinya dalam menahan

cutting harus seimbang dengan sifat yang memungkinkan untuk melepasan cutting

tersebut pada solid-control equipment. Fungsi untuk menahan cutting

membutuhkan nilai viskositas besar dengan sifat-sifat dari fluida thixotropik,

sedangkan solid-control equipment umumnya bekerja lebih efisien dengan fluida

berviskositas kecil. Solid-control equipment tidak bekerja efektif pada lumpur

pemboran yang memiliki konten padatan yang besar dan nilai viskositas plastis

yang juga besar.

Untuk solid control yang efektif, cutting harus dapat dilepaskan dari lumpur

pemboran pada sirkulasi pertama dari dalam sumur. Bila cutting disirkulasikan

kembali, cutting akan terpecah menjadi bagian-bagian yang lebih kecil sehingga

lebih sulit untuk ditangani. Cara yang mudah untuk mengetahui apakah cutting

telah terlepas pada solid-control equipment atau belum adalah dengan

membandingkan konten pasir dari lumpur pemboran pada flow line dengan yang

berada pada suction pit.

4. Mengisolasi Zona Permeabel

Permeabilitas mengacu pada kemampuan fluida untuk mengalir melalui

formasi berpori; formasi harus permeabel agar hidrokarbon dapat diproduksi.

Ketika tekanan dari kolom lumpur pemboran lebih besar dari tekanan formasi,

filtrat lumpur akan menginvasi formasi, dan filter cake yang berupa fasa padat dari

lumpur pemboran akan terdeposit pada dinding lubang. Sistim fluida pemboran

perlu didesain untuk menghasilkan filter cake, yang tipis dengan nilai permeabilitas

kecil, pada formasi untuk membatasi invasi dari filtrat lumpur pemboran. Hal ini

dapat meningkatkan stabilitas lubang dan mencegah masalah pemboran juga

produksi. Potensi masalah yang dapat muncul berkaitan dengan filter cake yang

tebal dan filtrasi yang berlebihan termasuk diantaranya kondisi lubang tight

(lubang menjadi lebih kecil dari yang seharusnya), kualitas hasil logging yang

18

buruk, meningkatnya torsi dan drag, terjepitnya pipa, hilang sirkulasi, dan

kerusakan formasi.

Pada formasi berpermeabilitas tinggi dengan pore throat yang besar, seluruh

lumpur pemboran berpotensi untuk menginvasi formasi, tentu hal ini juga

tergantung pada besar fasa padat dari lumpur pemboran. Pada situsai seperti ini,

bridging agent harus digunakan untuk menutup pori sehingga fasa padat dari

lumpur pemboran dapat membentuk sekat. Agar cara ini efektif bridging agent

harus berukuran sekitar 1 1/2 (satu setengah) dari pori terbesar. Contoh bridging

agent yang dapat digunakan yaitu kalsium karbonat, selulosa dan beragam lost-

circulation material. Berdasarkan sistim fluida pemboran yang digunakan,

beberapa jenis aditif dapat meningkatkan kualitas filter cake, sehingga membatasi

terjadinya filtrasi. Aditif tersebut antara lain bentonite, polimer (natural maupun

sintetis), asphalt dan gilsonite, serta aditif deflokulasi organik.

5. Mempertahankan Stabilitas Lubang

Stabilitas lubang merupakan kesetimbangan yang kompleks antara faktor

mekanik dan kimia. Komposisi kimia dan sifat lain dari lumpur pemboran harus

dapat dikombinasikan untuk menunjang lubang yang stabil hingga saat dimana

casing dapat dipasang dan disemen. Tanpa mempedulikan komposisi kima juga

faktor-faktor lain dari lumpur pemboran, berat dari lumpur harus berada dalam

kisaran yang dibutuhkan untuk dapat menyeimbangkan gaya mekanis yang bekerja

pada lubang. Ketidakstabilan lubang seringkali diidentifikasi dengan adanya

sloughing, yang menyebabkan penyempitan pada lubang juga bridges and fill pada

waktu trip. Hal ini menunjukkan perlunya untuk melakukan ream pada kedalaman

tersebut.

Stabilitas lubang dikatakan sempurna ketika lubang yang terbentuk memiliki

besar sesuai dengan perencanaan baik ukuran maupun bentuk silindrisnya. Segera

setelah lubang terkikis atau membesar dengan cara apa pun, lubang menjadi rentan

dan semakin sulit untuk distabilkan kembali. Pembesaran lubang merupakan

sumber dari berbagai macam masalah seperti kecepatan anular yang rendah,

buruknya pembersihan lubang, meningkatnya muatan padatan, meningkatnya biaya

19

perawatan, buruknya evaluasi formasi, biaya semen yang lebih besar dan hasil

semen yang buruk.

Pembesaran lubang ketika menembus formasi batupasir umumnya

disebabkan oleh faktor mekanis, seperti erosi yang paling sering terjadi dan

disebabkan oleh gaya-gaya hidrolik dan kecepatan nozzle bit yang terlalu besar.

Pembesaran lubang ketika menembus formasi batupasir dapat dikurangi secara

signifikan dengan menggunakan program hidrolika konservatif, terutama yang

berhubungan dengan impact force dan nozzle velocity. Batupasir memiliki

konsolidasi yang buruk serta merupakan batuan yang rentan. Formasi seperti ini

memerlukan overbalance yang kecil dan filter cake yang berkualitas baik, yang

mengandung bentonite, untuk membatasi pembesaran lubang.

Pada formasi batuan shale, jika berat lumpur pemboran cukup untuk menahan

tekanan formasi, lubang biasanya stabil, pada awalnya. Pada penggunakan water-

base mud, perbedaan unsur kimia akan menyebabkan terjadinya reaksi antara

lumpur pemboran dengan batuan shale, hal ini dapat menyebabkan terjadinya

swelling ataupun softening. Kondisi tersebut dapat menyebabkan masalah baru

lainnya seperti sloughing dan tight hole.

Berbagai macam inhibitor kimiawi atau aditif dapat ditambahkan untuk

membantu dalam mengontrol interaksi antara lumpur pemboran dengan batuan

shale. Sistim dengan kandungan kalsium yang tinggi, juga potasium serta inhibitor

kimiawi lainnya sangat tepat untuk digunakan pada formasi yang water-sensitive.

Garam, polimer, material asphalt, glikol, minyak surfaktan dan inhibitor shale lain

perlu digunakan pada lumpur pemboran dengan jenis water-base mud, untuk

menghambat shale swelling serta mencegah sloughing. Batuan shale memiliki

beragam jenis komposisi dan sensitivitas, hal ini menyebabkan tidak ada aditif

khusus yang dapat dijadikan sebagai acuan dalam penanganan shale secara

universal.

Oil-base mud atau synthetic-base mud sering digunakan untuk pengeboran

formasi batuan shale yang sensitive terhadap air. Lumpur jenis ini memberikan

fungsi inhibitor shale yang lebih baik daripada lumpur jenis water-base mud. Batu

lempung dan batuan shale tidak menghidrasi atau mengembang pada fasa yang

20

berkelanjutan dengan menggunkan lumpur jenis ini. Pada lumpur jenis ini juga

terdapat tambahan inhibitor yang dihasilkan oleh fasa emulsified brine (biasanya

kalsium klorida) dari lumpur jenis ini. Emulsified brine mengurangi aktifitas air

dan menciptakan gaya osmosis yang mencegah adsorpsi air oleh batuan shale.

6. Meminimalkan Kerusakan Formasi

Melindungi reservoir dari kerusakan yang dapat mempengaruhi tahapan

produksi adalah salah satu fungsi penting dari lumpur pemboran. Berkurangnya

nilai porositas dan permeabilitas dari formasi produktif dianggap sebagai kerusakan

formasi. Hal ini dapat terjadi sebagai hasil dari plugging oleh lumpur pemboran

(baik fasa padat maupun kimia) dan interaksi mekanis dengan formasi (oleh

rangkaian pipa). Seringkali kerusakan formasi dilaporkan sebagai nilai skin damage

atau jumlah kehilangan tekanan yang terjadi ketika sumur berproduksi (drawdown

pressure).

Jenis prosedur dan metode dari komplesi akan menentukan sejauh mana

pengamanan formasi diperlukan. Sebagai contoh, ketika sumur telah di-casing,

juga disemen dan diperforasi, kedalaman perforasi biasanya ditetapkan berdasarkan

produksi yang paling efisien, walaupun terdapat kerusakan pada kedalaman

tersebut. Sebaliknya, ketika sumur horizontal dikomplesi dengan metode openhole,

fluida komplesi yang khusus didesain untuk meminimalkan kerusakan formasi

dibutuhkan pada tahap ini. Sangat jarang efek kerusakan formasi yang diakibatkan

lumpur pemboran berakibat hingga minyak dan/atau gas tidak dapat diproduksi,

namun perlu ada beberapa pertimbangan yang digunakan terhadap potensi

terjadinya kerusakan tersebut, khususnya ketika memilih jenis lumpur pemboran

untuk interval formasi produktif.

Beberapa mekanisme umum yang menyebabkan kerusakan formasi adalah:

a. Lumpur pemboran atau fasa padat lumpur menginvasi matriks batuan dari

formasi, sehingga menutup pori.

b. Terjadinya swelling pada formasi batu lempung, sehingga mengurangi nilai

permeabilitas formasi.

21

c. Presipitasi dalam bentuk padatan sebagai hasil dari filtrat lumpur pemboran

dengan fluida formasi yang tidak saling cocok.

d. Presipitasi dalam bentuk padatan hasil dari filtrat lumpur pemboran dengan

fluida lain, seperti brine (air asin) atau asam, selama proses komplesi atau

stimulasi.

e. Filtrat lumpur pemboran dan fluida formasi membentuk emulsi, sehingga

mengurangi nilai permeabilitas.

Kemungkinan terjadinya kerusakan formasi dapat ditentukan dari data offset

well serta penelitian tentang inti batuan dari formasi terkait return permeability.

Lumpur pemboran didesain untuk mengurangi masalah seperti kerusakan formasi,

lumpur dengan desain khusus (reservoir drill-in fluid) atau workover dan juga

fluida komplesi, semua itu dapat dimanfaatkan untuk mengurangi kerusakan

formasi.

7. Mendinginkan, Melumasi, dan Menahan Rangkaian Serta Bit

Gesekan pada rangkaian menghasilkan panas yang cukup besar, gesekan ini

terjadi secara mekanis antara rangkaian dengan casing ataupun dinding lubang.

Selain itu panas juga dihasilkan oleh gaya hidrolika yang bekerja pada bit. Sirkulasi

dari lumpur pemboran mendinginkan bit serta rangkaian, memindahkan panas dari

sumber gesekan, lalu mengalirkan panas tersebut keluar dari lubang (menuju

permukaan). Sirkulasi lumpur pemboran membuat rangkaian memiliki suhu

dibawah suhu bottom-hole. Selain mendinginkan, lumpur pemboran juga melumasi

rangkaian, yang juga mengurangi panas hasil dari gesekan. Bit, mud motor, dan

komponen-komponen drillstring akan cepat rusak tanpa fungsi lumpur pemboran

untuk mendinginkan serta melumasi.

Kemampuan untuk melumasi dari suatu fluida dapat dihitung dengan nilai

dari coefficient of friction fluida tersebut. Berdasarkan nilai ini beberapa jenis

lumpur pemboran melakukan fungsinya sebagai pelumas lebih baik dari jenis lain.

Contohnya oil-base mud dan synthetic-base mud melumasi lebih baik dari hampir

semua jenis water-base mud, namun aditif pelumas (lubricant) dapat ditambahkan

ke dalam lumpur jenis ini untuk memperbaiki fungsinya dalam melumasi. Contoh

22

lain adalah bahwa water-base mud memberikan kemampuan untuk melumasi lebih

baik dari pada lumpur berbahan dasar udara ataupun gas.

Jumlah pelumasan yang diberikan oleh lumpur pemboran beragam dan

tergantung pada jenis serta jumlah dari fasa padat juga dipengaruhi material

pemberat yang dicampurkan, selain itu juga dipengaruhi oleh komposisi kimia dari

sistim (besar pH, salinitas, dan kekerasan batuan). Mengubah kemampuan

pelumasan dari lumpur bukanlah ilmu pasti. Bahkan setelah evaluasi yang

menyeluruh, dengan memperhitungkan berbagai faktor yang relevan, penerapan

penggunaan pelumas masih mungkin menemui kegagalan dengan tidak mengurangi

besar torsi dan drag seperti yang telah diantisipasi.

Indikasi dari pelumasan yang buruk adalah besarnya torsi dan drag, tingkat

keausan yang tidak wajar, dan suhu panas pada komponen-komponen drillstring.

Tetapi indikasi-indikasi ini juga dapat disebabkan oleh hal lain seperti dogleg yang

parah serta masalah pada pemboran berarah, bit balling, key seating, buruknya

pembersihan lubang dan desain rangkaian yang keliru. Fungsi sebagai pelumas

mungkin dapat mengurangi gejala-gejala dari masalah-masalah tersebut, namun

penyebab aktual dari masalah-masalah ini tetap harus segera diatasi.

Lumpur pemboran menahan sebagian dari berat drillstring atau casing

melalui gaya buoyancy. Jika drillstring, liner atau casing berada di dalam kolom

lumpur pemboran, rangkaian tersebut terapung oleh gaya yang sama dengan berat

lumpur pemboran yang berpindah, sehingga mengurangi beban hook di permukaan.

Buoyancy berkaitan langsung dengan berat lumpur pemboran, jadi fluida dengan

berat 18 lb/gal akan menghasilkan dua kali buoyancy dari fluida dengan berat 9

lb/gal.

Beban yang dapat ditahan oleh rig dibatasi oleh kapasitas mekanik yang

dimiliki rig tersebut, hal ini penting untuk dijadikan pertimbangan ketika akan

menambah kedalaman, karena dengan bertambahnya kedalaman beban drillstring

dan casing juga akan bertambah. Kebanyakan rig memiliki kapasitas yang cukup

untuk menahan beban drillstring tanpa bantuan buoyancy, tapi hal ini tetap menjadi

bahan pertimbangan yang penting ketika mengevaluasi titik netral (titik pada

drillstring dimana tidak ada efek tension maupun compression). Namun demikian,

23

ketika menggunakan rangkaian yang panjang dan berat, buoyancy dapat digunakan

untuk menghasilkan manfaat yang menguntungkan. Dengan menggunakan

buoyancy, dimungkinkan untuk menggunakan rangkaian yang memiliki beban

melebihi kapasitas beban hook. Jika casing tidak terisi penuh oleh lumpur ketika

diturunkan ke dalam lubang, ruang kosong di dalam caasing akan memperbesar

buoyancy, sehingga menghasilkan penurunan beban yang signifikan pada hook di

permukaan. Proses ini disebut floating-in the casing.

8. Meneruskan Energi Hidrolika Pada Bit

Energi hidrolika dapat digunakan untuk memaksimalkan ROP dengan

meningkatkan pengangkatan cutting pada bit. Energi hidrolika juga menghasilkan

tenaga bagi mud motor untuk memutar bit juga untuk peralatan Measurement While

Drilling (MWD) dan Logging While Drilling (LWD). Pembuatan program

hidrolika didasari pada pemilihan ukuran nozzle bit yang tepat dengan

memanfaatkan horsepower dari pompa untuk menghasilkan penurunan tekanan

maksimal pada bit atau untuk mengoptimasi jet impact force pada dasar lubang.

Program hidrolika dibatasi oleh horsepower pompa yang tersedia, tekanan

yang hilang pada drillstring, tekanan maksimal yang diperbolehkan di permukaan

dan laju alir optimal. Ukuran nozzle dipilih untuk memanfaatkan tekanan yang

tersedia pada bit untuk memaksimalkan efek dari impact lumpur pemboran pada

dasar lubang. Hal ini dapat membantu proses pengangkatan cutting dari bagian

bawah bit dan menjaga struktur cutting tetap bersih.

Kehilangan tekanan pada drillstring lebih besar pada fluida dengan nilai

densitas, viskositas plastis dan jumlah fasa padat yang lebih besar. Penggunaan pipa

atau tool joint, mud motor, peralatan MWD/LWD dengan diameter dalam (inside

diameter/ID) yang lebih kecil, semua itu menurunkan besar dari tekanan yang

tersedia pada bit. Lumpur pemboran yang encer dengan fasa padat yang rendah atau

yang memliliki karakteristik untuk menurunkan besar drag, seperti polimer, lebih

efisien dalam meneruskan energi hidrolika pada peralatan bawah permukaan dan

bit. Pada sumur-sumur dangkal, horsepower hidrolika biasanya cukup untuk

membersihkan bit dengan efisien. Karena kehilangan tekanan pada drillstring

24

meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman, hingga kedalaman dimana

tekanan tidak memadai untuk pembersihan yang optimal. Kondisi ini dapat diatasi

dengan secara hati-hati mengontrol sifat lumpur pemboran.

9. Memberikan Kualitas yang Cukup untuk Evaluasi Formasi

Evaluasi formasi yang akurat penting untuk kesuksesan operasi pemboran,

khususnya pada pemboran eksplorasi. Sifat kimia dan fisik dari lumpur pemboran

mempengaruhi kualitas dari evaluasi formasi. Sifat kimia dan fisik dari formasi

setelah pengeboran juga mempengaruhi hal tersebut. Selama pengeboran, sirkulasi

lumpur pemboran dan cutting diamati untuk melihat tanda-tanda keberadaan

kandungan minyak dan gas, yang dilakukan oleh mud logger. Mereka memeriksa

komposisi mineral, paleontologi dan tanda-tanda visual keberadaan hidrokarbon

pada cutting. Informasi ini direkam pada mud log yang menunjukkan litologi, ROP,

deteksi gas dan kandungan minyak pada cutting ditambah parameter-parameter

geologi dan pemboran lainnya.

Electric wireline logging dilakukan untuk mengevaluasi formasi untuk

mendapatkan tambahan informasi. Sidewall core juga dapat dilakukan dengan

menggunakan wireline conveyed tool. Wireline logging meliputi pengukuran sifat-

sifat elektrik, sonik, radioaktif dan resonansi-magnetik dari formasi untuk

mengidentifikasi litologi dan fluida formasi. Untuk logging yang berkelanjutan

selama pengeboran sumur, dapat menggunakan peralatan LWD. Pengambilan

sampel coring untuk dievaluasi di laboratorium juga dilakukan pada zona produksi

untuk mendapatkan informasi yang diinginkan. Zona produktif yang potensial

diisolasi dan dievaluasi dengan melakukan formation test (FT) atau drillstem test

(DST) untuk mendapatkan sampel tekanan dan fluida.

Semua metode evaluasi formasi ini dipengaruhi oleh lumpur pemboran.

Sebagai contoh, jika cutting ter-dispersi di dalam lumpur, maka tidak ada yang bisa

diamati oleh mud logger dipermukaan. Atau, jika pengangkatan cutting buruk,

maka akan sulit bagi mud logger untuk menentukan kedalaman asal cutting

tersebut. Aditif-aditif yang digunakan seperti minyak, pelumas dan asphalt akan

menutupi indikasi-indikasi keberadaan hidrokarbon pada cutting. Log listrik

25

tertentu hanya bekerja dengan baik pada fluida konduktif, sedangkan log lainnya

bekerja lebih baik pada fluida non-konduktif.

Sifat-sifat lumpur pemboran akan mempengaruhi pengukuran sifat-sifat

batuan dengan peralatan wireline elektrik. Filtrat lumpur pemboran yang berlebihan

dapat mendorong minyak dan gas dari area di sekitar lubang, hal ini akan memberi

pengaruh yang buruk bagi kualitas log dan sampel-sampel FT atau DST.

Lumpur pemboran yang mengandung kadar ion potasium yang tinggi akan

mengubah nilai radioaktivitas asli formasi sehingga hasil dari logging akan tidak

sesuai dengan keadaan aktual. Salinitas yang tinggi dari filtrat lumpur akan

membuat log elektrik menjadi sulit atau bahkan mustahil untuk diinterpretasikan.

Peralatan wireline logging harus dijalankan dari permukaan hingga dasar

lubang, pengukuran aktual dari sifat batuan dilakukan ketika peralatan ditarik ke

permukaan. Untuk wireline logging yang optimal, lumpur pemboran harus tidak

terlalu kental, namun tetap menjaga kestabilan lubang dan mampu menahan cutting

atau caving. Keadaan lubang harus neargauge (memiliki besar seragam) dari atas

ke bawah, karena pembesaran lubang yang berlebihan disertai dengan filter cake

yang tebal dapat menghasilkan hasil yang beragam pada logging dan meningkatkan

kemungkinan terjepitnya peralatan logging.

Lumpur pemboran yang digunakan pada saat coring dipilih berdasarkan jenis

evaluasi yang akan dilakukan. Jika core yang akan diambil untuk keperluan litologi

(analisa mineral), maka tidak ada batasan dari jenis lumpur yang akan digunakan.

Jika core yang akan diambil untuk penelitian waterflood atau wettability, maka

water-base mud yang bland (memiliki pH netral) tanpa surfaktan atau pengencer

yang dibutuhkan. Jika core yang akan diambil untuk pengukuran saturasi air dari

reservoir, maka oil-base mud yang bland dengan kandungan surfaktan minimal dan

tanpa air atau garam yang sering direkomendasikan. Kebanyakan operasi coring

secara spesifik memerlukan lumpur yang bland serta penggunaan aditif yang

minimal.

10. Mengontrol Korosi

Komponen drillstring dan casing yang berhubungan dengan lumpur pembo-

26

-ran secara terus-menerus akan menjadi rentan terhadap berbagai macam jenis

korosi. Gas yang terlepas (dissolved gas) seperti oksigen, karbon dioksida dan

hidrogen sulfida dapat menyebabkan masalah korosi yang serius pada peralatan,

baik di permukaan maupun di bawah permukaan. Umumnya nilai pH yang kecil

dapat memperburuk (mempercepat waktu terjadinya) korosi. Oleh karena itu, salah

satu fungsi penting dari lumpur penmboran adalah untuk menjaga tingkat korosi

pada level yang dapat diterima. Selain melindungi permukaan peralatan logam dari

korosi, lumpur juga dibuat agar tidak merusak peralatan berbahan karet atau

elastomer (polimer natural atau sintetis yang bersifat elastis). Dalam kondisi dimana

lumpur pemboran dan/atau kondisi bawah permukaan memungkinkan, logam

spesial dan elastomer baru dapat digunakan. Corrosion coupon (kartu diisi catatan

yang berkaitan dengan korosi) perlu digunakan pada semua tahapan operasi

pemboran untuk memonitor tipe dan laju korosi dari peralatan yang dipakai.

Mud aeration, foaming dan kondisi penjebakan oksigen (trapped-oxygen)

lainnya dapat menyebabkan kerusakan korosi yang parah dalam waktu yang

singkat. Inhibitor kimiawi dan scavenger (unsur yang bereaksi dengan molekul

tertentu dan melepaskan molekul tersebut) dapat digunakan ketika terdapat potensi

korosi yang besar. Inhibitor kimiawi harus digunakan secara tepat. Corrosion

coupon harus dievaluasi secara berkala agar dapat menentukan apakah inhibitor

kimiawi yang akan digunakan sudah tepat dan dengan jumlah yang cukup. Cara ini

akan menjaga laju korosi pada level yang dapat diterima.

Hidrogen sulfida dapat menyebabkan kerusakan drillstring dengan cepat. Zat

ini juga berbahaya bagi manusia bila terekspos, walaupun dalam konsentrasi yang

kecil. Ketika pengeboran menembus formasi yang mengandung zat ini, pH lumpur

harus ditingkatkan juga dikombinasikan dengan bahan kimia yang bersifat sulfide-

scavenging seperti zinc.

11. Membantu Proses Penyemenan dan Komplesi

Lumpur pemboran harus menghasilkan lubang yang dapat dimasuki casing

yang kemudian dapat disemen dengan efektif dan juga tidak menghambat operasi

komplesi. Proses penyemenan penting untuk mengisolasi zona efektif dan

27

keberhasilan operasi komplesi. Selama penurunan casing, lumpur harus dalam

keadaan bergerak dan perlu untuk meminimalkan terjadinya pressure surge, yang

dapat menyebabkan fracture-induced lost circulation. Penurunan casing akan lebih

lancar pada lubang yang tidak berisi cutting, caving, atau bridges. Lumpur yang

digunakan harus memiliki filter cake yang tipis dan licin. Untuk menyemen casing

dengan baik, lumpur harus diganti seluruhnya dengan spacer, sebelum kemudian

semen dimasukkan. Penggantian lumpur yang efektif memerlukan lubang yang

neargauge dan lumpur harus memiliki viskositas yang kecil dan juga gel strength

non-progressive yang kecil. Operasi komplesi seperti perforasi dan gravel packing

juga membutuhkan lubang yang neargauge dan juga dipengaruhi oleh karakteristik

dari lumpur pemboran.

Perencanaan dalam sistim lumpur pemboran perlu didasari atas kemampuan

dari lumpur untuk menghasilkan fungsi-fungsi esensial dan untuk meminimalisasi

masalah yang mungkin terjadi. Proses pemilihan lumpur pemboran untuk operasi

pemboran perlu dilakukan dengan dasar pengalaman yang luas, pengetahuan umum

serta pertimbangan atas teknologi terbaik yang tersedia.

Awalnya, pemilihan lumpur pemboran yang akan digunakan pada sistim yang

ada didasari atas antisipasi dari masalah yang mungkin terjadi. Namun,

pertimbangan lain dapat digunakan untuk membuat sistim yang berbeda. Faktor

biaya, ketersediaan produk serta faktor lingkungan selalu menjadi bahan

pertimbangan yang penting. Tetapi biasanya pengalaman dan pilihan perwakilan

dari oil company-lah yang akan menjadi faktor paling menentukan.

Banyak sumur yang berhasil diselesaikan, dibor dengan lumpur yang tidak

dipilih hanya berdasarkan performance-nya saja. Keberhasilan ini merupakan hasil

dari penerapan pengalaman dari mud engineer yang dapat mengadaptasi sistim

lumpur pemboran agar mencapai kondisi unik yang dihadapi pada tiap sumur.

Perubahan dalam sifat lumpur akan mempengaruhi fungsi tertentu dari

lumpur tersebut. Walaupun mud engineer hanya mengganti satu atau dua sifat

lumpur untuk mengatur salah satu fungsi dari lumpur, fungsi lain akan terpengaruh.

Sifat lumpur harus dikenali dari pengaruh yang diberikannya untuk semua fungsi

dan hubungannya untuk tiap fungsi. Sebagai contoh, tekanan formasi dikontrol

28

terutama oleh berat lumpur, tetapi pengaruh dari viskositas pada kehilangan tekanan

anular dan equivalent circulating density (ECD) perlu dipertimbangkan untuk

menghindari terjadinya lost circulation.

Perencanaan lumpur pemboran hampir selalu memerlukan trade-off (berusaha

mengimbangi dua kondisi yang ingin dicapai namun saling berlawanan) dalam

perawatan dan mempertahankan sifat yang dibutuhkan untuk mendapatkan fungsi

yang dibutuhkan. Lumpur dengan viskositas besar dapat memperbaiki pembersihan

lubang, namun juga mengurangi efisiensi hidrolika, meningkatkan padatan yang

tertahan, memperlambat laju penetrasi dan mengubah kebutuhan penanganan

secara kimiawi serta pengenceran. Mud engineer yang berpengalaman memiliki

pemahaman terhadap situasi seperti ini dan mengerti cara untuk memperbaiki salah

satu fungsi tetapi juga meminimalisasi pengaruh terhadap perubahan sifat lumpur

untuk fungsi lainnya.

3.2.2. Rheologi Lumpur Pemboran

Rheologi adalah ilmu yang mempelajari perubahan bentuk (deformation) dan

aliran (flow) dari suatu zat. Cara fluida mengalir dalam beragam kondisi (suhu,

tekanan dan shear rate tertentu) dapat ditentukan dengan menggunakan prosedur

pengukuran yang tepat. Salah satu terminologi rheologi yang paling umum adalah

viskositas. Viskositas dapat dideskripsikan sebagai ketahanan dari suatu substan

untuk mengalir. Pada praktiknya terdapat beberapa istilah yang digunakan untuk

menggambarkan sifat-sifat dari rheologi lumpur pemboran: funnel viscosity (detik/

qt atau detik/l), apparent viscosity (cP atau mPa detik), effective viscosity (cP atau

mPa detik), plastic viscosity (cP atau mPa detik), yield point (lb/100 ft2 atau Pa),

low-shear viscosity dan lowshear-rate viscosity (LSRV) (cP atau mPa detik) serta

gel strength (lb/100 ft2 atau Pa).

1. Funnel Viscosity

Funnel viscosity didapat dengan pengukuran menggunakan marsh funnel.

Variabel ini digunakan sebagai indikator dari kondisi fluida. Informasi yang didapat

dari pengukuran funnel viscosity tidak menggambarkan karakteristik dari aliran

fluida. Nilai ini digunakan untuk mendeteksi perubahan relatif pada sifat-sifat

29

fluida. Nilai dari funnel viscosity yang didapat bukan merupakan representasi untuk

seluruh fluida. Apa yang berfungsi dengan baik pada satu sumur mungkin akan

gagal pada sumur lainnya, tetapi umumnya secara praktis ada aturan/panduan yang

dapat diterapkan untuk lumpur pemboran berbahan dasar clay. Funnel viscosity dari

kebanyakan lumpur pemboran dikontrol pada (paling banyak) empat kali dari nilai

densitas. Ada pengecualian, namun hanya untuk area yang membutuhkan lumpur

ber-viskositas besar. Lumpur dengan polimer dan invert-emulsion juga tidak

mengikuti aturan ini.

2. Shear rate dan Shear stress

Viskositas () didefinisikan sebagai perbandingan antara shear stress ()

dengan shear rate (). Konsep dari shear rate dan shear stress berlaku untuk semua

jenis aliran fluida. Dalam sistim sirkulasi, besar shear rate bergantung pada

kecepatan rata-rata dari fluida dalam tempat dimana fluida itu mengalir.

Gambar 3.2.

Shear rate dan Shear stress pada dua jenis fluida2

Dengan demikian shear rate memiliki nilai yang lebih besar pada tempat yang

sempit (contohnya di dalam drillstring) dan lebih kecil pada tempat yang besar

(contohnya di dalam casing). Nilai shear rate yang lebih besar biasanya

menghasilkan gaya resistif dari shear stress yang lebih besar pula. Sehingga, besar

shear stress di dalam drillstring (dimana shear rate lebih besar) akan melebihi

besar shear stress di annulus (dimana shear rate lebih kecil). Jumlah kehilangan

tekanan pada keseluruhan sistim sirkulasi (tekanan pompa) sering dikaitkan dengan

2 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 2

30

shear stress sedangkan laju alir pompa dikaitkan dengan shear rate. Hubungan

antara shear rate dan shear stress pada fluida menjelaskan bagaimana fluida

tersebut mengalir. Gambar berikut menjelaskan gambaran sederhana dari dua jenis

fluida (A dan B) yang bergerak saling melewati ketika terdapat gaya yang bekerja

pada keduanya.

Ketika fluida mengalir, akan muncul gaya yang bekerja melawan gaya yang

ditimbulkan oleh aliran tersebut. Gaya ini dikenal dengan shear stress. Gaya ini

dapat dianggap sebagai gaya gesek yang muncul ketika satu lapis (layer) fluida

bergesekan dengan fluida lain. Karena lebih mudah bagi shear untuk terjadi antara

lapisan fluida dengan fluida lain dibandingkan dengan lapisan terluar (outermost

layer) fluida dengan dinding pipa, maka fluida yang memiliki kontak dengan pipa

dapat dianggap tidak mengalir. Besar laju dari satu lapisan fluida yang bergerak

melewati lapisan lainnya disebut shear rate. Dengan demikian shear rate

merupakan gradien kecepatan. Persamaan untuk shear rate adalah:

2 1V - V = d

...................................................................................... (3-2)

Keterangan :

= Shear rate, detik-1

V2 = Kecepatan pada layer B, ft/detik

V1 = Kecepatan pada layer A, ft/detik

d = Jarak antara A dan B, ft

Shear rate memiliki nilai yang sebanding dengan mud viscometer RPM ()

dikalikan dengan 1,703. Konstanta ini diturunkan dari sleeve and bob geometry dari

viscometer.

Shear stress adalah gaya yang dibutuhkan untuk menahan shear rate. Dalam

satuan lapangan shear stress menggunakan satuan lb/100 ft2, sehingga definisinya

adalah gaya sebesar 1 lb untuk tiap 100 ft2 yang dibutuhkan untuk menahan shear

rate. Pembacaan pada mud viscometer () dapat diubah menjadi nilai dari shear

stress dengan mengalikannya dengan konstanta 1,0678. Namun karena

perbedaannya kecil nilai dari pembacaan mud viscometer sering langsung dianggap

sebagai nilai dari shear stress.

31

3. Effective Viscosity

Viskositas efektif (e) fluida adalah nilai viskositas dari fluida tersebut dalam

kondisi yang spesifik. Kondisi ini termasuk shear rate, tekanan dan suhu.

4. Apparent Viscosity

Viskositas efektif terkadang dianggap sebagai apparent viscosity (AV).

Apparent viscosity adalah pembacaan mud viscometer pada 300 RPM (300) atau

satu setengah kali dari pembacaan pada 600 RPM (600). Perlu dicatat bahwa

kedua nilai yang didapat dengan cara ini konsisten dengan persamaan:

300AV =

................................................................................. (3-3)

Keterangan :

AV = Apparent viscosity, cP

= Pembacaan mud viscometer

= Mud viscometer RPM

5. Plastic Viscosity

Plastic viscosity (PV), dalam satuan centipoise (cP) atau miliPascal detik

(mPa detik), dapat dihitung dengan mengurangi pembacaan pada 600 RPM (600)

dengan pembacaan pada 300 RPM (300). Plastic viscosity biasanya digambarkan

sebagai ketahanan untuk mengalir yang disebabkan oleh friksi mekanis. Terutama

dipengaruhi oleh:

a. Konsentrasi fasa padat.

b. Ukuran dan bentuk padatan.

c. Viskositas dari fasa cair lumpur.

d. Keberadaan dari rantai panjang polimer, seperti hydroxyethylcellulose (HEC)

atau carboxymethylcellulose (CMC).

e. Rasio oil-to-water (O/W) atau synthetic-to-water (S/W) pada lumpur pemboran

berjenis invert-emulsion.

f. Tipe emulsifier pada lumpur pemboran berjenis invert-emulsion.

Fasa padat membutuhkan perhatian khusus bagi mud engineer. Bertambahnya

besar plastic viscosity dapat berarti pertambahan jumlah padatan, pengurangan pada

32

ukuran partikel, perubahan bentuk dari partikel padatan atau kombinasi dari hal-hal

tersebut. Bertambahnya jumlah padatan yang terekspos di permukaan akan

ditunjukkan pada bertambahnya nilai plastic viscosity. Memecah ukuran partikel

padatan, contohnya, akan menghasilkan pecahan partikel yang masing-masing

menempati ruang yang lebih besar di permukaan dari pada ukuran normal partikel.

Partikel yang datar (flat) akan menempati ruang yang lebih besar daripada partikel

yang membulat (spherical) dengan volume yang sama. Namun seringkali

bertambahnya nilai plastic viscosity merupakan akibat dari bertambahnya jumlah

padatan. Hal ini dapat dipastikan dengan adanya perubahan densitas dan/atau

analisa retort.

Beberapa dari padatan dalam lumpur berada didalamnya karena mereka

secara tak sengaja tercampur. Bentonite, sebagai contoh, baik untuk meningkatkan

viskositas dan mengurangi fluid loss, sedangkan barite penting untuk

mempertahankan besar densitas. Terdapat aturan bahwa viskositas dari lumpur

tidak boleh lebih besar dari yang diperlukan untuk kegiatan hole cleaning dan barite

suspension. Ketika lumpur gagal menjalankan fungsi ini, penting untuk

meningkatkan yield point dan nilai dari low-shear (6 dan 3 RPM) dibandingkan

dengan meningkatkan nilai plastic viscosity.

Cutting, akan secara buruk mempengaruhi sifat-sifat rheologi dari lumpur

pemboran dan ini adalah kondisi yang tidak diinginkan. Cutting akan terus-menerus

bertambah ke dalam lumpur selama proses pengeboran, menyebabkan

bertambahnya jumlah padatan dalam lumpur. Jika padatan ini tidak langsung

dipisahkan dari lumpur, mereka akan pecah menjadi bagian yang lebih kecil, karena

mengalami sirkulasi secara berulang melalui sisim sirkulasi.

Masalah pun akan muncul, terutama yang berkaitan dengan viskositas

lumpur, jika hal ini tidak ditangani. Ada tiga cara agar cutting dapat dikontrol:

a. Mengontrol cutting secara mekanis (dengan menggunakan solid-control

equipment).

b. Settling (membiarkan agar cutting mengendap dalam peralatan khusus seperti

gumbo trap).

33

c. Dilution (mengencerkan lumpur) atau displacement (mengganti dengan lumpur

baru).

Plastic viscosity juga mempengaruhi viskositas dari fasa cair lumpur. Bila

viskositas dari air menurun seiring dengan bertambahnya suhu, maka plastic

viscosity akan turun secara proporsional. Brine memiliki viskositas yang lebih besar

dari air. Emulsi minyak pada water-base mud memberikan fungsi yang sama seperti

fungsi dari padatan dan akan mempengaruhi plastic viscosity dari lumpur

pemboran.

Polimer yang ditambahkan ke dalam sistim untuk mengontrol nilai viskositas,

fluid loss atau shale inhibition, dapat mempengaruhi plastic viscosity. Polimer

rantai panjang (seperti HEC atau CMC) memiliki pengaruh yang besar terhadap

plastic viscosity. Polimer rantai pendek atau jenis polimer dengan viskositas rendah

(seperti CMC LV) memberi pengaruh yang sedikit pada plastic viscosity. Kenaikan

plastic viscosity hanya akan terlihat pada saat setelah mencampurkan polimer.

Sehingga dianjurkan untuk tidak mengukur viskositas pada suction pit pada saat

setelah pencampuran. Umumnya setelah beberapa kali sirkulasi plastic viscosity

dan sifat-sifat rheologi lainnya akan menurun dan stabil.

Untuk mengoptimalkan fungsi dari lumpur berjenis invert-emulsion (oil-base

dan synthetic-base), plastic viscosity dapat diatur dengan rasio O/W atau S/W.

umumnya, semakin tinggi O/W atau S/W, maka plastic viscosity akan semakin

rendah. Juga, pemilihan dari emulsifier yang akan digunakan akan berpengaruh

pada plastic viscosity.

Perubahan pada plastic viscosity dapat memberikan pengaruh besar pada

tekanan pompa. Hal ini sangat penting pada sumur dengan jangkauan yang dalam

seperti pengeboran dengan menggunakan coiled-tubing, dengan lubang yang lebih

panjang dan penggunaan pipa berdiameter kecil. Pada kondisi seperti ini sangat

penting untuk meminimalkan plastic viscosity. Nilai plastic viscosity harus dijaga

serendah mungkin pada semua kasus praktis di lapangan, karena plastic viscosity

yang rendah akan menghasilkan energi yang lebih besar pada bit, laju alir yang

lebih besar di annulus untuk kegiatan hole cleaning dan akan lebih ramah pada

peralatan yang digunakan juga menurunkan bahan bakar yang diperlukan.

34

Secara praktis batas maksimal dari plastic viscosity adalah dua kali berat

lumpur pemboran (lb/gal). Namun, nilai ini mungkin akan membatasi fungsi dari

lumpur berat, yang fasa padatnya dipenuhi oleh material pemberat sehingga lumpur

jenis ini memiliki toleransi yang rendah terhadap cutting. Plastic viscosity adalah

pendekatan yang baik untuk nilai viskositas dari fluida yang melewati nozzle bit.

6. Yield Point

Yield point (YP), dalam satuan lb/100 ft2, dapat dihitung dengan

menggunakan data yang didapat dari Fann VG Meter, yaitu dua kali pembacaan

pada 300 RPM (300) dikurangi dengan pembacaan pada 600 RPM (600). Atau

pembacaan pada 300 RPM (300) dikurangi dengan nilai dari plastic viscosity.

Yield point, komponen dari sifat ketahanan untuk mengalir lumpur pemboran,

adalah sebuah ukuran terhadap elektro-kimia atau gaya tarik-menarik antar partikel

pada lumpur (attractive forces). Gaya ini merupakan hasil dari kutub negatif dan

positif yang berada pada atau dekat dengan permukaan partikel. Yield point adalah

ukuran dari gaya-gaya ini pada kondisi aliran tertentu dan bergantung pada:

karakteristik dari permukaan partikel padatan, volume dari padatan dan medan

listrik dari padatan tersebut.

Viskositas besar hasil pengaruh dari yield point yang besar atau attractive

forces dapat disebabkan oleh:

a. Bercampur dengan kontaminan yang dapat larut (soluble) seperti garam, semen,

anhidrit atau gypsum yang menyebabkan flokulasi clay dan padatan reaktif

(reactive solid).

b. Pecahnya pertikel clay yang disebabkan tergerus oleh bit dan pipa, sehingga

menciptakan gaya-gaya residual baru (hasil dari pemutusan ikatan valensi) pada

sisi partikel yang rusak (tergerus). Gaya ini cenderung menarik partikel-partikel

berkumpul dalam susunan yang tidak beraturan (floc).

c. Bercampurnya inert solid ke dalam sistim dapat meningkatkan yield point. Hal

ini menyebabkan partikel bergerak saling berdekatan. Kondisi ini menjadikan

jarak antara tiap partikel berkurang, sehingga gaya tarik antar partikel

meningkat.

35

d. Ketika pengeboran menembus zona batuan shale atau clay, maka akan ada

active solid yang masuk ke dalam sistim. Active solid akan meningkatkan

attractive force dengan mendekatakan partikel satu dan yang lain dan dengan

meningkatkan jumlah kutub (positif ataupun negatif).

e. Penanganan yang kurang atau berlebihan dengan cara elektrokimia sehingga

meningkatkan attractive force.

f. Penggunaan biopolimer bercabang.

g. Penanganan yang berlebihan dengan menggunakan organophilic clay atau

rheological modifier pada sistim dengan lumpur berjenis invert-emulsion.

Yield point adalah bagian dari ketahanan untuk mengalir yang dapat dikontrol

dengan penanganan kimia yang tepat. Yield point akan berkurang seiring dengan

berkurangnya attractive force oleh penanganan kimia. Pengurangan yield point juga

akan berdampak pada berkurangnya apparent viscosity.

Pada lumpur pemboran berjenis water-base mud berbahan dasar clay, yield

point dapat dikurangi dengan cara-car berikut:

a. Pemutusan ikatan valensi, yang disebabkan oleh tergerusnya partikel clay, dapat

dinetralkan dengan adsorpsi material anion khusus pada sisi dari partikel clay.

Ikatan valensi yang sudah rusak ini dapat distabilkan, hampir seluruhnya,

dengan menggunakan zat kimia seperti tannin, lignin, fosfat kompleks,

lignosulfonat dan low molecular-weight polyacrylate. Penggunaan zat kimia

tersebut akan menyebabkan kutub negatif menjadi elemen utama sehingga

partikel akan tolak-menolak.

b. Pada kasus kontaminasi yang berasal dari kalsium atau magnesium, kation yang

menyebabkan munculnya attractive force dapat dilepaskan sebagai presipitasi

tak larut (insoluble precipitate), sehingga mengurangi attractive force dan yield

point.

c. Air dapat digunakan untuk mengurangi yield point, tetapi bila konsentrasi

padatan sangat tinggi, cara ini menjadi relatif tidak efektif dan boros. Selain itu

air dapat mengubah sifat lain dari lumpur pemboran. Contohnya pada lumpur

berat (weighted mud), penambahan air akan meningkatkan fluid loss dan

mengurangi berat lumpur, sehingga lumpur harus diperberat lagi.

36

Umumnya pada water-base mud berbahan dasar clay, material anion

(berkutub negatif) akan ber-deflokulasi yang berakibat pada turunnya viskositas.

Material kation (berkutub positif) akan menunjang terjadinya flokulasi yang

berakibat pada naiknya viskositas.

Peningkatan yield point dapat dicapai dengan menambahkan viscosifier atau

apapun yang menunjang terjadinya flokulasi pada lumpur. Contohnya penambahan

sebagian kecil dari lime (garam atau alkali yang mengandung kalsium) ke dalam

lumpur berbahan dasar air yang mengandung bentonite akan menyebabkan

terjadinya flokulasi yang tentunya meningkatkan yield point. Namun harus diingat

bahwa flokulasi dapat menimbulkan efek yang tak diinginkan untuk fluid-loss

control, tekanan sirkulasi dan gel strength.

Nilai yield point dari sistim lumpur berbahan dasar clay dengan dispersi

lignosulfonat secara khusus perlu dipertahankan kira-kira setara dengan berat

lumpur. Sistim lumpur ber-fasa padat yang rendah (low or minimum solid) dengan

tanpa molekul yang terdispersi dapat memilik yield point yang cukup tinggi, tetapi

lumpur jenis ini jarang digunakan dengan densitas melebihi 14 lb/gal.

Wetting agent atau thinner dapat digunakan untuk mengurangi yield point

pada lumpur berjenis invert-emulsion. Material ini terkadang dapat mengurangi

toleransi padatan dari lumpur. Biasanya cara yang digunakan untuk mengurangi

yield point pada lumpur ini adalah dengan meningkatkan rasio O/W atau S/W

dengan menambahkan minyak ataupun cairan sintetis.

Yield point sering digunakan sebagai indikator dari karakteristik shear-

thinning dari fluida dan kemampuan fluida tersebut untuuk menahan material yang

berat serta memindahkan cutting dari dalam lubang. Namun hal itu dapat

menyesatkan, fluida apapun yang memiliki nilai yield point lebih besar dari nol

akan tetap memiliki nilai shear. Fluida dengan yield point yang sangat rendah tidak

akan mampu menahan material yang berat, tetapi fluida dengan yield point yang

tinggi pun tidak mampu melakukannya.

Larutan seperti CMC, polyanionic cellulose (PAC) dan polimer HEC di dalam

air memiliki nilai yield point, tetapi larutan ini tidak dapat menahan material yang

berat dalam kondisi statis. Pengukuran shear stress pada shear rate yang rendah

37

untuk larutan-larutan tersebut mengindikasikan bahwa nilai shear stress dari

larutan-larutan ini pada shear rate nol detik-1 adalah nol. Kemampuan fluida untuk

menahan barite lebih bergantung pada gel strength, low-shear viscosity dan

thixotropi fluida.

7. Low-shear Viscosity dan LowShear-Rate Viscosity (LSRV)

Penambahan kedalaman pada sumur berarah maupun horizontal dan

penggunaan biopolimer untuk (pengontrolan) sifat rheologi telah mengubah sudut

pandang dari sifat rheologi yang dibutuhkan untuk kegiatan hole cleaning yang

efisien pada lubang ber-sudut. Melalui berbagai penelitian di laboratorium dan data

lapangan, ditemukan bahwa nilai low-shear viscosity (6 dan 3 RPM), pada lumpur

pemboran, memiliki pengaruh yang lebih besar pada kegiatan hole cleaning

daripada nilai yield point. Selain itu juga memberikan kemampuan untuk menahan

barite pada kondisi dinamis maupun statis.

8. Gel Strength

Thixotropi adalah sifat yang ada pada fluida yang dapat membentuk struktur

gel dalam kondisi statis dan kemudian kembali menjadi cairan ketika terdapat

shear. Hampir semua lumpur berbahan dasar air memiliki sifat ini yang merupakan

hasil dari adanya partikel-partikel bermuatan listrik atau polimer khusus yang saling

berhubungan membentuk matriks yang kaku (rigid).

Pembacaan nilai dari gel strength (pada Fann VG Meter) diambil pada

interval detik ke-10 dan menit ke-10 serta untuk melihat nilainya pada kondisi kritis

yaitu pada menit ke-30. Fann VG Meter dapat memberikan ukuran tingkatan dari

sifat thixotropi yang ada pada fluida. Kekuatan pembentukan gel dipengaruhi oleh

jumlah dan jenis dari padatan, waktu, suhu serta zat kimia yang dipakai. Dengan

kata lain, apapun yang menyebabkan atau mencegah penyatuan partikel akan

meningkatkan atau menurunkan kecenderungan pembentukan gel (gelation) dari

fluida.

Besar (magnitude) pembentukan gel, atau bisa dikatakan sebagai jenis dari gel

strength, merupakan hal yang penting untuk dapat menahan cutting dan material

38

pemberat. Namun, pembentukan gel harus dijaga agar tidak melebihi dari yang

dibutuhkan untuk memenuhi fungsi-fungsi tersebut.

Gel strength yang berlebihan dapat menyebabkan komplikasi seperti:

a. Terjebaknya udara atau gas di dalam fluida.

b. Dibutuhkan tekanan yang besar ketika memulai sirkulasi setelah trip.

c. Penurunan efisiensi dari solid-control equipment.

d. Terjadinya excessive swabbing ketika penarikan rangkaian.

e. Terjadinya excessive pressure surge ketika penurunan rangkaian.

f. Ketidakmampuan untuk menurunkan peralatan logging hingga dasar lubang.

Progressive gel atau flash gel dapat menimbulkan masalah pada sistim lumpur

pemboran. Gel yang ada pada batas antara interval 10 detik dengan 10 atau 30 menit

pada pembacaan nilai gel (gel reading) disebut progressive gel dan merupakan

indikasi dari peningkatan padatan. Jika pada interval 10 detik dan 10 menit pada

pembacaan nilai gel keduanya menunjukkan nilai yang tinggi dengan perbedaan

yang kecil antara keduanya, kondisi ini disebut flash gel dan merupakan indikasi

terjadinya flokulasi.

Gel strength dan yield point, keduanya merupakan ukuran dari gaya tarik-

menarik yang ada di dalam sistim lumpur pemboran. Pengukuran awal (pada

interval 10 detik) gel strength merepresentasikan gaya tarik-menarik statis,

sedangkan pada yield point menunjukkan gaya tarik-menarik dinamis. Dengan

demikian penanganan pada nilai gel strength awal yang berlebihan akan sama

dengan penanganan untuk nilai yield point yang berlebihan.

Pembentukan gel memberikan suatu fluida ingatan dari masa lalunya dan

harus diperhatikan ketika melakukan pengukuran sifat rheologi dari fluida tersebut.

Jika suatu fluida diperbolehkan untuk bertahan dalam periode waktu tertentu

sebelum dilakukan pengukuran dari nilai shear stress pada shear rate tertentu,

dibutuhkan waktu agar shear rate mencapai nilai tertentu sebelum shear stress

(dalam kondisi equilibrium dengan nilai shear rate tersebut) dapat diukur. Semua

ikatan antara partikel yang dapat diputus pada nilai shear rate tersebut harus diputus

atau pengukuran shear stress akan menjadi lebih tinggi dari nilai equilibrium shear

39

stress. Lama waktu yang dibutuhkan bergantung pada derajat pembentukan gel

yang muncul pada sampel.

Setelah pengukuran dilakukan pada 600 RPM dan shear rate dipelankan

hingga 300 RPM, fluida cenderung untuk mengingat nilai dari shear sebelumnya

yaitu pada 600 RPM. Ada periode waktu yang dibutuhkan untuk ikatan tertentu

antara partikel yang muncul ketika terjadi penurunan shear rate, agar kembali ke

bentuk asalnya/bentuk sebelumnya (reform) sebelum nilai equilibrium shear stress

dapat diukur. Indikasi dari nilai shear stress akan sangat kecil pada awalnya dan

secara bertahap meningkat hingga nilai equilibrium.

Formasi atau peluruhan dari struktur gel merupakan variabel yang bergantung

pada waktu, terdapat banyak cara dalam perbandingan shear-stress dengan shear-

rate yang dapat dipakai dalam menggunakan nilai shear rate yang berbeda. Cara

ini diillustrasikan dalam Gambar 3.3. kurva padatan merepresentasikan nilai

equilibrium dari perbandingan shear-stress dengan shear-rate yang muncul ketika

nilai shear rate pada fluida berubah menjadi sangat lambat. Namun, jika fluida

memulai di titik A pada nilai equilibrium dari shear stress yang tinggi kemudian

turun secara tiba-tiba hingga nilai shear rate nol, nilai dari shear stress akan

mengikuti bentuk kurva bagian bawah, yang dalam semua titiknya lebih kecil dari

kurva equilibrium.

Pada keadaan tidak aktif, gel strength akan meningkat hingga titik B. Setelah

mencapai titik B, shear rate akan meningkat secara tiba-tiba, shear stress akan ikut

naik dari titik B menuju titik C, yang pada semua titiknya lebih besar dari kurva

equilibrium. Sering berjalannya waktu dengan nilai shear rate yang tinggi, nilai

shear stress pada akhirnya akan menurun dari titik C menuju nilai equilibrium pada

titik A. Sebaliknya setelah sampai pada titik B shear rate akan meningkat secara

perlahan dan shear stress pada awalnya akan menurun sebelum kemudian

mengikuti kurva equilibrium hingga titik A.

Kurva B hingga C dapat menggambarkan kondisi lumpur pemboran yang

tidak ditangani dengan tepat. Kondisi ini akan menyebabkan tekanan sirkulasi yang

besar. Periode waktu yang lebih panjang dibutuhkan untuk mencapai nilai

equilibrium pada titik A. Lumpur pemboran yang ditangani dengan baik dapat

40

digambarkan dengan kurva equilibrium yang membentuk jalur yang lebih pendek,

sehingga membutuhkan tekanan pompa yang lebih rendah.

Gambar 3.3.

Kelakuan Fluida Trixotropi3

3.3. Jenis Fluida

Berdasarkan kelakuannya fluida dapat dibedakan menjadi dua jenis, fluida

newtonian dan fluida non-newtonian.

3.3.1. Fluida Newtonian

Dibandingkan fluida non-newtonian fluida newtonian adalah jenis yang lebih

sederhana. Bahan dasar dari hampir semua jenis lumpur pemboran adalah fluida

newtonian (air tawar, air laut, diesel, minyak dan sintetis). Fluida jenis ini memiliki

perbandingan antara shear stress dan shear rate yang proporsional, seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.4. Garis lurus pada grafik, yang dimulai dari titik awal

(0,0) lalu memotong bidang segi empat, merepresentasikan perbandingan

proporsional tersebut.

Nilai viskositas dari fluida newtonian adalah kemiringan garis lurus ini, yang

merupakan garis perbandingan shear-stress dengan shear-rate. Nilai yield stress

(stress yang dibutuhkan untuk memulai aliran) dari fluida newtonian akan selalu

nol. Sebagai contoh, ketika nilai shear rate berlipat ganda, maka nilai shear stress

juga akan berlipat ganda. Ketika laju sirkulasi pada fluida tersebut berlipat ganda,

tekanan yang dibutuhkan untuk memompakan fluida adalah sebesar kuadrat dari

3 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 8

41

besar normalnya.

Gambar 3.4.

Shear rate vs Shear stress pada Fluida Newtonian4

Fluida newtonian tidak dapat menahan cutting dan material pemberat dalam

kondisi statis. Ketika fluida newtonian (air tawar, air laut, air asin dan minyak)

digunakan sebagai lumpur pemboran, lubang harus disirkulasi bersih secara berkala

dan sebelum penyambungan/pelepasan rangkaian.

Nilai shear stress untuk beberapa nilai shear rate perlu dihitung untuk

mengelompokkan sifat aliran dari fluida. Cukup perlu dilakukan satu pengukuran

karena nilai shear stress proporsional dengan nilai shear rate dari fluida newtonian.

Dari pengukuran ini nilai shear stress pada shear rate berapa pun dapat ditentukan

dari persamaan berikut:

.......................................................................................... (3-4)

Definisi umum ini terdiri atas variabel yang independen. Data yang didapat dari

Fann VG Meter perlu dikonversi ke dalam satuan viskositas dengan persamaan:

1,0678

1,703

................................................................................ (3-5)

Nilai viskositas dihitung dengan persamaan ini dalam satuan English Unit (ft,

lb,dll), tetapi untuk API Daily Mud Report viskositas dihitung dalam satuan centi-

4 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 9

42

-poise (cP yang sama dengan 0,01 dyne/cm2). Untuk itu perlu dilakukan konversi

kembali dari satuan English Unit menjadi satuan centipoise, faktor konversinya

adalah 478,9. Dengan konversi ini persamaan menjadi:

1,0678478,9 cP

1,703

................................................................ (3-6)

Persamaan ini dapat disederhanakan menjadi:

300 cP

................................................................................. (3-7)

Fluida yang mengalir pada pipa silinder dalam aliran laminar bergerak secara

konsentris seperti ditunjukkan pada Gambar 3.5A. Profil kecepatan fluida

newtonian ketika mengalir dalam pipa ditunjukkan pada Gambar 3.5B. Profil dari

aliran tersebut membentuk sebuah parabola.

Gambar 3.5.

Profil Aliran Fluida Newtonian dalam Pipa5

Laju perubahan kecepatan dalam jarak tertentu (shear rate) direpresentasikan

sebagai kemiringan dari profil kecepatan pada titik manapun di pipa. Kemiringan

pada profil kecepatan akan maksimal pada dinding pipa dan kemudian menurun

hingga nol pada bagian tengah pipa. Sehingga shear rate akan maksimal pada

dinding pipa dan nol pada bagian tengah pipa. Kemiringan dari profil kecepatan

5 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 10

43

akan paralel ketika mencapai dinding pipa, sehingga nilai kemiringannya tak

terbatas (maksimal).

Kemiringan dari profil kecepatan menurun dengan bertambahnya jarak

dengan dinding pipa hingga pada satu titik mencapai kemiringan dengan sudut 1 .

Pada bagian tengah pipa, kemiringan dari profil kecepatan akan tegak lurus dengan

dinding pipa dengan kemiringan 0 (minimal). Dengan demikian nilai shear stress

akan maksimal pada dinding pipa.

Shear rate pada dinding pipa dapat dihitung dengan persamaan:

8V

D ............................................................................................ (3-8)

Keterangan :

= Shear rate, detik-1

V = Kecepatan rata-rata fluida, ft/detik

D = Diameter pipa, ft

Gambar 3.6.

Profil Kecepatan Fluida Newtonian pada Annulus6

Perhitungan nilai shear rate akan berbeda pada kasus annulus konsentris,

seperti pada ruang antara lubang dengan pipa yaang ditunjukkan Gambar 3.6. Pada

6 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 11

44

kasus ini fluida mengalir di sekeliling pipa di dalam lubang (baik dengan atau tanpa

casing). Nilai shear rate anular untuk pipa konsentris dapat dihitung dengan

persamaan:

2 1

12V

D - D ...................................................................................... (3-9)

Keterangan :

= Shear rate, detik-1

V = Kecepatan rata-rata fluida, ft/detik

D1 = Diameter luar pipa yang lebih kecil, in

D2 = Diameter dalam pipa yang lebih besar, in

3.3.2. Fluida Non-Newtonian

Mineral clay atau partikel koloid yang terkandung dalam fluida, partikel-

partikel ini cenderung untuk menabrak satu sama lain, sehingga meningkatkan

nilai shear stress atau gaya yang dibutuhkan untuk mempertahankan laju alir.

Namun, dengan meningkatkan shear rate, partikel akan membentuk barisan pada

alur laju alir dan efek dari interaksi partikel pun berkurang.

Gambar 3.7.

Profil Kecepatan Fluida Non-Newtonian7 7 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 11

45

Kondisi ini akan menghasilkan profil kecepatan yang berbeda dengan profil

kecepatan air (salah satu fluida newtonian) di dalam pipa. Pada bagian tengah pipa,

dimana nilai shear rate kecil, gangguan partikel tinggi sehingga fluida cenderung

untuk mengalir seperti benda padat. Profil kecepatan menjadi rata seperti pada

Gambar 3.7. Kondisi ini meningkatkan efisiensi penyapuan dari fluida dalam

menggantikan fluida lain dan juga meningkatkan kemampuan fluida untuk

membawa partikel yang lebih besar.

Jika partikel-partikel memiliki muatan yang berlawanan akan menyebabkan

tarik-menarik satu sama lain. Kondisi ini, dimana partikel saling terhubung, pada

shear rate yang kecil akan meningkatkan ketahanan untuk mengalir tetapi pada

shear rate yang besar ikatan yang menyebabkan partikel saling terhubung tersebut

akan terputus. Dalam kondisi demikian, nilai shear stress tidak meningkat secara

proporsional terhadap kenaikan shear rate. Fluida yang memiliki kelakukan seperti

ini disebut fluida non-newtonian. Hampir semua lumpur pemboran termasuk dalam

jenis fluida ini.

Gambar 3.8.

Shear rate vs Shear stress pada Fluida Non-Newtonian8

Fluida non-newtonian memiliki hubungan shear-stress/shera-rate seperti

ditunjukkan Gambar 3.8. Rasio dari shear stress terhadap shear rate tidak konstan

tetapi berbeda untuk tiap nilai shear rate. Hal ini menunjukkan bahwa fluida

8 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 12

46

nonnewtonian tidak memiliki satu nilai viskositas atau nilai konstan yang dapat

mewakili kelakuan dari fluida tersebut untuk semua nilai shear rate. Untuk

menggambarkan viskositas dari fluida non-newtonian pada shear rate tertentu,

digunakan nilai effective viscosity (viskositas efektif). Viskositas efektif

didefinisikan sebagai rasio (kemiringan) dari shear stress dengan shear rate pada

nilai shear rate tertentu dan diilustrasikan sebagai kemiringan garis yang terbentuk

dari kurva shear stress (pada nilai shear rate tersebut) menuju ke titik awal (lihat

Gambar 3.8). Seperti yang digambarkan, kebanyakan fluida non-newtonian

memiliki sifat shear-thinning, efek dari sifat ini adalah nilai viskositas efektif

berkurang seiring dengan meningkatnya shear rate.

Ketika nilai viskositas efektif di-plot dengan kurva shear-stress/shear-rate

akan mudah untuk melihat sifat shear-thinning, yang dimiliki fluida, seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.9.

Gambar 3.9.

Sifat Shear-thinning pada Fluida Non-Newtonian9 9 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 12

47

Shear-thinning memiliki implikasi penting dalam lumpur pemboran, karena

sifat ini memberikan apa yang dibutuhkan oleh lumpur pemboran seperti:

1. Pada kecepatan yang tinggi (nilai shear rate besar) dalam rangkaian hingga

menuju bit, lumpur akan menunjukkan sifat shear-thinning untuk menurunkan

viskositas. Hal ini akan mengurangi tekanan sirkulasi dan kehilangan tekanan.

2. Pada kecepatan yang rendah (nilai shear rate kecil) dalam annulus, lumpur

memiliki nilai viskositas yang besar sehingga membantu kegiatan hole

cleaning.

3. Pada kecepatan yang sangat rendah, lumpur memiliki nilai viskositas yang

sangat besar dan ketika tidak bersirkulasi akan membentuk gel, yang membantu

untuk menahan material pemberat dan cutting.

3.4. Jenis Pola Aliran

Lumpur pemboran adalah subjek dari berbagai macam jenis pola aliran

selama proses pengeboran. Pola aliran ini dapat didefinisikan dalam beberapa tahap

yang berbeda, seperti ditunjukkan pada Gambar 3.10. Pola aliran tersebut adalah

tahap dimana tidak ada aliran lalu menjadi aliran plug, transisi aliran plug menjadi

aliran laminar, aliran laminar, transisi aliran laminar menjadi aliran turbulen hingga

akhirnya menjadi aliran turbulen.

1. Tidak ada aliran

Pada awalnya kebanyakan lumpur pemboran menolak untuk mengalir

sehingga perlu diberikan tekanan untuk memulainya. Nilai maksimal dari gaya atau

tekanan ini merupakan nilai yield stress dari fluida tersebut. Di dalam lubang nilai

ini berhubungan dengan gaya yang dibutuhkan untuk break circulation

(menghentikan atau memulai sirkulasi).

2. Aliran plug

Ketika nilai yield stress terlewati, aliran akan mulai menjadi aliran plug. Pada

aliran ini, kecepatan akan sama di sepanjang diameter pipa atau annulus kecuali pada

sisi dinding pipa atau lubang. Aliran keluarnya pasta gigi dari tubenya sering dijadikan

contoh untuk mengambarkan aliran ini. Profil kecepatan dari aliran plug adalah datar.

48

Gambar 3.10.

Tahapan Perubahan Pola Aliran10

3. Transisi aliran plug menjadi aliran laminar

Seiring dengan meningkatnya laju alir, efek dari shear akan mulai

mempengaruhi lapisan dalam fluida dan mengurangi ukuran plug pada bagian

tengah aliran. Kecepatan akan meningkat hingga yang paling tinggi ada pada bagian

10 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 19

49

tengah dari plug. Profil kecepatan adalah datar sepanjang plug dengan kecepatan

paling tinggi lalu menurun hingga nol pada sisi dinding pipa atau lubang.

4. Aliran laminar

Ketika kecepatan alir terus meningkat, efek dari laju alir dan dinding pipa atau

lubang terhadap fluida akan terus meningkat. Hingga pada satu titik dimana plug

menghilang. Pada saat itu kecepatan tertinggi akan berada pada bagian tengah aliran

dan secara bertahap berkurang hingga nol pada dinding pipa atau lubang. Profil

kecepatan aliran laminar membentuk sebuah parabola. Kecepatan aliran ini

dipengaruhi oleh jarak titik fluida dari dinding pipa atau lubang. Fluida di dalam

pipa yang mengalir dengan pola aliran ini akan mengikuti arah dari aliran, tapi

dengan kecepatan yang berbeda untuk tiap titik.

5. Transisi aliran laminar menjadi aliran turbulen

Semakin meningkatnya laju alir akan membuat pola aliran menjadi rusak

(breakdown).

6. Aliran Turbulen

Bila kecepatan laju alir terus meningkat, pola aliran akan terganggu dan fluida

akan mulai bergerak secara memutar. Pergerakan seperti ini akan berlanjut

sepanjang annulus atau pipa dalam satu arah, tetapi arah pergerakan di dalam fluida

itu sendiri tidak dapat diprediksi. Setelah kondisi ini tercapai penambahan

kecepatan hanya akan meningkatkan turbulensi dari aliran.

Perbedaan dari pola aliran ini memberikan impilkasi yang berbeda pula.

Tekanan yang dibutuhkan untuk memompa fluida dengan pola aliran turbulen akan

jauh lebih besar dari yang tekanan yang dibutuhkan untuk memompa fluida dengan

pola aliran laminar. Setelah pola aliran turbulen terbentuk, peningkatan pada laju

alir akan meningkatkan tekanan sirkulasi secara geometri. Pada pola aliran turbulen

menggandakan laju alir akan meningkatkan tekanan sebanyak empat kali lipat (22),

dan meningkatkan laju alir hingga tiga kali akan meningkatkan kehilangan tekanan

sebanyak delapan kali lipat (23).

50

Selama pengeboran, fluida dalam rangkaian hampir selalu dalam pola aliran

turbulen, sehingga meningkatkan kehilangan tekanan yang kemudian membatasi

laju alir. Kehilangan tekanan pada aliran turbulen di dalam annulus akan menjadi

penting untuk diperhatikan ketika equivalent circulating density (ECD) mendekati

nilai gradien rekah formasi. Aliran turbulen selalu diasosiasikan dengan erosi

dinding lubang dan washout. Pada zona-zona yang rentan, lubang akan terkikis

hingga diameter tertentu, dimana pada diameter tersebut pola aliran menjadi

laminar. Ketika menembus zona seperti ini, laju alir dan rheologi lumpur pemboran

harus dikontrol untuk mencegah terjadinya aliran turbulen.

3.5. Model Rheologi

Model rheologi adalah deskripsi dari hubungan antara shear stress dengan

shear rate. Hukum Newton tentang kecepatan merupakan model rheologi yang

menjelaskan kelakuan fluida newtonian, atau biasa disebut model newtonian.

Namun, karena kebanyakan dari lumpur pemboran adalah fluida non-newtonian,

model tersebut tidak dapat menjelaskan kelakuan alirannya. Bahkan, karena tidak

ada satu model rheologi pun yang mampu dengan tepat menjelaskan karakteristik

aliran dari semua jenis lumpur pemboran, terdapat banyak model yang

dikembangkan untuk menjelaskan kelakuan aliran fluida non-newtonian.

Diantaranya adalah Bingham Plastic, Power Law dan modified Power Law.

Penggunaan model-model ini memerlukan pengukuran dari shear stress pada dua

atau lebih nilai shear rate. Dari pengukuran tersebut, nilai shear stress untuk shear

rate tertentu dapat dihitung.

3.5.1. Model Bingham Plastic

Model Bingham Plastic adalah yang paling sering dipakai untuk

menjelaskan karakteristik aliran dari lumpur pemboran. Model ini adalah salah satu

model tertua yang masih dipakai hingga saat ini. Model ini menggambarkan fluida

dengan gaya terbatas yang dibutuhkan untuk memulai aliran (yield point) dan

memperlihatkan viskositas konstan dengan peningkatan shear rate (plastic

viscosity). Persamaan untuk model Bingham Plastic adalah:

51

0 p ..................................................................................... (3-10)

Keterangan :

= Shear stress, mPa

0 = Yield point, mPa

p = Plastic viscosity, mPa-detik

= Shear rate, detik-1

Persamaan ini perlu dikonversi agar dapat digunakan dengan data yang didapat

dari pembacaan viscometer, sehingga Persamaan (3-10) menjadi:

YP PV300

......................................................................... (3-11)

Keterangan :

= Shear stress (pembacaan viscometer), lbf/100 ft2

YP = Yield point, lbf/100 ft2

PV = Plastic viscosity, cP

= Shear rate (RPM pembacaan viscometer), detik-1

Gambar 3.11.

Shear rate vs Shear stress untuk Model Bingham Plastic11

Kebanyakan fluida bukan merupakan fluida Bingham Plastic, dalam artian

karakteristik alirannya tidak mengikuti definisi dari model Bingham Plastic. Untuk

11 M-I Swaco, Handbook of Drilling Fluids, Chapter 5 Rheology and Hydraulics, hal 13

52

lumpur yang cocok dengan definisi ini, jika kurva konsitensi untuk lumpur

pemboran dibuat berdasarkan data viscometer, akan menghasilkan kurva non-linear

yang tidak memotong titik asal (0,0) seperti ditunjukkan pada Gambar 3.11.

Perkembangan dari nilai gel strength akan menyebabkan kurva memotong sumbu-

Y pada titik di atas titik asal (true yield), perbedaan ini dikarenakan gaya minimal

yang dibutuhkan untuk memecah gel dan memulai aliran.

Dua kecepatan viscometer didesain untuk mengukur nilai rheologi dari model

Bingham Plastic, yaitu yield point dan plastic viscosity. Kurva aliran dari lumpur

pemboran yang diambil dengan dua kecepatan Fann VG Meter ditunjukkan pada

Gambar 3.12. Kemiringan dari porsi garis lurus pada kurva konsistensi merupakan

nilai dari plastic viscosity.

Dari perhitungan dua shear stress ini, plastic viscosity dapat diekstrapolasi

hingga menyentuh sumbu-Y (sumbu dari shear stress) untuk menentukan bingham

yield point, cara ini dikenal sebagai Y-intercept. Untuk kebanyakan jenis lumpur

pemboran, nilai true yield stress lebih kecil dari bingham yield point, s