hidrolika lumpur pemboran jilid i
TRANSCRIPT
HIDROLIKA LUMPUR PEMBORAN
JILID I
DISUSUN OLEH: IR. KASWIR BADU
CEPU, APRIL 1998
SWIVELROTARYHOSE
STANDPIPE
MUD PUMP
MUD TANK
KELLY
BIT
DC
DP
iKATA PENGANTARIndustri perminyakan di Indonesia sudah berlangsung lebih dari seratus tahun.Minyak diproduksikan dari dalam bumi melalui sumur produksi. Untuk membuat sumur tersebut dilakukan dengan pemboran.Oleh sebab itu dapat dikatakan operasi pemboran sangat penting didalam industri perminyakan, gas bumi maupun panas bumi.
Dalam operasi pemboran dituntut para pekerja mempunyai pengetahuan dan ketrampilan untuk kelancaran operasi. Untuk mendapatkan pengetahuan diperlukan suatu buku untuk dipelajari. Buku-buku tentang teknik pemboran boleh dikatakan sukar untuk didapatkan di pasaran. Di perusahaan minyak dan gas bumi yang ada hanya dalam bahasa Inggris, sedangkan para pekerja banyak yang tidak mampu untuk memahaminya. Berdasarkan hal tersebut diatas penulis berusaha untuk membuat buku-buku teknik operasi pemboran dalam bahasa Indonesia.
Untuk kesempatan ini penulis mencoba membuat salah satu bagian dari Teknik Operasi Pemboran yaitu “HIDROLIKA LUMPUR PEMBORAN”. Buku ini baru jilid I yang berisikan dasar-dasar hidrolika lumpur pemboran.
Mudah-mudahan penulis diberikan kesempatan oleh Yang Maha Kuasa untuk menulis lebih lanjut.
Semoga buku ini bermanfaat bagi pembaca dan terima kasih atas perhatiannya.
Cepu, April 1998
Hormat penulis
iiPENGUMUMAN
Bersama ini kami kabarkan bahwa telah terbit buku-buku Teknik Pemboran sebagai berikut:1. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid I2. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid II3. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid III4. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid IV5. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid V6. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Jilid VI7. Teknik Pencegahan Semburan Liar (Well Control) Latihan Soal-soal dan
Kuncinya8. Peralatan Pencegahan Semburan Liar (BOP) Jilid I9. Lumpur Pemboran Jilid I10.Lumpur Pemboran Jilid II11.Hidrolika Pemboran Jilid I12.Hidrolika Pemboran Jilid II13.Peralatan Pemboran Jilid I14.Peralatan Pemboran Jilid II15.Perhitungan Teknik Pemboran Jilid I16.Perhitungan Teknik Pemboran Jilid II17.Perhitungan Teknik Pemboran Jilid III18.Fishing Jilid I19.Fishing Jilid II20.Casing Jilid I21.Cementing Jilid I22.Pemboran Lurus Jilid I23.Pemboran Berarah Jilid I24.Mud Loss Jilid I25.Pipa Terjepit Jilid I26.Pemboran Lepas Pantai (Offshore Drilling) Jilid I27.Latihan Soal Teknik Pemboran Jilid I28.Latihan Soal Peralatan Pemboran Jilid I
iiiBagi anda yang berminat untuk mempunyai buku-buku tersebut diatas dapat menghubungi:IR. KASWIR BADUJl. Dumai No.154 Nglajo, CepuTelp : 0296 – 422130HP : 0815 5033761Rek : BNI Cabang Cepu 252000005733.901
Harga buku per buah adalah Rp. 40.000,-.
Terima kasih atas perhatiannya.
Hormat penulis
iv
DAFTAR ISIHal.
KATA PENGANTAR ………………………………………………………………………………………………… iDAFTAR ISI ………………………………………………………………………………………………………….. ivDAFTAR GAMBAR ………………………………………………………………………………………………….. vI. PENDAHULUAN …………………………………………………………………………………………………. 1II. RATE DAN KECEPATAN ALIRAN …………………………………………………………………………. 2 2.1 Rate Aliran …………………………………………………………………………………………………. 2 2.2 Kecepatan Aliran …………………………………………………………………………………………. 2 2.3 Hubungan Antara Rate Aliran Dengan Kecepatan Aliran ………………………………….. 3 2.4 Kecepatan Aliran Dalam Pipa ………………………………………………………………………… 3 2.5 Kecepatan Aliran Dalam Annulus Pipa …………………………………………………………… 4 2.6 Persamaan Kontinuitas ………………………………………………………………………………… 10 2.7 Pertanyaan Untuk Bab II ……………………………………………………………………………… 13III. JENIS ALIRAN DAN JENIS FLUIDA …………………………………………………………………….. 16 3.1 Laminar Flow ……………………………………………………………………………………………… 16 3.2 Turbulent Flow …………………………………………………………………………………………… 16 3.3 Bilangan Reynold ……………………………………………………………………………………….. 17 3.4 Titik Kritis
………………………………………………………………………………………………….. 19 3.5 Jenis Fluida Pemboran ………………………………………………………………………………… 22 3.6 Latihan ……………………………………………………………………………………………………… 25IV. PRESSURE LOSS ……………………………………………………………………………………………… 28 4.1 Penentuan Harga Pressure Loss Secara Bingham Plastic Model ……………………………………………………………………… 29 4.1.1 Pressure loss dalam pipa …………………………………………………………………….. 29 4.1.2 Latihan Pertanyaan …………………………………………………………………………….. 32DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………………………………………………. 32PENUTUP ……………………………………………………………………………………………………………. 34
vDAFTAR GAMBAR Hal
Gb. 01 : Aliran dalam pipa ……………………………………………………………………………. 3 Gb. 02 : Aliran di annulus ……………………………………………………………………………… 5Gb. 03 : Gambar aliran di dalam rangkaian pemboran dan di annulus casing dan
lubang terbuka ……………………………………………………………………………….. 7Gb. 04 : Laminar flow ………………………………………………………………………………….. 16Gb. 05 : Turbulent flow ………………………………………………………………………………… 16 Gb. 6 : Fluida Bingham plastik …………………………………………………………………….. 23Gb. 07 : Fluida Power Law ……………………………………………………………………………. 24Gb. 08 : Peralatan sirkulasi lumpur ……………………………………………………………….. 28Gb. 09 : Hubungan Reynold Number …………………………………………………………….. 30
1I. PENDAHULUANBanyak faktor-faktor yang mempengaruhi kelakuan operasi pemboran. Salah satu dari faktor tersebut adalah hidrolika lumpur pemboran.Pada tulisan ini penulis menyajikan pengertian dasar dari hidrolika pemboran yang dapat digunakan dan dikembangkan.
Selama lumpur pemboran melalui peralatan-peralatan sirkulasi, maka akan terjadi gesekan-gesekan disepanjang peralatan yang dilalui tersebut. Hal ini akan menyebabkan kehilangan tekanan aliran yang dikenal dengan pressure loss atau juga sering disebut dengan pressure drop.
Rate sirkulasi ataupun rate pemompaan lumpur merupakan volume dari lumpur yang dipompakan atau disirkulasikan per satuan waktu. Rate pemompaan lumpur ini tergantung kepada diameter liner panjang langkah, diameter piston dan stroke per menit dari pompa lumpur.
Pressure loss dan rate pemompaan lumpur ini sangat mempengaruhi daya dari pompa lumpur yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur.
Sekarang harus dipikirkan apakah daya pompa yang ada sanggup untuk mensirkulasi lumpur dalam suatu pemboran atau tidak.
Pressure loss tergantung kepada rate sirkulasi, luas penampang aliran, panjang peralatan yang dilalui, berat jenis lumpur, viskositas lumpur, yield point.
Dengan hidrolika lumpur yang baik, pengangkatan cutting dari bawah bit akan sempurna dan akan didapatkan rate of penetration yang baik.
2II. RATE DAN KECEPATAN ALIRANDalam operasi pemboran lumpur bersikulasi melalui peralatan sirkulasi dengan rate dan kecepatan tertentu.
II.1 Rate AliranRate aliran atau yang disebut juga dengan rate pemompaan atau kapasitas aliran lumpur adalah volume lumpur yang mengalirkan dalam waktu tertentu. Secara matematis dinyatakan sbb:
VolQ = ----- ............................ (2-1) t
Dimana:Q : kapasitas aliranVol : volume lumpurt : waktu
Contoh 1Pompa lumpur bekerja dengan rate aliran 400 gpm.Maksudnya volume lumpur yang dipompakan setiap menit adalah 400 galon.
II.2 Kecepatan AliranKecepatan aliran lumpur adalah jarak yang ditempuh oleh lumpur dalam waktu tertentu. Secara matematis dinyatakan sbb: LV = ----- ............................ (2-2) t
Dimana:V : kecepatan aliranL : jarak yang ditempuh lumpurt : waktu
3
2.3 Hubungan antara rate aliran dengan kecepatan aliranMenurut persamaan (2-1), rate aliran adalah: VolQ = ----- tVolume adalah:
Vol = A x L ........................... (2-3)Dimana A adalah luas penampang aliran.Bila persamaan (2-3) digabungkan kedalam persamaan (2-1), maka: A x LQ = --------- ............................ (2-4) tBentuknya bisa diubah menjadi: LQ = A x ----- ............................ (2-5) tatau,Q = A x V ................................ (2-6)
2.4 Kecepatan Aliran Dalam PipaGambaran aliran dalam pipa dapat dilihat pada gambar 1.
Gb.1. Aliran Dalam Pipa
4Luas penampang aliran dalam pipa adalah:
ID
V
PENAMPANG DALAMPIPA
A = ----- x (ID) 2 ............................ (2-7) 4Sehingga kecepatan aliran didalam pipa adalah: QV = ------------ .................................. (2-8) --- x (ID) 2
4
2.4.1 Kecepatan aliran dalam drill pipe QV = ------------ .................................. (2-9) --- x (IDdp) 2
4Dimana: Iddp adalah diameter dalam drill pipe.
2.4.2 Kecepatan aliran dalam drill collar QV = ------------ .................................. (2-10) --- x (IDdc) 2
4Dimana: IDdc adalah diameter dalam drill collar
2.5 Kecepatan Aliran dalam Annulus PipaGambaran aliran di annulus adalah seperti gambar 2.Luas penampang annulus adalah: Aan = ----- x (dh2 – OD2) …......................... (2-11) 4Sehingga kecepatan aliran di annulus pipa adalah: QVan = ------------ --- x (dh2 – OD2) …............................. (2-12) 4
5
DH
Van
PENAMPANGANNULUS
DH
Van
PENAMPANGANNULUS
OD
Gb.2. Aliran Di Annulus
DimanaVan : kecepatan aliran didalam annulus pipaOD : outside diameter pipadh : diameter lubang terbuka (open hole)
Dalam operasi pemboran aliran lumpur di annulus dapat dibagi dua yaitu:- Aliran lumpur di annulus drill pipe dengan lubang terbuka- Aliran lumpur di annulus drill pipe dengan casing yang sudah
terpasang- Aliran lumpur di annulus drill collar dengan lubang terbuka- Aliran lumpur di annulus drill collar dengan casing yang sudah
terpasang
2.5.1 Kecepatan Aliran dalam Annulus Drill Pipe dengan lubang terbuka QVandp = ------------------------ --- x (dh2 – Oddp2) …...................... (2-13) 4
6DimanaVandp: kecepatan aliran didalam annulus drill pipe dengan lubang terbukaOddp : outside diameter drill pipe
dh : diameter lubang terbuka (open hole)
2.5.2 Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan casing QVandp = ------------------------ --- x (Idc2 – Oddp2) …...................... (2-14) 4DimanaVandp: kecepatan aliran didalam annulus drill pipe dengan casingOddp : outside diameter pipeIdc : diameter dalam dari casing
2.5.3 Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan lubagn terbuka QVandc = ------------------------ --- x (dh2 – Oddc2) …...................... (2-15) 4Dimana:Vandc : kecepatan aliran didalam annulus drill collar dengan lubang terbukaOddc : outside diameter drill collardh : diameter lubang terbuka (open hole)
2.5.4 Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan casing Q
Vandc = ------------------------ --- x (Idc2 – Oddc2) …...................... (2-16) 4Dimana:Vandc : kecepatan aliran didalam annulus drill collar dengan casingOddc : outside diameter drill collarIdc : diameter dalam dari casing
7Contoh 2Drill pipe : 4-1/2 in OD, 4,2 in IDDrill collar : 6 in OD, 2 in ID
Casing yang sudah terpasang 13-3/8” OD, 13.25”ID, 900 ft.Diameter bit adalah 8.5 in.Kapasitas aliran adalah 450 gpm.Berapakah:a. Kecepatan aliran didalam drill pipe?b. Kecepatan aliran di dalam drill collar?c. Kecepatan aliran di dalam annulus drill pipe dengan dinding lubang?d. Kecepatan aliran di dalam annulus drill collar dengan dinding lubang?Penyelesaian:Kondisi pada contoh 2 tsb diatas dapat dilihat gambarannya pada gambar 3.
Gb.3. Gambaran Aliran Didalam Rangkaian Pemboran dan Di Anuulus dan Lubang Terbuka
8Kecepatan aliran dalam drill pipe QVdp = --------------------
DRILL PIPE 4.5" OD, 4.2 ID
CASING 13-3/8" OD, 13.25" ID, 400 FT
OPEN HOLE 8.5"
DRILL COLLAR 6" OD. 2" ID
--- x (Iddp)2
4 450 gal/menit = --------------------- --- x (4.2)2 in2
4Karena satuan kecepatan dalam hidrolika pemboran pada umumnya adalah ft/detik, maka diperlukan merubah satuan (konversi).Diketahui:1 ft = 12 in1 cuft = 7.48 gal1 menit = 60 detik1 ft2 = 122 in2 = 144 in2Sehingga 450 gal/menit ft3 144 in2 menitVdp = -------------------- x ------------ x --------- x ----------- --- x (4.2)2 in2 7.48 gal ft2 60 detik 4
450 x 144Vdp = --------------------------------------------- ft/detik
--- x (4.2)2 x 7.48 x 60 4
= 10.42 ft/detik
Kecepatan aliran dalam drill collarQ
Vdc = ----------------
--- x (Iddc)2 4
9 450 gal/menit= ------------------
--- x (2)2 in2 4 450 gal/menit ft 144 in menitVdc = -------------------- x ------------ x --------- x -----------
--- x (2)2 in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144Vdp = ------------------------- ft/detik
--- x (2)2 x 7.48 x 60 4
= 45.96 ft/detik
Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka.Q
Vandp= ----------------
--- x (dh2 – Oddp2) 4
450 gal/menit ft 144 in menit= ------------------------- x ------------ x --------- x -----------
--- x (8.52 – 4.52) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144
= ------------------------- ft/detik
--- x (8.52 – 4.52) x 7.48 x 60 4
= 3.54 ft/detik
Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe dengan casingQ
Vandp= ----------------
--- x (Idc2 – Oddp2) 4
10 450 gal/menit ft 144 in menit= ---------------------------- x ------------ x --------- x -----------
--- x (13.252 – 4.52) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144
= ------------------------- ft/detik
--- x (13.252 – 4.52) x 7.48 x 60
4= 1.18 ft/detik
Kecepatan aliran dalam annulus drill collar dengan lubang terbukaQ
Vandp= ----------------
--- x (dh2 – Oddc2) 4
450 gal/menit ft 144 in menit= ----------------------- x ------------ x --------- x -----------
--- x (8.52 – 62) in2 7.48 gal ft2 60 detik 4 450 x 144
= ------------------------- ft/detik
--- x (8.52 – 62) x 7.48 x 60 4
= 5.07 ft/detik
2.6 Persamaan KontinuitasRate aliran dalam sistim sirkulasi lumpur dalam operasi pemboran adalah sama.
Q = --- Vdp x (Iddp)2 = --- Vdc x (Iddc)2
4 4 = --- Vandp x (dh2 – Oddp2) 4 = --- Vandp x (Iddc2 – Oddp2)
= --- Vandc x (dh2 – Oddc2)
4
11 = --- Vandc x (Iddc2 – Oddc2)
4
Dengan membagi semuanya dengan ---, maka 4
Vdp x (Iddp)2= Vdc x (Iddc)2 = Vandp x (dh2 – Oddp2)= Vandp x (Idc2 – Oddp2)= Vandc x (dh2 – Oddc2)
= Vandc x (Idc2 – Oddc2)…................................(2-17)
Contoh 3Drill pipe : 4-1/2 in OD, 4.2 in IDDrill collar : 6 in OD, 2 in IDCasing yang sudah terpasang 13-3/8”OD, 13.25”ID, 900 ft.Diameter bit adalah 8.5 inKecepatan aliran lumpur di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik.Berapakah:a. Kecepatan aliran didalam drill pipe?b. Kecepatan aliran di dalam drill collar?c. Kecepatan aliran di dalam annulus drill collar dengan dinding lubang?d. Kecepatan aliran di dalam annulus drill pipe dengan casing?e. Kapasitas pemompaan?Penyelesaian:Dari persamaan kontinuitas atau persamaan (2-17), kecepatan aliran didalam drill pipe adalah:Vdp x (Iddp)2= Vandp x (dh2 – Oddp2)
Vandp x (dh2 – Oddp2) Vdp = ----------------------------
(Iddp)2
2 x (8.52 – 4.52) Vdp = ----------------------
(4.2)2
12= 5.9 ft/detik
Kecepatan aliran didalam drill collar adalah:Vdc x (Iddc)2 = Vandp x (dh2 – Oddp2)
Vandp x (dh2 – Oddp2) Vdc = ------------------------------
(Iddc)2
2 x (8.52 – 4.52) Vdc = ---------------------
(2)2
= 26 ft/detik
Kecepatan aliran annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah:Vandc x (dh2 – Oddc2) = Vandp x (dh2 – Oddp2)
Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandc = ------------------------------
(dh2 – Oddc2) 2 x (8.52 – 4.52) Vdc = ---------------------
(8.52 – 62)= 2.87 ft/detik
Kecepatan aliran annulus drill pipe dengan casing yang sudah terpasang adalah:Vandp x (Iddc2 – Oddp2) = Vandp x (dh2 – Oddp2)
Vandp x (dh2 – Oddp2) Vandp = ------------------------------
(Idc2 – Oddc2) 2 x (8.52 – 4.52) Vdc = ---------------------
(13.252 – 4.52)= 0.67 ft/detik
Kapasitas pemompaan atau rate pemompaan adalah:
Q = --- x Vandp x (dh2 – Oddp2) 4 ft2 7.48 gal 60 detikQ = ----- x 2 ft/det x (8.52 – 4.52) in2 x ---------- x ---------- x ---------- 4 144 in2 ft3 menit x 2 x (8.52 – 4.52) x 7.48 x 60Q = ------------------------------------------ gpm
2.. x 144= 254.58 gpm
132.7 Pertanyaan untuk Bab IIPertanyaan ini dimaksudkan untuk menguji pengertian pembaca pada bab II. Sub bab ini berisikan:- soal- kunci2.7.1 SoalPilihlah salah satu jawaban yang benar!1. Kehilangan tekanan disebut dengan istilah:
a. pressure lossb. pressure drop
c. a dan b benar2. Bila pressure loss pada peralatan sirkulasi lumpur makin besar, maka
tenaga yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur:a. makin besarb. makin kecilc. tetap saja
3. Tenaga pompa yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur disebut dengan:a. hydraulic horse powerb. paracitic horse powerc. pneumatic horse power
4. Bila rate sirkulasi lumpur dinaikkan maka tenaga yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur:a. makin besarb. makin kecilc. tetap saja
5. Hidrolika lumpur yang baik menghasilkan:a. pengangkatan cutting dari bawah bit sempurnab. penetration rate yang cepatc. jawaban a dan b benar
6. Rate aliran lumpur adalah:a. jarak lumpur yang mengalir untuk waktu tertentub. volume lumpur yang mengalir untuk waktu tertentuc. kehilangan tekanan lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu
147. Satuan dari rate sirkulasi umumnya adalah:
a. fpsb. pcfc. gpm
8. Kecepatan aliran lumpur atau velocity adalah:a. jarak lumpur yang mengalir untuk waktu tertentub. volume lumpur yang mengalir untuk waktu tertentuc. kehilangan tekanan lumpur yang mengalir untuk waktu tertentu
9. Satuan dari velocity umumnya adalah:a. fps
b. pcfc. gpm
10.Untuk suatu harga rate aliran tertentu, ukuran diameter dalam pipa diperkecil, kecepatan aliran dalam pipa akan:a. lebih besarb. lebih kecilc. tetap saja
11.Untuk suatu harga rate aliran tertentu, ukuran diameter dalam pipa diperkecil, kecepatan aliran dalam annulus pipa akan:a. lebih besarb. lebih kecilc. tetap saja
12.Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir dengan rate 300 gpm. Kecepatan aliran dalam drill pipe adalah:a. 5.37 fpsb. 5.73 fpsc. 7.57 fps
13.Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir dengan rate 300 gpm. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Kecepatan aliran dalam annulus drill pipe adalah:a. 2.59 fpsb. 5.59 fpsc. 9.52 fps
1514.Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir di
annulus drill pipe 1.5 ft/detik. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Kecepatan aliran dalam drill pipe adalah:a. 2.59 fpsb. 3.31 fpsc. 3.13 fps
15.Ukuran drill pipe adalah: 5.0” OD, 4.626” ID. Lumpur mengalir di annulus drill pipe 1.5 ft/detik. Diameter lubang adalah 8.5 inchi. Rate aliran dalam drill pipe adalah:d. 137.5 gpme. 315.7 gpm
f. 173.5 gpm
2.7.2 KunciKunci soal adalah sbb:1. c2. a3. a4. a5. c6. b7. c8. a9. a10.a11.b12.b13.a14.b15.c
16
III. JENIS ALIRAN DAN JENIS FLUIDAJenis aliran lumpur dalam operasi pemboran dibedakan menjadi dua yaitu:- laminar flow- turbulent flow
3.1 Laminar FlowLaminar flow adalah aliran yang berbentuk peluru. Kecepatan aliran terbesar adalah ditengah, makin ke dinding pipa mengecil. Aliran ini teratur, dimana lumpur yang mengalir sejajar dengan bentuk pipa yang dilalui.
Aliran yang seperti ini kita kehendaki adalah di annulus lubang terbuka.
Untuk jelasnya gambaran aliran laminar ini dapat dilihat pada gambar 4.
Gb.4. Laminar Flow3.2 Turbulent FlowTurbulent flow merupakan aliran yang bergejolak. Aliran ini tidak teratur. Aliran yang seperti ini tidak kita kehendaki adalah di annulus lubang terbuka, karena dapat mengikis dinding lubang. Kalau hal ini terjadi akan menyebabkan lubang sumur.Gambaran aliran turbulen dapat dilihat pada gambar 5 berikut ini.
Gb.5. Turbulent FlowPola atau jenis aliran tergantung sifat-sifat lumpur yang mengalir dan kecepatan alirannya serta parameter dimana lumpur mengalir.
17Untuk menentukan jenis aliran lumpur dapat dilihat dari harga- bilangan Reynold- kecepatan aliran kritis
3.3 Bilangan Reynold (NR)Bilangan Reynold tergantung kepada:- berat jenis lumpur (BJ)- viskositas lumpur (Vis)- diameter dalam pipa (ID), untuk dalam pipa- diameter luar pipa (OD), untuk di annulus pipa- diameter lubang (dh), untuk di annulus pipa dengan lubang
V
- diameter dalam dari casing yang sudah terpasang (IDc) untuk di annulus pipa dengan casing
- kecepatan aliranTabel 1. Penentuan Jenis Aliran berdasarkan bilangan Reynold
Bila Jenis Aliran< 2000> 2000
LaminarTurbulen
Bilangan Reynold dalam pipa 928 BJ V ID
NR = --------------- ............ (3-1)Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan casing 928 BJ Van (IDc – OD)
NR = --------------------------- ............ (3-2) Vis
Bilangan Reynold di annulus pipa dengan dinding lubang 928 BJ Van (dh – OD)
NR = -------------------------- ............ (3-3) Vis
Satuan yang digunakan untuk persamaan bilangan Reynold adalah sbb:- berat jenis lumpur dalam ppg- viskositas lumpur dalam cp- diameter dalam inchi- kecepatan dalam ft/detik
18Contoh 4Drill pipe : 4-1/2 in OD, 4,2 in IDDrill collar : 6 in OD, 2 in IDCasing yang sudah terpasang 13-3/8” OD, 13.25” ID, 900 ft.Diameter bit adalah 8.5 in.
Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik.Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan casing 0.67 ft/detik.Kecepatan aliran di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah 2.87 ft/detik. Kecepatan aliran di dalam drill pipe 5.9 ft/detik.Kecepatan aliran di dalam drill collar 26 ft/detik.
Sifat-sifat lumpur adalah sbb:Berat jenis = 10 ppgViskositas = 30 cp
Tentukanlah jenis aliran:a. didalam drill pipe?b. Didalam drill collar?c. Didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang?d. Didalam annulus drill pipe dengan casing?e. Didalam annulus drill collar dengan dinding lubang?
Penyelesaian:Didalam drill pipe:
BJ x Vdp x (IDdp)NR = 928 -----------------------
Vis10 x 5.9 x (4.2)
NR = 928 -----------------------30
= 7665Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill pipe adalah turbulen.Didalam drill collar:
BJ x Vdc x (IDdc)NR = 928 -----------------------
Vis
1910 x 26 x (2)
NR = 928 ----------------------- = 16085 30Menurut tabel 1 jenis aliran didalam drill collar adalah turbulen.Didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang.
BJ x Vandp x (dh - ODdp)NR = 928 -----------------------
Vis10 x 2 x (8.5 – 4.5)
NR = 928 -----------------------30
= 2474Menurut tabel 1 jenis aliran didalam annulus drill pipe dengan dinding lubang adalah turbulen.Didalam annulus drill pipe dengan casing.
928 BJ x Van x (IDc - ODdp)NR = ---------------------------------
Vis 928 10 x 0.67 x (13.25 – 4.5)
NR = ------------------------------------- 30
= 610.25
3.4 Kecepatan KritisSelain cara diatas untuk melihat apakah aliran itu laminar atau turbulen, maka ditentukan dahulu kecepatan kritisnya. Apabila kecepatan kritis lumpur lebih besar dari kecepatan aliran rata-rata, maka alirannya adalah laminar.
Bila kecepatan rata-rata aliran lebih besar dari kecepatan kritis, maka jenis aliran lumpur adalah turbulen.Kecepatan kritis dipengaruhi oleh:- viskositas plastik dari lumpur- yield point lumpur- berta jenis lumpur- ukuran lubang dan pipa
Kecepatan Kritis dalam pipaKecepatan Kritis dalam pipa adalah:
20 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 ID2 x YP x BJ)
Vc = ------------------------------------------------------------ .................... (3-4) ID x BJ
Dimana:Vc : kecepatan kritis aliran dalam pipa, fpsPV : viskositas plastik dari lumpur, cpYP : yield point lumpur, lb/100 ft2
Bj : berat jenis lumpur, ppgID : inside diameter dari pipa, inch
Kecepatan kritis dalam annulusKecepatan kritis dalam annulus pipa adalah:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-OD)2 x YP x BJ)Vcan = ------------------------------------------------------------ .................... (3-5)
(dh-OD) x BJDimana:Vcan : kecepatan kritis aliran di annulus, fpsPV : viskositas plastik dari lumpur, cpYP : yield point lumpur, lb/square ftBJ : berat jenis lumpur, ppgOD : outside diameter dari pipa, inchdh : diameter lubang, inch (dalam casing diganti dengan IDc)
Contoh 5Lanjutan soal contoh 4Yield point adalah 15 lb/100 ft2
Tentukanlah jenis aliran lumpur berdasarkan kecepatan aliran kritis:a. dalam drill pipeb. dalam drill collarc. dalam annulus drill pipe dengan lubang terbukad. dalam annulus drill collar dengan lubang terbukae. dalam annulus drill pipe dengan casingPenyelesaianKecepatan kritis dalam drill pipe adalah:
21 1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 IDdp2 x YP x BJ)
Vcdp = ------------------------------------------------------------ IDdp x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 12.34 4.22 x 15 x 10)= --------------------------------------------------------------
4.2 x 10= 5.13 ft/detik
Kecepatan aliran didalam drill pipe adalah 5.9 ft/detik dan lebih besar dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis aliran didalam drill pipe adalah turbulen.Kecepatan kritis dalam drill collar adalah:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 12.34 IDdc2 x YP x BJ)Vcdc = --------------------------------------------------------------
IDdc x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 12.34 x 22 x 15 x 10)= --------------------------------------------------------------
2 x 10
= 6.53 ft/detikKecepatan aliran didalam drill collar adalah 26 ft/detik dan lebih besar dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis aliran didalam drill collar adalah turbulen.Kecepatan kritis dalam annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdp)2 x YP x BJ)Vcan dp-h = --------------------------------------------------------------------
(dh-ODdp) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (8.5 – 4.5)2 x 15 x 10)= ----------------------------------------------------------------------
(8.5 – 4.5) x 10= 4.91 ft/detik
Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah 2 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis di annulus drill pipe dengan lubang terbuka adalah laminar.Kecepatan kritis dalam annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (dh-ODdc)2 x YP x BJ)Vcan dc-h = --------------------------------------------------------------------
(dh-ODdc) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (8.5 – 6)2 x 15 x 10)= ----------------------------------------------------------------------
(6 – 4.5) x 10= 5.45 ft/detik
22Kecepatan aliran di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah 2.87 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan aliran kritisnya. Sehingga jenis di annulus drill collar dengan lubang terbuka adalah laminar.Kecepatan kritis dalam annulus drill pipe dengan casing adalah:
1.078 PV + 1.078 (PV2 + 9.256 (IDc-ODdp)2 x YP x BJ)Vcan dp-c = ----------------------------------------------------------------------
(IDc-ODdp) x BJ 1.078 x 30 + 1.078 (302 + 9.256 (13.25 – 4.5)2 x 15 x 10)= --------------------------------------------------------------------------
(13.25 – 4.5) x 10= 4.4 ft/detik
Kecepatan aliran di annulus drill pipe dengan casing adalah 0.67 ft/detik dan lebih kecil dari kecepatan kritis alirannya. Sehingga jenis aliran di annulus drill pipe dengan casing adalah laminar.
3.5 Jenis Fluida PemboranLumpur pemboran termasuk fluida non Newtonian. Fluida non newtonian menunjukkan hubungan shearing stress dan shearing rate yang tidak konstan.Fluida non newtonian kita dibedakan menjadi dua, yaitu:- Bingham Plastic Fluid- Power Law Fluid
3.5.1 Bingham Plastic FluidHubungan matematis antara shearing stress dan shearing rate untuk bingham plastic fluid adalah sbb:SS = YP + (PV) SR ................................... (3-6)Dimana:SS : shearing stressSR : shearing rateYP : yield pointPV : viskositas plastikViskositas plastik diukur dengan viskosimeter. Dimana:PV = 600 – 300................................... (3-7) Dimana:600 : Hasil pembacaan dial reading pada putaran 600 rpm
23300 : Hasil pembacaan dial reading pada putaran 300 rpm
Gb.6. Fluida Bingham Plastik
3.5.2 Power Flow Fluid
SS
YP
B 300 B 600 SR
PV
O
Lumpur pemboran termasuk power law fluid apabila mempunyai padatan yang rendah.Hubungan matematis antara shearing stress dan shearing rate untuk fluida power law adalah sbb:
SS = K x (SR)n ......................... (3-8)Dimana:
K : Flow behaviour indexn : consistency factor
Consistency factor dapat dicari dengan persamaan berikut: 600
n = 3.32 log ------- ............................. (3-9) 300
Bila harga K bertambah besar berarti padatan dalam lumpur bertambah. Behavior index dapat dicari dengan persamaan berikut:
300K = ------- ............................. (3-10)
511n
Dalam bentuk log, persamaan (3-8) menjadi:Log SS = Log K + n log SR ................................ (3-11)
24
Gb.7. Fluida Power LawContoh 6Dari pengaturan lumpur menggunakan viscometer didapat data untuk putaran 300 rpm harga angka yang tetap adalah 35, untuk putaran 300 rpm harga angka yang tetap adalah 64. Berapakah harga:a. viskositas plastik
log SS
K
log SR
n
O
b. yield pointc. consistency indexd. flow behavior indexPenyelesaiana. Viskositas plastik adalah:
PV = 600 - 300
= 64 – 35= 29 cp
b. Yield point adalah:YP = 300 - PV
= 35 – 29= b lb/100 ft2
c. Consistency index 600
N = 3.32 log -------- 300
25 64
N = 3.32 log ----- 35
= 0.870d. Flow behavior index dapat dicari dengan persamaan berikut:
300K = -------
511n
35K = ------
5111
= 0.154
3.6 LatihanUntuk menguji pengertian pembaca, cobalah menjawab soal yang diberikan. Kuncinya dapat dilihat pada akhir bab ini.3.6.1 Soal1. Bila partikel lumpur yang mengalir teratur dan sejajar dengan dinding
pipa, maka pola alirannya adalah:a. turbulent flowb. laminar flowc. plug flow
2. Kecepatan aliran terbesar pada pola laminar flow adalah:a. ditengah-tengahb. dipinggir dalam pipac. jawaban a dan b benar
3. Pola aliran dalam annulus rangkaian pemboran dengan lubang terbuka dikehendaki:a. turbulent flowb. laminar flowc. plug flow
4. Pada pola aliran turbulent flow:a. alirannya bergejolakb. alirannya teraturc. partikel mengalir sejajar dengan dinding pipa
265. Bila lumpur mengalir di annulus lubang terbuka turbulent flow, maka
a. lumpur akan mengikis dinding lubangb. rangkaian pemboran cepat berkaratc. rangkaian pemboran mudah terkikis
6. Bila bilangan Reynold harganya 4000, maka pola aliran:a. turbulent flowb. laminar flowc. plug flow
7. Bila bilangan Reynold harganya 2000, maka pola aliran:a. turbulent flowb. laminar flowc. plug flow
8. Bila kecepatan aliran di annulus 1.5 ft/detik dan kecepatan kritis aliran di annulus 2.5 ft/detik, maka pola aliran:a. turbulent flowb. laminar flowc. plug flow
9. Bila kecepatan aliran di annulus 2.5 ft/detik dan kecepatan kritis aliran di annulus 1.5 ft/detik, maka pola aliran:a. turbulent flowb. laminar flow
c. plug flow10.Bila berat jenis lumpur adalah 10 ppg, viskositas lumpur 30 cp, yield
point lumpur 16 lb/100ft2, ukuran drill pipe adalah 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft. Reynold number harganya:a. 5389b. 3233c. 5838
11.Bila berat jenis lumpur adalah 10 ppg, viskositas lumpur 30 cp, yield point lumpur 16 lb/100ft2, ukuran drill pipe adalah 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft. Kecepatan kritis adalah:a. 6.55 ft/detikb. 5.65 ft/detikc. 5.56 ft/detik
2712.Bila Reynold number harganya adalah 20000, ID drill pipe adalah 4.276
inchi, faktor gesekan adalah:a. 0.0066b. 0.0076c. 0.0086
13.Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah:Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80.Plastic viscosity lumpur adalah:a. 30 cpb. 40 cpc. 20 cp
14.Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah:Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50.Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80.Yield point viscosity lumpur adalah:a. 30 lb/100ft2
b. 40 lb/100ft2
c. 20 lb/100ft2
15.Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah:Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50.
Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80.Consistency index lumpur adalah:a. 0.678b. 0.767c. 0.876
16.Bila data hasil pengukuran lumpur dengan viscometer adalah:Putaran 300 rpm, hasil pembacaan adalah 50.Putaran 600 rpm, hasil pembacaan adalah 80.Flow behavior index lumpur adalah:d. 0.279e. 0.729f. 0.792
28Kunci1. a2. a3. c4. a5. a6. c7. b8. b
9. a10.b11.c12.a13.a14.c15.a16.b
4 PRESSURE LOSSPressure loss adalah kehilangan tekanan diwaktu fluida mengalir. Dalam hidrolika lumpur pressure loss merupakan tekanan yang diperlukan untuk mensirkulasikan lumpur. Pressure loss total dihitung dari pressure loss pada peralatan-peralatan yang dilalui lumpur saat bersirkulasi.Gambaran peralatan yang dilalui lumpur saat bersirkulasi dapat dilihat pada gambar 8 berikut ini.
SWIVELROTARYHOSE
STANDPIPE
MUD PUMP
MUD TANK
KELLY
BIT
DC
DP
Gb.8. Peralatan Sirkulasi Lumpur29
Pressure loss ini dikelompokkan menjadi:- pressure loss di permukaan, Psc, yang terdiri dari pressure loss di:
flow line stand pipe rotary hose kelly
- pressure loss didalam drill pipe, Pdp- pressure loss didalam drill collar, Pdc- pressure loss di bit, Pb- pressure loss didalam annulus drill collar, P andc- pressure loss didalam drill pipe, P andp
Dalam membahas pressure loss dianalisa dengan cara:- bingham plastic model- power law model
4.1 Penentuan Harga Pressure Loss secara Bingham Plastic ModelCara ini adalah dengan menganggap lumpur pemboran yang digunakan digolongkan kepada Bingham plastic fluid.
4.1.1 Pressure loss didalam pipaBila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam pipa adalah sebagai berikut:
(PV) x L x V (YP) x L
P = --------------- + ------------.................... (4-1) 1500 ID2 225 IDDimana:PV : plastic viscosity, dalam cpL : panjang pipa yang dilalui, dalam ftV : kecepatan aliran didalam pipa, dalam ft/detikYP : yield point, dalam lb/100 ft2P : pressure loss didalam pipa, psiID : diameter dalam dari pipa, dalam inchBila aliran adalah turbulent maka pressure loss didalam pipa adalah sbb:
30 f x L x BJ x V2 P = ------------------- .................... (4-2)
25.8 IDDimana:f : adalah faktor gesekan, tanpa satuanBJ : berat jenis lumpur, dalam ppgHarga faktor geselan dapat dicari dengan menggunakan chart Funning. Sket dari chart Funning dapat dilihat pada gambar berikut.Untuk mencari harga ini maka tentukanlah terlebih dahulu bilangan Reynold (NR).Pada chart Funning pada gambar 9, untuk mencari harga f adalah dengan jalan menarik garis tegak dari harga NR tertentu dengan memotong ID tertentu. Kemudian tarik garis datar ke kanan memotong harga f.
ID
f
NRE
Gb.9. Hubungan Reynold NumberContoh 7Bila diketahui suatu pipa mempunyai diameter dalam 4 inch dan bilangan Reynold 6000. Berapakah harga faktor gesekan?PenyelesaianNR = 6000ID = 4 inchLihat gambar 10, didapat harga f = 0.009
Pressure loss didalam drill pipeBila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam drill pipe adalah sbb:
31 (PV) x Ldp x Vdp (YP) x Ldp
Pdp = --------------------- + --------------.................... (4-3) 1500 (IDdp)2 225 IDdpDimana:Ldp : panjang drill pipe yang dilalui, dalam ftVdp : kecepatan aliran didalam drill pipe, dalam ft/detikPdp : pressure loss didalam drill pipe, psiIDdp : diameter dalam dari drill pipe, dalam inchBila aliran didalam drill pipe adalah turbulen, maka pressure loss adalah sbb: f x Ldp x BJ x Vdp2 Pdp = ------------------------ .................... (4-4)
25.8 IDdpContoh 8Drill pipe 4.5”OD, 4.2”ID, 4500 ft. Kecepatan aliran didalam DP adalah 5.9 ft/detik. Berat jenis lumpur 10 ppg. Aliran didalam drill pipe adalah turbulen. Faktor gesekan adalah 0.008. Berapakah pressure loss disepanjang drill pipe?Penyelesaian
f x Ldp x BJ x Vdp2 Pdp = -------------------------
25.8 IDdp 0.008 x 4500 x 10 x (5.9)2
Pdp = ------------------------- 25.8 x 4.2
= 115.64 psi
Pressure loss didalam drill collarBila aliran adalah laminar maka pressure loss didalam drill collar adalah sbb:
(PV) x Ldc x Vdc (YP) x Ldc Pdc = --------------------- + --------------.................... (4-5) 1500 (IDdc)2 225 IDdcDimana:Ldc : panjang drill collar yang dilalui, dalam ftVdc : kecepatan aliran didalam drill collar, dalam ft/detikPdc : pressure loss didalam collar pipe, psiIDdc : diameter dalam dari drill collar, dalam inchBila aliran didalam drill collar adalah turbulen, maka pressure loss adalah sbb:
32 f x Ldc x BJ x Vdc2 Pdc = ------------------------ .................... (4-6)
25.8 IDdc
4.1.2 Latihan PertanyaanSoal1. Lumpur yang mengalir mempunyai berat jenis 10 ppg. Viskositas 30
cp, yield point 16 lb/100ft2. Lumpur mengalir didalam drill pipe 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft dengan kecepatan 5 ft/detik, aliran laminar. Pressure loss sepanjang drill pipe adalah:a. 421.22 psib. 211.44 psic. 124.44 psi
2. Lumpur yang mengalir mempunyai berat jenis 10 ppg. Viskositas 30 cp, yield point 16 lb/100ft2. Lumpur mengalir didalam drill pipe 5”OD, 4.5”ID, 6000 ft dengan kecepatan 9 ft/detik, aliran turbulen, faktor gesekan adalah 0.0075. Pressure loss sepanjang drill pipe adalah:a. 539.13 psib. 313.95 psic. 395.13 psi
Kunci1. c2. b
DAFTAR PUSTAKA1. Azar, J.J: “Drilling Fluid”, The University of Tulsa, Oklahoma.2. Adam, Neal, J.: “Drilling Engineering, Complete Well Planning
Approach”, Penn Well Publishing Company, Tulsa, Oklahoma, 1985.3. Anon: “A guide to oil well cement and cementing additives”, Petroleum
Equipment and Services, 1968.4. Bakerline Service: “Product/Service Catalog”, A Baker Toll Co., San
Antonio, 1981.5. Bambang T. : “Teknik Pemboran II”. PATRA, ITB, Bandung, 1970.
336. Brantly J.E: “Rotary Drilling Handbook”, Palmer Publ., New York, 1961.7. Barid Division:” Flow Characteristics and Gelstrength”, NL Industries,
Houston, Texas, 77001.8. Craft and Holden: “Well Design Drilling and Production”, New Jersey,
1962.9. Halliburton Services: Salae and Services catalog, Number 41,
Halliburton Company, Duncan, 1983.10.Hall, H.N., Thomson, Howard and Nuss, Frank: Ability of Drilling Mud to
Lift Bit Cutting, Trans-AIME, Vol.189, 1950.
34PENUTUP
Syukur Alhamdulillah buku Hidrolika Pemboran Jilid I ini telah dapat penulis selesaikan dengan tidak mengalami halangan yang berarti.
Mudah-mudahan dengan membaca dan mempelajari buku ini pembaca dapat memperoleh pengertian tentang dasar-dasar hidrolika lumpur pemboran dengan baik.Buku ini berjumlah lengkap dan untuk lebih dapat memahami Hidrolika Lumpur Pemboran yang lebih sempurna, penulia menyarankan agar mempelajari juga buku Hidrolika Lumpur Pemboran jilid-jilid selanjutnya.
Semoga buku ini bermanfaat dan terima kasih.
Cepu, April 1996
Hormat Penulis
