Sistem Sirkulasi adalah sistem yang berfungsi untuk mengalirkan fluida pemboran seperti lumpur kedalam lubang sumur.
Saat melakukan pemboran suatu sumur :
- Cutting harus di angkat karna akan mengakibatkan pipa terjepit (pipe stuck) ketika akan dilakukan pendalaman lubang bor
- Fluida formasi tidak boleh masuk ke dalam lubang sumur selama aktivitas produksi
- Tekanan batuan harus dipertahankan untuk menjaga kestablilan lubang bor
Lumpur Pemboran berfungsi untuk
- Menahan tekanan formasi akan tetap balance dengan tekanan permukaan
- Mengangkat cutting ke permukaan atau membersihkan lubang sumur (hole cleaning)
- Mendinginkan atau melumasi bit agar tidak cepat aus
- Mencegah fluida formasi untuk masuk ke dalam lubang sumur
- Menahan tekanan batuan
- Mengisolasi lubang sumur dari sekitar sehingga fluid loss tidak terjadi
- Menjaga dari formasi yang sensitif seperti swelling clays
- Sebagai Data untuk di permukaan
Peralatan pada sistem sirkulasi
- Mud Mixing Hopper
- Centrifuge
- Desilter
- Desander
- Degasser
- Shale Shaker
- Mud pit
- Mud pump
BACA JUGA :
Drilling Fluids Requirments
Agar tujuan dari fluida pemboran dapat maksimal, maka :
- Menggunakan pompa saat mensirkulasikan drilling fluids dari permukaan - lubang sumur - permukaan kembali.
- Mempunyai kapasitas untuk membawah cutting dari dalam lubang sumur ke permukaan, dan mampu untuk tetap mempertahankan cutting (agar tidak jatuh kembali) ketika pompa shut off
- Densitas harus diatur agar tercapai tekanan hidrostatik yang diinginkan untuk dapat menahan tekanan formasi dan tekanan batuan
- Mampu membuat filter cake pada dinding - dinding lubang sumur yang bertujuan untuk meminimalisir terjadinya fluid loss
- Jika terdapat formasi shale, drilling fluids harus mampu mencegah terjadinya swelling
- Ketika memasuki reservoir, tidak boleh merusak reservoir
- Ramah linkungan
- Komposisi lumpur tidak boleh mempunyai pengaruh negatif pada operasi lainnya
- Ekonomis
Komposisi Lumpur
1. Density Lumpur
Density Lumpur adalah berat jenis dari slurry lumpur yang akan disirkulasikan ke dalam lubang sumur. Density ini berguna untuk mengatur tekanan hidrostatis lubang sumur yang mana pula akan menahan tekanan formasi (Pf) dan tekanan batuan pada lubang sumur. Tekanan Hidrostatis (Ph) tidak boleh lebih besar dari atau lebih kecil daripada pressure window, Ph > Pf akan terjadi loss circulation, Ph < Pf akan terjadi kick hingga blowout.
Ph = Density (ppg) x TVD (ft) x 0.052
Untuk mengukur density dari lumpur pemboran dapat menggunakan alat MUD BALANCE
2. Kecepatan Velocity
Pembersihan lubang bor adalah fungsi pokok dari lumpur pemboran, fungsi ini paling sering diabaikan dan salah diinterpretasikan. Serbuk bor / cutting biasanya memiliki nilai SG 2,3 - 3,0 (bisa lebih dan bisa kurang). Jika serbuk bor lebih berat dari lumpur, maka serbuk bor akan jatuh akibat gravitas.
Vs = Slip velocity dari serbuk bor / cutting
Va = Anular velocity, yakni kecepatan lumpur bor yang kecepatannya dikontrol dengan pompa
net rise velocity = Va - Vs
- Jika nilai net rice velocity di atas positif, cutting terangkat ke atas
- Jika nilai net rice velocity di atas negatif, cutting terjatuh kebawah
Anular Velocity
Anuluar Velocity adalah kecepatan fluida pemboran bergerak ke atas dalam anulus ketika dalam tahap sirkulasi yang mana harus mampu untuk dapat mengangkat serbuk bor / cutting yang terdapat di dalam lubang bor.
Saat lumpur disirkulasikan ke dalam lubang bor, kecepatan anulus akan lebih lambat ketika melalui area penampang yang lebih besar dan akan lebih lambat ketika melalui area yang sempit. Pada umumnya area penampang BHA (bottom hole assembly) dan drill collar merupakan area yang paling sempit, sehingga kecepatan anulus pada area tersebut adalah yang paling cepat. Sedangkan, area penampang pada drill pipe merupakan area yang paling lebar sehingga kecepatan anulus pada area tersebut adalah yang paling lambat.
 |
| https://www.drillingformulas.com/annular-velocity-and-its-importance-to-drilling-hydraulics/ |
Kecepatan anulus pada area drill pipe digunakan untuk menentukan baik tidaknya lumpur dalam membersihkan lubang bor dari cutting karena merupakan area yang kecepatannya paling kecil. Jika kecepatan pada area drill pipe cukup mampu untuk membersihkan lubang bor dari cutting, maka bisa dipastikan bahwa kecepatan tersebut cukup untuk membersihkan area lain seperti area drill collar, bha, dan tool joints.
Jika ada formasi yang menurut data mudah untuk dibersihkan, pertimbangkan kecepatan anulus di sekitar drill collar, bha, dan tool joints. Ukuran drill collar, BHA, dapat dikurangi jika kecepatan anulus terlalu cepat sehingga dapat menyebabkan terjadinya erosi berlebihan pada lubang bor.
Untuk dapat mengangkat cutting lubang bor ke permukaan, kecepatan velocity anulus dipengaruhi beberapa hal :
- Komposisi lumpur
- Rate of Penetration
- Tipe Lumpur (WBM/OBM,etc)
- Formation Type
- Bentuk Lubang bor
- Ukuran Cutting
Rumus Anular Velocity :
Keterangan :
Av = Anular Velocity, (ft/min)
ID = Inner Diameter, (in)
OD = Outer Diameter, (in)
Pump out = Kecepatan pompa, (gal/min)
Slip Velocity
Secara sederhana, slip velocity adalah kecepatan serbuk bor / cutting jatuh ke bawah akibat dari gaya gravitasi. Lumpur didesain untuk mampu membersihkan lubang bor dari cutting secara efektif dalam hal ini kecepatan dan komposisi lumpur harus lebih besar dari pada cutting slip velocity. Jika tidak, cutting akan jatuh ke bawah dan dapat menjadi cutting bed
Slip velocity ini sulit diprediksi akibat dari variasi densitas cutting, perubahan karateristik lumpur pemboran, pola aliran di dalam anulus yang sering kali tidak seragam. Secara umum slip velocity ini dipengaruhi oleh :
- Densitas
- Ukuran dan bentuk
- Densitas fluida pemboran
- Viskositas fluida pemboran
Dengan menkontrol viskositas dari fluida pemboran slip velocity dapat dikontrol. Dimana seperti yang dibahas sebelumnya bahwa ketika proses sirkulasi berlangsung, slip velocity harus lebih kecil daripada anulus velocity (Vs < Av) sehingga cutting dapat bergerak ke atas. Dan ketika tidak proses sirkulasi tengah berhenti, slip velocity dapat mendekati nol (Vs +- = 0)
Terdapat 2 formula untuk menentukan / memprediksi cutting slip velocity ini. Berikut adalah salah satunya.
Keterangan :
PV = Plastic Viscosity (cp)
MW = Mud Weight (ppg)
Dp = Diameter Cutting (in)
Vs = Slip Velocity (ft/min)
DenP = Densitas Cutting (ppg)
Viskositas secara umum adalah keengganan cairan untuk bergerak.
Pada fluida yang viskositasnya tinggi, gaya kohesi (gaya tarik menarik sejenis) antara fluida lebih kuat dari pada fluida yang viskositasnya rendah, sehingga fluida yang memiliki viskositas tinggi mampu membawa lebih banyak serbuk bor / cutting dari pada fluida berviskositas rendah. Dalam Pemboran, viskositas tidak hanya dipengaruhi oleh fasa liquid, tetapi juga suspensi solid. Gaya kohesi dan friksi antara fluida dan solid, dan antara solid - solid juga berdampak pada nilai viskositas.
Untuk mensirkulasikan lumpur high viscosity ke dalam lubang bor, membutuhkan pompa yang lebih besar daripada low viscosity. Dalam pemboran, ketika proses sirkulasi lumpur sedang berlangsung diharapkan lumpurnya low viscosity sedangkan ketika proses sirkulasi lumpur berhenti lumpurnya menjadi high viscosity. Hal ini dimaksudkan agar pada tahap sirkulasi kebutuhan pompa dan aditif lebih ekonomis, namun pada saat proses sirkulasi jeda cutting tidak jatuh ke bawah akibat dari high viscosity lumpur.
Definisi lain dari viskositas adalah hubungan antara shear strees dan shear rate. Shear strees adalah tegangan yang bekerja sejajar dengan suatu bidang penampang, sedangkan shear rate adalah perubahan laju alir fluida setiap posisi pada media alir fluida. Jika kurva hubungan ini linear, hal ini disebut newtonian
µ = Δτ / Δγ
Keterangan :
µ = Viskositas (cp)
Δτ = Shear Stress (lb/100 ft^2)
Δγ = Shear Rate (s^-1)
Pada fluida newtonian, kurva linear dan konstant, slope akan berubah seiring dengan perubahan temperature namun masih tetap linear.
Pada fluida non-newtonian fluida kurva shear rate - shear stress tidak linear. Viskositas pada fluida non-newtonian bervariasi dengan shear rate nya. Berikut ini adalah beberapa jenis fluida non-newtonian
Pseudo Plastic
Fluida dimana semakin bertambahnya shear rate semakin rendah nilai viskositasnya. Contoh sederharna di lingkungan kita adalah gel rambut
Dilatent
Fluida dimana semakin bertambahnya shear rate semakin tinggi nilai viskositasnya. Contoh sederhana di lingkungan kita adalah dodol
Kenapa fluida newtonian ini bisa terjadi ?, hal tersebut ada hubungannya dengan yeild point. Yield point adalah tekanan yang dibutuhkan untuk suatu fluida agar bisa mulai bergerak. Yeild point merupakan kemampuan membawa suatu fluida ketika sedang berlangsung proses sirkulasi.
Model aliran
Model aliran / flow model adalah rumus matimatika yang membantuk kita untuk dapat menghitung shear stress pada shear rate yang diinginkan. untuk mendeskripsikan model aliran pada fluida pemboran di industri oil and gas ada 3 model yang biasa digunakan :
- Bingham Plastic
- Power Law
- Herschel-bulkley
Tapi yang paling sering digunakan adalah bingham plastic karna lebih simpel.
Model Aliran Bingham Plastic
τ = YP + PV . γ
keterangan :
τ = Shear Stress (lb/ft^2)
YP = Yield Point (lb/ft^2)
PV = Plastic Viscosity (cp)
γ = Shear Rate (1/s)
slope pada garis lurus ditentukan berdasarkan plastic viscosity.
Untuk dapat menentukan plastic viscosity dan yield point, perlu dilakukan pengujian laboratorium terlebih dahulu. Pengujian viskositas dapat menggunakan alat viskometer VG. PV dan YP dapat digunakan berdasarkan pembacaan viskometer pada kecepatan rpm 300 dan 600 rpm, dimana jika dikalkulasikan akan sebagai berikut :
PV = RPM 600 - RPM 300
YP = PV - RPM 300
Gel Strength
Gel strength adalah kemampuan dari fluida pemboran untuk dapat membentuk struktur gel sehingga mampu untuk menahan serbuk bor / cutting saat sedang tidak terjadi sirkulasi. Dalam kondisi statis, part part dari fluida pemboran yang bermuatan akan bergerak mencari pasangannya dan saling berikatan secara negatif - positif membentuk struktur gel. Pembentukan gel ini tergantung dari waktunya. Pengukuran gel strength dapat dilihat dengan menggunakan viskometer VG, yakni dengan menggunakan RPM 3 pada waktu 10 detik, 10 menit, 30 menit.
Pada pembacaan 30 menit dapat mengindikasikan apakah fluida pemboran / lumpur secara signifikan akan membentuk gel selama periode statis sepertin trip off. Nilai gel strength yang terlalu tinggi akan membutuhkan tekanan pompa lebih tinggi saat akan mensirkulasikan lumpur kembali, sedangkan nilai gel strength yang terlalu rendah
FILTER CAKE
Batuan formasi terdiri atas batuan dan pori / rekahan, bagian pori tersebut umumnya berisikan fluida formasi. Drilling fluids pada lubang sumur akan mengalir ke formasi atau batuan sekitar akibat dari tekanan hidrostatis pada lubang sumur.
Lumpur pada tahap ini berguna sebagai dinding antara lubang bor dan formation. Ini terjadi dimana solid partikel dari lumpur akan menutup pori pori yang ada pada batuan formasi sekitar lubang bor, mencegah partikel lain lumpur untuk bergerak lebih jauh ke dalam formasi sekitar lubang bor. Dalam hal ini fasa cair akan tetap masuk ke dalam formasi dan hanya fasa solid saja yang tertahan pada dinding lubang bor. Fasa solid inilah yang nantinya akan terakumulasi dan membentuk filter cake.
Jika pergerakan dari fasa cair ini tidak terhenti atau diminimalisir, filter cake akan terus terbentuk hingga semakin tebal di dalam lubang bor. Filter cake ini harus memiliki nilai permeability yang rendah agar mampu meminimalisir hal tersebut. Umumnya tebal filter cake yang diinginkan dalam lubang bor hanya 1/32 inch. Harapan pada lumpur adalah untuk mampu membentuk filter cake tipis namun dapat menahan fasa cair untuk bergerak ke formasi di luar lubang bor. Semakin tebal filter cake akan mempersempir diameter dari lubang bor
Bentonite merupakan pembentuk filter cake yang tepat karena memiliki sifat swell dan mengisi pori pori sehingga menghasilkan nilai permeability yang rendah.
Sebenarnya, nilai permeability filter cake yang rendah ini akan memperhambat fluida formasi reservoir untuk dapat masuk ke dalam lubang sumur setelah proses pemboran selesai, hal ini disebut formation damage. sehingga sebaiknya filter cake ini dibersihkan dengan menggunakan acidizing atau fracturing.
Untuk test filter cake lumpur dapat mengunakan alat filter press
Marsh Funnel Viscosity
Didefenisikan sebagai kecepatan dari fluida pemboran untuk dapat melalui marsh funnel. Viskositas ini bukan viskositas sebenarnya namun hal ini dilakukan untuk menguji kekentalan fluida pemboran secara kualitatif.
pH
pH terdiri dari ion hidrogen yang menandakan tingkat asam atau basa suatu liquid. Aditif fluida pemboran dikembangkan dengan menggunakan air yang mana hasil campuran akan menghasilkan pH 8.5 - 10 bertujuan agar terjadinya reaksi untuk mendapatkan nilai yield point yang tepat. Selain itu juga, nilai pH yang tinggi dapat mencegah korosi
MBT
MBT menandakan jumlah clay pada fluida pemboran.
PENUTUP
Demikian lah penjelasan ringkas sistem sirkulasi pada teknik pemboran sumur minyak dan gas. Umumnya teknik pemboran masih banyak lagi yang akan dipelajari. Silahkan jika terdapat pertanyaan atau koreksi untuk dapat menuliskannya dikomentar. Penulis terbuka untuk bisa berdiskusi bersama rekan rekan Vanelis. Terima kasih
reference :