Casing Design

• Casing dipasang stl sumur di bor spi kedlman tertentu. Casing terbuat dari pipa besi yang kokoh dan kuat.

Ukuran dan jumlah casing yg dipasang tgt :

1. Daerah yang bersangkutan

2. Kedalaman sumur

3. Karakteristik formasi

Casing string adalah panjang total casing dg diameter yg konstan.

Section casing string adalah satu panjang casing yyg kontinu dg grade dan ketebalan dinding yang uniform serta type joint (penyambung) yg sama.

Perencanaan casing harus dapat dapat menahan tekanan dan gaya yang

bekerja pada rangkaian casing supaya rangkaian casing tidak rusak.

Fungsi casing :

1. Mencegah gugurnya lubang bor

2. Mencegah kontaminasi air tawar oleh lumpur pada lapisan pasir di dekat permukaan

3. Mencegah hubungan hubungan antara formasi di belakang formasi

4. Mengontrol tekanan5. Sebagai fondasi BOP6. Tempat untuk meletakkan dan tempat pegangan alat alat produksi7. Media untuk memproduksikan minyak/gas ke permukaan

Macam atau jenis casing1. Stove pipe : dipakai utk offshore drill

2. Conductor casing : adl casing dg diameter terbesar dan berfungsi utk menutup formasi air tawar. Casing ini disemen spi permukaan

3. Surface casing : berfungsi utk menutup zone yg bertekanan tinggi

4. Intermediate casing : dipakai bila terdapat beberapa formasi yg bertekanan tinggi, weak zone dan mudah runtuh

5. Production casing : dipakai utk lapisan produktip spi ke surface dan disemen spi kepermukaan atau bertahap.

SPESIFIKASI CASING

Didasarkan kepada : - diameter luar ( OD )- grade- nominal weight atau pounder- type joint / thread / sambungan / ulir- range panjang

Penyebutan casing sbb : 7 in, J-55, 23 #/ft, LTC, R2

A. GRADE CASING

Ada 2 standart yaitu standart API dan non API.

Ditentukan berdasarkan yield strength minimum dari bahan casing.Jadi perbedaan grade casing dapat dilihat dari yield strengthnya.

Yield strength adalah besarnya tensile stress yang diperlukan untuk menghasilkan total

perpanjangan sebesar 0.5% dari panjang keseluruhan.

Tabel : Jenis grade casing dan yield strength API

Casing non API yaitu S-80, S-90 dan S-105 serta MN-80 ( khusus utk H2S

service).

B. Panjang CasingAPI membagi dalam 3 range yaitu : R1 : 16 – 25 ft

R2 : 25 – 34 ft

R3 : > 34 ft

Tabel : Range panjang casing

C. DIMENSI CASING

Didisain oleh OD dan tebal dinding ( nominal weight )

Tabel : Dimensi casing

Panjang casing bila disambung dengan coupling adalah dihitung dari

ujung casing yang sudah dilepas dari sambungannya spi ujung lain pada

bagian luar dari coupling.

Akibatnya maka pjg rangkaian casing akan lebih pendek dibanding dg

jumlah casing yang berdiri sendiri.

Hal ini disebabkan adanya “make up loss” (susunan yang tidak dihitung)

yang mengikat ujung casing diabaikan

Gambar : Make up loss per joint dari casing

Dari gambar diatas maka dapat dicari beberapa besaran yaitu :

D. CASING THREAD AND COUPLING

Untuk menyambung casing dipakai ulir / thread sambungan dimana kekuatan ulir

sambungan tergantung pada mekanisme penyekatan yaitu yang disebut “ threaded and

couple” dan “ metal to metal seal “.

1. Threaded and coupled , yaitu sambungan yang didapat dari hubungan antara sayap ulir pada casing dan coupling yang saling membentuk ikatan.

Ada 4 type sesuai bentuk ulirnya yaitu :

a) 8 round thread-short coupling ( 8 ST&C )

Sambungan (coupling) relatif pendek dibanding yg lain, mempunyai 8 ulir tiap inch,membentuk sudut 300 diukur dari garis sumbu yang melalui puncak gigi ulir dan digunakan untuk menyambung rangkaian casing dengan beban rendah sehingga dipasang pada rangkaian casing di bawah.

b) 8 round thread-long coupling ( 8 LT&C )Sambungan (coupling) relatif panjang dibanding yg lain, mempunyai 8 ulir tiap inch,membentuk sudut 300 diukur dari garis sumbu yang melalui puncak gigi ulir dan digunakan untuk menyambung rangkaian casing dengan beban yang lebih berat sehingga dipasang pada rangkaian casing di atas.

c) Buttress thread coupling ( BT & C )Coupling amat panjang & ulir hampir peregi shg mempunyai ikatan yang lebih besar, 5 ulir tiap inch. Utk casing dg OD > 13 3/8” maka ujung ulir memp. ukuran 1 inch per ft pjg csg dan bila < 13 3/8”maka ujungnya berukuran ¾”per ft pjg csg.

d) Pittsburg 8 ACME

hampir sama dg type a dan b hanya bentuk ulir membulat dan membentuk sudut 12.50 , 8 ulir tiap inch.

Gambar : Short thread coupling dan long thread coupling

Gambar : Buttress Thread Coupling ( BTC )

Gambar : Pittburg ACME thread

Proses penyambungan dengan coupling yang dibagi menjadi LT &C dan

ST&C di mana LT&C mempunyai tension sstrength 30% lebih besar dari

ST&C.

Dimensi ulir dan coupling dapat dilihat pada gambar berikut dan tabel

berikut.

Gambar : Dimensi dari ulir dan casing

Di mana : de = diameter luar casing, in

dc = diameter luar coupling, in

d1 = pitch (puncak) diameter pada jarak L1 dari vanish point

(titik hilang), in

d2 = pitch diameter pada hand tight plane ( bidang ikatan), in

J = Jarak dari ujung casing spi bagian tengah dari coupling

untuk power tight make up ( pengikatan ), in

Lc = panjang coupling, in

LE = jarak dari ujung casing spi vanish point, in

M = jarak dari sisi muka coupling spi hand tight plane, in

L1 = jarak dari vanish point ulir casing spi bidang dari d1, in

t = ketebalan dinding pipa, in

2. METAL TO METAL SEAL

Disebut juga penyambungan secara integral joint yaitu penyambungan pada 2 ujung pipa dengan menggunakan sistim ulir di mana ulir bagian luar disebut “pin” dan di ujung yang lain mempunyai ulir di bagian dalam yang disebut “box”.

Ulir pada pin dan box ini akan menyatu membentuk ikatan yang kuat dan disebut ikatan “metal to metal seal”.

Dibagi menjadi 2 yaitu :

- Hydrill casing thread : ikatan ini tidak menggunakan coupling ( secara pin dan box ) dg bentuk ulir hampir bulat di mana 1 sisi membentuk sudut 30 dari garis sumbu dan sisi yg lain 100.

- API Extreme Line Casing : Penyambungan secara pin dan box dengan bagian sambungan mempunyai ukuran yang relatif tebal dibanding tebal body pipa nya shg rangkain casing dengan sambungan ini akan diletakkan pada bagian bawah

Gambar : Hydrill FJ 40 casing dan Tripleseal casing

Gambar : Bentuk sambungan Extreme Line Casing

E. BERAT CASINGAda 3 terminologi berat yaitu “plain and weight”, “average weight” dan “ nominal weight”

diatas

di bawah ini

Tabel : Berat casing dan coupling

Parameter parameter yang mempengaruhi perencanaan casing ( Casing Design )

(Casing setting depth)

1.

2.

3.

Penentuan pemilihan ukuran/diameter casing

Faktor penentu adalah OD dari production string dan

tergantung pada beberapa faktor :

a) Biaya pemboran

b) Metoda produksi

c) Rate produksi

d) Kemungkinan multi zone completion

e) Jumlah intermediate string

f) Jenis fluida yang diproduksikan

g) Limitasi rig

h) Workover

i) Persediaan casing

j) Tipe sumur ( explorasi, development atau produksi )

Faktor Tekanan

Untuk sumur sumur yang bertekanan normal

Untuk sumur sumur yang bertekanan abnormal

Gambar : Penempatan pemasangan casing

di atas

Kedalaman penempatan casing ( Casing setting depth )

Kombinasi dari penempatan kedalaman casing dapat dilihat pada tabel di bawah :

Tabel

Casing setting depth

Kriteria perencanaan casing ( Casing Design )

4. . Rangkaian casing yg dipasang dapat berfungsi dg baik

5. Biaya casing semurah mungkin

1. Design factor ( angka keselamatan )

Faktor faktor yang mempengaruhi besar angka design factor :

Perhitungan beban atau stress yang diijinkan dapat dicari dengan pers. sbb :

Beban yang bekerja pada casing adalah :

1.Tension Load

2.External Pressure

3.Internal Pressure

4.Biaxial Stress

TENSION LOAD

Tension load ( gaya tarikan) adalah beban yg diderita oleh casing akibat berat casing yang menggantung di dlm lubang sumur.

Tension load terbesar diderita casing teratas sehingga makin panjang casing maka tension load yang diderita casing teratas makin besar.

Bagian dari casing yang paling menderita adalah pada joint atau ulirnya yaitu pada joint casing yang paling tipis, karena itu tension load disebut juga jont load

Joint Load = > JL = L x BN di mana : JL = Joint Load, lbs

L = panjang casing, ft

BN = berat nominal , lb/ft

Kekuatan casing untuk menahan joint load disebut joint strength dan tergantung :

1.OD

2.Berat nominal

3.Jenis sambungan / thread

4.GradeJoint strength casing untuk STC adalah :

1

Fjs = 0.80 Cs Aj (33.71-OD)(24.45 + ) , lbs

t - 0.07125

Joint strength casing untuk LTC adalah :

1

Fjs = 0.80 Cl Aj (25.58-OD)(24.45 + ) , lbs

t - 0.07125

di mana : Cs = constanta joint STC, dicari pada tabel dan tgt pada grade & ulir

Cl = constanta joint LTC, dicari pada tabel dan tgt pada grade % ulir

Aj = Root thread area, in2 , dicari pada tabel

t = tebal casing, inch, dicari pada tabel

0.07125 = tinggi ulir, inch

Tabel : Constanta joint strength casing ) Cs dan Cl )

Tabel : Penentuan Aj untuk berbagai macam casing

Tabel : Penentuan harga K ( constanta) utk bermacam casing

Supaya casing tidak putus maka joint strength casing harus lebih besar dari tension load dan disebut joint strength minimum (Fj min ) dan dinyatakan dengan pers :

Fj min = L x BN x Nj , di mana : Nj = safety factor/design factor, besarnya 1.6 – 2.0 utk tension

Panjang maksimum rangkaian casing yang bisa dipasang adalah :

Fj

L max = di mana Lmax = pjg max casing yg bs BN x NJ dipasang

Diketahui : Rangkaian casing dengan 7” OD, 23 lb/ft, J-55, STC dipasang sampai 8100 ft, design factor = 1.7

Ditanyakan : 1. Berapa tension load di permukaan ?

2. Berapa joint strength min ( Fj min) agar casing tidak putus ?

3. Dari joint strength pada tabel utk spec casing tsb, apakah casing akan putus ?

4. Kalau rangkaian casing putus, apa yg hrs dilakukan ?

Penyelesaian :

1.Tension load di permukaan :

TL = BN x L = 23 lb/ft x 8100 ft = 186,300 lbs

2.Joint strength min yg hrs dipunyai casing :

Fj min = TL x SF = 186,300 lbs x 1.7 = 316,710 lbs

3.Dari tabel di depan, didapatkan joint strength utk spec casing di atas adalah 300,000 lbs yang berarti lebih kecil dari harga Fj min (316,710 lbs), sehingga casing di atas akan putus.

4.Panjang max casing yg bisa dipasang :

Lmax = Fj/(BN x SF) = 300,000 / (23 x 1.7) = 7672 ft

Harga ini adalah panjang rangkaian casing dari bawah yang bisa dipasang tanpa putus.

Puncak rangkaian casing adalah pada depth = 8100 ft – 7672 ft = 428 ft

Jadi dari permukaan sampai kedalaman 428 ft dipasang casing yang lebih kuat yaitu yang mempunyai joint strength > 316,710 lbs dalam hal ini adalah 344,000 lbs. Dari tabel di depan dipilih Casing 7” OD, 23 lb/ft, LTC

5. Jadi susunan casing adalah : Casing 7” OD, 23 lb/ft LTC dan 7”, 23 lb/ft, STC

EXTERNAL PRESSURE

External press adalah tekanan dari luar yang diderita oleh casing .

Asumsi yang dipakai : - external press adalah tek. Hidrostatik dibelakang casing

- kondisi terburuk adalah di saat casing kosong atau tekanan di dalam casing = nol

Sebagai akibatnya maka external press terbesar yang diderita casing adalah bagian terbawah.

External pressure = tek. Hidrostatik = 0.052 x MW x TVD, psi

di mana : MW = berat jenis lumpur, ppg

TVD = kedalaman vertikal, ft

Diketahui : Casing 7” OD dipasang spi kedalaman 10,000 ft dengan MW = 11.5 ppg,

Berapa external pressure yang diderita casing dibagian dasar lubang ?

Penyelesaian :

Apabila external pressure lebih besar dari kekuatan casing yg menahan maka casing akan collaps ( kempot) atau tertekuk kedalam.

Kekuatan casing untuk menahan external press supaya tidak collaps secara permanent maupun tidak permanent disebut Collaps Resistant

Elastic failure adalah kerusakan casing secara tidak permanent sebagai akibat external press yg bekerja pada casing tsb. Elastic failure ini tidak berhubungan dengan deformasi permanent.

Plastic failure adalah kerusakan casing secara permanent sebagai akibat external press yg bekerja pada casing tsb. Plastic failure ini berhubungan dengan deformasi permanent.

Collaps Resistant dapat ditentukan berdasarkan :

1.Perbandingan OD dengan ketebalan

2.Komposisi material pembuat casing

3.Tegangan yg searah dengan poros ( axial tension )

Collaps Resistant berbanding lurus dg yield strength besi sehingga semakin

besar yield strength maka Collaps Resistant akan naik juga.

Mencari collaps resistant untuk mencegah plastic failure :1.Casing dengan grade F-25

Untuk OD/t > 43.5,

37.66 x 106

Pc = , di mana : Pc = collaps resistant, psi

(OD/t)3

t = tebal casing, inch

2. Untuk casing dengan grade H-40, J-55, N-80 dan P-110

Untuk OD/t < 14,

(OD/t) - 1

Pc = 0.75 x 2Ya , di mana : Pc = collaps resistant, psi

(OD/t)2 t = tebal casing, inch

Ya = yield strength rata rata, psi

utk H-40 , Ya = 50,000 psi

utk J-55, Ya = 65,000 psi

utk N-80, Ya = 85,000 psi

utk P-110, Ya = 123,000 psi

Mencari collaps resistant untuk mencegah elastic failure :1.Casing dengan grade F-25

Untuk OD/t < 43.5,

65,000

Pc = - 1040 , di mana : Pc = collaps resistant, psi

(OD/t) t = tebal casing, inch

Diketahui : Casing 7” OD, 17 lb/ft, F-25

Berapakah collaps resistantnya ?

Penyelesaian :

Dari tabel utk casing 7”OD, 17 lb/ft. F-25, didapatkan t = 0.231 in, sehingga :

OD/t = 7 / 0.231 = 30.30

--------- Pc = (65,000/30.30 ) - 1040 = 1105 psi

2. Untuk casing dengan grade H-40, J-55, N-80 dan P-110

Untuk OD/t > 14,

62.6x 106

Pc = 0.75 x Ya di mana : Pc = collaps resistant, psi

(OD/t) (OD/t)-1 2

t = tebal casing, inch

Ya = yield strength rata rata, psi

utk H-40 , Ya = 50,000 psi

utk J-55, Ya = 65,000 psi

utk N-80, Ya = 85,000 psi

utk P-110, Ya = 123,000 psi

Diketahui : Casing 7”OD, 20 lb/ft, J-55

Berapakah collaps resistant elastic failure “\?

Penyelesaian :

OD/t dari casing 7:OD,20 lb/ft,J-55 adalah 25.735 > 14 sehingga agar casing tdk mengalami elastic failure maka :

Pc = 0.75 x( 62.6x106 )/ (25.735){(25.735)-1}2

= 2981 psi

Contoh tabel collapse resistant berdasarkan OD, berat nom dan grade

Supaya casing tidak collaps maka casing harus mempunyai collaps resistant minimum yaitu :

Pc min = 0.052 x MW x TVD x Nc, psi

Di mana : Nc = adalah safety factor untuk mengatasi external press yg diderita casing, besarnya 1.0 sd 1.25 ( utk collaps )

Casing yg digunakan harus mempunyai collaps resistant yang lebih besar dari Pc min .

Diketahui :

Casing 7”OD mau dipasang sampai 10,000 ft. MW = 12 ppg. SF untuk atasi external press = 1.15 dan SF untuk atasi tension load = 1.6

Ditanyakan :

1.Menentukan casing yang dipasang paling bawah ?

2.Apakah casing yg dipilih dapat dipasang spi permukaan ?

Penyelesaian ;

1. Casing yang dipasang paling bawah harus mempunyai Collaps resistant minimum yaitu :

Pc min = 0.052 x 12 x 10,000 x 1.15 = 7176 psi

Cari dari tabel dengan casing 7”OD yg mempunyai collaps resistant sedikit > 7176 psi adalah Casing 7”OD, 32 lb/ft, N-80 dengan collaps resistant 7400 psi

2. Apabila casing ini akan dipasang sampai permukaan, maka harus mempunyai joint strength minimum yaitu :

Fj min = 10,000 ft x 32 lb/ft x 1.6 = 512,000 lbs

Cari dari tabel ; didapat joint strength casing 7”OD, 32 lb/ft, N-80, LTC adalah 578,000 lbs > 512,000 lbs.

Berarti casing 7”OD, 32 lb/ft, N-80, LTC dapat dipasang sampai ke permukaan.

PENGARUH BEBAN TARIKAN TERHADAP COLLAPS RESISTANT

Semakin besar beban tarikan akibat berat casing maka collaps resistant akan

berkurang. Pada setiap titik rangkaian yg menggantung maka collaps resistant

tidak lagi sama dan tergantung beban tarikan yang dideritanya.

Beban tarikan dicari dengan rumus :

W = L x BN , dimana : W = beban tarikan di satu titik, lbs

L= panjang beban yg menggatung di satu titik, ft

BN = berat nom, lb/ft

Besar collaps resistant di satu titik yang dikoreksi dengan beban yang menggantung adalah :

Pcc = {Pc/K} { √ (K2 - 3 W2) – W}

Di mana : Pcc = Collaps resistant yg dikoreksi dg beban yg menggantung, psi

Pc = Collaps resistant, dicari dengan tabel atau dihitung, psi

K = konstanta koreksi, lbs , tergantung kepada diameter casing, berat nom dan grade casing

= dicari dengan tabel berikut

Tabel : Penentuan harga K ( constanta) utk bermacam casing

Diketahui :

Rangkaian casing dari permukaan sampai 1599 ft adalah 7”OD, 29 lb/ft, N-80. Dari 1500 ft – 7500 ft adalah 7”OD, 26 lb/ft, N-80 dan dari 7500 ft – 9000 ft adalah 7”OD, 29 lb/ft, N-80 . MW = 11.5 ppg, Nc = 1.15, Nj = 1.7.

Apakah rangkaian casing tsb aman terhadap collaps dan putus.

Penyelesaian : 0

Collaps resistant : 6370 psi. K = 1,436,000 lbs, Fj= 520,000 lbs1500

Collaps resistant : 5320 psi. K = 1,283,000 lbs, Fj= 460,000 lbs

7500

9000

Pada kedalaman 9000 ft ; Collaps resistant min (Pc min) = 0.052x9000x11.5x1.15 = 6189 psi

Collaps resistant = 6370 psi > 6189 psi, Casing aman thd collaps

7”OD, 29 lb/ft, N-80

7”OD, 26 lb/ft, N-80

7”OD, 29 lb/ft, N-80

Pada kedalaman 7500 ft ;

Collaps resistant min ( Pc min) = 0.052x7500x11.5x1.15 = 5157 psi

Berat beban yg menggantung = (9000 – 7500) x 29 = 43,500 lbs

Collaps resistant yg dikoreksi terhadap beban :

Pcc = (5320/1,283,000){√(1,283,00 + (7500-1500)x26 0)2 - 3(43,500)2 - 43,500 } = 5130 psi < 5157, casing akan collaps

Joint strength min (Fj min) = (9000-7500) x 29 x 1.7 = 73,950 lbs< 520,000 lbs, casing masih aman terhadap collaps

Pada kedalaman 1500 ft :

Collaps resistant min ( Pc min) = 0.052x1500x11.5x1.15 = 1031 psi

Berat beban yg menggantung = (9000 – 7500) x 29 + (7500-1500)x26 = 199,500 lbs

Collaps resistant yg dikoreksi terhadap beban :

Pcc = (6370/1,436,000){√(1,436,000)2 - 3(199,500)2 - 199,500 } = 5297 psi > 1031 psi, casing aman terhadap collaps

Joint strength min (Fj min) = {(9000-7500) x 29 + (7500 – 1500)x26}x1,17 = 339,150 lbs < 460,000 lbs, casing masih aman terhadap collaps

Pada kedalaman 0 ft ;

Collaps resistant min ( Pc min) = 0 psi

Berat beban yg menggantung = (9000 – 7500) x 29 + (7500-1500)x26 + 1500 x 29 = 243,000 lbs

Collaps resistant yg dikoreksi terhadap beban :

Pcc = (6370/1,436,000){√(1,436,000)2 - 3(243,000)2 - 243,000 } = 5012 psi > 0 psi, casing aman terhadap collaps

Joint strength min (Fj min) = {(9000-7500) x 29 + (7500 – 1500)x26 +1500 x29 }x 1.7 = 413,100 lbs< 520,000 lbs, casing masih aman terhadap collaps

Cara lain menentukan collaps resistant yang dikoreksi terhadap beban tarikan adalah secara grafis dengan menggunakan Ellips of Biaxial Yield Stress

Langkah langkah penentuan sbb :

1.Tentukan tensile load ; TL = L x BN, lbs, di mana L = pjg casing yg menggantung,ft

2.Tentukan tensile strength : TS = TL/Aj, psi, di mana Aj = root thread area, in2

3.Hitung % of Yield Strength = { TS / Ya } x 100%

4.Potogkan harga pada langkah 3 pada Ellips dan tarik ke kanan shg didapatkan Percent of Nominal Collaps Resistant

5.Collaps resistant setelah dikoreksi adalah : Pcc = Pc x % Nominal Collaps Resistant

Diketahui :

Rangkaian casing dari permukaan sampai 9000 ft adalah 7” OD, 29 lb/ft N-80.

Berapakah collaps resistant casing pada kedalaman 6000 ft ?

Penyelesaian :

1.Hitung Tensile load pada 6000 ft :

TL = ( 9000 – 6000) x 29 = 87,000 lbs

Root thread area ( Aj) = 6.899 in2

2.Hitung Tensile Stress :

TS = 87,000 lbs / 6.899 in2 = 12,610 psi

3. Ya = yield strength rata rata = 85,000 psi, sehingga

Percent of Yield Strength = 12,610 psi / 85,000 psi x 100% = 14.84%

4. Dengan menggunakan Ellips of Biaxial Stress, didapatkan Percent of Nominal Collaps Resistant = 92%.

Dari tabel Collaps Resistant Casing 7”OD, 29 lb/ft, N-80 = 6370 psi

Jadi Collaps Resistant casing yang dikoreksi terhadap beban pada kedalaman 6000 ft adalah :

Pcc = 92% x 6370 psi = 5860 psi

Macam macam casing dan fungsi

Casing dibagi menjadi :1. Conductor casing. Adalah casing dg diameter terbesar yg dipasang

pd sumur. Dipakai pada tanah yg mudah terlepas ( incompetent ) dan mudah gugur krn tererosi lumpur. Diameter casing ini adl 20 in.

Untuk pemboran di laut kadang kadang di pasang :

- Stove pipe : pipa utk sistim sirkulasi lumpur dan disemen pada tempat yg mau di bor -

- Marine conductor dg BOP dipasang diatas permukaan air

: yi pipa yg ditancapkan dan di semen pd lubang yg mau di bor dan berguna utk memberi kekuatan struktur, melindungi formasi lunak di dasar laut, untuk sistim sirkulasi dan untuk menjaga arah pemboran

- Foundation pile dg BOP dipasang pada dasar laut