PROCEEDING SIMPOSIUM NASIONAL IATMI 2001 Yogyakarta, 3-5 Oktober 2001
OPTIMASI HIDROLIKA PADA PENGGUNAAN DOWN HOLE MUD MOTOR (DHMM) DENGAN KONSEP MINIMUM ANNULAR VELOCITY UNTUK PEMBORAN SUMUR-SUMUR BERARAH Herianto 1, P. Subiatmono 1, M. Sauman 2 1
T.Perminyakan UPN 2 Vico Indonesia
ABSTRAK Pada pemboran berarah sekarang ini telah banyak menggunakan Down Hole Mud Motor (DHMM) dan untuk menambah RPM sehingga laju penembusan meningkat. Kehilangan tekanan pada downhole tool dipertimbangkan dalam optimasi hidrolika. Kehilangan tekanan ini berubah-ubah tergantung tipe peralatan yang digunakan, pabrik, model dan ukuran peralatan. Downhole motor memberikan rotasi pada bit, mengurangi putaran drillstring dari permukaan. Dalam persamaan ini memperhitungkan optimasi pada DHMM, optimasi pada pahat, dan optimasi di annulus. Untuk memperoleh hasil optimasi yang optimum maka harus mengubah ukuran nozzle atau mengubah laju alir (Q) yang terjadi pada motor, pahat dan annulus.
1. PENDAHULUAN Dalam optimasi hidrolika, lumpur memegang peranan penting dalam operasi pemboran terutama dalam proses pembersihan cutting di dasar sumur dan pengangkatan cutting ke permukaan. Pada sumur berarah biasanya menggunakan Down Hole Mud Motor (DHMM). Keuntungan utama dari downhole motor adalah (a) memberikan tikungan lubang yang kecil dalam bagian buld-up dan drop-off (b) memberikan kontrol yang lebih baik dari dog leg severity dan kondisi lubang yang lebih baik. (c) mengijinkan menggunakan peralatan MWD yang dapat memberikan pembacaan ke permukaan, dimana memberikan pembacaan yang secara terus-menerus dari data survey. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengangkatan cutting pada sumur berarah.yaitu : kecepatan fluida di annulus sebagai fungsi dari luas area annulus dan rate pemompaan yang diberikan, kapasitas untuk menahan fluida yang merupakan fungsi dari rheology lumpur pemboran (density lumpur, aliran laminer/turbulen, viscositas), laju penembusan yang dilakukan drill bit (rate of penetration), kecepatan pemutaran pipa pemboran (RPM), ukuran partikel cutting, pengaruh sudut pada sumur berarah. 2. TEORI DASAR 2.1. Lumpur Pemboran Fluida pemboran adalah suatu fluida yang bersirkulasi dalam pemboran putar, yang mempunyai berbagai fungsi yang diperlukan dalam operasi pemboran. Jenis lumpur pemboran sifat-sifatnya yang sesuai akan mendukung keberhasilan operasi pemboran, dimana pola aliran, serta kecepatan pemboran serta keberhasilan pengangkatan cutting ke permukaan. 2.1. Rheology Lumpur Pemboran Rheology adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang perubahan bentuk dan aliran dari suatu jenis fluida. Sifat rheology ini dijelaskan dengan hubungan antara gaya dari fluida terhadap aliran dalam satuan tekanan persatuan luas (shear stress) dengan besarnya laju perubahan kecepatan
IATMI 2001-66
aliran antar lapisan yang terjadi waktu fluida mengalir dalam satuan kecepatan persatuan panjang (shear rate). Rheology lumpur pemboran meliputi sifat aliran dan jenis fluda pemboran. Sifat aliran meliputi aliran laminer dan aliran turbulen sedangkan jenis fluida pemboran meliputi fluida newtonian dan non- newtonian. 2.3. LANGKAH PENGERJAAN a) Menentukan tekanan pompa maksimum (Pmax) dan tekanan pompa minimum (Pmin) Pmin = Total Pressure Loss = Slow Pump Rate + (P MWD + Pmotor) b) Menentukan laju alir pompa maksimum (Qmax) dan laju alir pompa minimum (Qmin) ð 1 • Q …………... (1) xD 2 xSxNx max = 3 4 231 • Qmin = pada motor = dengan menggunakan konsep minimum annular velocity (Vmin) Persamaan Vmin tersebut sebagai berikut : Vmin = Vcut + Vs dimana : Vs = kecepatan slip, ft/s Vmin = kecepatan minimum, ft/s Vcut = kecepatan cutting, ft/s Dilakukan koreksi terhadap sudut inklinasi, densitas lumpur, dan RPM V min = Vcut + (1 + Ci * Cmw * C Rpm )Vsv maka untuk : θ ≤ 45 V min = Vcut + 1 +
è (600
Rpm)(3 + ñ m ) Vsv 202500
...…. (2)
è ( 600
Rpm)(3 + ñ m ) Vsv 202500
……... (3)
θ ≥ 45 V min = Vcut + 1 +
Optimasi Hidrolika Pada Penggunaan Down Hole Mud Motor (DHMM) Dengan Konsep Minimum Annular Velocity Untuk Pemboran Sumur-sumur Berarah
Herianto, P. Subiatmono, M. Sauman
dimana : Vcut = kecepatan cutting, ft/s Vsv = kecepatan slip vertikal Moore, ft/s RPM = rotation per menit ρm = densitas lumpur, ppg θ = sudut inklinasi, derajad
Untuk bilangan Reynold di antara 3 dan 300, maka alirannya adalah transisi dan kecepatan slip dapat dihitung dengan persamaan :
Kecepatan cutting dihitung dengan persamaan : ROP Vcut = 2 Dpipe ………………… (4) 36 1 − Cconc Dhole
dimana : Vs = kecepatan slip partikel, fps Ds = diameter partikel, inch ρs = densitas partikel, ppg ρf = densitas fluida, ppg µa = apparent viscosity, cp
Vs =
2.9 Ds ( ñ s
ñ f )0,667
ñ f 0,333 ì a 0,333
………………………..… (10)
Persamaan konsentrasi cutting, yaitu : Cconc
= 0.01778 ROP + 0.505 …….………………….(5)
Kemudian laju alir lumpur di annulus dapat di hitung dengan persamaan : Qmin
= K x Aannulus x Vmin
1 Q min = 3 .1172 x π ( Dh2 − Dp2 ) xV min ……………… (6) 4 dimana : Dpipe = diameter pipa, inch Dhole = diameter lubang, inch Cconc = konsentrasi cutting, % ROP = laju penembusan, ft/hr Qmin = kecepatan minimum, gpm K = konstanta konversi Vmin = kecepatan minimum, ft/s
Sedangkan apparent viscosity dapat dihitung dengan persamaan : n 1− n K Dh − Dp 2 + 1/ n ………..…….….. (11) µa = 144 Va 0,0208 dimana : µa = apparent viscosity, cp K = indeks konsistensi, cp n = indeks power law Va = kecepatan lumpur di annulus, fps Dh = diameter lubang, inch Dp = diameter pipa bor, inch Indeks konsistensi dihitung dengan persamaan : ………………………………..(12) 510 ( PV + YP ) K= n 511 ndeks power law dihitung dengan persamaan :
Kecepatan Slip Serbuk Bor Menurut Preston. L. Moore 10), Partikel yang jatuh dalam fluida mempunyai friksi terhadap fluida di sekitarnya. Akibat friksi ini, aliran fluida sekitar partikel mempunyai bilangan Reynold yang dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: …….………………………(7) 928 ρ f .Vs Ds Np = µ dimana : Np = bilangan Reynold partikel ρf = densitas fluida, ppg Vs = kecepatan slip partikel, fps Ds = diameter partikel, inch Berdasarkan bilangan Reynold partikel, apabilaNp > 300 maka pola aliran di sekitar partikel adalah turbulen penuh, kecepatan slip partikel-partikel dapat dihitung dengan persamaan : Vs = 1.54
Ds ( ñ s ñ f ) ñf
………………...(8)
Sedangkan apabila Np < 3 maka pola aliran di sekitar partikel adalah laminer, dan kecepatan slip dapat dihiutng dengan persamaan :
Vs =
82 .87 Ds 2 ( ñ s ìa
IATMI 2001-66
ñf )
………………………(9)
2 PV + YP ………………….…………... (13) n = 3,32 log PV + YP dimana : PV = viscositas plastis, cp YP = yield point, lb/100 ft2 c). Optimasi Hidrolika di Down Hole Mud Motor Optimasi hidrolika pada motor ini untuk mengetahui laju alir (Q) optimum pada motor, sehingga dapat ditentukan RPM optimum sehingga didapatkan laju penembusan (ROP) yang optimum dalam menembus batuan. Persamaan yang digunakan yaitu :
TFA =
Q 2 xMW Px10858
…………………………….….(14)
dimana : TFA = total flow area, in2 Q = laju alir, gpm MW = densitas lumpur, ppg P = Differential pressure, psi d) Optimasi Hidrolika pada Pahat Dalam mengoptimasikan hidrolika pada pahat, yang perlu diperhatikan adalah profil sumur dan lithologi batuan yang ditembus. Ada tiga konsep hidrolika pada pahat yaitu : Bit Hydraulic Horse Power (BHHP), Bit Hydraulic Impact (BHI), dan Jet Velocity. Dari ketiga konsep tersebut dipilih yang paling cocok sesuai dengan profil sumur dan lithologi batuan.
Optimasi Hidrolika Pada Penggunaan Down Hole Mud Motor (DHMM) Dengan Konsep Minimum Annular Velocity Untuk Pemboran Sumur-sumur Berarah
Disini yang digunakan yaitu konsep Konsep Bit Hydraulic Impact (BHI) Untuk konsep BHI sesuai digunakan pada pemboran sumur berarah dan jenis batuan yang kekerasannya menengah. Prinsip dasar dari metoda ini, menganggap bahwa semakin besar impact (tumbukan sesaat) yang diterima batuan formasi dari lumpur yang dipancarkan dari bit semakin besar pula efek pembersihannya, sehingga metoda ini berusaha mengoptimumkan impact pada bit. BHI akan optimum jika kehilangan tekanan pada pahat adalah sebesar 48% tekanan pompanya. Rumus yang digunakan yaitu : BHHP = 48 % HHP
…………………………………(15)
Untuk mengetahui hasil optimasi pada konsep BHI dilakukan dengan menghitung Bit Impact. ………..……………………... (16) I = 0 .0173 Q Pb W e) Optimasi Hidrolika di Annulus • Rasio Transport Serbuk Bor Batas minimal untuk rasio transport adalah 90%, persamaan yang digunakan yaitu4) : Va − Vs …………….………………………(17) Ft = Va • Konsentrasi Serbuk Bor Konsentrasi serbuk bor di annulus harus lebih kecil dari 5% persamaan yang digunakan sebagai berikut9) : ( ROP ) D2 …………………… (18) Ca = 100 % 14,7 Ft Q •
Indeks Pengendapan Serbuk Bor Ziedler14), merumuskan perbandingan waktu pengendapan dan waktu tempuh lintasan tersebut sebagai Indeks Pengendapan Serbuk Bor (Particle Bed Index), yang membentuk persamaan sebagai berikut untuk pola aliran laminer . PBI =
1 / 12 ( Dh − Dp) (Va − Vsa) Lc Vsr
Herianto, P. Subiatmono, M. Sauman
< laju alir.Langkah kedua menentukan tekanan pompa minimum dengan menghitung kehilangan tekanan sepanjang aliran, langkah berikutnya menentukan hidrolika pada pahat actual dan hidrolika di annulus aktual. Dari hasil perhitungan hidrolika pada pahat (Tabel-1) diketahui tidak optimum, dengan mengubah ukuran nozzle dan laju alir dapat ditentukan optimasinya pada pahat (Tabel2), sedangkan grafik laju alir vs (BHHP/HHP) x 100% dapat dilihat pada Gambar-1 dan Gambar-2. Untuk menentukan optimasi hidrolika pada annulus dengan mengubah laju alir dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel-2. 4. DISKUSI Tujuan dilakukannya optimasi hidrolika Lumpur pemboran adalah agar dapat meningkatkan effek pembersihan dasar lubang bor dan mengangkat serbuk bor bor dari annulus ke permukaan sehingga dapat membantu meningkatkan laju pemboran. Konsep BHI memaksimalkan tumbukan pada dasar lubang maka gaya yang bekerja cenderung akan mengikuti arah pahat dan inklinasi lubang, maka metoda BHI sangat cocok untuk lubang berarah secara maksimal. Dalam melakukan optimasi dengan down hole mud motor dimana batas laju alir pada trayek 12 ½ ” adalah 300 – 900 gpm dan trayek 8 ½ ” adalah 300 –600 gpm. Apabila laju alir dibawah batas minimal maka motor yang digunakan tidak dapat memutar stator maupun rotor sedangkan apabila di atasnya maka motor akan mengalami kerusakan. Pada trayek 12 ½” dan 8½” dengan konsep minimum annular velocity dan laju alir minimum pada motor sebesar 300 gpm. dapat ditentukan laju alir minimum serta tekanan minimum pompa yang diperlukan, seperti terlihat pada Tabel-1. Dari perhitungan yang telah dilakukan terlihat bahwa hidrolika pada pahat di semua trayek belum optimum. Hal ini terlihat dari perbandingan BHHP/HHP x 100% masih di bawah optimasinya 48 % lihat Tabel-2. Dengan melakukan perubahan kombinasi ukuran nozzle dan laju alir akan didapatkan optimasinya, seperti terlihat pada Tabel-3.
………………(19)
Pada pola aliran lumpur turbulen untuk melihat indeks pengendapan serbuk bor, digunakan persamaan sebagai berikut : PBI = Va / 17 Vs ……………………………...(20)
Hidrolika pengangkatan serbuk bor dari hasil perhitungan tidak semua trayek telah optimum, lihat Tabel-2. Untuk melakukan optimasi pada trayek yang belum optimum yaitu dengan cara menurunkan laju sirkulasinya menjadi laminar dan didapatkan optimasinya seperti terlihat pada Tabel-3. 5. KESIMPULAN
Setelah mendapatkan harga PBI, maka dipakai acuan sebagai berikut : * PBI > 1 → tidak terjadi pengendapan serbuk bor. * PBI =1 → serbuk bor berada pada kondisi hampir mengendap. * PBI < 1 → serbuk bor mulai mengendap. 3. STUDI KASUS Sumur yang di evaluasi adalah sumur berarah, metoda optimasinya adalah Bit Hydraulic Impact (BHI), sedangkan parameter yang dirubah adalah ukuran nozzle dan laju alir. Data yang diperlukan adalah laju alir, tekanan pompa , sifat fisik Lumpur, serbuk bor dan data pemboran yang lain. Langkah pertama menentukan kecepatan minimum annular velocity setiap interval kedalaman dimana laju alir pada motor
IATMI 2001-66
Konsep minimum annular velocity pada penggunaan Down Hole Mud Motor akan terlihat bahwa laju alir dan tekanan pemompaan tidak akan merusak pompa dan pembersihan cuttingnya bisa sempurna. DAFTAR PUSTAKA 1.
Adam, N.J. (1985) “Drilling Engineering, A Complete Well Planning Approach” Pen Well Publishing, Tulsa, Oklahoma.
2.
Athur W Mc Cray, (1959) “Oil Well Drilling Technology”, University of Oklahoma Press.
Optimasi Hidrolika Pada Penggunaan Down Hole Mud Motor (DHMM) Dengan Konsep Minimum Annular Velocity Untuk Pemboran Sumur-sumur Berarah
Herianto, P. Subiatmono, M. Sauman
3.
Azar, J.J. (1980),”Drilling Optimation”, University of Tlsa, Petroleum Engineering Department, Tulsa.
9.
4.
Bourgoyne, A.T., et al. (1986), “Applied Drilling Engineering”, Society of Drilling Engineerings, Richardson, Texas.
10. Preston L. Moore (1974)., “Drilling Practices Manual”, The Petroleum Publishing Co., Tulsa. 11. Rabia, H.(1985), “Oil Well Drilling Engineering Principles and Practice”, University of New Castle, UK.
5.
Chillingarian, G. V., Voraburt, P. (1981), “Drilling and Drilling Fluids”, Elsevier Scientific Publishing Company, New York. Gatlin, C.(1960), “ Petroleum Engineering Drilling and Well Completion”, Prentice Hall Inc., Englewood Clift, New Jersey
6.
7.
8.
Millpark Staff (1993), “Drilling Fluid Manual”, Millaprk Drilling Fluids, A Baker Hughes Company
12. Rudi Rubiandini R.S “Diklat Kuliah Teknik dan Alat Pemboran”. 13. T.I. Larsen, A.A. Pilehvari, and J.J. Azar (1997), SPE Paper “Development of a New Cutting Transport Model for High-Angle Wellbores Including Horizontal Well”, SPE No 25872
J.M Peden, J.T Ford, and M.B Oyeneyin, Heriot-Watt U (1990), SPE Paper “Comprehensive Experimental Investigation of Drilled Cuttings Transport in Inclined Well Including The effect of Ratation and Eccentricity Drillpipe”, SPE no 20925.
14. Ziedler. H. Udo, Dr. P.E.(1988), “Drilling Fluid Technology applied to Horisontal Drilling”, Maurer Engineering Inc, Houston, Texas
Lummus. J.L.(1986), Drilling Fluids Optimization”, Penn Well Publishing Co., Tulsa Oklahoma.
Tabel-1 Kecepatan Minimum Annular Velocity dan Tekanan Pompa Minimum Hasil Perhitungan Depth, ft
Dia Hole, in
Laju Alir, gpm
Qmin, gpm
Pmin, psi
470-4356
12 ¼
549,28
549,28
1544
4356-4920
12 ¼
534,11
534,02
1708
4920-8962
8½
300
276,54
1580
8962-9777
8½
300
279,84
1624
9777-10468
8½
300
268,11
1760
10468-11000
8½
300
267,41
1815
Tabel-2 Hasil Perhitungan Hidrolika Actual di Pahat dan Annulus Depth
Q
Uk. Nz.
Ft
gpm
(1/32)in
Pahat
Annulus
(BHHP/HHP)
BIF
Ft
Ca
x 100%
lbf
%
%
PBI
470-4356
858
4x16,4x13
15,85
806,05
96,94
2,23
1,00
4356-4920
858
4x16,4x13
16,77
852,92
96,57
2,24
1,00
4920-8962
590
2x16,2x13
15,07
630,46
91,37
1,05
0,68
8962-9777
577
2x16,4x13
13,19
607,41
90,60
1,08
0,62
9777-10468
577
2x16,4x13
13,93
641,15
92,50
1,06
1,00
10468-11000
577
2x16,4x13
13,93
641,15
92,87
1,05
1,00
IATMI 2001-66
Optimasi Hidrolika Pada Penggunaan Down Hole Mud Motor (DHMM) Dengan Konsep Minimum Annular Velocity Untuk Pemboran Sumur-sumur Berarah
Herianto, P. Subiatmono, M. Sauman
Tabel-3 Hasil Perhitungan Optimasi Hidrolika di Pahat dan Annulus Depth
Q
Uk. Nz.
Ft
gpm
(1/32)in
Annulus
(BHHP/HHP)
BIF
Ft
Ca
x 100%
lbf
%
%
PBI
470-4356
858
4x14,4x7
47,71
1398,48
96,93
2,23
1,00
4356-4920
858
4x14,4x7
48,05
1408,24
96,51
2.30
1,00
4920-8962
590
5x8,1x15
47,92
1015,53
98,04
1,08
1,00
8962-9777
577
5x8,1x15
48,07
1129,04
95,21
1,05
1,00
9777-10468
577
5x8,1x15
48,06
1128,99
92,23
1,12
1,00
10468-11000
577
5x8,1x15
48,06
1128,99
92,62
1,11
1,00
470 ft - 4356 ft, Qop=858 gpm
(BHHP/HHP)x100%
Pahat
4356 ft - 4920 ft, Qop = 837 gpm
4920 ft - 8962 ft, Qop = 533 gpm
8962 ft - 9777 ft, Qop = 562 gpm
9777 ft - 10468 ft, Qop = 547 gpm
10468 ft - 11000 ft, Qop = 547 gp
70
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20 10
10
0
0 400
200
500
600
700
800
900
Q, gpm
Gambar-1 Grafik Optimasi Hidrolika Pahat pada Trayek 12 ¼”
IATMI 2001-66
300
400
500
600
700
1000
Q, gpm
Gambar-2 Grafik Optimasi Hidrolika Pahat pada Trayek 8½”
