BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Kebutuhan terhadap Bahan Bakar Minyak (BBM) pertama kali muncul pada tahun 1858 ketika minyak mentah ditemukan oleh Edwin L. Drake di Titusville (IATMI SM STT MIGAS Balikpapan, 2012). Seiring perkembangan zaman, kebutuhan manusia terhadap minyak bumi semakin meningkat, sedangkan ia merupakan sumber alam yang tidak dapat diperbarui. Pada awal ditemukan minyak bumi, teknik yang dilakukan untuk pengambilan minyak bumi hanya bergantung pada kondisi alam yang dikenal dengan istilah primary recovery atau metode primer yaitu minyak bumi yang dihasilkan dengan kondisi alami yang normal. Namun kondisi alam tidak dapat mengangkat minyak bumi secara keseluruhan dari sumber bumi (reservoir) sehingga minyak bumi yang dihasilkan diperkirakan hanya dapat bertahan sekitar sepuluh tahun kedepan. Jika hal ini dibiarkan, maka kita tidak dapat memproduksi bahan bakar minyak sedangkan kebutuhan semakin meningkat, sehingga akan menghambat laju pertumbuhan ekonomi dan akan berdampak pada laju pertumbuhan lainnya. Karena minyak bumi merupakan salah satu faktor pendorong pertumbuhan dunia. Oleh karena itu, pihak pemerintah maupun pihak swasta melakukan berbagai usaha dalam mencari solusi dari permasalahan tersebut. Pada awal 1880-an, J.F. Carll mengajukan suatu cara untuk meningkatkan produksi minyak bumi dengan menggunakan teknik injeksi air yang dinamai secondary recovery atau metode sekunder (IATMI SM STT MIGAS Balikpapan, 2012). Teknik injeksi air (water flooding) merupakan salah satu cara pendesakan minyak bumi menuju sumur produksi yang bertujuan untuk memberikan tambahan energi ke dalam reservoir. Dalam proses ini, air akan mendesak minyak mengikut jalurjalur arus (streamline) yang dimulai dari sumur injeksi dan berakhir pada sumur 1 Universitas Sumatera Utara
2 produksi (IATMI SM STT MIGAS Balikpapan, 2012). Teknik injeksi air dapat diilustrasikan oleh gambar berikut.
Eksperimen pertama dilakukan di lapangan Bradford, Pennsylvania, AS. Dari eksperimen ini dapat dibuktikan bahwa teknik injeksi air atau dikenal dengan sebutan water flooding dapat meningkatkan produksi minyak dari reservoir. Pada awal tahun 1890-an Amerika mulai menggunakan metode ini, dan pada tahun 1921 penerapannya mulai meningkat, misalnya di Oklahoma pada tahun 1931, di Kansas pada tahun 1935, dan di Texas pada tahun 1936. Water flooding sangat banyak digunakan karena berbagai alasan antara lain:
1. mobilitas yang cukup rendah, 2. air mudah didapatkan, 3. pengadaaan air cukup murah, 4. berat kolom air dalam sumur injeksi turut memberikan tekanan, sehingga cukup banyak mengurangi tekanan injeksi yang perlu diberikan di permukaan, 5. mudah tersebar ke daerah reservoir, sehingga efisiensi penyapuannya cukup tinggi, 6. memiliki efisiensi pendesakan yang sangat baik.
Universitas Sumatera Utara
3 Teknik water flooding dapat digambarkan sebagai hubungan dua fase aliran yang immiscible (tidak tercampur). Suatu fluida dikatakan tidak bercampur jika terdapat lapisan yang kasat mata ketika kedua fluida tersebut disatukan pada suhu dan tekanan tertentu, hingga mencapai suatu titik kesetimbangan kimia yang dalam hal ini fase minyak-air. Efisiensi pendesakan dipengaruhi oleh faktor interaksi antara fluida dan media yang menampungnya yaitu batuan pada reservoir. Oleh karena itu perlu bagi kita untuk mengetahui sifat bebatuan tersebut diantaranya 1.1.1 Sifat Fisik Batuan Reservoir Reservoir dapat didefinisikan sebagai suatu lapisan yang berada dibawah permukaan bumi yang memiliki strukutur tertentu yang menjadi wadah untuk menampung minyak bumi dan gas bumi dalam jumlah yang cukup besar. Lapisan tersebut berbentuk perangkap yang berisi batuan-batuan yang memiliki sifat-sifat tertentu, dan biasanya tergantung pada komposisi, temperatur dan tekanan tempat terjadinya akumulasi hidrokarbon didalam reservoirnya. Tekanan yang dimiliki reservoir akan sangat berpengaruh terhadap pendesakan minyak, oleh karena dilakukan teknik -teknik tertentu untuk mempertahankan tekanan sehingga minyak bumi yang terperangkap dapat diproduksi secara maksimal. Biasanya didalam reservoir terdapat lebih dari satu fase fluida yaitu minyak, air dan gas. 1.1.1.1 Porositas Porositas didefinisikan sebagai perbandingan antara volume pori batuan terhadap total volume batuan. Ukuran porositas suatu batuan akan menentukan kapasitas penyimpanan fluida didalam reservoir. Porositas terbagi dua yaitu
1 prorositas absolut merupakan perbandingan antara rongga pori yang saling berhubungan dengan volume total batuan 2 porositas efektif merupakan perbandingan antara rongga pori yang saling berhubungan dengan volume total batuan
Universitas Sumatera Utara
4 secara matematis dapat ditulis Vb − Vs Vb
φ=
dimana φ = porositas, Vb = volume total batuan dan Vs = volume bersih total batuan 1.1.1.2 Permeabilitas Permeabilitas merupakan kemampauan batuan dalam menyalurkan fluida. Apabila media berpori tidak ssaling berhubungan, maka batuan tersebut tidak memiliki permeabilitas. Oleh karenanya diketahui bahwa terdapat hubungan antara permeabilitas dengan porositas efektif. yang terbagi tiga yaitu
1 permeabilitas absolut : kemampuan batuan dalam medistribusikan semua fasa fluida yang dikandungnya, 2 permeabilitas efektif : kemampuan batuan dalam mendistribusikan salah satu fasa fluida jika batuan tersebut mengandung lebih dari satu fasa fluida, 3 permeabilitas relatif : perbandingan antara permebilitas efektif dan absolut yang dipengaruhi oleh sejarah saturasi dan wettabilitas.
Sekitar tahun 1856, Henry Darcy seorang ahli hidrologi dari Prancis mempelajari aliran air yang melewati suatu lapisan batu pasir, dimana hasil temuannya diformulasikan kedalam hukum aliran fluida yang disebut hukum Darcy yang direpresentasikan oleh Q=
kA dP × µ dL
dimana Q = laju alir (cc/sec), k = permeabilitas (darcy), µ =viskositas (cp), A = luas penampang (cm2 ), dan
dP dL
= gradien tekanan (atm/cm). Persamaan Darcy
berlaku pada kondisi
• alirannya mantap (steady state), • viskositas yang mengalir konstan,
Universitas Sumatera Utara
5 • kondisi isothermal, • formasinya homogen dan arah alirannya horizontal, • fluidanya incompressible.
1.1.1.3 Saturasi Saturasi didefinisikan sebagai perbandingana antara volume pori-pori batuan yang berisi fluida formasi terhadap total volume pori-pori batuan atau jumlah kejenuhan fluida dalam reservoir persatuan volume pori. Karena dianggap bahwa dalam reservoir terdapat fluida air dan minyak, maka perhitungan saturasi terbagi dua yaitu
• saturasi minyak So =
volume pori batuan yang diisi oleh minyak , volume pori total
• saturasi air Sw =
volume pori batuan yang diisi oleh air , volume pori total
karena pori-pori batuan berisi air dan minyak, maka berlaku hubungan So +Sw = 1. 1.1.1.4 Pembasahan Batuan (Wettability) Wettabilitas merupakan kemampuan fluida dalam membasahi batuan atau kecenderungan fluida untuk menyebar atau melekat ke permukaan batuan. Jika dua fluida ditempatkan pada permukaan zat padat, maka salah satu fasa akan tertarik lebih kuat dibanding fasa yang lain sehingga cenderung akan membasahi zat padat. Wettabilitas memiliki peranan yang cukup penting karena akan menimbulkan tekanan kapiler akibat dari gaya tarik - menarik (adhesi) dari kedua zat tersebut, sehingga akan mendorong minyak agar dapat bergerak. Faktor yang mempengaruhi besaran wettabilitas adalah
Universitas Sumatera Utara
6 • jenis mineral yang terkandung dalam batuan, • ukuran butir batuan, semakin halus butiran batuan maka semakin besar gaya adhesi yang terjadi, • jenis kandungan hidrokarbon yang terdapat didalam minyak mentah. Pada reservoir, air biasa cenderung membasahi batuan dan minyak tidak mempunyai gaya tarik dengan batuan sehingga minyak akan lebih mudah bergerak (megalir). 1.1.1.5 Tekanan Kapiler Tekanan kapiler dapat didefinisikan sebagai perbedaan tekanan antara fluida yang dapat membasahi batuan dengan fluida yang tidak dapat membasahi batuan. Hubungan tekanan kapiler didalam rongga pori batuan dapat digambar oleh kenaikan air pada pipa yang memiliki diameter sangat kecil, hal ini diakibatkan adanya gaya adhesi pada permukaan tabung. Sehingga tekanan kapiler merupakan kecenderungan rongga pori batuan untuk mengisi setiap pori batuan dengan fluida yang bersifat membasahi. 1.1.1.6 Mobility Ratio Besarnya kemampuan fluida untuk bergerak sebagai fungsi dari permeabilitas relatif terhadap viskositas dikenal dengan sebutan mobilitas. Semakin tinggi mobilitas fluida, akan semakin mudah bagi fluida untuk bergerak melewati media berpori. Dalam proses injeksi perbandingan antar kemampuan bergerak fluida pendesak dan fuida yang didesak sangat perlu diperhitungkan agar dapat memperkirakan efisiensi pendesakan yang terjadi. Mobility ratio dapat ditunjukkan sebagai berikut λ=
kw /µw ko /µo
diketahui bahwa λ = mobilitas fluida, kw =permeabilitas air dan ko =permeabilitas minyak. Dalam waterflood yang bertindak sebagai pendesak adalah air yang didesak adalah minyak.
Universitas Sumatera Utara
7 Adapun sifat yang dimiliki fluida diantaranya 1.1.1.7 Viskositas (Kekentalan) Viskositas adalah ketahanan internal suatu fluida untuk mengalir. Besar nilai suatu viskositas dipengaruhi oleh temperatur dimana nilai kenaikan temperatur akan menurunkan nilai viskositas suatu fluida. Pada permasalahan waterflooding terdapat hubungan viskositas dari kedua fluida yang disebut viskositas relatif yang didefinisikan sebagai perbandingan antara viskositas fluida yang didorong (minyak) terhadap viskositas fluida pendorong (air). 1.1.1.8 Massa jenis (Density) massa jenis disebut juga kerapatan suatu benda yang didefinisikan sebagai perbandingan massa terhadap volum. Water flooding merupakan suatu permasalahan yang berkaitan dengan fluida yang dideskripsikan dengan persamaan differensial parsial dimana akan sangat sulit jika diselesaikan secara analitis, sehingga harus diselesaikan dengan melakukan suatu pendekatan numerik. Oleh karena itu, perlu bagi kita untuk melakukan suatu analisa numerik. Analisa numerik adalah analisa mempergunakan algoritma dari metode numerik, sedangkan Metode numerik adalah teknik yang digunakan untuk memformulasikan persoalan matematika sehingga dapat dipecahkan dengan operasi perhitungan atau aritmatika biasa (Choiron). Penyelesaian suatu persoalan matematika dengan metode numerik umumnya dapat diselesaikan dengan lebih dari satu metode, sehingga dipilih metode terbaik yang dapat menghasilkan penyelesaian yang efisien dan efektif serta tidak menghasilkan galat yang besar. Dalam hal ini, metode yang dilakukan adalah metode volume hingga. Metode volume hingga merupakan suatu metode untuk menyelesaikan persamaan differensial parsial dengan melakukan pendekatan numerik dimana solusinya akan medekati nilai analitis, nilai ataupun tingkat akurasi yang dihasilkan akan bergantung pada grid cells yang dibentuk.
Universitas Sumatera Utara
8 Dari uraian di atas, teknik water flooding memiliki beberapa keunggulan dari sisi ekonomis dan efisiensi kerja, namun pada kenyataannya teknik ini hanya mampu meningkatkan 10-20% dari keseluruhan minyak bumi yang terdapat di reservoir. Karena kebutuhan minyak bumi semakin meningkat, tentunya harus ada usaha yang dilakukan dalam meningkatkan produksi minyak secara lebih maksimal. Hal ini memotivasi penemuan Enhanced Oil Recovery (EOR) yang merupakan tertiary recovery atau metode tersier, dimana metode ini dapat mengangkat minyak bumi sekitar 30-60% dari reservoir. EOR terbagi atas 3 teknik yaitu injeksi kimia, injeksi gas tercampur dan injeksi panas (Usman, 2011). Penulis tidak akan membahas secara detail terkait metode EOR dikarenakan tulisan ini hanya akan membahas teknik water flooding dalam pengangkatan minyak bumi dari reservoir. Persoalan waterflooding pada dasarnya digambarkan oleh persamaaan Buckley-Leverett dengan efek equilibrium, adapun pada tulisan ini akan dilakukan perhitungan persamaaan Buckley-Leverett dengan memasukkan efek nonequilibrium dan permeabilitas relatif yang direpresentasikan oleh persamaan Barenblatt. Persamaan Buckley-Leverett dan Barenblatt merupakan suatu pasangan persamaan diferensial parsial dan persamaaan diferesial biasa yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode volume hingga. Oleh karena itu, tulisan ini akan menguraikan permasalahan tersebut dengan mencari solusi numerik persamaan Buckley-Leverett yang pasangkan dengan persamaan Barenblaat.
1.2 Perumusan Masalah Rumusan masalah yang akan diteliti adalah bagaimana merumuskan secara numerik teknik water flooding dengan mengggunakan metode volume hingga.
1.3 Batasan Masalah Dalam penelitian ini, penulis akan melakukan perhitungan numerik teknik water
Universitas Sumatera Utara
9 flooding menggunakan metode volume hingga dengan mengasumsikan porositas, viscositas dan permeabilitas adalah konstan
1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis numerik pada persoalan water flooding dengan mengimplementasikan metode volume hingga sehingga dapat diketahui waktu injeksi dan laju produksi dari hasil perhitungan yang dilakukan.
1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini yaitu memberikan suatu gambaran mengenai teknik water flooding pada proses pengangkatan minyak dari reservoir yang dapat dijadikan suatu pertimbangan ataupun acuan dalam melakukan kinerja lapangan dibidang produksi minyak bumi.
1.6 Metodologi Penelitian Untuk melakukan analisis numerik pada teknik water flooding maka dilakukan langkah-langkah berikut:
1. Mengumpulkan berbagai informasi terkait tentang water flooding dan Metode Volume Hingga, 2. Terdapat suatu persamaan diferensial parsial hiperbolik orde satu dari model Buckley-Leverett yang direpresentasikan oleh ∂t S + ∂x vf (σ) = 0 yang dipasangkan oleh persamaan diferensial biasa atau persamaan evolusi σ − S = τ ∂t S dengan batas kiri f (σ) = f¯(t) dimana x = 0 kemudian evaluasi t = 0 dengan
Universitas Sumatera Utara
10 kondisi awal yang diberikan S = S0 (x)
pada t = 0
σ0 + τ ∂x f (σ0 ) = S0 (x) permasalahan diatas merupakan gambaran dari dua-fase aliran dengan menggunakan model Barenblatt dengan mengabaikan tekanan kapler sehingga lebih berfokus pada efek dinamik dalan permeabilitas relatif hal tersebut digambarkan oleh persamaan evolusi diatas, 3. Lakukan simulasi numerik dengan menggunakan pendekatan volume hingga. Oleh pendekatan ini, dilakukan diskritisasi sepanjang n sehingga menghasilkan F : R2n → R2n dimana F (U ) = 0 dan U merupakan vektor yang berisikan Sei,n dan σ ei,n , 4. Pada kasus diatas, fluks merupakan fungsi saturasi efektif, bukan saturasi aktual. Sehingga dalam penyelesaiannya digunakan iterasi Newton untuk solusi sistem aljabar, 5. Menggunakan bantuan software MATLAB untuk melakukan perhitungan numerik dan memberikan visualisasi pada model teknik water flooding.
Universitas Sumatera Utara
