PERANCANGAN DAN OPTIMASI PEREKAHAN HIDRAULIK PADA SUMUR GAS DENGAN FORMASI TIGHT
Lina Syafitri* Dr. Ir. Sudjati Rahmat**
Sari Perekahan hidraulik atau hydraulic fracturing merupakan salah satu stimulasi sumur untuk meningkatkan produksi dari sumur tersebut. Kebutuhan gas yang sangat besar sekarang ini menyebabkan eksploitasi minyak dan gas mulai dilakukan pada reservoir yang unkonvensional. Sumur gas dengan permeabilitas yang sangat kecil merupakan salah satu reservoir yang unkonvensional. Untuk memproduksikan gas tersebut agar ekonomis, sehingga dirancanglah suatu stimulasi perekahan hidraulik dan optimasinya. Optimisasi dilakukan dengan menggunakan NODAL sistem analisis. Perancangan perekahan hidraulik dilakukan dengan metode 2D KGD dengan mempertimbangkan hasil optimisasi diatas Kata Kunci : Perekahan hidraulik, IPR, sumur gas tight, optimisasi Abstract Hydraulic fracturing is one of the well stimulation method to improve production from the well. High gas demand causes the oil and gas exploitation in the unconventional reservoir. Needs a very large gas these days causes the oil and gas exploitation began in the reservoir unconventional. Therefore to produce the gas economically, design and optimization of hydraulic fracturing stimulation are needed. NODAL system analysis conducted to optimize hydraulic fracture. It was consider also for hydraulic fracturing design by using two dimensional KGD method. Keywords : Hydraulic fracturing, IPR, tight gas well, optimization *Mahasiswa program studi Teknik Perminyakan ITB **Dosen Pembimbing program studi Teknik Perminyakan ITB
PENDAHULUAN Kebutuhan energi dunia yang meningkat membuat permintaan terhadap produksi gas juga membesar. Dengan peningkatan permintaan tersebut, maka harga gas juga semakin meningkat. Hal inilah yang menyebabkan beberapa operasi minyak dan gas mulai melihat lapangan-lapangan yang dahulunya tidak ekonomis (karena harga gas pada saat itu masih rendah). Diantara lapangan-lapangan tersebut diantaranya ada yang merupakan lapangan yang unkonvensional. Unkonvensional disini adalah lapangan yang reservoirnya bukan merupakan batuan klastik atau karbonat. Lapangan gas yang reservoirnya kurang dari 0.1 md merupakan reservoir yang unkonventional. Hal ini dikarenakan semakin kecil permeabilitas dari suatu reservoir maka kemampuan mengalirkan fluidanya menjadi lebih kecil. Oleh karena itu dibutuhkan suatu cara agar produksi dari sumurnya melebihi batas ekonomis operasi produksi suatu sumur tersebut. Pada paper ini akan dibahas suatu contoh studi kasus dengan menggunakan data asumsi untuk menjelaskan langkah-langkah desain dan optimasinya secara terintegrasi. Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
TUJUAN PEKERJAAN Studi ini dibagi menjadi 3 bagian yaitu: 1. Penentuan IPR sumur sebelum dilakukan hydraulic fracturing 2. Mengoptimasi panjang dan tinggi rekah yang optimal 3. Mendisain hydraulic fracturing Penentuan IPR sumur sebelum dilakukan perekahan hydraulic dengan menggunakan data-data formasi yang ada seperti permeabilitas, thickness, skin, dan data lainnya. Kemudian dengan menggunakan IPR hydraulic fracturing dilakukan beberapa sensitivity untuk menghitung berapa panjang dan tinggi rekah yang optimum. Terakhir adalah mendisain hydraulic fracturing dengan cara kerja yang sudah ada. TEORI DASAR Pengertian dari perekahan hidraulik adalah teknik stimulasi sumur dengan merekahkan formasi disekitar sumur agar fluida semakin mudah mengalir kedalam sumur. Biasanya teknik ini dilakukan pada formasi yang permeabilitasnya kecil ataupun sedang dan laju alir initialnya tidak ekonomis. 1
Jadi pada intinya pekerjaan hydraulic fracturing ini adalah merekahkan formasi dengan menginjeksikan fluida perekah dan menekannya sehingga melebihi tekanan rekah formasi dan tahap kedua adalah mengganjal rekahan yang sudah ada dengan pasir yang well-sorted yang disebut propant. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam pekerjaan hydraulic fracturing ini adalah sebagai berikut: Tekanan rekah formasi Geometri rekahan Produktivity dari sumur Perancangan Dan evaluasi setelah pekerjaan tersebut Analisa sistem NODAL yaitu dengan memperhatikan perpotongan IPR (Inflow Performance Relationship) dan TPR (Tubing Performance Relationship). Analisa sistem NODAL dibutuhkan untuk mengetahui pengaruh rekahan dan geometrinya dalam deliverability sumur. Pengaruh geometri terhadap laju alir solusi NODAL dapat dilihat untuk mengoptimasi perancangan perekahan hidraulik. METODOLOGI Asumsi Data Data-data yang dipakai pada studi ini adalah asumsiasumsi yang digunakan penulis. Adapun tipe fluida yang digunakan adalah dry gas untuk simplifikasi perhitungan dengan SG gas 0.7 (udara = 1) dan kandungan CO2 sebesar 5%. Diasumsikan pula bahwa sumurnya adalah sumur cased hole vertikal dengan kedalaman 7000 ft, ukuran tubing OD 3-1/2” (ID = 2.992”) dan production casing dengan ukuran OD 7” (ID = 6”). Temperatur di permukaan adalah 80 degF dan temperatur di formasi adalah 200 degF. Sedangkan untuk data formasi seperti yang ada pada tabel 1 dibawah ini. Tabel 1 Asumsi data-data formasi Jumlah Unit Tekanan reservoir 2500 Psig Permeabilitas 0.1 Md Ketebalan 100 Ft Luas Pengurasan 162 Acres Dietz shape factor 30 Jari-jari sumur 0.3 Ft Porositas 0.1 Fraction Skin 0 Penentuan IPR sebelum direkahkan Penentuan IPR sumur sebelum direkahkan adalah dengan penggunakan persamaan aliran pada periode pseudosteady state.
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
Persamaannya sendiri adalah sebagai berikut. q
kh ( p r
2
p wf
2
)
1.422 x10 6 z T ln 0.472 re / rw
Dimana:
q k h z T
pr p wf re rw
= laju alir fluida (MMscf/d) = permeabilitas efektif fluida (md) = ketebalan net formasi (ft) = viskositas fluida (cp) = faktor deviasi gas = Temperatur reervoir (ºR) = tekanan reservoir di batas (psia) = tekanan alir dasar sumur (psia) = jari-jari pengurasan (ft) = jari-jari lubang sumur (ft)
Pada pengerjaannya sendiri disini dibantu salah satu sofware untuk well performance. Sensitivity panjang dan tinggi rekahan Setelah mengetahui IPR sumur sebelum direkahkan, maka dilakukanlah sensitivity panjang dan tinggi rekahan dan pengaruhnya terhadap IPR dari sumur tersebut. Persamaan aliran yang digunakan untuk memprediksi IPR perekahan hidraulik adalah sebagai berikut. P 2i
p 2 wf
70.6qB kr h
ln
0.000264 kr t 2 crf
1.80907
h 2 kr 2 6 rf k z
Untuk mempercepat pekerjaan maka digunakan software untuk menyelesaikan persamaan tersebut. Dari hasil IPR diatas, dipotongkan dengan TPR yang sama maka didapatkanlah laju alir gas nya. Kemudian diplot antara Q gas dengan sensitivity panjang rekahan dan tinggi rekahan sehingga didapatkan Q gas yang paling optimal. Disain Hydraulic Fracturing Langkah pertama dalam mendisain adalah pemilihan dari proppant. Proppant merupakan bahan untuk mengganjal hasil rekahan dan membuat permeabilitas yang besar direkahan tersebut. Konsiderasi pemilihan proppant itu sendiri adalah closure stress dari formasi tersebut. Semakin besar closure stress nya maka semakin kecil permeabilitas yang bisa dihasilkan proppant. Oleh karena itu harus dipilih bahan proppant yang tepat untuk mempertahankan permeabilitas yang diinginkan.
2
Persamaan untuk menghitung closure stress adalah sebagai berikut. 'h
v 1
v
H 144
Untuk perhitungan frictional pressure drop dapat digunakan persamaan dibawah ini.
pp
518
pf
0.79
q 1.79 1000 D 4.79
0.207
L
Dimana: Dimana:
'h V H pp
= closure stress (psi) = Poison’s ratio = Overburden density (lbm/ft3) = Formation depth (ft) = Biot constant = reservoir pressure (psi)
Efek dari closure stress terhadap permeabilitas ditunjukkan oleh grafik dibawah ini.
Gambar 1 – Efek closure stress terhadap permeabilitas proppant (Economides and Nolte, 2000) Kemudian adalah menentukan tekanan injeksi fluida dipermukaan. Hal ini penting untuk memilih pompa yang tepat untuk menginjeksikan fluida dan proppant. Persamaan yang dipakai adalah sebagai berikut. p si
p bd
ph
pf
Dimana: Psi = surface injection pressure (psia) Pbd = formation breakdown pressure (psia) ∆Ph = hydrostatic pressure drop (psia) ∆Pf = frictional pressure drop (psia)
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
= density of fluid (g/cm3) = injection rate (bpm) = fluid viscosity (cp) = tubing diameter (in) = tubing length (ft)
Q D L
Kemudian menentukan volume pad yang akan diinjeksikan dengan proses iterasi yang ditunjukan oleh grafik berikut ini. Perhitungan dibawah ini menggunakan metode KGD untuk memudahkan perhitungan.
Gambar 2 – Proses iterasi untuk menentukan waktu injeksi dan volume pad (Guo, Lyons, and Ghalambor, 2007) Kemudian menentukan berapa berat proppant yang dibutuhkan dengan menggunakan persamaan dibawah ini. Mp
c p Vinj
V pad
Dimana: cf cp 1 = konsentrasi final proppant (ppg) cf 1 1
V pad
= volume pad (gal)
3
HASIL PERHITUNGAN DAN ANALISA Penentuan IPR sebelum direkahkan Dari data-data yang ada pada tabel 1 diatas, maka dapat dibuat IPR sumur sebelum direkahkan. Gambar 3 menunjukkan kurva IPR sumur sebelum direkahkan.
IPR sensitivity Xf 3000 IPR Xf = 10 ft IPR Xf = 231 ft
2500
IPR Xf = 452 ft IPR Xf = 673 ft
Pwf (psig)
2000 IPR sumur-X sebelum direkahkan
3000
IPR Xf = 894 ft
1500
IPR Xf = 1115 ft IPR Xf = 1336 ft
1000
IPR Xf = 1557 ft
2500
IPR Xf = 1778 ft
500
IPR Xf = 2000 ft
Pwf (psig)
2000 VLP
0 0
1500
1
2
3
4
5
6
Gas Rate (MMscf/d) 1000
Gambar 5 – IPR sensitivity terhadap panjang rekahan
500 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Gas Rate (MMscf/d)
Sehingga untuk memilih panjang rekahan yang paling optimum, digunakan grafik laju alir gas terhadap panjang rekahannya. Gambar 6 dibawah ini menunjukkan laju alir gas terhadap panjang rekahan.
Gambar 3 – IPR sumur sebelum direkahkan
Sensitivity Xf vs Gas Rate 5
3000 2500
0.006
4.5 0.005
4 3.5
0.004
3 2.5
0.003
2 0.002
1.5 1
2000
dQ/dX
IPR sumur-X sebelum direkahkan
Pwf (psig)
Dari gambar 6 dipilih panjang rekahan adalah 1500 ft karena dari kurva terlihat bahwa penambahan laju alir gas tidak terlalu signifikan lagi setelah 1500 ft.
Gas Rate (MMscf/d)
Seperti yang dapat dilihat pada gambar 3 diatas, Absolute Open Flow (AOF) sumur tersebut adalah sekitar 0.66 MMscf/d. Jika kurva IPR tersebut dianalisa dengan menggunakan nodal system analisis dengan memotongkan kurva IPR tersebut dengan kurva TPR nya, maka gabungan dari kedua kurva tersebut ditunjukkan oleh gambar 4 berikut.
0.001
0.5 1500
0 0
500
1000
1500
0 2500
2000
Xf (feet)
1000
Gambar 6 – Sensitivity panjang rekahan
500 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Gas Rate (MMscf/d)
Gambar 4 – Nodal Analysis IPR-TPR sumur sebelum direkahkan Dapat dilihat pada gambar 4 hasil nodal analysis didapatkan laju alir gas sebesar 0.62 MMscf/d.
Sama seperti panjang rekahan, tinggi rekahan merupakan salah satu parameter yang disensitivity untuk mendapatkan tinggi rekahan yang paling optimal. Langkah pengerjaannya sendiri sama seperti sensitivity panjang rekahan. Gambar 7 menunjukkan IPR sensitivity terhadap tinggi rekahan. dan Gambar 8 menunjukkan sensitivity panjang rekahan terhadap laju alir gas.
Sensitivity Panjang dan Tinggi Rekahan Sensitivity panjang dan tinggi rekahan dilakukan dengan menggunakan IPR sumur rekah. Gambar 5 menunjukkan beberapa IPR yang merupakan hasil sensitivity panjang rekahan bahwa semakin besar panjang rekahan, maka semakin tinggi peningkatan produktivitas dari sumur tersebut.
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
4
IPR sensitivity Hf 3000 IPR Hf = 10 ft IPR Hf = 20 ft
2500
IPR Hf = 30 ft IPR Hf = 40 ft
Pwf (psig)
2000
IPR Hf = 50 ft
1500
hampir sama yaitu ~300 md. Sehingga kedua proppant itu sama baik untuk digunakan. Setelah memilih jenis proppant, langkah berikutnya adalah menentukan berapa tekanan injeksi perekahan dipermukaan. Diasumsikan beberapa data seperti SG dan viskositas fluida perekah, dan laju alir injeksi seperti yang ditunjukkan tabel 3 dibawah ini.
IPR Hf = 60 ft
Tabel 3 – Asumsi data fluida perekah Parameter Jumlah Unit SG fluida perekah 1.2 Viskositas fluida perekah 1.25 Cp Laju alir injeksi 30 Bpm
IPR Hf = 70 ft
1000
IPR Hf = 80 ft IPR Hf = 90 ft
500
IPR Hf = 100 ft VLP
0 0
1
2
3
4
5
6
Gas Rate (MMscf/d)
Gambar 7 – IPR sensitivity terhadap tinggi rekahan
Perhitungan hidrostatik pressure drop: ph 0.433 1.2 7000 3637 psi
Sensitivity Hf vs Gas Rate
Perhitungan friksional pressure drop:
6
Gas Rate (MMscf/d)
5
0.79
518 1.2
pf
30
1.79
1000 2.992
1.25
0.207
7000
4.79
10144 psi
4
Perhitungan breakdown pressure: p bd 3 h, min T0 p p h , max
3 2
dimana:
1
h , min
h
'
pp
2090
0.7 2500
3840 psi
0 0
20
40
60
80
100
120
Xf (feet)
h , max
Gambar 8 – Sensitivity tinggi rekahan Dapat dilihat pada gambar 8 penambahan laju alir gas berbanding lurus terhadap penambahan tinggi rekahan. Penambahannya sendiri memiliki gradient yang konstan. Sehingga untuk tinggi rekahan, dipilihlah tinggi rekahan maksimal yaitu 100 ft (ketebalan formasi). Disain Hydraulic Fracturing Pertama adalah dilakukan pemilihan proppant. Pemilihan proppant berdasarkan kondisi in situ stress. Diasumsikan bahwa data-data batuan adalah ditunjukkan oleh tabel 2 dibawah ini. Tabel 2 – Asumsi data batuan Overburden Density 165 Lbm / cu ft Poison’s ratio 0.25 Biot Constant 0.7 'h 'h
v 1 1
H v 144
0.25 0.25
pp 165 7000 144
0.7 2500
2090 psi
T0 pbd
h , min
tect
3840
2000
5840 psi
1000
2500
4180 psi
= 1000 psi 3 3840
5840
Sehingga tekanan injeksi dipermukaan adalah p si 4180 3637 10144 10687 psi Setelah itu adalah menghitung berapa volume fluida injeksi, jumlah proppant, dan jadwal penginjeksian dengan menggunakan prosedur yang ditunjukkan oleh gambar 2. Diasumsikan data batuan tambahan dan data proppant yang diperlukan untuk perhitungan adalah seperti yang ditunjukkan tabel 4 dibawah ini. Tabel 4 – asumsi data batuan tambahan dan data proppant Parameter Jumlah Unit Mod. Young 4 x 106 Psi Leak off coef. 0.002 Ft/min0.5 Proppant density 165 Lb / ft3 Proppant porosity 0.4 Fraction Final Proppant concentration 3 Ppg
Closure stress yang didapatkan adalah 2090 psi. Dengan menggunakan gambar 1, baik dengan highstrength proppant maupun intermediate strength proppant menghasilkan angka permeabilitas yang Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
5
Perhitungannya adalah sebagai berikut: rata-rata lebar rekahan: qi
0.29
1
v x
= 1,5x105 lb
1/ 4
Gh f
Kemudian dibuat jadwal pembuatan proppant seperti dibawah ini.
4 1/ 4
30 1.25 1 0.25 6000 4 10 6 100 2 1 0.25
w
0.29
w
0.208"
cp t
2
3
t 2,6 3.7 2,6
0.44
4
Sehingga jadwal konsentrasi slurry terhadap waktu injeksi dapat dilihat oleh gambar 9 dibawah ini. 3,5
Luas rekahan: Af 2x f h f
5
2 1500 100
3 10 ft
2 3
Diasumsikan KL = 1.28, 0.326 12
1.2 10 6
30 5.615 t i
1.2
10
6
2 1.25 0.002
100 100
ti
Konsentrasi slurry (ppg)
w
2 f
Sehingga jumlah proppant yang dibutuhkan: M p c p Vinj V pad 1.8 280617 192872
2,5 2 1,5 1 0,5
Diasumsikan waktu injeksinya adalah 3,7 jam karena rekahan yang dibutuhkan panjang. Sehingga dapat di cek KL dengan cara sebagai berikut. Vinj
qi t i
V frac
3 10 5
Af w
V frac
244166 3628800
Vinj
2,8 x10 5 gal
30 42 3.71 60
KL
1 2
3 8
KL
1 2
3 0.067 8
0.208 12
5 x10 4 gal
7.48
0.185
1 1
0.067
1.3
Dapat dilihat dari hasil perhitungan diatas angka KL sudah ok. Kemudian setelah didapatkan volume total yang diinjeksikan, maka dapat dihitung berapa volume pad dan lama waktu penginjeksian pad dan jumlah proppant yang dibutuhkan dan jadwal pembuatan slurry nya. Volume pad dan lama waktu injeksi pad: 1 1
1 1
V pad
Vinj
0.185 0.185
0.687
280617 0.687
1,9 x10 5 gal
Sehingga untuk menginjeksikan volume pad diatas dengan kecepatan injeksi 30 bpm, maka diperlukan waktu 2,5 jam. Konsentrasi proppant yang dibutuhkan: cp
cf 1
1
3 0.687
1.8 ppg
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Waktu Injeksi (jam)
Gambar 9 – Konsentrasi slurry vs waktu injeksi Hasil-hasil perhitungan diatas dapat dirangkum seperti yang dapat dilihat di tabel 5 dibawah ini. Tabel 5 – rangkuman hasil perhitungan Parameter Jumlah Unit Qg sebelum frac 0.62 MMscf/d Qg sesudah frac 4.2 MMscf/d 1/2 panjang rekahan 1500 ft tinggi rekahan 100 ft permeabilitas proppant 300 md Tekanan injeksi permukaan 104 psi Lebar rekahan 0.208 inch Volume pad 1,9x105 gal 5 Massa Proppant 1,5x10 lb Waktu injeksi pad 3 jam Waktu injeksi total 3.7 jam Hasil diatas dicek dengan menggunakan software. Hasil software terdapat pada lampiran. Tabel 6 menunjukkan rangkuman hasil software dengan hasil perhitungan. Tabel 6 – Perbandingan dengan software Parameter Software Excel Unit Lebar rekahan 0.283 0.208 inch tekanan injeksi Max. permukaan 16355 10687 psi effisiensi 0.133 0.185
6
Perbedaan perhitungan diatas tidak terlalu signifikan. Hal ini menandakan perhitungan yang dilakukan di excel sudah benar. Perbedaan tersebut disebabkan karena perhitungan kehilangan tekanan friksi pada tubing dimana di software menggunakan korelasi. Perbedaan tersebut juga karena banyak data yang perlu dimasukkan kedalam software sehingga menyebabkan perhitungan software yang lebih detail. Pada software didapatkan parameter-parameter dalam kondisi maksimum. Hal ini dikarenakan pada kenyataannya, angka disain tidak akan tepat. Sehingga diberikan range tertentu. KESIMPULAN 1. Sensitivity pada IPR dapat membantu dalam menentukan panjang dan tinggi optimum dari rekahan 2. Dari IPR dapat terlihat adanya peningkatan yang signifikan laju alir gas jika kita melakukan perekahan hidraulik 3. Dari asumsi data dan perhitungan berdasarkan asumsi tersebut, diperlukan panjang rekahan yang cukup besar yaitu 1500 ft 4. Panjang rekahan yang besar itu membuat dibutuhkannya pompa injeksi yang besar sehingga mampu menginjeksi dengan laju alir tinggi dan dapat menghemat waktu injeksi. SARAN 1. Disarankan untuk melakukan cek dengan menggunakan software komersial terhadap perhitungan disain perekahan hidraulik 2. Disarankan untuk melakukan simulasi untuk memprediksi berapa cadangan yang bisa diambil 3. Disarankan juga untuk melakukan analisa perekonomian DAFTAR PUSTAKA 1. Ahmed, Tarek., McKinney, Paul D. : Advanced Reservoir Engineering, Elsevier Inc, 2005 2. ERCB : Theory and Practice of the Testing of Gas Wells. 1975 3. SPE, Elbel, Jack, Ayoub, Joseph : Evaluation of Apperent Fracture Lengths Indicated From Transient Tests, 1992 4. SPE Reprint Series 14 : Pressure Transient Testing Methods, 1980 5. Economides, Michael J, Nolte, Kenneth G : Reservoir Stimulation, 1989 6. Abdassah, Doddy : Analisa Transien Tekanan, 1998 7. Guo, Boyun., Lyons, W.C, Ghalambor, Ali. : Petroleum Production Engineering A Computer-Assisted Approach, Elsevier, Louisiana, 2007
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
7
Lina Syafitri, 12206067, Semester 1 – 2010/2011
8
