DESIGN LAB APPARATUS : SINGLE STAGE COMPRESSIVE TEST (SST) PADA TEKANAN DAN TEMPERATUR TINGGI Oleh: Ecep Muhammad Mujib* Pembimbing: Dr. Ir. Taufan Marhaendrajana Sari Single Stage Compressive Test merupakan alat uji tekan untuk mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan memodelkan batuan reservoir tersebut kedalam kondisi laboratorium. Hasil pengukuran pada kondisi permukaan pada umumnya memiliki hasil yang berbeda dengan kondisi sebenarnya pada kondisi reservoir, oleh karena itu, prinsip kerja dari alat ini mempertimbangkan principal stress yang bekerja pada batuan reservoir dan memodelkan kondisi reservoir lebih detil seperti kondisi temperatur yang tinggi, adanya tekanan pori dan pengaruh keberadaan fluida didalam batuan reservoir tersebut. Model laboratorium seperti itu akan memberikan gambaran besarnya pengaruh stress, baik stress maksimum atau stress minimum yang bekerja pada batuan reservoir dan pengaruh temperatur serta keberadaan fluida terhadap sifat kekuatan batuan reservoir. SST di design dengan mempertimbangkan kondisi reservoir yang ada di Indonesia, secara umum dideskripsikan dengan besar takanan axial (tekanan overbourden) maksimum mencapai 4000 psia dan tekanan radial yang dapat berperan sebagai confining pressure (tekanan pori) mencapai 1500 psia serta temperature maksimum mencapai 400 oF. Pada paper ini akan dijelaskan secara rinci tentang design alat SST dan melaporkan hasil uji tekan core sintetik dengan menggunakan alat ini. Abstract Single Stage Test compressive test is a tool for studying the strength properties of reservoir rock, reservoir rock is modeled into the laboratory conditions. Results of measurement on the surface conditions in general have different results with the actual conditions at the reservoir conditions, therefore, the working principle of the tool is considered the principal stress acting on the reservoir rock and reservoir modeling the detailed conditions such as high temperature conditions, the pore pressure and the effects of the presence of fluid in the reservoir rock. Such a laboratory model will give you a level of influence of stress, both the maximum stress or minimum stress acting on the reservoir rock and the influence of temperature and presence of fluid to the reservoir rock strength properties. SST in design by considering the existing reservoir conditions in Indonesia, generally described by a large axial takanan (overbourden pressure) reaches a maximum radial pressure of 4000 psia and that can act as confining pressure (pore pressure) reaches a maximum of 1500 psia and temperatures reach 400 oF. This paper will explain in detail about the design tools report the results of SST and compression testing using a synthetic core of this tool. *Mahasiswa Teknik Perminyakan Institut Teknologi Bandung tahun 2006 1.
PENDAHULUAN
Triaxial dan uniaxial test merupakan metode yang sering digunakan untuk mempelajari karakteristik kekuatan batuan reservoir. Perbedaan dari kedua metode tersebut ialah kehadiran confining pressure yang bekerja pada specimen. Jika pada specimen tersebut tidak ada confining pressure yang bekerja disebut dengan uniaxial test, sedangkan pada triaxial test memperhitungkan kehadiran confining pressure yang bekrja terhadap specimen. Specimen yang sering digunakan pada uniaxial dan triaxial test dapat dilihat pada gambar [1.1]. Pada gambar tersebut terlihat bahwa ketika stress radial (σ3) tidak sama dengan nol dikategorikan sebagai sistem triaxial test,
sedangkan sistem uniaxial test, stress radial (σ3) berharga nol.
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
Gambar [1.1]. Stress yang bekerja pada specimen.
1
Berdasarkan perlakuan terhadap specimen selama pengujian, triaxial test dibedakan menjadi dua macam, yaitu Single Stage Triaxial Compressive Test (SST) dan Multistage Triaxial Compressive test (MST). SST memerlukan cukup banyak specimen, karena setiap specimen dalam tahap pengujian digunakan hanya untuk pengambilan satu data failure akibat beban axial (σ1) pada tekanan radaial (σ3) tertentu saja, sehingga minimal specimen yang diperlukan sebanyak tiga buah, dan idealnya empat atau lima buah. Berbeda dengan MST, satu specimen dapat digunakan untuk memperoleh beberapa data failure akibat beban axial (σ1) pada beberapa harga tekanan radialnya (σ3). Untuk lebih jelas perbedaan dari SST dan MST dapat dilihat pada gambar [1.2] sampai gambar [1.5].
Gambar [1.2]. Contoh hasil pengukuran Single Stage Triaxial Compressive Test (SST)
Gambar [1.3]. Mohr-coloumb dari data pengukuran Single Stage Triaxial Compressive Test (SST)
Gambar [1.5]. Mohr-coloumb dari data pengukuran Multistage Triaxial Compressive Test (MST) Data hasil pengukuran dari SST dan MST sama-sama menggambarkan karakteristik batuan baik parameter kekuatannya ataupun properties statik elastisitasnya. Berdasarkan rule of thumb, akurasi data yang diperoleh dari SST lebih baik dibandingkan dengan MST1. Hasil pengukuran kekuatan batuan dilaboratorium tergantung dari model yang digunakan, seringkali hasil pengukuran pada kondisi standar dipermukaan berbeda dengan kondisi yang sebenarnya direservoir. Oleh karena itu, untuk mendekati kondisi sebenarnya direservoir, pertimbangan aspek tekanan dan temperature dilaboartorium sangat membantu tercapainya kondisi tersebut. Berdasarkan data reservoir di Indonesia yang berada pada kedalaman beberapa ribu feet, maka model yang didesign dilaboratorium disarankan agar memiliki spesifikasi sebagai berikut : - Temperatur makasimum 400 oF - Beban axial maksimum 3500 psia dan tekanan radial maksimum 1500 psia - Fluida yang digunakan berupa air formasi, oil atau gas Dengan model laboratorium tersebut, maka dari data pengukuran yang diperoleh dapat dievaluasi efek tekanan radial (confining pressure) dan temperature tertentu terhadap rock strength properties. 2.
DESKRIPSI SINGLE STAGE TRIAXIAL COMPRESSIVE TEST PADA TEKANAN DAN TEMPERATUR TINGGI.
2.1. Tujuan
Gambar [1.4].Contoh hasil pengukuran Multistage Triaxial Compressive Test (MST)
Sistem uji Triaxial telah dikembangkan untuk mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan mengukur secara langsung dilaboratorium terhadap parameter kekutan batuan tersebut. Pada sistem uji triaxial konvensional, specimen mendapatkan beban dari arah axial (maksimum principal stress) dan arah radial (minimum principal stress) sedangkan intermediate principal stress dianggap sama dengan minimum principal stress. Temperatur yang bekerja pada alat tersebut biasanya disesuaikan dengan kondisi standar permukaan. Jika ditinjau kembali specimen batuan reservoir yang diambil dari
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
2
kedalaman tertentu yang memiliki kondisi temperatur yang berbeda dengan kondisi permukaan, menyebabkan hasil pengukuran dipermukaan berbeda dengan kondisi reservoir sebenarnya. Oleh karena itu, pada alat Single Stage Triaxial Compressive Test yang kami kembangkan memperhitungkan efek temperature, sehingga model laboratorium akan mendekati kondisi reservoir sebenarnya. Model seperti ini dapat menghilangkan setidaknya asumsi yang sebelumnya dianggap tidak mempangaruhi terhadap sifat kekuatan batuan reservoir yaitu akibat perubahan temperature. Model seperti ini, tidak hanya digunakan untuk mempelajari sifat kekuatan batuan yang dipengaruhi oleh masing-masing stress radial dan perubahan temperatur, akan tetapi dapat sekaligus mempelajari pengaruh secara kombinasi dari stress radial dan temperatur.
Properties Statik Elastisitas Batuan2 Stress merupakan besarnya gaya yang bekerja pada suatu luas bidang tertentu. Ketika suatu benda diberikan gaya atau beban, maka benda tersebut akan mengalami perubahan secara fisik, perubahan tersebut tergantung terhadap modulus elastik dari benda tersebut. Apabila beban yang diebrikan melebihan batas elstisitasnya maka benda tersebut akan mengalami failure. Modulus elastik statik terdiri dari Young’s Modulus dan Poisson Ratio. Young’s Modulus merupakan perabandingan besarnya beban yang diberikan terhadap perubahan bentuk dari benda tersebut (strain). Sedangkan Poisson Ratio merupakan perbandingan strain yang terjadi secara lateral terhadap strain axialnya.
2.2. Konsep Dasar Single Stage Triaxial Compressive Test dirangkai untuk mensimulasikan lingkungan reservoir ke skala laboratorium, untuk mendapatkan model laboratorium seperti itu ada beberapa konsep yang diterapkan dalam merangkainya, yaitu : Gradien Tekanan dan Temperatur Specimen batuan reservoir yang diambil pada kedalaman tertentu, menjadi salah satu pertimbangan dalam merangkai alat SST ini. Berdasarkan asal keberadaan batuan reservoir pada kedalaman tertentu setidaknya ada dua parameter yang harus dipertimbangkan, yaitu tekanan dan temperatur. Kedua parameter tersebut merupakan fungsi dari kedalaman, semakin dalam posisi batuan reservoir, temperatur dan tekanan lingkungan reservoirnya akan semakin meningkat. Hubungan seperti ini biasa dikenal dengan gradien tekanan dan temperatur. Pengetahuan menganai gradien tekanan dan temperatur sangat berguna untuk mengetahui kondisi lingkungan reservoir yang akan dimodelkan dalam skala laboratorium, tetapi yang menjadi pilihan utama untuk mengetahui secara pasti kondisi lingkungan reservoir yang sebenarnya adalah dengan mengukur secara langsung parameter lingkungan reservoir tersebut. Konsep gradien ini digunakan apabila ada keterbatasan dalam pengambilan data lingkunga reservoir secara langsung. Kelemahan dari konsep gradien ini ialah menganggap kondisi batuan dibawah permukaan dalam kondisi normal untuk setiap kedalaman, sedangkan dalam kenyataannya dapat dimungkinkan akan bertemu dengan lapisan batuan yang abnormal. Meskipun mempunyai kelemahan seperti itu, konsep gradien sangat berguna untuk mendekati kondisi lingkungan yang sebenarnya dibandingkan hanya dengan menganggap sama dengan kondisi dipermukaan.
Gambar [2.1]. benda silindris yang diberikan beban tertentu pada arah axial. Gambar [2.0] dapat membantu dalam memahami hubungan antara parameter modulus elastik statik yang satu dengan yang lainnya, secara matematis parameter-parameter tersebut ialah : - Stress 𝐹 𝜎=𝐴 [1] - Strain ∆𝑙 ∆𝑟 𝜀𝑎 = 𝑙 dan 𝜀𝑟 = 𝑟 [2] Strain volume untuk silindris : 𝜀𝑣 = 𝜀𝑎 + 2𝜀𝑟 - Young’s Modulus 𝜎 𝑌 = 𝜀𝑎 [3] -
𝑣
Poisson Ratio 𝜀
𝑣 = − 𝜀𝑟
𝑎
[4]
Tanda negatif pada poisson ratio,dikarenakan harga strain radial bernilai negatif (dt<do). Failure criterion (Mohr-Coloumb)2 Shear failure dapat terjadi ketika shear stress yang bekerja pada suatu bidang terlalu besar. Shear failure dapat didefinisikan : 𝜏 = 𝑓(𝜎) [5] Dimana σ, stress normal dan τ, shear stress yang bekerja disepanjang bidang. Hubungan stress normal dan shear stress dari persamaan [5] diatas dapat dideskripsikan pada lingkaran Mohr. Lingakran Mohr yang dibentuk dari kedua parameter tersebut memberikan informasi mengenai batas daerah failure.
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
3
Gambar [2.2] menjelaskan hubungan τ vs σ. Informasi yang diperoleh dari gambar tersebut salah satunya ialah semakin besar stress normal minimum (σ3) maka stress normal maksimumnya pun akan semakin besar, lingkaran yang dibentuk dari kedua stress tersebut merupakan batas daerah failure, sedangkan stress normal medium tidak mempengaruhi terhadap batas terjadinya failure. Hal ini sesuai dengan hipotesis dari Mohr, yaitu : pure shear failure hanya tergantung pada stress normal maksimum dan stress normal minimumdan tidak tergantung terhadap stress normal medium3.
Gambar [2.3]. Mohr Coloumb Criterion τ-σ.
Gambar [2.4]. Mohr Coloumb Criterion pada bidang σ1-σ3 Gambar [2.2]. Diagram Mohr sebagai fungsi shear stress dan stress normal, juga menggambarkan hubungan principal stress normal (σ1, σ2, dan σ3) Dengan memilih bentuk sederhana dari fungsi f yang diasumsikan linear dengan terhadap Mohr Coloumb Criterion, maka dapat didefinisikan bahwa : 𝜏 = 𝑆𝑜 + 𝜇𝜎 [6] Dimana So merupakan inherent shear strength atau cohesion dari suatu material dan µ sebagai coefficient of internal friction. Pada gambar [2.3] dapat didefinisikan internal friction angle Φ sebagai fungsi dari coefficient of internal friction yaitu 𝜇 = 𝑡𝑎𝑛 Φ [7] Sedangkan 2β merupakan sudut yang dibentuk dari lingkaran Mohr dengan failure line. Besarnya shear stress dan stress normal pada titik tersebut sebagai point of failure dapat didefinisikan oleh persamaan: 1
𝜏 = 2 𝜎1 − 𝜎3 sin 2𝛽
[8]
𝜎 = 2 𝜎1 + 𝜎3 + 2 𝜎1 − 𝜎3 cos 2𝛽
[9]
1
Φ
1
π
[10] dengan mensubtitusikan persamaan [8] dan [9] kedalam persamaan [6], diperoleh hubungan σ1 dengan σ3, yaitu
β=
2
+4
1 1 1 𝜎 − 𝜎3 sin 2𝛽 = 𝑆𝑜 + 𝜇 𝜎 + 𝜎3 + 𝜎1 − 𝜎3 cos 2𝛽 2 1 2 1 2
Bila persamaan diatas disederhanakan akan diperoleh: cos Φ
1+sin Φ
[11] Hubungan σ1 dengan σ3 diperlihatkan pada gambar [2.4]. pada gambar tersebut harga α tidak sama dengan Φ, akan tetapi α dan Φ mempunyai hubungan sebagai berikut :
𝜎1 = 2𝑆𝑜 1−sin Φ + 𝜎3 1−sin Φ
tan 𝛼−1
sin Φ = tan 𝛼+1
[12]
Ketika stress normal minimum (σ3) berharga nol, kondisi tersebut biasa disebut dengan Unconfined Compressive Strength (UCS), nilainya dapat ditentukan secara langsung pada pengukuran uniaxial test, atau secara tidak langsung dengan triaxial test. Alat SST yang didesign dapat digunakan untuk mengukur UCS baik secara langsung ataupun tidak langsung dengan mengatur harga stress normal minimumnya (σ3). Secara tidak langsung harga UCS dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan [9] yang diturunkan dari persamaan [11] :
𝐶𝑜 = 2𝑆𝑜
cos Φ 1−sin Φ
= 2𝑆𝑜 tan 𝛽
[13]
Sedangkan ketika harga stress normal maksimum (σ1) berharga sama dengan nol, maka harga σ3 merupakan Tensile Strength dari material tersebut. Dari persaman [10] dan [8], besarnya harga Tensile Strength dapat didefinisikan sebagai berikut : 1−sin Φ
𝑇𝑜 = 1+sin Φ 𝐶𝑜
[14]
2.3. Konfigurasi Triaxial Cell Triaxial cell pada SST didesign dengan menggunakan material baja yang mempunyai ketahanan akibat besarnya beban axial dan radial serta tingginya temperatur dan keberadaan fluida yang memungkinkan terjadinya korosi (terutama air formasi) pada rangkaian cell tersebut. SST yang bekerja pada tekanan dan temperature tinggi menjadikan pertimbangan dari ketiga parameter tersebut sangat diprioritaskan agar terjamin keamanan selama dilakukan pengujian. Secara lengkap konfigurasi SST dapat dilihat pada gambar [2.5] dan [2.6]. gambar tersebut memperlihatkan sistem pengujian specimen dengan memberikan beban dari arah axial dan radial yang dihasilkan oleh sistem hidrolik, serta mensimulasikan kondisi lingkungan
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
4
reservoir dengan adanya fluida formasi yang diberikan temperatur tinggi melalui heating electric yang dipasang pada baja penghantar panas dibagian dalam cell. Sedanagkan bagian baja yang dibagian luar (jacket material) berperan dalam menyokong baja silindris didalamnya agar tidak terjadi kecelakaan akibat besarnya tekanan dan temperatur yang bekerja dalam cell tersebut. Sistem hidrolik yang digunakan pada SST ini dapat menghasilkan beban axial maksimum sebesar 10 Ton dan tekanan radialnya 1500 psia. Sedangkan heating electric didesign agar dapat memanaskan fluida didalam cell sampai temperature maksimum 482 oF.
diinginkan selama pengukuran. Sistem dan bentuk nyata dari pengontrol temperatur pada SST dapa dilihat pada gambar [2.7] sampai [2.9].
Gambar [2.7] model pengontrol temperatur pada SST
Gambar [2.5]. Kerangka Single Stage Triaxial Compressive Test.
Gambar [2.8]. heating electric yang ditempelkan pada cell dengan dilengkapi gas bull (hambatan panas) dan indicator electric.
Gambar [2.6]. Konfigurasi Single Stage Triaxial Compressive Test. 2.4. Temperatur Kontrol Temperatur pada cell triaxial dikontrol dengan menggunakan heating electric, panas yang dapat dihasilkannya dapat mencapai temperatur maksimum 482 oF. Panas yang dihasilkan dari heting electric dihantarkan oleh jacket heating agar dapat memanaskan fluida formasi (air formasi), panas pada fluida inilah yang kemudian akan memanasi specimen agar sesuai dengan temperatur lingkungan reservoir. Temperatur indicator dipasang untuk mengukur temperatur fluida dalam cell dan membantu mengontrol temperatur agar tercapai temperatur yang
Gambar [2.9]. Sistem pengontrol temperatur pada Single Stage Compressive Test Agar kondisi temperatur didalam cell terjaga konstan, maka diantara jacket material dan heating jacket dilengkapi dengan gas bull yang dapat menghambat hantaran panas kelingkungan sekitar. 2.5. Stress Axial Kontrol Beban yang diterima specimen pada arah axial dikontrol oleh sistem hidrolik yang dapat menghasilkan beban maksimal 10 ton. Beban yang berasal dari hidrolik tersebut diteruskan oleh piston actuator (material baja) menuju specimen. Gambar
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
5
[2.10] memperlihatkan sistem pembebanan arah axial terhadap specimen. Selama pengukuran berlangsung piston actuator akan selalu bergerak dan bagian tersebut menghubungkan langsung kondisi permukaan dengan fluida didalam cell yang betekanan dan temperature tinggi, kondisi ini akan memicu kebocoran fluida melalui ruang diantara piston actuator dengan jacket material, oleh karena itu ruang tersebut dilengkapai dengan bahan sejenis asbes (len packing) yang tahan terhadap tekanan dan temperature tinggi. Kehadirann bahan tersebut mengakibatkan adanya hambatan ketika dilakukan pembebanan, sehingga sebelum dilakukan pengukuran harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk mengetahui besarnya beban hambatan.
Gambar [2.10]. sistem pembebanan specimen pada arah axial.
Dimana m dalam Kg. karena, 𝑁 = 1.4504 𝑝𝑠𝑖 𝑐𝑚 2 Maka 𝑃 = 2.8015 𝑚 (𝑝𝑠𝑖) Atau jika m dalam ton, 𝑃 = 2801.15 𝑚 𝑝𝑠𝑖 [15] Diameter specimen : 1.5 in Dengan cara yang sama seperti pada specimen berukuran 1 in, diperoleh : 𝑃 = 1246.73 𝑚 (𝑝𝑠𝑖) [16] Diameter specimen : 2 in 𝑃 = 701.288 𝑚 (𝑝𝑠𝑖) [17] 2.6. Stress Radial Kontrol Sistem kontrol pada stress radial menggunakan sistem hdirolik yang sama halnya pada hidrolik stress axial, yang membedakannya ialah media yang digunakan untuk meneruskan beban yang dihasilakan hidrolik menuju specimen. Pada hidrolik stress axial yang berperan sebagai medianya adalah piston actuator (material baja) sedangkan pada stress radial menggunakan media fluida formasi (air formasi). Hidrolik stress radial dapat menghasilkan tekanan maksimum sebesar 1500 psia. Selain sebagai pemberi tekanan pada arah radial, tekanan yang dihasilkan oleh hidrolik ini dapat berperan sekaligus sebagai tekanan pori, karena pada SST ini mengasumsikan specimen dalam keadaan undrained. System hidrolik penghasil stress radial dapat dilihat pada gambar [2.12].
Gambar [2.12]. stress radial yang dihasilkan oleh sistem hidrolik Gambar [2.11].Bentuk nyata dari sistem hidrolik yang memberikan beban axial maksimum sebesar 10 ton Karena satuan dari beban axial masih dalam satuan metrik-ton, maka untuk mengkonversi kedalam satuan tekanan membutuhkan data luas lingkaran specimen yang dibebani. Karena dudukan specimen pada SST tersedia untuk tiga ukuran diameter maka, untuk menentukan tekanannya dapat digunakan persamaan berikut : Diameter specimen : 1 in 𝐴 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋 𝑃=
𝑚𝑥𝑔 𝐴
=
2.54𝑐𝑚 2
2 𝑚 (9.8)
5.067 𝑐𝑚 2
= 5.067 𝑐𝑚2
= 1.934 𝑚 (
𝑁
𝑐𝑚 2
)
Gambar [2.13]. Rangkain hidrolik penghasil stress radial.
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
6
2.7. Komponen Pelengkap Komponen pelengkap Single Stage Compressive Test salah satunya ialah tempat berdirinya specimen didalam cell. Apabila tidak ada komponen tersebut, kedudukan specimen didalam cell tidak stabil, dikhawatirkan posisinya tidak berada ditengah-tengah atau tidak pada posisi berdiri sebagai pengaruh masukannya fluida kedalam cell untuk memberikan stress radial. Tempat menyimpan specimen tersebut didesign dengan bentuk profil tertentu sehingga dapat dipasang-cabut untuk mempermudah pemasangan specimen. Bentuk profil tersebut dapat dilihat pada gambar [2.14] dan [2.15]. dudukan specimen tersedia untuk ukuran diameter 1 in, 1,5 in dan 2 in.
Gambar [2.14]. Dudukan specimen pada posisi terpasang didalam cell.
Gambar [2.15]. bentuk profil dudukan specimen. Kiri : bagian atas. Kanan : bagian bawah. 2.8. Prosedur Pengukuran Persiapan Specimen. Sample core atau specimen yang akan di ukur kekuatan batuannya di ukur terlebih dulu panjang dan diameternya (H/D:2/1) dan sesuai dengan dudukan specimen yang tersedia. Specimen yang sudah diukur selanjutnya dipanaskan (di oven) sehingga diperoleh berat keringnya. Hal ini dilakukan agar selama penjenuhan dengan fluida yang diinginkan benarbenar tersaturasi 100% oleh fluida tersebut. Setelah diperoleh specimen yang sudah tersaturasi langkah selanjutnya ialah persiapan alat SST. Persiapan Alat SST Pada tahapan ini sangat dituntut ketelitian dan kehati-hatian, karena pengukuran kekuatan batuan dengan SST bekerja pada tekanan dan temperatur tinggi, oleh karena itu setiap komponen pada alat SST harus terpasang pada posisi yang tepat, apabila tidak teliti terhadap setiap komponen dimungkinkan terjadi kebocoran, dan pengukuran harus diulang dari awal.
Komponen SST yang harus diperiksa sebelum dilakukan pengkuran diantaranya : 1. Hidrolik : hdirolik axial dan hidrolik stress radial harus pada posisi terkunci 2. Heating electric : semua rangkain dari heating electric harus sudah terpasang dan menggunakan tegangan listrik 220 volt. 3. Periksa komponen cell mulai dari tutup cell, dudukan specimen, dan valve serta pastikan sudah pada posisi masingmasing. Pengujian specimen Apabila specimen dan alat SST sudah siap digunakan, maka pengujian kekuatan batuan dari specimen tersebut dapat dimulai. Langkah-langkah yang harus diperhatikan selama pengujian specimen tersebut diantaranya : 1. Letakan specimen tepat pada dudukan specimen didalam cell 2. Isi cell dengan fluida yang diinginkan (misalnya fresh water), apabila cell hampir penuh, pengisian fluida selanjutnya melalui tabung hidrolik stress radial setelah dipastikan bahwa tutup cell terpasang dengan rapat. 3. Berikan stress radial sesuai yang diharapkan dengan menggunakan hidrolik stress radial, apabila sudah mencapai stress radial tertentu, panaskan fluida dalam cell dengan mengatur heating electric pada temperature tertentu, setalah mencapai temperature tertentu diamkan selama 2 jam4 4. Berikan beban axial sekaligus lakukan pembacaan pada gauge ketika specimen mulai terjadi failure dan hentikan pengukuran 5. Untuk pengukuran specimen yang lainnya, lakukan langkah diatas berulang kali. 3.
UJI TRIAXIAL SINTETIK
TERHADAP
CORE
Sample core (specimen) yang digunakan dalam uji coba alat SST ini menggunkan core sintetik (buatan). Komposisi berat core sintetik terdiri dari 80% pasir dan 20% semen. Karena SST memerlukan cukup banyak sample core (minimal tiga buah), diharapkan dengan komposisi tersebut sample core dapat dianggap mewakili batuan yang diambil pada tempat dan lingkungan yang sama, sehingga dalam analisis terhadap perubahan stress radial dan temperatur tidak dipengaruhi oleh perbedaan jenis batuan (asumsi : sample core tersebut bersumber dari batuan yang sama). Ukuran sample core tersebut memiliki perbandingan panjang dan diameternya 2:1 (standar ISRM)2. Dengan ukuran seperti itu, sample core diharapkan dapat mengakomodasi penetrasi shear kesegala bagian dari sample core tersebut. Oleh
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
7
Triaxial Tes
σ1 (psi)
karena itu, core sintetik yang akan digunakan dalam pengujian kali ini menggunakan ukuran panjang 2 in dan diameter 1 in. sebelum dilakukan tes, sample core tersebut dijenuhkan terlebih dahulu dengan fluida reservoir (air formasi) selama 24 jam. Besarnya tekanan axial yang dibebankan sepanjang pengujian dapat langsung dibaca pada indicator tekanan sampai sample core tersebut terjadi failure pada kondisi stress radial dan temperatur tertentu. Data yang diperoleh dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh stress radial, temperatur dan kombinasi dari keduanya.
Pengujian kekuatan batuan dari specimen tersebut dilakukan dengan pengujian uniaxial dan triaxial. Untuk triaxial specimen diperlakukan dengan diberikan stress radial yang berbeda-beda pada temperatur tertentu. Hasil pengujian tersebut dapat dilihat pada table [3.1] dan [3.2]. Table [3.1]. Pengukuran kekuatan batuan dari specimen dengan metode uniaxial uniaxial No. sample
σ3 (psi)
σ1 (Ton)
σ1 (psi)
20
0
1.2
3366
18
0
1.3
3647
1
0
1.2
3366
y = 8.014x + 3880. R² = 0.979
Temperatur 30 C Temperatur 90 C
0
100
200
300
σ3 (psi)
Menentukan sudut pecah (friksi internal) Dari gambar [3.1] diperoleh harga gradien (tanα) untuk masing-masing temperatur, yaitu : Temperatur 30 oC 𝑡𝑎𝑛𝛼 = 16.02 𝛼 = 860 Maka sudut pecahnya ialah : tan 𝛼−1 16.02−1 sin Φ = tan 𝛼+1 = = 0.882 16.02+1 o Φ = 62 Friksi internal = tan Φ = 1.87 2β=62+90=152 Temperatur 90 oC 𝑡𝑎𝑛𝛼 = 8.014 𝛼 = 830
Maka sudut pecahnya ialah :
Table [3.2] Pengukuran kekuatan batuan dari specimen dengan menggunakan metode triaxial (SST)
𝑡𝑎𝑛 𝛼−1
Temperatur 30 C No sample
σ3 (psi)
σ1 (Ton)
σ1 (psi)
8
70
2
5610
18
140
2.5
7013
19
210
2.8
7854
Temperatur 90 C σ1 (Ton)
σ1 (psi)
21
70
1.6
4488
13
140
1.75
4909
3
210
2
5610
3.2. Failure Criterion (Mohr-Coloumb)
8.014 −1
𝑠𝑖𝑛 𝛷 = 𝑡𝑎𝑛 𝛼+1 = 8.014 +1 = 0.778 𝛷 = 51𝑜 Friksi internal = tan Φ = 1.23 2β=51+90=141
Triaxial
σ3 (psi)
10000 8000 6000 4000 2000 0
Gambar [3.1]. hubungan stress axial dengan stress radial.
3.1. Data Hasil Pengukuran
No sample
y = 16.02x + 4581. R² = 0.979
Menentukan cohesive strength Cohesive strength dapat ditentukan dengan persamaan [11] yang disusun kembali menjadi : 1 + sin Φ 𝜎1 − 𝜎3 1 − sin Φ 𝑆𝑜 = cos Φ 2 1 − sin Φ Temperatur 30 oC 𝜎1 = 7013 𝜎3 = 140 𝑝𝑠𝑖 𝑆𝑜 = 593 𝑝𝑠𝑖 Temperatur 90 oC 𝜎1 = 4909 𝑝𝑠𝑖 𝜎3 = 140 𝑝𝑠𝑖 𝑆𝑜 = 671 𝑝𝑠𝑖
Untuk membuat failure criterion dari MohrColoumb dapat menggunkan persamaan [5] sampai [14] yang sudah dibahas sebelumnya.
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
8
kondisi awal jarak antara piston actuator dengan specimen ada ruang sekitar 5mm. sedangkan apabila hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan [13] dibandingkan dengan interpolasi dari gambar [3.1], hasilnya tidak begitu jauh berbeda, karena persamaan [13] membutuhkan input data dari gambar [3.1] yaitu gradiennya.
Failure criterion (mohr-coloumb) Temperatur 30 oC
3.4. Efek Stress Radial
Gambar [3.2]. failure criterion untuk specimen batuan pada temperatur 30 oC
Dari data hasil pengukuran dapat terlihat dengan jelas bahwa semakin besar stress radial yang diberikan pada specimen, maka tekanan failure specimen tersebut semakin besar. gambar [3.4] dan [3.5] menunjukan hubungan stress radial dengan axial.
Temperatur 90 oC σ1 (psi)
Triaxial Tes Pada Temperatur 30 oC 10000 8000 6000 4000 2000 0 0
50
100
150
200
250
σ3 (psi)
Gambar [3.3]. ]. failure criterion untuk specimen batuan pada temperatur 90 oC
Gambar [3.4] hubungan stress axial dengan stress radial pada temperatur 30 oC Triaxial Tes Pada Temperatur 90 oC
3.3. Penentuan Unconfined Compressive Strength
Table [3.3]. Penentuan harga UCS UCS Temperatur
Ruangan
30 C
90 C
Uniaxial rata-rata (psi)
3460
triaxial (psi)
4581
3880
persamaan [12] (psi)
4760
3792
Dari ketiga harga UCS hasil melalui Triaxial lebih besar daripada dengan uniaxial, hal ini dikarena ada pengaruh air yang berada selama masa pengukuran, jadi beban yang berasal dari beban axial ada sebagian yang tertahan oleh air, karena pada
σ1 (psi)
Unconfined Compressive Strength (UCS) UCS (Co) dapat ditentukan secara langsung dengan metode uniaxial, hasil dari metode ini harga UCS sama dengan harga σ1 pada table [3.1]. sedangkan dengan metode SST, UCS dapat ditentukan dari gambar [3.1] dengan menarik persamaan garis, dan harga UCS diambil pada saat harga σ3 sama dengan nol, dan yang terakhir UCS juga dapat ditentukan melalui persamaan [12]. Hasil selengkapnya dapat dilihat pada table dibawah ini.
6000 4000 2000 0 0
50
100
150
200
250
σ3 (psi)
Gambar [3.5] hubungan stress axial dengan stress radial pada temperatur 30 oC Analisa mengenai perubahan stress radial (confining stress) dapat dilakukan dengan metode triaxial, sedangkan uniaxial tidak dapat melakukan hal sperti ini. Adanya tekanan confining yang semakin besar akan memberikan dukungan pada specimen, sehingga tekanan failure dari specimen tersebut akan meningkat. Kelakuan seperti ini dinamakan dengan strain hardening. 3.5. Efek Temperatur Pengaruh temperatur terhadap kekuatan batuan dapat diidentifikasi melalui besarnya tekanan failure pada kondisi temperatur yang berbeda-beda. Hasil pengujian terhadap specimen batuan pada temperatur
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
9
30 oC dan 90 oC dapat dilihat pada gambar [3.6]. dari gambar tersebut terlihat bahwa semakin tinggi temperatur, tekanan falirure batuan akan semakin menurun, hal ini dimungkinkan karena adanya kerusakan pada system sementasi batuan tersebut akibat adanya pemanasan. Inilah salah satu manfaat dari SST, dapat menganalisis perubahan sifat kekuatan batuan akibat perubahan temperatur. Sehingga model sebenarnya direservoir dapat didekati dengan model laboratorium.
6.
DAFTAR SIMBOL σ : stress σ1 : principal stress normal maksimum σ2 : principal stress normal medium σ3 : principal stress normal minimum σr : stress radial τ : shear stress So : cohesive strength µ : koefisien friksi internal. Φ : sudut pecah Co : unconfined compressive strength To : tensile strength A : luas permukaan P : tekanan F : gaya UCS : unconfined compressive strength SST : Single Stage Compressive Test MST : Multi Stage Compressive Test
7.
DAFTAR PUSTAKA
σ1 (psi)
Triaxial Test Pada Tempertur Yang Berbeda 10000 8000 6000 4000 2000 0
Temperatur 30 C Temperatur 90 C Temperatur 30 C
0
50 100 150 200 250
Temperatur 90 C
σ3 (psi)
1.
Gambar [3.6]. hubungan tekanan failure terhadap temperatur. 4.
KESIMPULAN 1.
parameter temperatur dan tekanan sangat penting dalam mensimulasikan kondisi reservoir kedalam skala laboratorium. alat Single Stage Triaxial Compressive Test dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh temperatur dan confining pressure terhadap sifat kekautan batuan. Meningkatnya temperatur menyebabkan kekuatan batuan mengalami penurunan, sedangkan dengan meningkatnya confining pressure menyebabkan kekuatan batuan mengalami peningkatan.
2.
3.
5.
2.
3. 4.
5.
REKOMENDASI 1.
2.
3.
4.
Alat Single Stage Compressive Strength dapat dilengkapi dengan strain gauge dan sensor computer agar dapat menganalisa perubahan strain, baik secara radial maupun axial. Sistem hidrolik yang sekarang terpasang kedepannya dapat diganti dengan sistem motor listrik agar proses pengukuran lebih sederhana. Dilakukan pengkajian lebih mendalam mengenai perubahan sifat fluida selama berada didalam cell agar hasil pengukuran lebih akurat. dilakukan kajian lebih mendalam pengaruh perubahan fluida yang digunakan didalam cell (misalnya gas dan oil) terhadap sifat kekuatan batuan.
6.
7.
Ecep Muhammad Mujib, 12206068, Semester 2 – 2009/2010
Khaksar. A, Taylor. P.G, Fang. Z, Keyes.T, Sazalar. A, Rahman. K, “Rock Strength from core and log : where we sstand and ways to go”, SPE 121972, annual conference and exhibition held in Amsterdam, The Netherland, 8-11 juni 2009. Fjaer. E, Rune. M, Horsud. P, Raaen. A M, and Risnes. R, :”petroleum realted rock mechanic”, Elsevier, Tokyo-London-New York. 1992 Ahmed S. Abou-Sayed.:”Reservoir Stimulation”. Descamps. F, and Tsibangu. J P, :”Development of an automated triaxial system for thermo-hydro-mechanical testing of rock”, ARMA 08-197, San Francisco, june 29-july 2, 2008 C.M. Ross, SPE, E.R. Rangel-German*, SPE, and L.M. Castainer, SPE, Stanford U.; P.S. Hara, SPE, Tidelands Oil Production Co.; and A.R. Kovscek, SPE, Stanford U.: “A Laboratory Investigation of Temperature Induced Sand Consolidation”, paper SPE 92398, 2005 SPE Western Regional Meeting, Irvine, CA, U.S.A., 2005 Denney, D. 2007. Ultradeep HP/HT completions :classification, design methodologies and technical challenges. Journal of Petroleum Technology 59 : 3, 8385. Jaeger, J.C. and Cook, N.W. 1979. Fundamentals of rock mechanics. 3rd edition. London: Chapman and Hall.
10
