PROCEEDING SIMPOSIUM NASIONAL IATMI 2001 Yogyakarta, 3-5 Oktober 2001
KELAKUAN FASA CAMPURAN ANTARA “RESERVOAR-INJEKSI-SURFAKTAN” UNTUK IMPLEMENTASI ENHANCED WATER FLOODING Sugihardjo 1, Edward Tobing 1, Sucahyo Wahyu Pratomo 2 1
2
PPPTMGB “LEMIGAS”, PERTAMINA Divisi Produksi Hulu
Kata kunci : kelakuan fasa, fluida reservoar-injeksi-surfaktan ABSTRAK Studi laboratorium tentang kelakuan fasa campuran fluida reservoar dan fluida injeksi dilakukan dengan menggunakan beberapa jenis bahan kimia surfaktan diantaranya ABS (Alkyl Benzene Sulfonate), RSPO10, Emulgen, FAEL (Fatty Alcohol Ethoxylated), Fatty Alcohol, Polyethylene Glycol, dan SLS (Sodium Ligno Sulfonate), serta beberapa jenis co-surfaktan alkohol yaitu: IPA, IBA, dan IAA. Surfaktan dan co-surfaktan tersebut di atas masing-masing dilarutkan pada beberapa jenis air injeksi dengan berbagai variasi konsentrasi, yang kemudian masing-masing dicampur dengan fluida reservoar (minyak dan air formasi). Beberapa formula campuran telah dibuat untuk memperoleh rancangan fluida injeksi yang optimal untuk dapat diimplementasikan di sebuah lapangan minyak yang telah dilakukan injeksi air. Rancangan tersebut diutamakan dapat menurunkan tegangan antar muka (ultra-low interfacial tention) antara fluida pendorong dan minyak, sehingga dapat meningkatkan efisiensi pengurasan minyak. Berdasarkan pengamatan terhadap kelakuan fasa campuran antara fluida reservoir dan fluida injeksi, maka dapat diklasifikasikan sebagai: emulsi fasa bawah, mikroemulsi (emulsi fasa tengah), emulsi fasa atas, makrooemulsi, dan endapan. Dalam fasa campuran yang membentuk mikroemulsi, merepresentasikan kondisi pendesakan terbaur (miscible displacement). Sedangkan dalam fasa campuran yang membentuk emulsi fasa atas atau fasa bawah, merepresentasikan kondisi pendesakan tak terbaur (immiscible displacement). Kelakuan fasa campuran tersebut, sangat dipengaruhi oleh: salinitas air pelarut, jenis dan konsentrasi alkohol, suhu, jenis dan konsentrasi surfaktan serta jenis minyak. 1.
PENDAHULUAN
Peningkatan Perolehan Minyak atau Enhanced Oil Recovery (EOR) merupakan penerapan teknologi yang memerlukan biaya, teknologi dan resiko yang tinggi. Untuk itu, sebelum mengimplementasikan EOR di suatu lapangan harus mengevaluasi dengan teliti baik secara teknik maupun ekonomi. Untuk mendapatkan addition recovery melalui salah satu cara EOR tersebut, yaitu dengan injeksi surfaktan, maka parameter yang diperbaiki adalah tegangan antar muka (IFT) air dan minyak. Dengan bercampurnya surfaktan, air dan minyak, maka terjadi emulsifikasi yang dapat menurunkan tegangan antar muka air-minyak, maka gaya kapiler pada daerah penyempitan pori-pori yang merupakan penghambat aliran minyak dapat dikurangi, sehingga sisa minyak yang terperangkap dalam pori-pori dapat didesak dan diproduksikan. Pendesakan surfaktan tersebut dapat berupa slug dan biasanya dilakukan setelah injeksi air yang sudah mencapai breakthrough dan tidak dapat memproduksikan minyak secara memadai. Beberapa lapangan minyak di Indonesia yang telah menerapkan teknologi injeksi air, saat ini kinerja produksinya mempunyai water cut yang sangat tinggi. Untuk memperbaiki tingkat pengurasan pada kondisi tersebut dapat dilakukan dengan menambahkan surfaktan dengan konsentrasi rendah ke dalam air injeksi., yang dapat memperbaiki mekanisme pendesakan. Untuk menentukan keberhasilan operasi injeksi surfaktan perlu dilakukan penelitian yang intensif di laboratorium melalui beberapa tahap. Sebagai tahap awal untuk dapat mengimplementasikan metoda injeksi surfaktan dari injeksi air tahap lanjut (Enhanced Water Flooding), maka perlu melakukan studi laboratorium untuk merancang fluida injeksi yang optimal, yaitu melakukan kajian kelakuan fasa campuran antara fluida reservoar, injeksi dan surfaktan.
IATMI 2001-21
2.
KELAKUAN FASA
Surfaktan merupakan zat aktif permukaan yang mampu menurunkan tegangan antar muka (IFT) minyak-air ketingkat yang lebih rendah. Sedangkan campuran surfaktan-air-minyak dapat membentuk emulsi fasa bawah (larut dalam air), emulsi fasa tengah (disebut mikroemulsi, larut dalam fasa minyak dan air) dan emulsi fasa atas (larut dalam minyak). Yang menjadi perhatian dalam kegiatan EOR injeksi surfaktan adalah terbentuknya mikroemulsi akibat proses emulsifikasi atau percampuran. Pada kondisi mikroemulsi, salah satu fasa menjadi fasa kontinyu (fasa external) dan yang lain membentuk butiran (fasa diskontinyu). Dua sifat penting dari mikroemulsi tersebut adalah : 2.1 Keseimbangan Fasa dan Proses Kelarutan. Keseimbangan fasa dan proses kelarutan dapat digambarkan dalam Diagram Terner yang terdiri dari tiga komponen yaitu: minyak, surfaktan dan larutan garam. Sebagai contoh, diagram terner yang sederhana terdiri dari sistem tiga komponen (pseudoternary diagram): surfaktan-minyak-air (Gambar–1). Dalam proses EOR, bagian penting Diagram Terner adalah daerah tiga fasa. Bentuk umum diagram terner tersebut dapat diklasifikasikan sebagai: tipe II(-), yaitu emulsi fasa bawah dan kelebihan fasa minyak; tipe II (+), yaitu emulsi fasa atas dengan kelebihan fasa air; dan tipe III, yaitu mikroemulsi fasa tengah. 2.2 Tegangan Antarmuka. Tegangan antar muka (interfacial tension, IFT) antara minyak dan mikroemulsi merupakan salah satu paremeter utama dalam EOR. Tegangan antar muka tersebut harus dikontrol dan ditentukan sebelum slug mikroemulsi digunakan untuk proses EOR. Healy dan Reed (1974) mempelajari pengaruh konsentrasi garam NaCl terhadap tegangan antar muka γmo
Kelakuan Fasa Campuran Antara Fluida “Reservoir-Injeksi-Surfaktan” Untuk Implementasi Enhanced Water Flooding
(mikroemulsi– minyak) dan γmw (mikroemulsi–air), serta pengaruh terhadap parameter kelarutan (solubilization paremeter) Vo/Vs dan Vw/Vs. Vs adalah volume surfaktan dalam mikroemulsi, sedangkan Vo dan Vw masing-masing adalah volume minyak dan volume air dalam fasa mikroemulsi. Gambar–2 menunjukkan pengaruh konsentrasi garam dalam air terhadap tegangan antar muka dan proses kelarutan dalam system minyak-air-surfaktan/cosurfaktan. Pada gambar tersebut terdapat hubungan antara konsentrasi larutan NaCl terhadap IFT. Pada sumbu mendatar terdapat tiga bagian yang terdiri dari l, m dan u. Bagian “l” menunjukkan kondisi emulsi fasa bawah, bagian “m” kondisi emulsi fasa tengah dan bagian “u” kondisi emulsi fasa atas. 3.
STUDI LABORATORIUM
Sugiharjo, Edward Tobing, Sucahyo Wahyu Pratomo
Gambar–6. Endapan: tidak berbentuk emulsi, tetapi terjadi padatan yang sangat lunak. Bentuk endapan dapat dilihat pada Gambar–7. 3.3 Pengamatan Tegangan Antar Muka. Campuran surfaktan/co-surfaktan, air injeksi atau larutan NaCl, dan minyak dapat membentuk fasa “mikroemulsiminyak”, “mikroemulsi-air”, atau keduanya. Pengukuran tegangan antar muka fasa “mikroemulsi-minyak” dan “mikroemulsi-air” diukur dengan menggunakan alat Spining Drop Interfacial Tensiometer. Seluruh pengukuran tegangan antar muka dilakukan pada suhu ruang (25 oC) yang menggunakan tetesan minyak sebanyak 1 mikro liter dan dilakukan 2 kali atau lebih untuk memperoleh ketelitian hasil percobaan.
3.1 Material Percobaan Percobaan untuk mengamati kelakuan fasa campuran surfaktan/co-surfaktan, air injeksi dan minyak dilakukan dengan menggunakan air injeksi dengan salinitas 30479.8 mg/L eq. NaCl (selanjutnya disebut AI, air injeksi), air formasi, dan larutan NaCl (Tabel-1). AI mengandung beberapa jenis ion divalen (Ca2+, dan Mg2+). Perconto minyak diambil dari reservoar yang telah dilakukan injeksi air, mempunyai gravity sekitar 43.8 oAPI pada kondisi 60 oF dan viskositas sebesar 0.6273 cp pada 150 oF (suhu reservoir), serta tegangan antar muka antara minyak dan AI sekitar 6.64 dyne/cm. Sedangkan larutan surfaktan yang digunakan adalah: Alkyl Benzen Sulfonat (ABS), RSPO10, Emulgen, FAEL (Fatty Alkohol Ethoxylated), Fatty Alcohol, Polyethylene Glycol, dan SLS (Sodium Ligno Sulfonate), Vsurfaktan, H-surfaktan, dan PG12-surfaktan. Serta CoSurfaktan yang digunakan adalah IPA (isopropil alkohol), IBA (isobutil alkohol) dan IAA (isoamil alkohol). 3.2 Pengamatan Kelakuan Fasa Pengamatan di laboratorium terhadap kelakuan fasa fluida cair campuran antara surfaktan/cosurfaktan, air injeksi dan minyak dilakukan dengan cara uji tabung, yaitu mencampurkan masing-masing fluida tersebut kedalam tabung reaksi dengan perbandingan volume dan kombinasi konsentrasi tertentu. Campuran yang terbentuk tersebut dikocok dan kemudian dipanaskan dalam oven hingga mencapai suhu reservoar, sehingga terbentuk fasa yang stabil, yang kemudian diamati kondisi fasanya. Secara umum kondisi fasa campuran yang terbentuk dan setelah dilakukan pengamatan secara kasat mata dapat diklasifikasikan dalam 4 kategori. Emulsi fasa bawah: emulsi yang terbentuk dalam fasa air, dalam kondisi dua fasa, berwarna translucent (jernih tembus cahaya) pada umumnya terbentuk pada kadar salinitas rendah, dan Vw/Vs>Vo/Vs. Foto bentuk emulsi fasa bawah terdapat pada Gambar-3. Mikroemulsi atau emulsi fasa tengah: emulsi terbentuk di fasa tengah, dalam kondisi tiga fasa (air-mikroemulsi-minyak), berwarna translucent, terbentuk pada kadar salinitas optimum, Vw/Vs=Vo/Vs. Foto bentuk mikroemulsi terdapat pada Gambar–4. Emulsi fasa atas: emulsi yang terbentuk di fasa minyak, dalam kondisi dua fasa, berwarna jernih, pada kadar salinitas tinggi cenderung membentuk emulsi di fasa atas, Vw/Vs
IATMI 2001-21
Percobaan yang telah dilakukan dengan berbagai kombinasi jenis larutan surfaktan, injeksi air dan minyak, maupun kombinasi berbagai konsentrasi, maka hasil pengukuran tegangan permukaan dapat diperoleh. Bila diplot antara tegangan antar muka (IFT) terhadap konsentrasi AI untuk fasa “mikroemulsi-minyak” dan fasa “mikroemulsi-air”, maka grafik yang diperoleh dapat dilihat pada Gambar-8 untuk campuran air injeksi dengan konsentrasi/ABS-2,25%/IAA0.75%/minyak. Gambar-9 menunjukkan hal yang sama untuk campuran air injeksi dengan konsentrasi/ABS-1,875%/IAA0.75%/minyak. 4.
PEMBAHASAN
Alkyl Benzene Sulfonate (ABS) merupakan satu-satunya jenis surfaktan yang telah diuji, yang mampu membentuk fasa tengah pada konsentrasi yang cukup tinggi. Akan tetapi ABS hanya dapat larut pada air dengan kadar garam yang rendah. Selain itu, ABS dapat larut pada larutan NaCl, namun hasil pencampurannya selalu membentuk makroemulsi. Oleh karena itu apabila air injeksi yang tersedia hanya AI, atau larutan NaCl saja , maka sudah dapat dipastikan bahwa ABS tidak dapat digunakan. Sodium Ligno Sulfonate (SLS) merupakan jenis surfaktan non petroleum base, yang larut dalam air AI maupun larutan NaCl. Namun jika dilihat berdasarkan kelakuan fasanya , SLS selalu membentuk endapan atau makroemulsi. Dengan demikian SLS bukan jenis surfaktan yang memadai untuk diaplikasikan. Ketiga jenis surfaktan: V-surfaktan, PG12-surfaktan dan Hsurfaktan larut dalam air AI maupun larutan NaCl. Dari ketiga surfaktan tersebut berdasarkan kelakuan fasanya, jenis Vsurfaktan memberikan hasil yang cukup baik dibandingkan dua jenis surfaktan lainnya , karena tidak tampak membentuk makroemulsi atau endapan. Namun demikian, V-surfaktan tidak mampu membentuk fasa tengah. Sehingga jika akan digunakan sebagai fluida injeksi, rancangan pendesakan yang akan terjadi membentuk proses pendesakan tidak terbaur (immiscible displacement). Surfaktan yang mempunyai komponen fatty alcohol terdiri dari Dehypon LS-45, Dehypon LS-54 dan FAEL (Fatty Alcohol Ethoxylated). Beberapa literature mengatakan surfaktan jenis ini sangat baik digunakan untuk pelarut air dengan kadar garam yang tinggi. Akan tetapi pada kenyataannya, surfaktan tersebut walaupun dapat larut dalam air AI, akan tetapi jika didiamkan akan terpisah dan berada
Kelakuan Fasa Campuran Antara Fluida “Reservoir-Injeksi-Surfaktan” Untuk Implementasi Enhanced Water Flooding
pada lapisan atas. Kelakuan fasa yang dihasilkan pada umumnya membentuk makroemulsi dengan air AI. Khusus untuk Dehypon pada kadar garam yang rendah dapat membentuk fasa atas. Sedangkan fasa bawah terbentuk pada kadar garam yang sangat rendah.
Sugiharjo, Edward Tobing, Sucahyo Wahyu Pratomo
DAFTAR PUSTAKA. 1.
Wellington, Scott L. and Richardson, Edwin.A (1997) Low Surfactant Concentration Enhanched Waterflooding. SPE Journal, Volume 2, pp 389-405.
Pada surfaktan jenis Emulgen dan RSPO10, fasa yang terbentuk adalah makroemulsi pada air pelarut dengan kadar garam yang tinggi. Pada kadar garam yang rendah, beberapa campuran dapat membentuk fasa bawah.
2.
Salager, J.L., Morgan, J.C., Schechter, R.S., Wade, W.H and Vasquez, E. (1979) Optimum Formulation of Surfactant/Water/Oil Systems for Minimum Interfacial Tention or Phase Behavior. SPE Journal, pp107-115.
5.
3.
Prince, L.M. (1977) Microemulsions – Theory and Practice”, Consulting Surface Chemist, West field, New Jersey, pp 148-167
4.
Robbin, Max.L., (1977) Theory for The phase Behavior of Microemulsions, SPE 5839, pp 539-551
5.
Healy, R.H, Reed, R.L. (1974) Immiscible Microemulsion Flooding. SPE 5817, pp 129-139.
KESIMPULAN
Berdasarkan studi laboratorium kalakuan fasa campuran fluida reservoar dan fluida injeksi dapat disimpulkan bahwa: V-surfaktan dapat diapliksikan pada Enhanced Water Flooding dengan konsentrasi yang rendah yaitu 2 %. Pada campuran tersebut tidak terbentuk kondisi 3 fasa (mikroemulsi), akan tetapi terbentuk emulsi fasa bawah. Maka dapat digunakan untuk rancangan fluida injeksi yang merupakan system pendesakan tak terbaur (immiscible displacement) pada proses enhanced water flooding. Dengan adanya kandungan ion divalen pada air injeksi dan air formasi, maka cenderung emulsi yang terbentuk akan semakin sulit, disamping kadar garam yang tinggi. UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada PERTAMINA yang telah mendukung penelitian ini dan memberikan izin untuk mempublikasikannya. DAFTAR SIMBOL V = Volume fluida, cm3 Subscrip m = mikroemulsi o = minyak s = surfaktan w = air
IATMI 2001-21
Tabel-1 Kandungan Garam Air Formasi/Injeksi Jenis Air Kation Sodium Kalsium Magnesium Ferrum Anion Klorida Bikarbonat Sulfat karbonat Total
Air Formasi
Air Injeksi
mg/L 5763 296.6 41.3 6.7
mg/L 9862 256.5 1079.8 6.7
9041.5 842 15,991.10
17019.4 134.2 2317.3 30,675.90
Kelakuan Fasa Campuran Antara Fluida “Reservoir-Injeksi-Surfaktan” Untuk Implementasi Enhanced Water Flooding
Gambar-1 Diagram Pseudoterner Brine-Surfaktan-Minyak
Gambar-2 Hubungan Kadar Garam dan Tegangan Antarmuka
IATMI 2001-21
Sugiharjo, Edward Tobing, Sucahyo Wahyu Pratomo
Kelakuan Fasa Campuran Antara Fluida “Reservoir-Injeksi-Surfaktan” Untuk Implementasi Enhanced Water Flooding
Sugiharjo, Edward Tobing, Sucahyo Wahyu Pratomo
Gambar-3 Foto Emulsi Fasa Bawah Campuran Brine-20.000 ppm/ABS-1.5 %/IAA0.75 %/Minyak (400X) Gambar-6 Foto Mikroemulsi Campuran Brine-30.000 ppm/ABS7.5 % IBA-3.0 % minyak (400 X)
Gambar-4 Foto Mikroemulsi Fasa Tengah Campuran Brine-27.500 ppm/ABS-7.5 %/IBA7.5 %/Minyak (400X)
Gambar-7 Foto Mikroemulsi Campuran Brine-27.500 ppm/ABS1.125 % IBA-0.375 % minyak (400 X)
Gambar-5 Foto Emulsi Fasa Atas Campuran Brine-30.000 ppm/ABS5.06 %/IBA-2.25 %/Minyak (400X) 1.000E+00
1.000E+00 IFT mo
Tegangan Antarmuka (dyne/cm)
Tegangan Antarmuka (dyne/cm)
IFT mw 1.000E-01
1.000E-02
1.000E-03
1.000E-04
1.000E-05 10000
IFT mo IFT mw
1.000E-01
1.000E-02
1.000E-03
1.000E-04
15000
20000
25000
30000
Air Injeksi (ppm)
35000
1.000E-05 10000
15000
20000
25000
30000
35000
Air Injeksi (ppm)
Gambar-8: Hubungan Tegangan Gambar-8 Kadar Garam AirKadar Injeksi HubunganAntarmuka Tegangandan Antarmuka dan (ABS 2,25%-IAA-0.75%) Garam Air Injeksi (ABS 2.25 %-IAA-0.75 %)
IATMI 2001-21
Gambar-9: Hubungan Tegangan Gambar-9 Antarmuka danAntarmuka Kadar Garamdan Air Injeksi Hubungan Tegangan Kadar (ABS 1,875%-IAA-0.75%) Garam Air Injeksi (ABS 1.875 %-IAA-0.75 %)
