PENGUKURAN VISKOSITAS DAN GEL STRENGTH

PENGUKURAN VISKOSITAS DAN GEL STRENGTH

2.1. Tujuan Percobaan

1. Menentukan viskositas relatif lumpur pemboran dengan Marsh Funnel.
2. Menentukan viskositas nyata (apparent viscosity), plastic viscosity, yield point dan gel strength lumpur pemboran dengan menggunakan Fann VG Meter.
3. Memahami rheologi lumpur pemboran.
4. Mengetahui efek penambahan thinner and thickener pada lumpur pemboran.

2.2. Dasar Teori

    Viskositas dan gel strength merupakan bagian yang pokok dalam sifat-sifat rheologi fluida pemboran. Pengukuran sifat-sifat rheologi fluida pemboran penting mengingat efektivitas pengangkatan cutting merupakan fungsi langsung dari viskositas. Sifat gel pada lumpur juga penting pada saat round trip sehingga dapat mencegah cutting mengendap di dasar sumur yang dapat menyebabkan kesukaran pengeboran selanjutnya. Viskositas dan gel strength merupakan sebagian dari indicator baik tidaknya suatu lumpur.

    Fluida pemboran dalam percobaan ini adalah lumpur pemboran. Lumpur pemboran ini mengikuti model-model rheologi Bingham Plastic, Power Low. Diantara ketiga model ini, Bingham Plastic merupakan model yang sederhana untuk fluida Non-Newtonian.

    Yang dimaksud fluida non-Newtonian adalah fluida yang mempunyai harga viskositas tidak konstan, bergantung pada besarnya geseran (shear rate) yang terjadi.

    Gambar di bawah ini adalah suatu plot pada kertas koordinat rectangular dari viskositas vs shear rate untuk fluida ini.

Grafik 2.1 Shear stress vs shear rate  dan   shear rate vs viscosity

    Pada setiap shear rate tertentu fluida mempunyai viskositas yang disebut apparent viscosity dari fluida pada shear rate tersebut.

    Berbeda dengan fluida Newtonian yang mempunyai viskositas konstan, fluida non-Newtonian memperlihatkan suatu yield stress suatu jumlah tertentu dari tahanan dalam yang harus diberikan agar fluida mengalir seluruhnya.

    Dalam percobaan ini pengukuran viskositas yang sederhana dilkukan dengan menggunakan alat Marsh Funnel. Viskositas ini adalah jumlah detik yang dibutuhkan lumpur sebanyak 0,9463 liter untuk mengalir keluar dari corong marsh funnel. Bertambahnya viskositas ini direfleksikan dalam bertambahnya apparent viscosity. Untuk fluida Non-Newtonian, informasi yang didapatkan dengan Marsh Funnel memberikan suatu gambaran rheologi fluida yang tidak lengkap sehingga biasa digunakan untuk membandingkan fluida yang baru (awal) dengan kondisi sekarang.

    Yield point adalah bagian dari resistensi untuk mengalir oleh gaya tarik-menarik antar partikel. Gaya tarik menarik ini disebabkan oleh muatan-muatan pada permukaan partikel yang didispersi dalam fasa fluida. Gel strength dan Yield point keduanya merupakan ukuran dari gaya tarik-menarik antar partikel. Gaya tarik-menarik dalam suatu system lumpur. Bedanya, Gel strength merupakan ukuran gaya tarik-menarik yang static sedangkan yield point merupakan ukuran gaya tarik-menarik yang dinamis.

     2.2.1. Penentuan Harga Shear stress dan Shear rate

    Harga shear stress dan shear rate yang masing-masing dinyatakan dalam bentuk penyimpangan skala penunjuk (dial reading) dan RPM motor, harus diubah menjadi harga shear stress dan shear rate dalam satuan dyne/cm2 dan detik-1 agar diperoleh harga viskositas dalam satuan cp (centipoise). Adapun persamaan tersebut sebagai berikut :

    τ = 5,077 x C…………………………………………………....         (1)

    γ = 1,704 x RPM……………………………………………......         (2)

dimana :

τ = Shear stress, dyne/cm2

γ = Shear rate, detik-1

C = Dial reading, derajat

RPM = Revolution per minute dari rotor

      2.2.2. Penentuan Harga Viscositas Nyata (Apparent Viscosity)

    Viskositas nyata (µa) untuk setiap harga shear rate dihitung berdasarkan hubungan :

    µa = τ/γ x 100……………………………………………………..          (3)

    µa = (300 x C)/ RPM…………………………….………………..          (4)

      2.2.3. Penentuan Plastic Viscosity dan Yield point

    Untuk menentukan plastic viscosity (µp) dan yield point (Yp) dalam field unit digunakan persamaan Bingham Plastic berikut :

    µp = (τ600 - τ300)/( γ600 - γ300)……………………………………..        (5)

    Dengan memasukkan persamaan (1) dan (2) ke dalam persamaan didapat :

    µp = C600 – C300……………………...…………………………..        (6)

    Yb = C300 - µp........................................................................        (7)

dimana :

µp = Pastic Viscosity, cp

Yp = Yield point Bingham, lb/100ft2

C600 = dial reading pada 600 RPM, derajat

C300 = dial reading pada 300 RPM, derajat

      2.2.4. Penentuan Harga Gel strength

    Harga Gel strength dalam 100 lb/ft2 diperoleh secara langsung dari pengukuran dengan alat Fann VG Meter. Simpangan skala penunjuk akibat digerakkannya rotor pada kecepatan 3 RPM, langsung menunjukkan harga Gel strength 10 detik atau 10 menit dalam 100 lb/ft2.

2.3. Alat dan Bahan

      2.3.1. Alat

1. Marsh Funnel
2. Timbangan
3. Gelas ukur 500 ml
4. Fann VG Meter
5. Mud mixer
6. Cup Mud Funnel

      2.3.2. Bahan

1. Bentonite
2. Aquadest
3. Bahan-bahan pengencer (thinner)

2.4. Prosedur Percobaan

2.4.1. Membuat Lumpur

    Prosedur pembuatan lumpur sama dengan prosedur pembuatan lumpur pada percobaan 1. Komposisi yang akan dibuat ditentukan oleh asisten.

2.4.2. Cara bekerja dengan Marsh Funnel

1. Menutup bagian bawah Marsh Funnel dengan jari tangan. Menuangkan lumpur bor melalui saringan sampai menyinggung bagian bawah saringan (1,5 liter).
2. Setelah menyediakan bejana yang telah tertentu isinya (1 quart = 946 ml) pengukuran dimulai dengan membuka jari tadi sehingga lumpur mengalir dan menampung dalam bejana tadi.
3. Mencatat waktu yang diperlukan (detik) lumpur untuk mengisi bejana yang tertentu isinya tadi.

2.4.3. Mengukur Shear stress dengan Fann VG Meter

1. Mengisi bejana dengan lumpur sampai batas yang ditentukan.
2. Meletakkan bejana pada tempatnya, serta mengatur kedudukannya sedemikian rupa sehingga rotor dan bob tercelup ke dalam lumpur menurut batas yang telah ditentukan.
3. Menggerakkan rotor pada posisi High dan menempatkan kecepatan putar rotor pada kedudukan 600 RPM. Pemutaran terus dilakukan sehingga kedudukan skala (dial) mencapai keseimbangan. Mencatat harga yang ditunjukkan oleh skala.
4. Pencatatan harga yang ditunjukkan oleh skala penunjuk setelah mencapai keseimbangan dilanjutkan untuk kecepatan 300, 200, 100, 6 dan 3 RPM dengan cara yang sama seperti di atas.

2.4.4. Mengukur Gel strength dengan Fann VG Meter.

1. Setelah selesai pengukuran shear stress, mengaduk lumpur dengan Fann VG pada kecepatan 600 RPM selama 10 detik.
2. Mematikan Fann VG, kemudian diamkan lumpur selama 10 detik.
3. Setelah 10 detik menggerakkan rotor pada kecepatan 3 RPM. Membaca simpangan maksimum pada skala penunjuk.
4. Mengaduk kembali lumpur dengan Fann VG pada kecepatan rotor 600 RPM selama 10 detik.
5. Mengulangi kerja di atas untuk Gel strength 10 menit (untuk gel strength 10 menit, lama pendiaman lumpur 10 menit).

2.5. Hasil Pengamatan

Tabel 2.1 Pengukuran viskositas, shear stress dan gel strength

1. Penggunaan Marsh Funnel

No	Bahan	Waktu	Volume (ml)
1.	Air	13,86	350
2.	Lumpur standar	17,30	350

2. Pengukuran shear rate dan gel strenght dengan Fann VG Meter.

Pengukuran	Skala
	High (RPM)			Low (RPM)
	200 RPM	6 RPM	600 RPM	100 RPM	3 RPM	300 RPM
Shear Stress	9,5	5	14	8	4	10

Pengukuran	Simpangan Maksimum
	10 detik	10 menit
Gel strength	25	30

3. Harga setelah dihitung secara matematik.

• Viscositas plastic    = 4 cp
• Yield point        = 6 lb/100ft2
• Gel strength        =0,83 100lb/ft2

2.6. Perhitungan

A. Menentukan Shear stress dan Shear rate.

• Diketahui : Dial reading (C) untuk RPM sebagai berikut:

• 600 RPM    = 14
• 300 RPM     = 10
• 200 RPM     = 9,5
• 100 RPM     = 8
• 6 RPM     = 5
• 3 RPM     = 4

Ditanya : shear stress dan shear rate=...

Jawab : a. Shear stress (τ) untuk masing-masing kecepatan :

• τ  600 RPM                                  = 5,077 x c

= 5,077 x 14

= 71,078 dyne/cm2

• τ 300 RPM                                  = 5,077 x 10

= 50,77 dyne/cm2

• τ 200 RPM                                   = 5,077 x 9,5

= 48,23 dyne/cm2

• τ 100 RPM                                   = 5,077 x 8

= 40,61 dyne/cm2

• τ 6 RPM                                       = 5,077 x 5

= 25,38 dyne/cm2

• τ 3 RPM                                       = 5,077 x 4

= 20,30 dyne/cm2

b. Shear rate (γ) untuk masing-masing RPM :

• γ  600 RPM                                 = 1,704 x c

= 1,704 x 600

= 1022,4 detik-1

• γ 300 RPM                                   = 1,704 x 300

= 511,2 detik-1

• γ 200 RPM                                  = 1,704 x 200

= 340,8 detik-1

• γ 100 RPM                                   = 1,704 x 100

= 170,4 detik-1

• γ 6 RPM                                       = 1,704 x 6

= 10,224 detik-1

• γ 3 RPM                                       =  1,704 x 3

= 5,112 detik-1

B. Menentukan viskositas nyata .  

• Diketahui :    

• τ  600 RPM    = 71,078 dyne/cm2
• τ 300 RPM    = 50,77 dyne/cm2
• τ 200 RPM    = 48,23 dyne/cm2
• τ 100 RPM    = 40,61 dyne/cm2
• τ 6 RPM    = 25,38 dyne/cm2
• τ 3 RPM    = 20,30 dyne/cm2

• γ  600 RPM    = 1022,4 detik-1
• γ 300 RPM     = 511,2 detik-1
• γ 200 RPM    = 340,8 detik-1
• γ 100 RPM    =170,4 detik-1
• γ 6 RPM    = 10,224 detik-1
• γ 3 RPM    = 5,112 detik-1

Ditanya : viskositas nyata tiap harga shear rate =...

Jawab :

• µa 600 RPM    = τγ x100=6,95 cp
• µa 300 RPM    =50,77511,2x100=9,93 cp
• µa 200 RPM    =48,23340,8x100=14,15 cp
• µa 100 RPM    =40,61170,4 x100=23,83cp
• µa 6 RPM        =25,3810,224x100=248,23 cp
• µa 3 RPM        =20,305,112x100=397,10 cp

3. Menentukan plastic viscosity dan yield point.

• Diketahui : C600 = 14 derajat dan C300 = 10 derajat

Ditanya : µp dan Yb=...

Jawab :     - µp = C600-C300 = 14-10 = 4 cp

• Yb = C300- µp = 10 - 4= 6 lb/100ft2

4. Menentukan Gel strength.

• Diketahui : V menit = 30 dan V detik = 25

Ditanya : Gel strength=...

Jawab : Gel strength = V detikV menit

                                 =2530

                                  =0,83 100lb/ft2

2.7. Pembahasan

Lumpur pemboran memiliki berbagai fungsi terhadap reservoir , antara

lain :

1. Mengangkat cuttings dari dasar lubang ke permukaan.
2. Menahan dinding lubang agar jangan runtuh selama pemboran berlangsung.
3. Melumasi dan mendinginkan bit dan rangkaian pemboran.
4. Mengontrol tekanan formasi.
5. Menahan cuttings dan material pemberat selama sirkulasi berhenti       agar jangan turun.
6. Sebagai media logging.
7. Sebagai media informasi.
8. Sebagai tenaga penggerak.
9. Menahan sebagaian berat rangkaian pemboran.

Di dalam pekerjaan pemboran, pengaruh karakteristik dan kondisi formasi terhadap perencanaan dalam penggunaan lumpur bor (drilling fluid) merupakan hal yang sangat perlu diperhatikan dalam mencapai suatu keberhasilan dalam operasi pemboran. Lumpur bor sangat berpengaruh terhadap kemampuan lapisan produktif yang berkaitan dengan produktifitas formasi, sedangkan produktifitas formasi juga banyak dipengaruhi oleh karakteristik formasi reservoir suatu lapangan.

Pada percobaan II ini yang bertujuan dalam pengukuran viskositas dan Gel strength. Viskositas pada lumpur pemboran berpengaruh pada proses pengangkatan cutting. Viskositas dan gel strength yang rendah akan memberikan persen berat partikel yang besar dengan waktu sirkulasi yang sama, sehingga partikel akan cenderung mengendap kembali di bottom hole. Sehingga viskositas dan gel strength perlu dinaikkan untuk mencegah pengendapan kembali oleh partikel. Secara fisik, naiknya temperatur akan menurunkan viskositas fasa cair lumpur pemboran. Untuk meningkatkan nilai viskositas kita menggunakan viscosifiers (bahan pengental) seperti : bentonite, CMC , attapulgite dan polymer. Dan untuk menurunkan nilai viskositas kita menggunakan thinner (pengencer) seperti: phosphate, lignosulfonate, lignite, poly acrylate.

Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida untuk mengalir sedangkan gel strength adalah gaya tarik menarik antar partikel dalam keadaan statis. Dan ada juga yield point yang merupakan gaya tarik menarik partikel lumpur dalam keadaan dinamis.

Selanjutnya kita akan membahas tentang fluida newtonian dan non newtonian. Dimana fluida newtonia itu adalah fluida yang akan terus mengalir sekalipun terdapat gaya yang bekerja pada fluida, jadi viskositasnya konstan. Sedangkan fluida non newtonian adalah fluida yang akan mengalami perubahan viskositas ketika ada gaya yang bekerja pada fluida tersebut.

Dan berikut merupakan gambar sirkulasi lumpur pemboran :

Gambar 2.2 Sirkulasi lumpur pemboran

Dan kami juga membandingkan waktu tempuh antara air dan lumpur dengan menggunakan marsh funnel. Sehingga di dapat waktu tempuh lumpur lebih lama dibandingkan air. Jadi kesimpulannya viskositas lumpur lebih besar dibandingkan dengan air. Untuk shear strees, shear rate, viscositas nyata, viscositas plastic dan yield point dapat di tentukan dengan alat Fann VG meter.

Cara kerja alat ini adalah dengan menghitung dial reading dari lumpur pada putaran 600 RPM, 300 RPM, 200 RPM, 6 RPM, dan 3 RPM. Skala penunujuk pada Fann VG meter akan berbanding lurus dengan kecepatan putarannya. Semakin kuat putaran dari Fann VG meter maka skalanya juga akan semakin besar. Dan untuk simpangannya, semakin lama waktu yang ditentukan dalam menentukan simpangan, maka skala simpangan maksimumnya juga akan semakin besar.

2.8. Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah kami lakukan tentang viskositas dan Gel strength dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Viskositas dan gel strength mempunyai peran penting dalam peran lumpur mengangkat cutting ke permukaan.
2. Viskositas dan gel strength, lumpur yang memiliki viskositas dan gel strength yang rendah akan memberikan persen berat partikel yang besar dengan waktu sirkulasi yang sama, sehingga partikel akan cenderung mengendap (settling) kembali di bottomhole. Sehingga viskositas dan gel strength perlu dinaikkan untuk mencegah pengendapan kembali oleh partikel.
3. Untuk menaikkan viskositas lumpur kita bisa menambahkan additive viscosifier , sedangkan untuk menurunkan viskositasnya kita bisa menggunakan thinner.
4. Dalam menentukan viskositas relatif lumpur kita kana menggunakan Marsh Funnel.
5. Sedangkan untuk menentukan sifat lumpur seperti viskositas nyata, viskositas plastik, yield point dan gel strength menggunakan Fann VG meter.

2.9. Tugas

1. Apa hubungan antara sifat-sifat rheologi lumpur pemboran dengan kemampuannya mengangkat cutting?

Jawab : Ada 3 rheologi lumpur yang utama berpengaruh dalam proses pengangkatan cutting, antara lain :

1. Densitas lumpur, dengan menaikkan densitas lumpur maka akan menaikkan gaya bouyancy, yaitu gaya partikel yang berlawanan dengan arah gravitasi, sehingga menaikkan kemampuan mengangkat material ke permukaan.
2. Viskositas dan gel strength yang rendah akan memberikan persen berat partikel yang besar dengan waktu sirkulasi yang sama, sehingga partikel akan cenderung mengendap kembali ke bottom hole. Sehingga viskositas dan gel strength perlu dinaikkan untuk mencegah pengendapan tersebut.

2. Jika lumpur yang dihasilkan terlalu encer, apa pengaruhnya dalam pemboran? Bagaimana cara mengatasinya ?

Jawab : lumpur yang terlalu encer tidak akan mampu mengangkat cutting ke permukaan sehingga serbuk bor akan mengendap ke bottom hole atau lubang bor. Cara mengatasinya adalah dengan bahan-bahan viscosifier seperti bentonite, CMC, attapulgitte, dan polimer.

3. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besaran plastic viscosity dan yield point !

Jawab : Untuk plastic viscosity besarannya dipengaruhi oleh :

• Shear stress
• Shear rate
• Dial reading untuk 300 dan 600 RPM sesuai dengan rumus :

μp=(τ600-τ300)(γ600-γ300)

μp=(C600-C300)

Dan untuk yield point dipengaruhi oleh :

• Dial reading pada 300 RPM
• Viskositas plastik sesuai dengan rumus :

Yb=C300-μp

4. Diketahui dari pengukuran di laboratorium harga plastic viscosity sebesar 4 cp. Tentukan harga yield point dalam satuan lb/100ft2 jika diketahui C600 =13.

Jawab : μp        =C600-C300

                   4    = 13 – C300

             C300    = 13 – 4

= 9 derajat

Yb     = C300-μp

                       = 9 – 4

                       = 5 lb/100ft2