Lumpur pemboran, atau mud sering diartikan sebagai darah dalam suatu operasi pemboran, tanpa adanya lumpur yang baik, maka operasi pemboran tidak akan dapat berjalan dengan baik.
Banyak faktor yang harus diperhatikan dalam merancang suatu lumpur pemboran untuk setiap operasi pemboran. Sifat fisiknya terutama, seperti Plastic viskositas, Yield Point, Gell strength, electric stability untuk oil base mud, dsb.
Lumpur pemboran dalam pembuatannya terdiri dari 3 komponen utama, yakni :
- fasa padatan:
Merupakan padatan yang bereaksi dengan sekelilingnya membentuk koloid (clay).
Clay air tawar à bentonite mengahisap (absorp) air tawar membentuk bentonite.
Yield à jumlah bbl lumpur yang dihasilkan dari 1 ton clay agar viskositas lumpur 15 cp.
Yield bentonite = 100 bbl/ton, bentonite mengadsorp air tawar, sehingga volumenya menjadi 10 kali atau lebih, disebut dengan hidrasi / swelling.
Dapat berupa barite (BaSO4), untuk menaikkan densitas lumpur.
Dapat juga berasal dari formasi yang dibor dan ikut terbawa.
- fasa cair:
Dapat berupa minyak atau air.
75% lumpur pemboran menggunakan air.
Yang menggunakan air teridiri dari air tawar dan air asin.
Air asin dibagi menjadi air asin jenuh dan tak jenuh.
Oil – base mud à minyaknya lebih dari 95%.
Invert emulsions à minyak 50-70% (fasa kontinyu), air 30-50% (fasa terdispersi).
- additive:
Sebagai thinner / penurun viskositas à quabracho, fosfat, sodium tannate, lignosulfonates, lignit, surfactant (surface active agents).
Sebagai viscosifier / peningkat viskositas à CMC, starch, senyawa polimer.
Kita mendengar terjadinya peristiwa meledaknya sumur milik BP di gulf of meksiko, adanya lumpur sidoarjo, dsb.
sebenarnya semua peristiwa tersebut bisa dikontrol dengan baik apabila kita mampu mengendalikan penggunaan lumpur pemboran.
Lumpur pemboran pertama kali diperkenalkan dalam pemboran putar pada sekitar awal tahun 1900. Awal mulanya orang hanya menggunakan air untuk mengangkat serbuk bor (cutting) secara kontinyu. Dan dengan berkembangnya teknologi pemboran, lumpur mulai digunakan, dan fungsi lumpur menjadi semakin komplek dan untuk memperbaiki sifat-sifat lumpur tersebut ditambahkan bahan-bahan kimia (additive). biasa digunakan adalah Oil Based Mud ( OBM ) dan Water Based Mud (WBM ).
Fungsi Lumpur Pemboran
- Mengangkat cutting ke permukaan
- Mendinginkan dan melumasi bit
- Media penghantar logging
- Mengontrol tekanan formasi
- Sebagai bantalan drillstring
- Membuat mud cake
- Mengurangi kerusakan formasi
Sifat Lumpur
§ Densitas.
Merupakan parameter penting karena fungsinya sebagai penahan tekanan formasi. Densitas terlalu besar menyebabkan loss circulation, sedangkan densitas terlalu kecil menyebabkan well kick. Densitas dapat diukur dengan menggunakan mud balance.
Dasar perhitungan : W = ρ × V
§ Sand content.
Tercampurnya cutting ke dalam lumpur akan menambah densitas lumpur sehingga memperberat kerja pompa, sehingga lumpur yang telah disirkulasikan harus dibersihkan dari partikel cutting menggunakan conditioning equipment (contaminant removal).
Yang dianggap sebagai pasir adalah cutting yang diameternya lebih besar dari 74 mikron. Cara untuk menentukan sand content:
§ Rheology lumpur.
- Viskositas.
Merupakan pengaruh shear rate terhadap shear stress, sehingga menentukan keengganan fluida untuk mengalir.
Viskositas terlalu tinggi à cutting tersuspensi dengan baik, ROP turun karena friksi semakin besar, pressure loss naik sehingga membebani kerja pompa, kesulitan dalam pemisahan cutting karena cutting cenderung terikat pada lumpur.
Viskositas terlalu rendah à ROP tinggi, tekanan pompa kecil, cutting tidak tersuspensi dengan baik, cutting terendap sehingga dapat mengganggu dan merusak perputaran bit (bit bailing), cutting sulit terangkat karena slip velocity semakin besar.
- Yield point.
Yaitu nilai shear stress minimum dimana fluida lumpur akan bergerak. Yield point merupakan ukuran gaya tarik menarik yang bersifat dinamik.
- Gel strength.
Yaitu kemampuan fluida lumpur untuk dapat menahan cutting agar tidak bergerak turun ketika sirkulasi dihentikan. Merupakan ukuran gaya tarik menarik yang bersifat statik.
Gel strength besar à dapat menahan agar cutting tidak turun, menahan pembuangan cutting di permukaan, pemompaan terlalu berat saat sirkulasi akan dijalankan, umur lumpur tidak akan lama.
Gel strength kecil à cutting akan jatuh saat sirkulasi dihentikan.
§ Filtration loss mud cake.
Kita perlu menganalisa filtration loss untuk memperkirakan jumlah filtrat yang masuk ke formasi dan juga memperkirakan ketebalan mud cake.
Filtration loss terjadi ketika terjadi kontak antara lumpur dengan batuan berpori, dimana batuan akan bertindak sebagai saringan yang memungkinkan fluida dan partikel kecil melaluinya. Fluida yang hilang ke dalam batuan disebut filtrat, sedangkan lapisan yang tertahan disebut filter cake/mud cake.
Penyebanya adalah tekanan hidrostatis lumpur terlalu besar dan mud cake terlalu tipis sehingga filtrat lumpur dapat masuk ke dalam formasi. Cara menanggulanginya dengan mengganti jenis lumpur yang digunakan, atau menambahkan additif pada lumpur tersebut.
Filtration loss hanya terjadi jika terdapat perbedaan tekanan yang positif kearah batuan.
- Static filtration à ketika lumpur dalam keadaan diam
- Dynamic filtration à ketika lumpur disirkulasikan
Keuntungan dan kerugian:
Mud cake tebal à memperkecil filtration loss, tapi dinding lubang bor menjadi tebal.
Mud cake tipis à jadi bantalan pipa yang baik
Filtrat terlalu banyak à tidak akan terjadi well kick, merusak formasi, ketemu clay bisa swelling dan pipe sticking, kesulitan dalam melakukan logging karena terlalu banyak media yang hilang.
Filtrat sedikit à terbentuk mud cake yang tipis, mencegah formation damage, mud cake yang terbentuk bisa jadi terlalu tipis sehingga kurang baik sebagai bantalan drill pipe
Standar pengukuran filtration loss adalah menggunakan LPLT. Aliran filtrat melalui mud cake digambarkan dengan hukum Darcy. Volume filtrat yang dihasilkan selama selang waktu tertentu dinyatakan dengan:
,
dimana:
Vf = volume filtrat yang dihasilkan; A = luas filter; k = permeabilitas mud cake; Δp = tekanan filtrasi; t = waktu filtrasi; fsc = fraksi volume solid dalam mud cake; fsm = fraksi volume solid dalam lumpur; μ = viskositas mud filtrate.
Persamaan umum untuk static filtration loss:
§ Sifat lumpur pada P dan T yang tinggi.
Sifat lumpur yang diukur pada P dan T yang tinggi adalah filtration loss dan rheology. Filtration loss-nya dapat diukur menggunakan HPHT, sedangkan rheology-nya dapat diukur menggunakan Fann VG Meter yang dilengkapi dengan cup heater.
§ Analisa kimia lumpur.
- Analisis kimia alkalinitas.
Ditunjukkan oleh harga pH, tergantung dari kandungan ion di dalam filtrat lumpur.
- Analisis kesadahan total.
Ditentukan oleh kandungan ion Mg2+ dan Ca2+ di dalam filtrat lumpur.
- Analisis kandungan ion klor.
Kandungan klor dipengaruhi oleh kadar garam NaCl, biasanya menandakan pemboran menembus kubah garam. Kandungan klor dapat ditentukan dengan mentitrasi filtrat lumpur dengan larutan standar perak nitrat.
- Analisis kandungan ion kalsium.
Adanya kandungan kalsium menandakan tercampurnya lumpur oleh gypsum yang dapat mengubah water loss dan gel strengthnya.
- Analisis kandungan ion besi.
Adanya kandungan besi biasanya menandakan terjadinya korosi pada peralatan.
§ Lubrisitas lumpur (pelumasan).
Pengukuran Lumpur
Pengukuran dengan Marsh Funnel
Merupakan pengukuran secara kualitatif dengan mengukur waktu yang dibutuhkan lumpur sebanyak 0.9463 Ltr (1 quart) untuk mengalir keluar dari corong Marsh Funnel. Karena pengukuran ini dilakukan dengan mengukur waktu, maka pengukuran ini digunakan untuk menilai viskositas lumpur secara kualitatif dan secara singkat, yaitu dengan membandingkan waktu alir lumpur yang baru relatif terhadap lumpur lama.
Pengukuran menggunakan Fann VG Meter
Merupakan alat untuk menentukan rheology lumpur seperti apparent viscosity, plastic viscosity, yield point dan gel strength.
Prinsipnya adalah mengaduk fluida dengan putaran RPM tertentu (menggambarkan shear rate) dan mencatat simpangannya (menggambarkan shear stress).
Rheology yang terukur:
§ Shear stress dan shear rate
§ Viscosity
§ Yield point dan gel strength
Kontaminasi Lumpur
§ Kontaminasi NaCl.
Sebab à saat pemboran menembus kubah garam, lapisan garam, lapisan batuan dengan konsentrasi garam tinggi, atau tercampur air formasi dengan kadar garam tinggi.
Akibat à dapat mengubah viskositas, YP, GS, filtration loss, dan menurunkan pH.
Penanggulangan à menambah NaOH.
§ Kontaminasi Gypsum.
Sebab à ketika menembus formasi gypsum, atau lapisan gypsum pada shale atau limestone.
Akibat à dapat mengubah viskositas, YP, GS, dan filtration loss.
Penanggulangan à menambah soda ash.
§ Kontaminasi Semen.
Sebab à apabila penyemenan kurang sempurna, atau setelah pengeboran semen dalam casing, float collar dan casing shoe.
Akibat à dapat mengubah viskositas, YP, GS, filtration loss, dan pH lumpur.
Penanggulangan à menambah sodium monofosfat.
§ Kontaminasi hard water (air yang mengandung kalsium dan magnesium tinggi).
Kontaminasi karbon dioksida.
§ Kontaminasi hidrogen sulfida.
Sebab
§ Kontaminasi oksigen.
Sebab à oksigen yang terdapat pada air yang digunakan untuk membuat lumpur, sehingga oksigen tersebut masuk ke dalam sistem lumpur.
Akibat à korosi pada peralatan pemboran, GS dan PV turun, densitas juga turun.
Penanggulangan à oksigen dikeluarkan lewat mud gas separator.
Hidrasi Bentonite
§ Dispersi.
Yaitu peristiwa di mana lempengan-lempengan yang tersuspensi dalam larutan dalam keadaan tersebar merata dan tidak terdapat ikatan antara permukaan maupun tepi dari lempengan-lempengan.
§ Flokulasi.
Terjadi dalam suspensi lapisan clay di mana lempengan-lempengan clay bergabung satu dengan yang lainnya di mana dalam system akan terdapat ikatan muka dengan tepi lempeng, tepi dengan tepi lempeng yang tidak tersebar secara tidak merata dalam fasa cairnya. Flokulasi akan menghasilkan clay yang menggumpal sehingga akan menghasilkan gel yang berlebihan.
§ Agregasi.
Terjadi bila muka dengan muka, tepi dengan tepi lempeng clay saling berikatan satu sama lainnya dan tersebar dalam fasa cairnya. Agregasi mengakibatkan penurunan viskositas dan gel strength.
§ Deflokulasi.
Yaitu proses di mana dalam larutan yang terflokulasi terjadi pemutusan ikatan antara tepi dengan muka yaitu dengan penambahan thinner dalam system sehingga system kembali dalam fasa terdispersi.
Jenis Lumpur Pemboran
§ Fresh water mud.
Yaitu lumpur yang fasa cairnya adalah air tawar. Apabila terdapat kadar garam, biasanya sangat kecil (< ppm =" 1%">
- Spud.
Digunakan untuk membor formasi bagian atas conductor casing.
Fungsi utama à mengangkat cutting, membuka lubang di permukaan.
Volume cukup sedikit, dapat dibuat dari air + bentonite (yield 100 bbl/ton) atau clay air tawar yang lain (yield 35 – 50 bbl/ton).
Tambahan bentonite diperlukan untuk menaikan PV dan GS bila menghadapi zona loss.
- Natural / Native.
Dibentuk dari pecahan cutting dalam fasa air, sehingga sifatnya tergantung formasi.
Digunakan pada pemboran cepat, seperti pada surface casing.
- Treated Bentonite.
- Treated Phosphate.
- Treated Organic Coloid.
- Red / alkaline – tannate treated.
- Calcium muds.
§ Salt water mud.
- Unsaturated salt water.
- Saturated salt water.
- Sodium silicate.
§ Oil in Water Emulsion (water base mud).
A drilling fluid (mud) in which water or saltwater is the major liquid phase as well as the wetting (external) phase. General categories of water-base muds are freshwater, seawater, salt water, lime, potassium and silicate. Subcategorizes of these abound.
Water-base drilling fluid. Water-base fluids are predominantly water or saltwater. Clay minerals and polymers are commonly added to design a mud that is compatible with the formations being drilled.
- Fresh water mud.
- Salt water mud.
§ Oil Base Emulsion Muds (oil base mud).
Sifat rheologynya ditentukan dari emulsi air-minyak. Aditif bereaksi dengan air.
Emulsifier sebagai thickenner, dispersant sebagai thinner.
An invert-emulsion mud, or an emulsion whose continuous phase is oil. In the past, the term referred to an oil mud containing less than about 5 vol.% water. This definition, at the time, distinguished mud with less than 5 vol.% water from invert-emulsion oil muds, which had more than 5 vol.% water. Today, this distinction is not practical because most commercial oil muds can be formulated with more or less than 5 vol.% water using essentially the same types of products
Invert emulsion muds, or oil-base drilling fluids, typically contain synthetic fluids, diesel oil or mineral oil without much water. When hydration of clay formations is possible, oil-base drilling fluids are non-damaging to the reservoir.
§ Gaseous Drilling Fluids.
- Natural gas mud.
- Aerated mud.
Jenis-jenis Aditif
§ Viscosifier, prinsipnya menaikkan viskositas dengan cara menambah jumlah partikel terdispersi. Contohnya : CMC-LV, CMC-HV, Starch.
§ Thinner, prinsipnya menurunkan viskositas dengan cara mendispersi atau mengencerkan. Contohnya : Quobracho, fosfat, sodium tanate, lignosulfonat, lignite.
§ Filtration reducer, prinsipnya mengurangi jumlah filtrat dengan cara membentuk deflokulasi. Contohnya : latex, CMHEC, Starch, CMC, sodium polyacrylate.
Bentonite, yaitu bahan dasar lumpur pemboran yang selalu dipakai pada lumpur standar karena mudah terhidrasi oleh air.