JENIS JENIS MATA BOR SUMUR & SEJARAHNYA

Bit (mata bor) atau bisa juga diartikan dengan “pahat” adalah peralatan yang dipasang pada ujung paling bawah dari drill string dan menyentuh formasi. Fungsi dari bit adalah untuk membor lubang sumur. Bit menerima beban dan putaran dari drill string yang dapat menembus dan menghancurkan formasi. Yang mana nantinya, cutting yang dihasilkan akan diangkat keatas oleh lumpur pemboran hingga bit akan terus menembus dan menghancurkan formasi batuan baru secara terus menerus. Proses yang berlangsung secara terus menerus ini akan menghasilkan lubang/ sumur.

Setiap bit mempunyai kemampuan yang berbeda-beda dalam melobangi sumur. Keberhasilan operasi pengeboran ditentukan oleh bit performance atau kemampuan mata bor untuk melobangi sumur setiap feet (kaki) yang semaksimal mungkin.

Oleh sebab itu jenis mata bor yang digunakan harus sesuai dengan kekerasan lapisan formasi yang dibor. Untuk mendapatkan hasil yang maksimal dalam operasi pengeboran, maka ada beberapa hal yang harus dipertimbangkan yaitu:

·         Pilih bit yang tepat untuk membor suatu sumur

·         Atur beban yang cukup pada bit

·         Atur putaran rotary sesuai dengan kebutuhan

·         Atur optimum circulation pressure secara tetap agar maksimum rate pengeboran dapat dicap

JENIS/ TIPE DARI BIT (MATA BOR)
I.   Roller Cone Bit

Jenis mata bor ini pertama kali diperkenalkan pada dunia perminyakan adalah tahun 1909. Kemudian secara berangsur-angsur pemakaian jenis mata bor ini semakin meningkat, terutama sekali untuk membor lapisan formasi yang keras.

Pada tahun 1930 diperkenalkan “three cone rock bit” yang sudah mendapat banyak perbaikan. Perbaikan itu meliputi bearing yang langsung dilumasi oleh drilling fluid, cutter dirancang sesuai menurut lapisan tanah yang akan dibor, mengurangi problem bit stuck, dll.

Jenis mata bor ini  sangat luas digunakan dalam pengeboran sumur minyak (walaupun juga digunakan pada pengeboran lain sep: pertambangan, sipil ). Roller Cone Bit bekerja dengan memutar kerucut mata bornya pada sumbu.

Tipe dari roller cone bit antara lain:

1.    Two-Cone (Dua Kerucut) à Milled Only.

Terbuat dari baja yang di-mill (giling), penggunaan mata bor jenis ini sangat terbatas hanya untuk batuan formasi yang lunak.

Jenis ini memiliki 2 mata bor yang dipasang sejajar dan berputar seperti roda didalam lubang sumur ketika bit berputar, karena itu bit ini penggunaannya sangat terbatas hanya untuk lapisan batuan formasi yang relatif lunak.

2.    Three-Cone (Tiga Kerucut) à Milled atau Tungsten Carbide Insert.

Bit jenis ini paling banyak digunakan, terbuat dari milled ataupun dari tungsten carbide insert.

Untuk bit jenis ini yang berbahan dasar milled dan digunakan untuk membor formasi yang relatif keras maka dibuat dengan proses khusus dan pemanasan (heat treating).

Sedang yang menggunakan bahan dasar tungsten carbide insert dibuat dari tungsten carbide yang kemudian ditekan dalam mesin yang mempunyai lubang berbentuk cone (kerucut). Bit jenis ini juga dirancang untuk formasi lunak, sedang dan keras.

Jika dibandingkan dengan steel-tooth bit, maka tungsten carbide insert bit mempunyai daya tahan dan kemampuan yang lebih baik dalam membor sumur minyak.

Salah satu inovasi dari tungsten carbide insert bit adalah adanya perubahan pada sealed bearing yang memungkinkan untuk berputar hingga 180 rpm, bandingkan dengan kemampuan rotasi yang lama yang hanya 4 rpm!

Untuk membor formasi yang lunak digunakan tungsten carbide yang bergigi panjang dan ujungnya berbentuk pahat (chisel-shape end), sedangkan untuk formasi yang lebih keras digunakan tungsten carbide yang bergigi pendek dan ujungnya berbentuk hemispherical (biasanya disebut button bit).

3.    Four-Cone (empat kerucut)

Saat ini, mata bor jenis four-cone hanya dibuat dari milled toohtbit dan biasanya digunakan untuk membor lubang berukuran besar (lebar). Seperti lubang dengan diameter 26 inch (660,4 mm) atau bahkan yang lebih lebar.

II. Diamond Bit

     ini adalah bit yang paling mahal harganya karena memasang butir-butir intan sebagai pengeruk pada matrik besi atau carbide dan tidak memiliki bagian yang bergerak. Mata bor ini digunakan untuk formasi yang keras dan abrasive yang tidak dapat lagi dilakukan oleh rock bit. Dan diamond bit ini digunakan ketika rate pengeboran sebelumnya kurang dari 10 ft per jam. Namun, diamond bit juga umum digunakan untuk coring dimana menghasilkan core yang lebih baik terutama pada formasi limestone, dolomite dan sandstone yang keras.

Walaupun memiliki harga yang sangat mahal, diamond bit tetap masih memiliki keunggulan dari segi ekonomis dan masih menguntungkan. Mata bor ini memiliki daya tahan yang paling lama dari mata bor yang lain, maka memberikan keuntungan lebih pada operasi drilling. Ia memerlukan round trip yang lebih sedikit (footage lebih besar) untuk penggantian mata bor dan mampu membor lubang sumur lebih banyak. Untuk menjaga agar mata bor ini tetap bisa digunakan secara maksimum, maka lubang bor harus betul-betul bersih dari junk Salah satu kelemahan disamping harganya yang mahal, mata bor ini juga memiliki ROP yang kecil.Sebab dipilihnya intan sebagai mata bor karena intan dikenal sebagai mineral yang paling keras (memiliki nilai 10 dalan klasifikasi kekerasan mineral Mohs). Disamping itu konduktifitas thermal dari intan juga paling tinggi daripada mineral lain yang memungkinkan untuk menghilangkan panas yang timbul dengan cepat.

Ukuran intan yang digunakan sebagai mata bor berbeda untuk masing-masing batuan. Ukuran yang lebih besar digunakan untuk membor batuan lunak, karena pada batuan ini mata bor lebih mudah untuk penetrasi. Sedangkan untuk batuan yang lebih keras digunakan intan yang berukuran kecil karena keterbatasan penetrasi pada batuan.

Untuk diamond bit yang digunakan untuk keperluan coring, di bagian tengahnya memiliki lubang dengan ukuran  berdasarkan ukuran coring yang akan diambil.

III.   Polycrystalline Diamond Compact (PDC) 

Bit Jenis mata bor ini merupakan pengembangan (generasi baru) dari jenis drag bit atau fishtail.Drag bit (fish tail) itu sendiri adalah jenis mata bor yang mempunyai pisau pemotong yang mirip ekor ikan, dan tidak memiliki bagian yang bergerak. Pemboran dilakukan dengan cara mengeruk dan bergantung dari beban, putaran serta kekuatan dari pisau pemotongnya. Pisau pemotong ini bisa berjumlah 2, 3 atau 4 dan terbuat dari alloy steel yang umumnya diperkuat oleh tungsten carbide.

Keuntungan jenis drag bit:

·        ROP yang tinggi

·        Umur yang panjang dalam formasi soft

Kerugiannya:

·        Memberikan torque yang tinggi

·        Cenderung membuat lubang yang berbelok

·        Pada formasi shale sering terjadi balling (dilapisi padatan)

Beberapa jenis drag bit yang digunakan pada pemboran berarah adalah:

1.    Badger bit

Yaitu bit yang salah satu nozzle-nya lebih besar dari yang lain, dan umumnya digunakan pada formasi lunak. Pada saat pembelokan, drill string tidak diputar hingga memberikan semburan lumpur yang tidak merata dan mengakibatkan lubang membelok ke arah ukuran nozzle dengan tekanan jet yang lebih keras.

2.    Spud bit

Bit berbentuk baji, tanpa roller dan punya satu nozzle. Bit ini dioperasikan dengan memberikan tekanan tinggi pada mud hingga menimbulkan tenaga jet ditambah dengan tenaga tumbukan. Setelah lubang dibelokkan sedalam 15-20 meter dari lubang awal, barulah diganti dengan bit semula.

Spud bit hanya digunakan pada formasi lunak (sand dan shale yang lunak à medium)

3.    Jet Deflector Bit

Bit yang memiliki ujung penyemprot yang besar yang dapat mengarahkan fluida pemboran ke satu arah

  Kembali ke PDC bit, jenis ini didesain untuk menghancurkan formasi batuan dengan tenaga shear bukan dengan tenaga kompresi hingga berat dari bit yang digunakan akan semakin berkurang hingga beban yang diterima oleh rig dan drill string juga berkurang. PDC bit juga dikenal dengan ‘STRATAPAX BIT’

Bit ini memiliki banyak jumlah elemen pemotong (drill blank). Drill blank dibuaT dengan membengkokkan selapis PDC buatan manusia pada bagian tungsten carbide pada tekanan tinggi dan temperatur tinggi. Proses ini menghasilkan kekerasan mata bor dan ketahanan yang cukup tinggi ketika dipakai.

Pembuatan PDC bit dipengaruhi oleh 9 variabel, yaitu:

1.    Bit body material

Material yang digunakan adalah alloy steel atau tungsten carbide.

Untuk materi besi, bit memiliki kekurangan terhadap kekuatan dan ketahanan terhadap erosi yang disebabkan drilling fluid. Sedangkan tungsten carbide lebih tahan.

Steel body mempunyai bentuk cutter seperti baji (stud) dengan 3 atau lebih nozzle untuk fluida pemboran.

Sedangkan tungsten carbide body mempunyai cutter yang mirip dengan diamond bit.

2.    Bit profile

Variabel ini mempengaruhi kebersihan dan stabilitas dari lubang sumur. 

3.    Gauge protection

Pada steel body kemampuan gauge protection diberikan oleh tungsten carbide yang disisipkan didekat sudutnya, sedangkan pada matrix body kemampuan ini diberikan oleh kekuatan dari intan.

4.    Cutter shape

PDC bit diproduksi dengan 3 bentuk dasar, yaitu:

·        Bentuk silinder standar

·        Bentuk pahat (parabolic)

·        Bentuk convex (cembung)

5.    Jumlah konsentrasi cutter

Semakin banyak konstentrasi cutter pada mata bor akan membuat bit akan semakin tahan dan semakin lama masa penggunaannya.

Namun, kemampuan penetrasi akan berkurang dengan semakin tingginya konsentrasi cutter yang terdapat pada bit

6.    Lokasi cutter

Variabel ini ditentukan berdasarkan pengalaman di lapangan dan model rekahan mekanis.

7.    Cutter exposure (bukaan cutter)

Kecepatan penetrasi akan meningkat dengan peningkatan bukaan cutter. Namun dengan semakin besarnya bukaan cutter akan membuat mata bor semakin rentan terhadap patah.

8.    Cutter orientation (orientasi cutter)
Digambarkan dengan back angle dan side rake angle. Sudut back rake berkisar antara 0 – 25^o  dan besarnya sudut ini berpengaruh pada penetration rate.

Dengan naiknya rake angle maka penetration rate akan menurun tapi ketahanan terhadap kerusakan sudut cutter akan semakin tinggi karena muatannya akan menyebar pada area yang lebih luas.

Side rake angle juga membantu membersihkan lubang bor dengan secara mekanis mengarahkan cutting langsung kepada annulus.

9.    Hydraulics

Untuk pembersihan lubang yang efisien, bit jenis ini memerlukan optimum hidrolis dan disamping itu pembuatan lubang akan semakin efisien pula. Karena sejak nozzle dibuat semakin dekat dengan dasar lubang dan diberikan kecepatan jet maksimum maka akan meningkatkan pula penetration rate.Perlu diketahui, PDC bit bisa saja memiliki jumlah nozzle yang lebih dari 3 dan bentuk nozzlenya bisa saja tidak bulat.

LEBIH LANJUT TENTANG THREE-CONE BIT

Secara singkat three-cone bit terdiri dari tiga buah kerucut yang berukuran sama dan tiga buah kaki yang identik. Tiap kerucut (cone) terletak diatas bearing. Ketiga kaki tersebut dilas dan membentuk bagian silinder (cylindrical section) yang diberikan ulir untuk dihubungkan dengan drill string. Tiap kaki memiliki lubang (nozzle) yang akan mengalirkan lumpur pemboran bertekanan tinggi yang berguna untuk pembersihan lubang.

Faktor yang mempengaruhi pembuatan roller bit meliputi tipe dan kekerasan dari formasi serta ukuran lubang yang akan dibor. Kekerasan formasi akan menentukan sekali terhadap pemilihan tipe dan bahan dari material yang digunakan sebagai cutting elements pada mata bor.

FAKTOR DESAIN BIT  

Umumnya tipe formasi dan ukuran lubang yang akan dibor adalah faktor yang sangat penting dipertimbangkan dalam memilih bit. Disamping itu juga perlu diperhatikan beban yang diterima setiap kaki harus seimbang (sama) untuk menghindari kelebihan muatan beban pada salah satu kaki saja.

Berikut adalah faktor-faktor yang diperhitungkan ketika mendesain dan membuat three-cone bit.

a.   Journal angle
Sudut jurnal ditunjukkan oleh sudut yang dibuat oleh garis perpendicular terhadap sumbu jurnal dan sumbu bit.Besarnya sudut jurnal secara langsung mempengaruhi ukuran cone. Peningkatan journal angle akan menurunkan besarnya sudut asli (basic angle) dari cone serta ukuran cone.Semakin kecil journal angle akan semakin besar pula kemampuan untuk mencungkil dan memotong dari ketiga cone.Secara langsung dapat dikatakan bahwa journal angle sangat mempengaruhi ukuran dan bentuk dari cutter.
Besar optimal dari journal angle untuk soft dan hard roller bit berturut-turut adalah 33^o dan 36^o

b.   Cone offset
Besarnya derajat offset dinyatakan sebagai jarak horizontal antara sumbu bit terhadap vertical piane yang melalui sumbu journal.
Pada batuan keras yang punya karakteristik tidak rapuh dan sangat kuat akan sangat efisien jika dibor menggunakan cara crush dan chip sementara gerakan/ cara scrap dan twist sangat tidak efisien untuk formasi jenis ini. Untuk bit yang bekerja dengan cara scrap dan twist à offset = 0
Untuk batuan dengan kekerasan menengah sudut miringnya bisa berkisar 2^o

c.   Teeth (gigi)
Panjang dan bentuk geometris dari gigi ini secara langsung berkaitan dengan kekuatan dari batuan yang akan dibor. Kedalaman gigi juga terbatas oleh ukuran cone dan struktur bearing.
Kriteria untuk desain gigi/ teeth mencakup:

a.   Spacing dan interfitting of teeth

b.   Shape & length (bentuk dan panjang)

Sangat dipengaruhi oleh karakteristik formasi.Bentuk teeth yang panjang dan ramping dengan space yang luas digunakan untuk membor formasi lunak. Pada formasi lunak relatif memberikan teeth yang lebih panjang untuk digunakan yang akan menghasilkan volume batuan yang dihancurkan lebih besar. Spacing yang luas membuat cutting lebih mudah disirkulasikan. Included angle untuk soft bit berkisar dari 39^o – 42^o

Untuk formasi yang keras, teeth dibuat lebih pendek, berat dan space-nya lebih dekat. Gigi ini tidak ditujukan untuk berpenetrasi pada batuan, tapi cukup merekahkannya dengan muatan compressivenya yang tinggi. Included angle untuk hard bit berkisar dari 45^o – 50^o Dan untuk formasi medium, included angle-nya berkisar dari 43 – 45 derajat.

c.    Types of teeth
Pada milled teeth salah satu sisi dari teeth diberikan lapisan keras dari material yang kuat seperti tungsten carbide untuk memberikan kemampuan untuk menajamkan sendiri. Ketika sisi teeth yang lainnya terkikis.Milled tooth bit hanya cocok untuk membor formasi yang lunak dimana hanya berat yang relatif sedang yang dibutuhkan untuk menghancurkan batuan.Untuk batuan keras, cutting element dari cone adalah insert type. Ada beberapa bentuk dari jenis insert type yaitu: bentuk pahat dan bentuk round (bundar).

d.   Bearings

Berfungsi untuk:

·        Support radial loads

·        Support axial loads

·        Mengamankan cones pada legs

Ada dua jenis bearing yang digunakan pada bit:

1.   Anti friction bearing

2.   Friction bearing

Bearing Lubrication

Bearing diklasifikasikan sebagai non-sealed (tanpa segel) dan sealed (segel).

Non sealed bearing dilumasi oleh sistem lumpur, sedangkan sealed bearing dilumasi oleh pelumas yang dibuat khusus pada bagian leg.

Pelumasan menggunakan lumpur sebenarnya tidak dianjurkan secara keseluruhan karena lumpur mengandung padatan yang abrasive (pasir, barit, etc) yang akan mengurangi umur dari bit.

e.   Hubungan antara teeth dan bearing

BAB IV

KLASIFIKASI BIT  

Dikarenakan banyaknya variasi bit yang dibuat berdasarkan kombinasi dari faktor-faktor seperti:

·        Bahan dasar

·        Ukuran

·        Bentuk

·        Tipe tooth (gigi)

·        Jumlah offset

·        Jenis bearing, dan

·        Mekanisasi pelumasan (lubrication);

Maka pada tahun 1972 International Association of Drilling Contractor (IADC) membuat kode yang terdiri dari 3 angka dalam klasifikasi mata bor rolling cutter untuk mempermudah pemilihan mata bor. Berikut adalah sistem kode tersebut

1.   Bilangan (kode) Pertama

Menunjukkan karakteristik unsur pemotong, yaitu

·       Angka 1

Menunjukkan bit tipe milled tooth untuk formasi lunak, mempunyai compressive strength yang rendah hingga tinggi.

·       Angka 2

Menunjukkan bit tipe milled tooth untuk formasi sedang sampai agak keras dengan compressive strength yang tinggi

·       Angka 3

Menunjukkan bit tipe milled tooth untuk formasi keras, semi abrasive atau formasi abrasive

·       Angka 4

Merupakan kode cadangan yang diperuntukkan bagi git dengan spesial kategori

·       Angka 5

Menunjukkan bit tipe insert tooth untuk formasi lunak sampai sedsang dengan compressive strength yang rendah

·       Angka 6

Menunjukkan bit tipe insert tooth untuk formasi agak keras dengan compressive strength yang tinggi.

·       Angka 7

Menunjukkan bit tipe insert tooth untuk formasi keras semi abrasive dan abrasive

·       Angka 8

Menunjukkan bit tipe insert tooth untuk formasi sangat keras dan abrasive

2.   Bilangan (kode) Kedua

Menunjukkan tipe dari tingkat/ grade kekerasan dan ke-abrasive-an dari formasi untuk setiap seri dimana tiap seri dibagi atas 4 tipe, yaitu tipe 1, 2, 3, 4.

·        Seri 1, 2, 3, 4 berturut-turut menunjukkan lunak, sedang, keras dan sangat keras untuk pemakaian milled tooth bit.

·        Seri 1, 2, 3, 4 berturut-turut menunjukkan lunak, sedang, keras dan sangat keras untuk pemakaian insert bit.

3.   Bilangan (kode) Ketiga

Merupakan penunjukan ciri khusus bantalan dan rancangannya.

·         1 : standard mata bor rolling cutter

·         2 : air

·         3 : gauge insert

·         4 : rolling seal bearing

·         5 : seal bearing & gauge protection

·         6 : friction seal bearing

·         7 : friction bearing & gauge protection

·         8 : directional

·         9 : other

ANALISA PEMILIHAN BIT

Berikut adalah metode yang bisa digunakan untuk menentukan jenis bit yang paling tepat pada suatu formasi.

Variabel yang diperhitungkan adalah:

a.   Cost per foot (biaya per kaki)

Persamaan yang digunakan adalah:

       

dimana:        B = bit cost ($)

                             T = trip time (h)

                             t = rotating time (h)

                             R = rig cost per hour ($/h)

                             F = length drilled section (ft)

Variabel yang tidak selalu mudah untuk ditentukan adalah variabel T (trip time), kecuali data RIH (running in hour) dan POH (pulled out hour) telah diketahui. Pada persamaan ini, T adalah jumlah dari RIH dan POH.

b.   Spesific Energy

Metoda spesifik energi memberikan metoda yang simpel dan praktis dalam menentukan bit yang sesuai. Spesifik Energi (SE) bisa dinyatakan sebagai energi yang dibutuhkan untuk memindahkan 1 unit volume dari batuan dan bisa memiliki berbagai set dari konsisten unit. Persamaan SE bisa diturunkan dengan menganggap Energi Mekanik (E) akan bertambah pada bit dalam 1 menit, yaitu:

E = W x 2 p R x N              (in/lb) ................................ (1)

Dimana                 W = Weight on bit (lb)

                            N = Rotary speed (rpm)

                            R = Radius of bit (in)

Kemudian, volume batuan yang dipindahkan dalam 1 menit adalah:

V = ( p R 2 ) x PR            (in³) ..................................      (2)

Dimana                 PR = Penetration Rate (ft.h)

Dengan membagi pers (1) dengan pers (2) didapat, persamaan SE adalah:

dengan mengganti R dengan D/2, dimana D adalah diameter lubang sumur, maka didapat:

             (in-lb/in³)

Dalam bentuk satuan metrik:

             (MJ/m³)

dimana W (kg); D (mm) dan PR (m/h)

c.   Bit Dullness (Ketumpulan)

Derajat ketumpulan dari bit bisa digunakan sebagai petunjuk dalam memilih mata bor. Bit yang terkikis terlalu cepat jelas sekali tidak efisien dan harus segera ditarik (pulled out) dari lubang bor lebih sering, yang akan meningkatkan total drilling cost. Bit dullness dijelaskan oleh pengikisan tooth dan kondisi bearing.

Kondisi dari tooth dilaporkan sebagai tinggi total yang tersisa dan diberikan kode dari T1 hingga T8. T1 menunjukkan bahwa 1/8 bagian dari tooth telah terkikis/ habis. Dan T4 menunjukkan 4/8 bagian dari tooth telah terkikis.

Begitu juga untuk kondisi bearing yang digambarkan dengan kode dari B1 hingga B8. pada kode B8 menunjukkan bahwa bearing sudah habis atau terkunci.

Bit yang menunjukkan tingginya tingkat pengikisan dan rendahnya ketahanan bearing jelas sekali sangat tidak cocok digunakan pada formasi yang dibor tersebut. Untuk itu perlu dipertimbangkan untuk menukar bit pada jenis yang lebih keras. Untuk kode bit kita bisa memilih bit yang lebih tinggi kode angkanya dari yang semula kita gunakan.

d.   Offset Well Bit Record dan Geological Information

Data pengeboran dan data geologi bisa memberikan bantuan (petunjuk) yang berguna untuk memilih mata bor. Log sonic dari sumur tersebut juga bisa digunakan untuk memberikan informasi perkiraan kekuatan batuan, disamping membantu menentukan tipe bit yang lebih cocok.

R