BAB III

PENGUKURAN VISKOSITAS DAN GEL STRENGTH

3.1. TUJUAN PERCOBAAN

Menentukan viskositas relatif lumpur pemboran dengan menggunakan

Marsh Funnel.

Menentukan viskositas nyata (apparent viscosity), plastic viscosity, yield

point dan gel strength lumpur pemboran dengan menggunakan Fann VG

Meter.

Memahami rheology lumpur pemboran.

Mengetahui efek penambahan thinner dan thickener pada lumpur

pemboran.

3.2. DASAR TEORI

Viskositas dan gel strength merupakan bagian yang pokok dalam sifat-sifat

rheology fluida pemboran. Pengukuran sifat-sifat rheology 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 pemboran selanjutnya. Viskositas dan gel strength merupakan sebagian

dari indikator baik tidaknya suatu lumpur.

Fluida pemboran dalam percobaan ini adalah lumpur pemboran. Lumpur

pemboran ini mengikuti model-model rheology Bingham Plastic, Power Law.

Diantara ketiga model ini, Bingham Plastic merupakan model yang sederhana

untuk fluida Non-Newtonian.

Yang dimakud dengan fluida Non-Newtonian adalah fluida yang

mempunyai 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. Pada setiap shear rate

tertentu fluida mempunyai viskositas yan disebut apparet viscosity dari fluida

pada shear rate tersebut.

Berbeda dengan fluida Newtonian yang mempunyai viskositas konstan,

fluida Non-Newtonian memperlihatkan suatu yield stress, yaitu suatu jumlah

tertentu dari tahanan dalam yang harus diberikan agar fluida mengalir seluruhnya.

Dalam percobaan ini, pengukuran viskositas yang sederhana dilakukan

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 didapat dengan

Marsh funnel memberikan suatu gambaran rheology fluida yang tidak lengkap

sehinga biasa digunakan untuk membandingkan fluida yang baru (awal) dengan

kondisi sekarang.

Viskositas plastik (plastic viscosity) seringkali digambarkan sebagai bagian

dari resistensi untuk mengalir yang disebabkan oleh friksi mekanik.

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 dalam suatu sistem lumpur. Bedanya, gel strength merupakan ukuran

gaya tarik-menarik yang statik sedangkan yield point merupakan ukuran gaya

tarik-menarik yang dinamik.

3.2.1. 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 dtk–1

agar diperoleh harga viskositas dalam satuan cp (centipoise). Adapun persamaan

tersebut sebagai berikut :

τ = 5.077 x C ……………………………………………… (3.1)

γ = 1.704 x RPM ……………………………………………..... (3.2)

Dimana :

τ = shear stress, dyne/ cm2

γ = shear rate, detik –1

C = dial reading, derajat

RPM = rotation per minute dari rotor

3.2.2. Penentuan Harga Viskositas Nyata (Apparent Viscosity)

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

hubungan :

µa = (τ / γ )x 100 ……………………………………………….. (3.3)

µa = (300 x C) / RPM .……………………………………….… (3.4)

3.2.3. 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) ………………………………… (3.5)

Dengan memasukkan persamaan (3.1) dan (3.2) ke dalam (3.5) didapat :

μp = C600 – C300 …………………………………………………… (3.6)

Yp = C300 – μp ………………………………………………….... (3.7)

Dimana :

μp = plastic viscosity, cp

Yp = yield point Bingham, lb/ 100 ft2

C600 = dial reading pada 600 RPM, derajat

C300 = dial reading pada 300 RPM, derajat

3.2.4. Penentuan Harga Gel Strength

Harga gel strength dalam 100 lb/ ft2 diperoleh secara langsung dari

pengukuran dengan alat Fann VG. Simpangan skala penunjuk akibat

digerakkannya rotor pada kecepatan 3 RPM, langsung menunjukkan harga gel

strength 10 detik atau 10 menit dalam 100 lb/ ft2.

3.3. ALAT DAN BAHAN

3.3.1. Alat

Fann VG Meter

Mud Mixer

Cup Mud

Cup Marsh Funnel

Timbangan

Gelas Ukur 500 cc

Marsh Funnel

3.3.2. Bahan

Bentonite

Barite

Bahan-bahan pengencer (thinner)

Air tawar (aquadest)

3.3.3. Gambar Alat

Keterangan:

1. Skala

2. Dial Reading

3. Rotor

4. Cup (bejana)

5. Gear Shift Rod

6. Motor

7. Speed Control Switch

Gambar 3.1. Fann VG Meter

(http://www.gtep.civ.puc-rio.br/imagens/fotos_labs/lirf19.jpg=fan vg meter)

1

2

4

4

6

5

3

Gambar 3.2. Multi Mixer

(http://www.geocities.com/nostalgia_diner/hambeachmilkshake3cream.jpg)

Keterangan:1. Mixer Cup

2. Mixer Hanging

3. Mixer

1 2 3

Gambar 3.3. Marsh Funnel

(http://www.gtep.civ.puc-rio.br/imagens/fotos_labs/lirf15.jpg)

1 2

Keterangan:

1. Marsh Funnel

2. Cup Marsh Funnel

3.4. PROSEDUR PERCOBAAN

3.4.1. Prosedur Operasi Standar

3.4.1.1. Marsh Funnel

a. Menyiapkan sampel lumpur yang akan diuji.

b. Menutup lubang corong (mulut bawah) Marsh Funnel dengan jari.

c. Menuangkan lumpur yang akan diuji ke dalam Marsh Funnel melalui

lubang saringan sampai volume lumpur mencapai bagian bawah

saringan.

d. Menyiapkan stopwatch untuk menghitung laju alir lumpur per 1 quart

(946 cc).

e. Menuangkan lumpur ke dalam Cup Marsh Funnel dengan cara

melepaskan jari telunjuk dari corong Marsh Funnel bersamaan dengan

menyalakan stopwatch.

f. Menunggu sampai lumpur memenuhi Cup Marsh Funnel sampai batas

(946 cc), kemudian mencatat waktu yang dibutuhkan lumpur tersebut

untuk mengisi Cup Marsh Funnel.

g. Setelah data viscositas Marsh Funnel diperoleh, Marsh Funnel dan Cup

Marsh Funnel dibersihkan kembali.

3.4.1.2. Fann Viscometer (Fann VG)

a. Menyalakan Fann VG.

b. Menyiapkan lumpur di dalam cup mud.

c. Meletakkan cup pada stage dari Fann VG sesuai dengan posisi kaki cup.

d. Putar knob agar kedudukan stage naik, sampai batas tertentu sehingga

Rotor dan Bob Shaft tercelup di dalam lumpur.

e. Untuk menghitung viskositas plastis, rotor dinyalakan dengan

menggerakkan switch pada posisi High dan kecepatan putar rotor pada

600 RPM

f. Menunggu hingga angka pada pembacaan dial reading mencapai

keseimbangan, kemudian mencatat harga yang ditunjukkan oleh skala

dial reading.

g. Melakukan kembali langkah e-f untuk kecepatan 300, 200, 100, 6 dan 3

RPM.

h. Untuk menghitung Gel Strength, rotor dinyalakan dengan mengerakkan

switch pada posisi High dan kecepatan putar rotor pada 600 RPM

selama 10 detik.

i. Mematikan Fann VG kemudian diamkan lumpur selama 10 detik

(sebelum mematikan Fann VG, pindahkan posisi kecepatan putar rotor

pada 3 RPM).

j. Setelah didiamkan 10 detik, lalu membaca simpangan maksimum yang

ditunjukkan pada dial reading (untuk Gel Strength 10 menit, lama

pendiaman lumpur menjadi 10 menit).

k. Setelah diperoleh data hasil percobaan, bersihkan cup dan merapikan

kembali alat nya.

3.4.1.3. Multimixer

a. Menyiapkan bahan-bahan untuk membuat lumpur.

b. Mengisi cup lumpur dengan air.

c. Mengkaitkan cup pada multi mixer dengan menekan pada penjepit atas

dan meletakkan cup pada penyangga bawah hingga mixer berputar

d. Memasukkan bahan-bahan solid yang akan digunakan.

e. Setelah campuran lumpur selesai dibuat, lepas cup dengan menaikkan

cup , kemudian tarik ke bawah.

f. Bersihkan mixer dengan memasang cup berisi air bersih lalu lap hingga

bersih.

3.4.2. Prosedur Percobaan

3.4.2.1. Mengukur Viskositas Lumpur dengan Marsh Funnel

1. Menutup bagian bawah marsh funnel dengan jari tangan. Tuangkan

lumpur bor melalui saringan sampai lumpur bor menyinggung bagian

bawah saringan (1500 cc).

2. Setelah disediakan bejana yang telah tertentu isinya (1 quart = 946 ml),

pengukuran dimulai dengan membuka jari tadi sehingga lumpur

mengalir dan ditampung dalam bejana tadi.

3. Mencatat waktu yang diperlukan (detik) lumpur untuk mengisi bejana

yang tertentu isinya tadi.

3.4.2.2. Mengukur Shear Stress dengan Fann VG

1. Mengisi bejana dengan lumpur sampai batas yang telah ditentukan.

2. Meletakkan bejana pada tempatnya, serta mengatur kedudukanya

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 skala 600 RPM. Pemutaran terus dilakukan sehingga

kedudukan skala (dial) mencapai keseimbangan. Mencatat harga yang

ditunjukan 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 diatas.

3.4.2.3. Mengukur Gel Strength dengan Fann VG

1. Setelah selesai pengukuran shear stress, aduk lumpur dengan Fann VG

pada kecepatan 600 RPM selama 10 detik.

2. Mematikan Fann VG, kemudian mendiamkan lumpur selama 10 detik.

3. Setelah 10 detik menggerakkan rotor pada kecepatan 3 RPM. Baca

simpangan maksimum pada skala penunjuk.

4. Mengaduk kembali lumpur dengan Fann VG pada kecepatan rotor 600

RPM selama 10 detik.

5. Mengulangi kerja diatas untuk gel strength selama 10 menit (untuk gel

strength 10 menit, lama pendiaman lumpur selama 10 menit).

3.5. HASIL PERCOBAAN DAN PERHITUNGAN

3.5.1. Hasil Percobaan

Tabel III-1

PLUG

Lumpur Dasar AdditiveViscosit

y

(Sc/qua

rtz)

PV

(cp

)

YP

(lb/10

0ft2)

Gel Strength

10’

(detik)

10’’

(menit)Air

(ml)

Bentonit

e (gr)

PAC

-R

PAC

-L

Asisten 350 22,5 0.4  - - - - - -

A 350 22,5  0.6 22 12 13 5 4

B 350 22,5  0.8 28 10 12 3 12

C 350 22,5  1 57 14 16 10 22

E 350 22,5  1.2 98 15 20 11 29

F 350 22,5  1.4 170 14 22 9 32

G 350 22,5  0.4 36.905 8 4 3 4

H 350 22,5  0.6 38 7 6 4 5

I 350 22,5  0.8 29.19 3 2.5 3 4

J 350 22,5  1 42 9 8 5 20

K 350 22,5  1.2 44.31 10 12 3 9

L 350 22,5  1.4 56.62 12 13 3 7

Pengukuran Viskositas, Yield Point, dan Gel Strength

3.5.2. Perhitungan

1. Percobaan Pengukuran Viskositas dan Gel Strength

Pengukuran Viskositas (Marsh Funnel)

Lumpur Dasar (350 ml Air + 22.5 gr Bentonite) + 0.4 gr PAC-R

Waktu alir lumpur dalam Marsh Funnel = 22 detik

2. Pengukuran Viskositas Plastik, Yield Point, dan Gel Strength (Viskometer)

Lumpur Dasar (350 ml Air + 22.5 gr Bentonite) + 0.4 gr PAC-R

a) C600 = 37 ; C300 = 25

b) Plastic Viscosity (PV) = (C600 - C300)

= (37 – 25)

= 12 cp

c) Yield Point (YP) = (C300 – PV)

= ( 25 – 12 )

= 13 lb/100 ft2

d) GS 10’ (10 detik) = 5 lb/100 ft2

e) GS 10” (10 menit) = 4 lb/100 ft2

3.6. PEMBAHASAN

Percobaan kali ini adalah “Pengukuran Viskositas dan Gel Strength”

yang bertujuan untuk menentukan besar viskositas apparent dan plastic, gel

strength dan yield point pada lumpur pemboran. Sifat-sifat fisik tersebut

memegang peranan dalam fungsi lumpur untuk mengangkat cutting pada

operasi pemboran.

Dalam pengukuran harga viskositas apparent, alat yang digunakan

adalah Marsh Funnel. Prinsip kerjanya, berapa lama waktu yang diperlukan

lumpur untuk mengalir melewati Marsh Funnel per 1 quart (946 cc). Pada

pengukuran Gel Strength, Yield Point dan Viskositas plastic, kita

menggunakan alat Fann Viscometer. Prinsip kerjanya, dengan mengaduk

lumpur dengan kecepatan tertentu, yang mana saat lumpur diputar, partikel-

partikel padatan yang reaktif akan cenderung mencapai kestabilannya,

sehingga dapat membentuk gel. kita menggunakan lumpur yang dicampur

dengan additive PAC-R atau PAC-L.

Pada percobaan pengukuran viskositas apparent, mula-mula membuat

lumpur dari campuran air 350 ml, bentonite 22.5 gr dan PAC-R 0.4 gr.

Setelah lumpur siap, lumpur dimasukkan kedalam marsh funnel melalui

saringan yang ada didalam alat tersebut dan sebelumnya menutup bagian

bawah marsh funnel dengan jari agar lumpur tidak mengalir keluar. Untuk

menentukan viskositas apaprent lumpur tersebut, dihitung waktu alir yang

diperlukan lumpur untuk mengisi cup pada batas yang telah ditentukan.

Pada percobaan pengukuran viskositas plastic, gel strength dan yield point

menggunakan FannVG meter, mula-mula memasukkan lumpur yang telah

dibuat kedalam cup. Kemudian menempatkan cup pada posisi dan

ketinggian yang sesuai dimana posisi rotor memungkinkan untuk mengaduk

lumpur yang ada didalam cup tersebut. Pada pengukuran viskositas plastic,

dapat ditentukan dengan membaca pada dial reading pada saat

menunjukkan angka seimbang dengan pengaturan c600 dan c300. Sedangkan

pada pengukuran gel strength, hampir sama seperti prosedur pengukuran

viskositas plastic, tapi disini pengaturan kecepatannya diambil untuk

simpangan tertinggi dan simpangan terendah yaitu c600 dan c3 pada waktu

pemutaran selama 10 detik dan pendiaman lumpur 10 detik dan 10 menit.

Dilakukan dua kali percobaan pada waktu 10 detik dan 10 menit tujuannya

untuk mengetahui batas trend dari 10 detik ke 10 menit apakah memberikan

pengaruh perubahan gel strength yang signifikan atau tidak. Dan Yield Point

(YP) diperoleh dari selisih antara data pemutaran pada 300 RPM dengan

harga Plastic Viscosity.

Dari hasil percobaan tersebut, diperoleh waktu sebesar 22 detik.

Lamanya waktu tersebut dipengaruhi oleh campuran additive, dimana

campuran PAC-R akan memperlambat waktu mengalirnya lumpur. Dan

pada percobaan menggunakan alat Fann VG, diperoleh harga Plastic

Viscosity (PV) dari pengurangan data pada pemutaran pada kecepatan 600

RPM dengan 300 RPM, sebesar 12 cp, harga Gel Strength (GS) untuk

pendiaman 10 detik sebesar 5 dan pendiaman 10 menit sebesar 4, dan harga

Yield Point (YP) diperoleh dari selisih antara data pemutaran pada 300 RPM

dengan harga Plastic Viscosity, sebesar 13 lb/100 ft2. Dari pembacaan

grafik, terdapat perbedaan data Plastic Viscosity, Gel Strength, dan Yield

point pada campuran additive PAC-R. Dimana campuran tersebut akan

meningkatkan harga Plastic Viskositas, Gel Strength dan Yield Point.

Aplikasi lapangan dari percobaan ini adalah saat melakukan

pemboran, bit akan menghancurkan batuan, kemudian sisa-sisa

penghancuran batuan pun dapat mengganggu, maka disirkulasikan lumpur

agar cutting (sisa-sisa penghancuran batuan) tersebut dapat terangkat.

Viskositas lumpur mempunyai peranan yang sangat penting karena

berhubungan dengan proses pengangkatan cutting. Viskositas yang terlalu

tinggi dan terlalu rendah dapat menyebabkan gangguan pada proses

pemboran. Sedangkan nilai gel strength yang besar dapat dipersulit

sirkulasinya lumpur pemboran dan juga menambah beban pompa sirkulasi,

selain itu juga akan memepersulit pemisahan cutting, karena cutting akan

sulit dilepas dari lumpur bor. Akan tetapi, gel strength sangat diperlukan

saat round trip untuk menahan cutting supaya tidak turun dan mengendap

dasar sumur. Dan yield point diperlukan saat sirkulasi untuk mengikat dan

membawa cutting kepermukaan.

3.7. KESIMPULAN

1. Dari hasil percobaan, dapat disimpulkan:

Waktu lumpur untuk melewati Marsh Funnel = 22 detik.

Plastic Viscosity = 12 cp

Yield Point = 13 lb/100ft2

Gel Strength (10’) = 5 lb/100ft2

Gel Strength (10”) = 4 lb/100ft2

2. Prinsip kerja pada percobaan ini adalah pada alat Marsh Funnel dengan

memperhitungkan waktu yang diperlukan lumpur untuk mengalir dari alat

menuju cup hingga terisi sesuai batas yang telah ditentukan, sedangkan pada

alat Fann VG meter dengan memanfaatkan gaya setrifugal dengan

mengaduk lumpur hingga memperoleh harga viskositas plastic, gel strength

dan yield point.

3. Aplikasi lapangan pada percobaan ini adalah:

Pengukuran viskositas, Viskositas lumpur mempunyai peranan yang

sangat penting karena berhubungan dengan proses pengangkatan

cutting. Viskositas yang terlalu tinggi dan terlalu rendah dapat

menyebabkan gangguan pada proses pemboran.

Pengukuran gel strength, nilai gel strength yang besar dapat

dipersulit sirkulasinya lumpur pemboran dan juga menambah beban

pompa sirkulasi, selain itu juga akan memepersulit pemisahan

cutting, karena cutting akan sulit dilepas dari lumpur bor. Akan

tetapi, gel strength sangat diperlukan saat round trip untuk menahan

cutting supaya tidak turun dan mengendap dasar sumur.

Pengukuran yield point, nilai yield point diperlukan saat sirkulasi

untuk mengikat dan membawa cutting kepermukaan.