IATMI 2006-TS-20 PROSIDING, Simposium Nasional & Kongres IX Ikatan Ahli Teknik Perminyakan Indonesia (IATMI) 2006 Hotel The Ritz Carlton Jakarta, 15-17 November 2006
STUDI LABORATORIUM PENGARUH INJEKSI POLIMER DENGAN BERBAGAI KONSENTRASI TERHADAP PENINGKATAN PEROLEHAN MINYAK PADA RESERVOIR KARBONAT Agus Widyarso, Boni Swadesi, Wisnu Aji Wibowo, Sudarmoyo UPN “Veteran” Yogyakarta air (waterflooding). Injeksi air terbukti dapat mempertahankan penurunan tekanan reservoir dan juga dapat mendorong minyak hingga saturasi minyak residual (Sor). Penambahan polimer dalam air injeksi dimaksudkan untuk: 1. memperbaiki sifat fluida pendesak, yaitu viskositasnya sehingga diharapkan dapat meningkatkan perolehan minyak yang lebih besar. 2. Mengurangi mobilitas ratio antara air dengan minyak sehingga dapat meningkatkan efisiensi penyapuan. Pada paper kali ini akan dibahas seberapa besar pengaruh dari beberapa harga konsentrasi polimer terhadap peningkatan perolehan minyak yang dilakukan dengan uji laboratorium.
SARI Akibat rasio mobilitas air-minyak yang tinggi dalam reservoir, sebagian besar minyak tidak bisa dikeluarkan. Salah satu metode Enhanced Oil Recovery (EOR) yang dapat diterapkan, yaitu injeksi kimia yang diantaranya adalah polimer flooding. Injeksi polimer (Polymer Flooding) pada dasarnya merupakan injeksi air (Water Flooding) yang disempurnakan. Penambahan polimer dalam air injeksi dimaksudkan untuk memperbaiki sifat fluida pendesak, yaitu viskositasnya sehingga diharapkan dapat meningkatkan perolehan minyak yang lebih besar. Ada dua tahap yang dilakukan dalam penelitian ini, yaitu analisa polimer secara statis yang dilakukan untuk memilih dua polimer yang paling baik sebagai fluida injeksi dari beberapa polimer yang akan diuji dan analisa polimer secara dinamis yang dilakukan untuk menguji kembali dua polimer yang telah dipilih, sehingga didapat polimer yang paling optimal sebagai fluida injeksi lapangan X. Dari hasil pengujian laboratorium, polimer B dengan konsentrasi 2000 ppm diputuskan sebagai polimer yang paling baik untuk digunakan sebagai fluida injeksi pada lapangan X. PENDAHULUAN Peningkatan produksi yang dilakukan di berbagai lapangan, menyebabkan penurunan tekanan reservoir yang pada akhirnya mengurangi produktivitas sumur. Untuk mempertahankan penurunan tekanan tersebut, maka dilakukan secondary recovery sehingga dapat pula meningkatkan perolehan minyak. Salah satu upaya secondary recovery ialah dengan melakukan injeksi
-1-
DASAR TEORI Enhanced Oil Recovery, pada umumnya dilaksanakan dengan cara menginjeksi suatu fluida (air atau gas) ke dalam sumur produksi dengan tujuan untuk meningkatkan laju produksi dari suatu sumur tanpa merusak formasi dari reservoir tersebut. Injeksi zat kimia adalah salah satu metode EOR (Enhanced Oil Recovery) dengan menginjeksikan zat kimia ke dalam reservoir, dengan tujuan utama untuk mengubah sifat fisik fluida dan batuan reservoir yang berpengaruh terhadap peningkatan efisiensi pendesakan dan penyapuan. Salah satu injeksi kimia yang sering digunakan adalah injeksi polimer. Tinjauan Umum Polimer Polimer atau sering disebut makromolekul adalah rangkaian molekul sederhana berukuran sangat panjang yang terbentuk dari perulangan unit-
unit kimia kecil dan sederhana. Molekul–molekul yang bergabung membentuk polimer disebut monomer. Pengulangan dari monomer–monomer ini bisa berbentuk linier yang membentuk rantai panjang atau bisa juga rantai bercabang atau interkoneksi yang akan membentuk jaringan tiga dimensi. Menurut pembentukannya, polimer digolongkan ke dalam dua golongan, yaitu polimer alam dan polimer sintetik. Polimer alam terbentuk dari suatu kegiatan organik, seperti fermentasi, contoh : xanthan gum. Sedangkan polimer sintetik dibentuk dari sintesa senyawa–senyawa kimia sederhana, seperti polyacrilamide. Selain itu, polimer dibedakan atas ada tidaknya muatan ion pada rantai molekulnya : (polimer ionik) atau sering disebut polyelectrolytes dan polimer tak bermuatan (polimer non–ionik). Jenis Polimer Yang Digunakan Jenis polimer yang umum digunakan untuk injeksi guna meningkatkan perolehan minyak adalah Xanthan Gum dan Polyacrilamide. Keduanya merupakan polimer yang dapat larut dalam air. - Xanthan Gum Xanthan Gum sering juga disebut biopolimer atau polysaccharide yang merupakan polimer alam dan bersifat ionik serta larut dalam air. Xanthan Gum dihasilkan dari mikroorganisme Xanthomonas campestris, melalui proses fermentasi pada media karbohidrat yang mendapatkan supply protein dan energi gas nitrogen (N2). Xanthan gum dapat meningkatkan viskositas. Sifat ini adalah rheologi dari xanthan gum karena asosiasi rantai polimer. Larutan encer xanthan gum sangat pseudoplastik. Dibawah kondisi shear yang besar seperti pemompaan, larutan xanthan gum mempunyai viskositas yang sangat kecil. Adanya sedikit Sodium Chloride (NaCl) akan menurunkan viskositas larutan xanthan gum yang berkonsentrasi rendah. Polimer ini bersifat ionik dan bersifat polar, lebih tahan terhadap degradasi mekanis daripada polyacrilamide - Polyacrylamide Polyacrilamide merupakan polimer sintetis yang bersifat non–ionik yang disintesis dari monomer acrylamide. Umumnya polyacrylamide dibuat berdasarkan mekanisme radikal bebas. Molekul polyacrylamide adalah molekul yang sangat fleksibel, dimana rantai yang panjang dan diameter molekul yang relatif kecil membuat polimer ini sensitif terhadap kerusakan mekanis dan degradasi. Untuk menambah keefektifannya dalam peningkatan perolehan minyak, sering kali -2-
diinginkan sifat polimer yang ionik. Polyacrylamide dapat menjadi polimer ionik dengan penambahan gugus–gugus bermuatan. Hal ini dilakukan dengan mereaksikan polyacrylamide dengan basa kuat (NaOH dan KOH). Reaksi ini dikenal dengan istilah hidrolisa. Polyacrilamide dapat mengalami degradasi mekanis dan kimia. Degradasi mekanis PHPAM yang ionik dipengaruhi kegaraman (salinitas). Semakin tinggi kegaraman, semakain banyak jumlah gugus bermuatan PHPAM yang ternetralisir dan menyebabkan ukuran molekul mengecil. Pendesakan Polimer Di saat proses injeksi air terbukti kurang efisien, akibat terproduksinya air secara besar– besaran dan rendahnya perolehan minyak saat breakthrough, maka injeksi polimer menjadi salah satu solusi yang feasible untuk memperbaiki proses EOR tersebut. Tetapi, aplikasi operasi injeksi polimer di lapangan dan bagaimana desain polimer yang tepat bergantung pada karakteristik reservoir termasuk mekanisme pendorong alaminya. Injeksi polimer dapat meningkatkan perolehan minyak cukup tinggi dibandingkan dengan injeksi air konvensional. Akan tetapi mekanisme pendesakannya sangat kompleks karena menyangkut sifat fisik reservoir, konsentrasi teradsorpsi dan lain–lain. Pada umumnya reservoir minyak terdiri atas banyak lapisan dengan sifatnya yang beragam. Efisiensi penyapuan volumetrik merupakan ukuran pengaruh tiga dimensi dari heterogenitas reservoir tersebut. Hal tersebut merupakan hasil dari pola penyapuan vertikal dan horizontal. Effisiensi penyapuan volumetrik didefinisikan sebagai volume pori reservoir yang terkena kontak dengan fluida injeksi dibagi dengan volume pori total. Dapat dikatakan bahwa efisiensi penyapuan vertikal merupakan fungsi dari karakteristik reservoir tersebut, sementara efisiensi penyapuan horizontal merupakan fungsi dari karakteristik reservoir dan lokasi sumur. Polimer dapat mengurangi pengaruh yang merugikan dari variasi permeabilitas dan rekahan sehingga dapat memperbaiki efisiensi penyapuan vertikal dan horizontal. Injeksi polimer digolongkan ke dalam injeksi tak bercampur (immiscible flooding) dan dari fungsinya berarti injeksi polimer dapat meningkatkan efisiensi pendorongan minyak secara makro. Sedangkan struktur mikroskopik dari reservoir tidak berubah (tegangan permukaan antara minyak dan air). Meski tidak terdapat heterogenitas reservoir, efisiensi penyapuan dapat menjadi rendah karena adanya perbandingan mobilitas yang tidak
menguntungkan. Mobilitas fluida didefinisikan sebagai perbandingan permeabilitas media dengan viskositas fluida. Polymer dapat memperbaiki perbandingan mobilitas (mobility ratio) sehingga dapat meningkatkan efisiensi penyapuan dan juga efisiensi pendesakan dalam reservoir. Mekanisme Pendesakan Polimer Mekanisme yang sudah lama dikenal adalah penurunan perbandingan mobilitas air terhadap minyak. Polimer menjadikan perbandingan mobilitas menjadi rendah karena meningkatnya viskositas efektif air sehingga mendorong fluida. Beberapa panduan yang digunakan untuk memilih reservoir yang akan dilakukan injeksi polimer antara lain : 1. Perbandingan mobilitas antara 5 sampai 40 dan/atau terdapat variasi distribusi permeabilitas yang cukup besar. 2. Memiliki permeabilitas dan viskositas minyak tinggi. 3. Temperatur reservoir kurang dari 100 – 200 °F. 4. Saturasi minyak bergerak harus cukup tinggi. 5. Reservoir dengan daya dorong air yang produksi awalnya kecil atau tidak ada sama sekali. - Rheology Larutan polimer adalah larutan nonNewtonian untuk semua range konsentrasi, yaitu kira-kira 50-2000 ppm. Polimer digolongkan sebagai fluida non-Newtonian karena kelakuan alirannya yang sangat kompleks. Fluida non-Newtonian tidak dapat dicirikan dengan viskositas karena perbandingan shear stress terhadap shear rate tidak konstan. Larutan polimer umumnya digolongkan sebagai fluida pseudoplastik pada semua kondisi. Material pseudoplastik adalah salah satu yang menunjukkan daya tahan yang rendah selama bertambahnya shearing rate. Secara matematis, rumus tersebut dikenal sebagai Power Law :
=K
n
; n < 1.0 untuk fluida pseudoplastik ...(1) dimana K dan n adalah dua parameter yang digunakan untuk mendefinisikan kelakuan aliran fluida. Jika n = 1, penurunan persamaan untuk fluida non-Newtonian dengan K sebanding dengan viskositas. - Solvent Molekul primer dapat dibayangkan sebagai sebuah kumpalan serat (fibrous aggregate). Dalam solvent yang baik, molekul polimer kontak dengan solvent secara maksimum. Hal ini memberi -3-
kelenturan pada polimer, kelihatan seperti gel. Dengan penambahan molekul polimer, polimerpolimer terikat secara maksimum. Sehingga menaikkan viskositas nyata dari polimer (Mangan et al., 1966). Dalam solvent yang buruk, polimer yang kontak dengan solvent hanya sedikit. Dari mikrografik electron dapat diketahui pengurangan ikatan dan struktur polimer yang lebih kaku (rigid) (Herr dan Routson, 1976). Air suling adalah solvent yang baik untuk kebanyakan polimer. Penambahan garam, elektrolit akan menetralkan muatan molekul polimer. Dengan terurainya muatan, gaya yang ada membantu memberikan turunnya molekul polimer (Mangan et al., 1966). Jadi selama kosentrasi garam bertambah, molekul polimer akan berkerut, menurunkan viskositas larutan seperti terlihat pada Gambar 3. Untuk kelakuan pseudoplastik, terdapat beberapa faktor lain yang mempengaruhi viskositas nyata larutan polimer. - Berat Molekul Jika molekul polimer sangat padat, tidak ada bidang yang berinteraksi, berat molekul akan sedikit mempengaruhi viskositas larutan. Namun, serat alam dari polimer yang memungkinkan untuk meluas dan meningkat, membuat berat molekul menjadi faktor yang penting (Mangan et al., 1966). Berat molekul polimer yang besar menunjukkan viskositas nyata yang lebih besar daripada berat molekul yang rendah pada kondisi yang sama. Pengujian laboratorium terhadap sebagian 500 ppm polimer acrylamide terhidrolisis dengan berat molekul dari 3×106 menunjukkan bahwa penurunan mobilitas, faktor resistensi dan permeabilitas meningkat dengan bertambahnya berat molekul. - Hidrolisis Perluasan hidrolisis mempengaruhi rheology polimer dan kelakuannya didalam reservoir. Martin dan Sherwood (1975) mempelajari dengan memakai polyacrylamide dan acrylamide terpolimer dalam tingkat range hidrolisis dari 035%. Mereka menemukan bahwa viskositas nyata dari sebagian polimer yang terhidrolisa lebih besar daripada viskositas nyata polyacrylamide yang tak terhidrolisa. - Konsentrasi Polimer Bertambahnya kosentrasi polimer akan menaikkan viskositas larutan yang merupakan pengaruh massa selama molekul polimer banyak terlarut. Bagaimanapun juga, kenaikkan viskositas tidak sebanding dengan kenaikkan konsentrasi pada
shear rate yang rendah. Selama kosentrasi polimer bertambah, reaksi ikatan intermolekul muncul secara tajam. Terjadinya ikatan ini menaikkan shear stress dan lebih merupakan kelakuan pseudoplastik. Sebaliknya, pada konsentrasi polimer rendah (< 50 ppm) kesempatan berikatan banyak berkurang. Tidak hanya viskositas nyata turun, tetapi larutan mendekati kelakuan aliran Newtonian (Mangan et al., 1966). Lihat Gambar 5. - Penurunan Permeabilitas Persamaan Darcy digunakan untuk menggambarkan aliran fluida Newtonian di dalam media berpori, untuk larutan polimer dan fluida non-Newtonian yang lain, persamaan ini harus dimodifikasi karena viskositas tidak konstan. Lebih dari itu merupakan fungsi dari parameter aliran “q”. Namun, untuk memberikan kondisi aliran, viskositas nyata dapat dihitung menggunakan model Power Law dan diaplikasikan dengan persamaan Darcy. Ukuran penurunan mobilitas disebut sebagai faktor resistensi. Secara matematis dapat ditulis : k R =
w P
=
k
w
P
µ
w
µ
P
=
M M
w
o
p
o
.......(2)
dimana : = mobilitas polimer yang terlarut, mD/cp = permeabilitas untuk air dan untuk polimer, mD µp = viskositas larutan polimer, cp Mw-o, Mp-o = perbandingan mobilitas air-minyak dan polimer-minyak p
krw, krp
- Polymer Retention Selama larutan polimer mengalir didalam batuan porous, sejumlah molekul polimer tertahan dari larutannya karena absorpsi dan terjebak (trapping). Hal ini menjadi perhatian jika berpengaruh terhadap penurunan viskositas. Larutan polimer dapat lebih banyak kehilangan efektivitasnya karena proses retention. Disisi lain, tertahannya molekul-molekul polimer mengurangi permeabilitas air dan bisa dapat membentuk plug channel reservoir dimana mereka tertahan. Hal ini dapat diinginkan dalam pengaruh heterogenitas reservoir dan untuk mengontrol profil injeksi. - Adsorpsi Adsorpsi adalah suatu proses dimana terjadi kontak antara fluida baik berupa gas maupun cairan, dengan padatan, dimana zat-zat dalam fluida tersebut diserap oleh permukaan padatan, sehingga terjadi perubahan komposisi dalam fluida yang tidak teradsorpsi. Proses adsorpsi biasanya ditandai dengan adanya perpindahan massa dari cairan ke
-4-
padatan (Sherwood, 1975). Konsentrasi cairan yang lebih tinggi sebelum mengalir dalam pori padatan akan menyebabkan adsorpsi yang lebih tinggi pada permukaan padatan. Bahan yang biasa dipakai sebagai adsorben adalah bahan-bahan yang sangat berpori, dan adsorpsi berlangsung pada dindingdinding pori atau pada letak-letak tertentu dalam partikel (MC. Cabe and Smith, 1989). Proses adsorpsi, pada umumnya, berlangsung pada suhu tetap (isotermal). Adsorpsi isotermal merupakan hubungan fungsional variasi adsorpsi dengan konsentrasi adsorbat dalam badan larutan pada suhu tetap. Biasanya, bahan terserap persatuan berat adsorben bertambah dengan meningkatnya konsentrasi adsorbat, tetapi tidak proporsional. Adsorpsi polimer tergantung pada jenis polimer, komposisi batuan, salinitas, kekerasan, temperatur dan konsentrasi polimer. Jenis adsorpsi yang terjadi pada mineral yang berbeda dipakai dalam pengujian. Kalsium karbonat tampak mempunyai afinitas yang lebih besar daripada silika pada larutan polimer. Salinitas solvent juga menjadi faktor penting, walaupun terdapat ketidaksesuaian pendapat diantara peneliti. Mungan (1969) melaporkan bahwa adsorpsi berkurang dengan adanya garam pada larutan polimer. Namun Smith (1970) dan Szabo (1975) menyatakan bahwa adsorpsi polimer bertambah sesuai kenaikkan kosentrasi garam. Namun Smith menyatakan bahwa sensitivitas adsorpsi terhadap konsentrasi garam sebesar 10%, sedang Szabo menunjukkan tidak ada kenaikkan adsorpsi untuk konsentrasi garam diatas 2%. Perbedaan tersebut ada disebabkan ketelitian dan kondisi pengujian yang berbeda dari kasus ke kasus, serta parameter-parameter lain yang tidak dapat terkontrol. Tetapi kesatuan pendapat dari semua peneliti tersebut adalah bahwa naiknya adsorpsi dikarenakan kenaikkan konsentrasi garam. - Volume Pori Yang Tidak Dapat Dimasuki Alasan utama berkurangnya adsorpsi didalam media berpori adalah adanya volume pori yang tidak dapat dimasuki. Apakah media kompak atau tidak, terdapat pori-pori yang yang mempunyai tingkat pembukan (opening) yang sangat kecil. Pembukaan pori ini dapat dimasuki air asin tapi tidak dapat dilalui oleh molekul polimer yang lebih besar. Adanya volume pori yang tidak dapat dimasuki telah dikemukakan oleh Dawson dan Lanz (1972) dan yang lainnya. - Penjebakan (Entrapment) Sebab lain yang penting untuk menurunkan permeabilitas dengan larutan polimer adalah penjebakan. Mungan et al. (1966)
menunjukkan pengaruh penjebakan polimer didalam core batupasir dan alundum. Szabo (1975) mempelajari hal yang sama dan menyimpulkan bahwa adsorpsi adalah mekanisme yang dominan didalam permeabilitas core, tapi penjebakan lebih penting pada permeabilitas batuan yang rendah. Penjebakan harus dibedakan dari penyumbatan, karena polimer terjebak masih mempunyai cukup kebebasan untuk menglirkan minyak atau fluida non-aqueous yang lain pada saat cairan tidak mengalir. Penyumbatan fisik adalah kerusakan dari lintasan yang tidak dapat diubah untuk semua aliran. Untuk lebih mengetahui peran adsorpsi dengan baik, volume pori yang tidak dapat dimasuki dan penjebakan, pemahaman ukuran polimer dan ukuran penting dilakukan. - Ukuran Polimer Penentuan ukuran polimer dapat dilakukan dengan dua cara, secara matematik dan percobaan. Terdapat kesesuaian antara kedua pendekatan tersebut. Hubungan matematik memakai dua parameter, yaitu “r” berarti jarak ujung ke ujung dan “s” berarti jarak (radius) putaran atau jarak dari elemen-elemen rantai ke pusat gaya beratnya. Flory mengembangkan persamaan untuk polimer-polimer non-ionik :
r
2
= 8 (W )
1
3
…………………………(3)
Untuk polimer linear :
r
2
=6 s
2
……………………………(4)
dimana : r = jarak dari ujung ke ujung molekul polimer, mikron W = berat molekul polimer L = viskositas sebenarnya, cp s = radius putaran molekul polimer, mikron Pendekatan untuk percobaan dimanfaatkan Gorgaty (1966) dengan menyaring berbagai larutan polacrylamide dengan filter millipore dengan ukuran lubang yang berbeda-beda. Terdapat sangat sedikit retention polimer untuk filter dengan diameter lubang 1 mikron atau lebih. Gogarty menyimpulkan bahwa ukuran efektif kelompok polimer antara 0.65-0.8 mikron. Ukuran-ukuran tersebut kemungkinan lebuh besar daripada ukuran polimer umtuk air yang diakibatkan oleh hidrasi. - Ukuran Pori Penelitian untuk menentukan ukuran pori media reservoir menunjukkan jarak yang sama seperti molekul polimer. Pengujian dengan mercury porosimeter oleh Thomas (1975) terhadap batupasir -5-
Berea menunjukkan sekitar 16% diameter volume pori menjadi lebih kecil dari 1 mikron, seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Gray dan Rex meneliti perpindahan clay pada batupasir Berea. Ditentukan bahwa ukuranukuran partikel clay maksimum yang keluar sebesar 0.3 mikron. Untuk menggantikannya diperlukan mika dengan lebar 0.3 mikron dengan panjang 1-5 mikron. Penelitian yang sama dilakukan oleh Rhudy (1966). Suspensi clay yang lolos dari filter millipori 1.2 mikron, menurunkan permeabilitas core batupasir Berea. Penurunan permeabilitas terbesar terjadi di dekat permukaan injeksi yang menunjukkan penyumbatan progresif. Data-data tersebut membantu penggambaran mekanisme volume pori yang tidak dapat dimasuki dan penjebakan. Walaupun media berpori biasanya mempunyai distribusi diameter pori yang sangat besar (>103), umumnya adalah fraksi penting yang dekat dengan ukuran molekul polimer. Jika dimeter berpori mempunyai diameter yang sangat kecil dalam range 1 mikron, efektifitas polimer sebagai penurun permeabilitas berkurang secara tajam - Pengaruh Viskoelastik Larutan polimer dicirikan sebagai fluida pseudoplastik yang memperlihatkan penurunan viskositas dengan naiknya shear rate. Model ini hampir menunjukkan kelakuan aliran polimer pada semua shear rate kecuali laju shear yang sangat tinggi di dekat sumur injeksi. Pada laju shear yang tinggi ini, larutan polimer kehilangan pseudoplastik alamiahnya dan memperlihatkan kenaikan viskositas dengan bertambahnya shear rate. Fluida seperti ini biasanya digolongkan sebagai “dilatant”. Kenyataannya, larutan polimer tidak benar-benar merupakan fluida dilatant. Ia hanya kelihatan mempunyai sifat aliran dilatant pada shear rate yang sangat tinggi didalam media berpori, karena sifat-sifat viskoelastiknya. Fluida viskoelastik berkelakuan seperti cairan kental pada shear rate rendah dan seperti padatan elastik pada shear rate yang tinggi (Maeker, 1976). - Resistensi Residual Karena adsorpsi polimer dan penjebakan hanya proses yang sebagian dapat dibalik, banyak polimer didalam reservoir akan lama tertinggal setelah injeksi polimer terhenti. Pengaruh polimer sebagian masih ada setelah sejumlah besar air asin diinjeksikan mengikuti polimer. Ukuran penurunan permeabilitas untuk air setelah dialiri polimer disebut dengan faktor resistensi residual, RR.
RR =
(k rw / µ w )sebelum (k rw / µ w )setelah
injeksi injeksi
po lim er
................(5)
po lim er
- Shear Degradation Rantai panjang polimer yang fleksibel, terutama poliacrilamide, rentan terhadap penurunan shear. Penurunan ini mengakibatkan kerusakan rantai polimer di dalam beberapa rantai molekul yang lebih pendek. Penurunan ini meningkatkan selama naiknya shear rate. Bentuk shear mempunyai pengaruh yang besar dalam sejumlah degradasi. Maerker (1973) menemukan bahwa jika shear berubah kental, shear rate menjadi 100 kali lebih besar daripada perubahan viskoelastik untuk menghasilkan penurunan yang sama. Perubahan kekentalan adalah jenis shear yang terjadi di dalam larutan polimer dan di ukur dengan viskometer rotasional dan viskometer tabung. Sedangkan perubahan viskoelastik adalah jenis shear yang terjadi di dalam media berpori. METODOLOGI Pengujian Polimer Secara Statis Pada penelitian ini, ada lima jenis polimer yang akan diuji dan dua polimer yang terbaik akan dipilih sebagai fluida injeksi. - Bahan Bahan yang dimaksudkan adalah bahan baku berupa batuan reservoar jenis batuan karbonat Lapangan X, air formasi, dan polimer. Disamping itu, juga terdapat bahan pembantu berupa garam NaCl untuk mengatur salinitas dan basa lemah untuk mengatur pH. - Alat Percobaan Alat percobaan yang diperlukan hanya berupa tabung reaksi dengan diameter sekitar 1-2 cm dan panjang sekitar 15 cm yang selanjutnya digunakan sebagai alat adsorpsi. Untuk mengatur temperatur adsorpsi maka tabung reaksi dimasukkan kedalam penangas air yang telah di set pada temperatur tertentu (Gambar 9). - Prosedur Penelitian Adsorpsi Polimer Secara Statis Persiapkan semua bahan yang diperlukan seperti batuan dikeringkan sampai bebas air. Penangas air diaktifkan dan di set pada temperatur yang diinginkan. Timbang batuan karbonat dengan jumlah tertentu selanjutnya dimasukkan kedalam tabung reaksi. Buat larutan KOH dengan konsentraasi tertentu selanjutnya dimasukkan kedalam tabung reaksi yang telah berisi batuan dengan jumlah tertentu (5 gr) untuk menaikkan pH batuan tertentu. Masukkan tabung reaksi ke dalam -6-
penangas air sampai dicapai temperatur yang diinginkan. Biarkan beberapa saat sampai diperkirakan pH batuan sama dengan pH larutan. Setelah dianggap cukup, larutan KOH dibuang dan digantikan dengan larutan polimer yang telah dipersiapkan dengan konsentrasi dan salinitas tertentu. Campuran dimasukkan kembali kedalam penangas air sampai dicapai kondisi yang diinginkan. Pada saat-saat tertentu dilakukan pengadukan seperlunya untuk memberi kesempatan larutan polimer masuk dalam pori-pori batuan dan sekaligus mengukur suhunya. Setelah waktu kontak tertentu, percobaan dihentikan dan dilakukan analisa terhadap konsentrasi polimernya sehingga jumlah polimer yang terserap dapat ditentukan. Demikian selanjutnya dengan cara yang sama percobaan dilakukan pada berbagai pH batuan, salinitas larutan polimer, dan temperatur operasi. Pengujian Polimer Secara Dinamis Tahapan ini dilakukan untuk mencari polimer yang paling optimal yang dapat meningkatkan efisiensi pendesakan yang paling maksimum. Polimer akan diuji dengan menginjeksikannya ke dalam core yang telah dibuat dan dicatat efek yang terjadi sebelum dan sesudah injeksi. - Bahan Bahan yang dimaksudkan adalah : Minyak mentah, berasal dari lapangan X dengan reservoir karbonat Lapangan X. Sifat-sifat fisis yang diuji meliputi specific gravity, pour point, water content, dan viskositas kinematik. Selanjutnya dimampatkan dalam core holder menggunakan alat pres sampai diperoleh bahan uji reservoar yang mempunyai karakteristik mirip dengan reservoar batuan karbonat asli. Air formasi, dari lapangan X sebagai fluida pendesak pada water flooding dan sebagai pelarut polimer. - Alat Percobaan Pada pengujian polimer secara dinamis peralatan yang digunakan berupa serangkaian alat percobaan seperti pada Gambar 10.
- Prosedur Penelitian Injeksi Polimer Percobaan yang akan dilakukan meliputi beberapa tahapan: a. Penjenuhan air formasi Tahapan ini dimaksudkan untuk mengkondisikan reservoar pada salinitas yang diinginkan. Mula-mula reservoar divakumkan sampai tidak ada lagi air yang keluar, dilanjutkan dengan menginjeksikan air garam konsentrasi
tertentu melalui bagian pemasukan. Berselang beberapa saat pompa vakum dihentikan dan air garam tetap diinjeksikan dengan bantuan nitrogen tekan. Kecepatan pemasukan larutan garam diatur sedemikian rupa mendekati kecepatan pendesakan minyak, dengan harapan tidak merusak struktur pori yang ada. Volume air pada tahapan ini juga berfungsi untuk mengetahui atau menghitung OOIP dan saturasi air mula-mula dalam core. b. Migrasi minyak Tahapan ini dimaksudkan untuk menjenuhkan reservoar dengan minyak. Sebelum proses migrasi minyak dilaksanakan terlebih dulu reservoar dikondisikan dengan mengaktifkan pemanas (6) dan di set pada suhu percobaan. Setelah kondisi tercapai minyak yang telah tersedia dalam tabung (4) mulai dialirkan ke reservoar (5) dengan bantuan nitrogen tekan (1) dan diusahakan kecepatan aliran fluida sekitar 4.0E-04 cm/s (sekitar 1 ft/day) atau sekitar 9 mL dalam waktu 30 menit untuk diameter media berpori 1,5 inci (= 3,81 cm). Mula-mula air dalam reservoar akan terdesak keluar dan berselang beberapa jam kemudian yang keluar adalah campuran minyak-air, dan beberapa hari kemudian yang keluar hanya minyak saja. Migrasi minyak dilanjutkan lagi sampai beberapa hari sampai benar-benar air tidak keluar lagi. Volume air total yang tertampung, setelah dikoreksi dengan volume air dalam pemipaan, dianggap sama dengan volum minyak yang tertahan/tertinggal dalam reservoar dan disebut sebagai cadangan minyak mula-mula atau original oil in place (OOIP). Sedangkan air yang tersisa dalam reservoar merupakan saturasi air mula-mula dalam reservoar, atau merupakan saturasi air kritis (s wc.w), dimana air tidak mampu lagi mengalir keluar dari reservoar. c. Pendesakan minyak dengan air Pada tahapan ini air garam dengan konsentrasi tertentu yang telah disiapkan dalam tabung (2) dialirkan dengan bantuan gas nitrogen pada tekanan tertentu, sehingga diperoleh kecepatan aliran fluida yang direncanakan. Minyak yang terdorong keluar reservoar, di tampung dalam kolektor (7), selanjutnya pada waktu-waktu tertentu di catat volumnya, kecuali tampungan pada periode pertama volum minyak yang tertampung di koreksi dengan volum pemipaan (volum koreksi). Waktu pendesakan awal di hitung setelah volum koreksi tercapai. Jika minyak sudah tidak mampu lagi terdorong keluar, ditandai dengan beberapa periode pengamatan terakhir tidak menghasilkan minyak, -7-
maka pendesakan dengan air dihentikan. Pada keadaan ini minyak yang tersisa dalam reservoar disebut sebagai saturasi minyak sisa (sor.w). Minyak inilah yang merupakan target dari pendesakan minyak dengan larutan polimer. d. Pendesakan minyak dengan larutan polimer Pada tahapan ini larutan polimer dengan konsentrasi tertentu, yang telah disiapkan pada tabung (3), dialirkan dengan bantuan gas nitrogen seperti pada pendesakan dengan air, dan diusahakan pendesakan berlangsung pada kecepatan tetap. Waktu awal percobaan dihitung sejak larutan polimer mulai diinjeksikan. Seperti halnya pada pendesakan dengan air, setiap periode waktu tertentu dilakukan pencatatan terhadap volum total dan volum minyak yang dihasilkan. Jika pada beberapa periode terakhir tidak ada lagi minyak yang diproduksi, maka proses pendesakan dengan polimer dihentikan. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Penelitian terhadap mekanisme pendesakan polimer ini menggunakan data sampel core Lapangan X. Jenis polimer yang digunakan dalam penelitian ini ialah polyacrilamide. Beberapa asumsi untuk menyelesaikan proses perhitungan, yaitu : Aliran fluida mantap (steady state). Aliran fluida di dalam reservoir memenuhi hukum Darcy. Sumur injeksi membentuk pola direct line drive terhadap sumur produksi Distribusi saturasi secara melebar dianggap seragam. Penyimpangan dari arah aliran diabaikan. Pengaruh gravitasi diabaikan. Pengaruh kapilaritas diabaikan. Proses aliran isothermal. Harga shear rate seluruh sistem sama. Viskositas merupakan fungsi dari konsentrasi. Perhitungan Adsorpsi Polimer Secara Statis Untuk menghitung banyaknya polimer yang teradsorpsi digunakan dengan metoda gravimetri. Dari Gambar 11, polimer A dan polimer B memiliki tingkat adsorpsi yang rendah, sehingga dipakai sebagai fluida injeksi yang kemudian akan diuji kembali. Untuk polimer E tidak diuji lebih lanjut, karena membentuk endapan pada salinitas 0 dan membentuk gumpalan (mengalami agitasi pada salinitas 1000 ppm. Kriteria polimer yang baik menurut Sorbie sebagai fluida injeksi, yaitu memiliki tingkat adsorpsi yang rendah, tahan pada salinitas yang tinggi, tahan terhadap suhu tinggi, memiliki
stabilitas yang baik,dan dapat larut dengan baik. Polimer A dan polimer B dipilih karena memiliki tingkat adsorpsi yang lebih rendah dari beberapa polimer yang telah diuji (Gambar 11). Perhitungan Adsorpsi Polimer Secara Dinamik Pada perhitungan Permeabilitas Core dapat dilihat dari gambar 12, adsorpsi semakin berkurang dengan meningkatnya permeabilitas batuan. Hal ini disebabkan berkurangnya interaksi antara batuan dan polimer, sehingga retensi polimer yang terjadi juga semakin kecil. Adsorpsi polimer akan semakin berkurang dengan semakin tingginya permeabilitas batuan (Gambar 12). Peristiwa tersebut terjadi akibat berkurangnya kontak (interaksi) antara polimer dengan batuan yang dapat menyebabkan terjadinya rentensi polimer, sehingga penurunan viskositas dari polimer akan berkurang. Gambar 13 menunjukkan adsorpsi polimer berkurang dengan naiknya porositas batuan. Hal ini terjadi karena retensi polimer dan inaccessible pore volume (molekul polimer tidak dapat melewati batuan karena kecilnya porositas batuan dibandingkan dengan ukuran molekul polimer) juga semakin berkurang. Polimer yang teradsorpsi akan meningkat dengan bertambahnya konsentrasi polimer. Dengan bertambahnya konsentrasi, massa polimer akan semakin banyak sehingga interkasi antara polimer dengan batuan akan semakin besar (Gambar 14). Permeabilitas relatif dihitung dengan menggunakan korelasi Sorbie. Perhitungan perubahan permeabilitas relatif untuk core-1 dapat dilihat pada Tabel 10. Aliran air dalam media berpori akan mempunyai permeabilitas efektif yang lebih besar daripada permeabilitas efektif aliran polimer. Bila air dialirkan di dalam media berpori yang telah terlebih dahulu dialiri larutan polimer ternyata harga permeabilitas efektif lebih kecil dibandingkan sebelum media berpori dialiri larutan polimer. Ini menunjukkan bahwa aliran polimer mengubah karakteristik media berpori. Perubahan ini disebabkan adanya retensi polimer di dalam media berpori, yaitu melekatnya molekul polimer (adsorpsi), terperangkapnya molekul polimer secara mekanis dan interaksi matriks polimer dan antarmolekul polimer. Viskositas merupakan faktor penting dalam proses pengurasan minyak, karena mobilitas merupakan fungsi permeabilitas dan viskositas. Bila mobilitas fluida pendesak lebih besar dari mobilitas fluida yang didesak, maka fluida pendesak (air) dapat lebih mudah mengalir daripada fluida yang didesak (minyak). Bila itu terjadi, maka air akan
-8-
mendahului minyak (bypass) yang menyebabkan minyak tidak dapat mengalir ke permukaan. Akibat retensi polimer yang terjadi selama proses injeksi, banyak polimer yang tertinggal di dalam reservoir injeksi poimer terhenti. Pengaruh polimer sebagian masih ada setelah sejumlah besar air asin diinjeksikan mengikuti polimer. Pengaruh akhir ini menyebabkan terjadinya perubahan permeabilitas relatif seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15. Perubahan permeabilitas relatif, viskositas fluida pendesak dan fluida yang didesak perlu diketahui untuk menghitung rasio mobiltas. Untuk mengetahuinya pada penelitian ini digunakan korelasi Sorbie. Permeabilitas relatif yang diperlukan untuk menghitung rasio mobilitas merupakan permeabilitas relatif air pada saat saturasi minyak sisa dan permeabilitas relatif minyak pada saat saturasi air awal. Perubahan permeabilitas relatif terbesar akibat dari injeksi polimer berkonsentrasi 2000 ppm. Viskositas merupakan faktor penting dalam proses pengurasan minyak, karena mobilitas merupakan fungsi permeabilitas dan viskositas. Bila mobilitas fluida pendesak lebih besar dari mobilitas fluida yang didesak, maka fluida pendesak (air) dapat lebih mudah mengalir daripada fluida yang didesak (minyak). Bila itu terjadi, maka air akan mendahului minyak (bypass) yang menyebabkan minyak tidak dapat mengalir ke permukaan. Gambar 16 memperlihatkan mobilitas rasio fluida pendesak semakin kecil bila ditambahkan polimer dan akan semakin kecil dengan meningkatnya konsentrasi polimer. Hal ini disebabkan viskositas fluida pendesak akan semakin besar dengan adanya polimer, sehingga mobilitasnya menjadi kecil. Semakin tinggi konsentrasi polimer yang diinjeksikan, semakin rendah rasio mobilitas antara fluida pendesak dengan fluida yang didesak. Hal ini terjadi karena peningkatan viskositas dari fluida pendesak (polimer) dengan semakin tingginya konsentrasi. Gambar 16 memperlihatkan perubahan rasio mobilitas akibat injeksi polimer. Dapat dilihat, perubahan rasio mobilitas yang paling tinggi terjadi pada polimer dengan konsentrasi 2000 ppm, yaitu dari 1,82 menjadi 0,103. Gambar 17 memperlihatkan perubahan efisiensi pendesakan sebelum dan sesudah dilakukannya injeksi polimer. Peningkatan efisiensi rata-rata menggunakan injeksi polimer dari beberapa percobaan yang telah dilakukan adalah sebesar 12% dengan peningkatan terbesar 20% menggunakan polimer B berkonsentrasi 2000 ppm. Dari data percobaan, dapat disimpulkan polimer B dengan konsentrasi 2000 ppm merupakan polimer yang paling cocok untuk injeksi pada lapangan X.
KESIMPULAN Dari hasil data penelitian adsorpsi polimer secara statis dan dinamis, polimer B dengan konsentrasi 2000 ppm merupakan polimer yang paling optimal untuk diinjeksikan pada reservoir karbonat Lapangan X karena memiliki tingkat adsorpsi yang rendah dan meningkatkan efisiensi pendesakan yang paling besar ±20% dari efisiensi pendesakan mula-mula. REFERENSI 1. Baijal, S.K.: Flow Behavior of Polymers in Porous Media, Penn Well Publishing Co., Tulsa, Oklahoma, 1982. 2. Cenkowski, S., Dexter, J. E., Scanlon, M. G. : The Effect of Storage Temperature On Dough Rheological Properties, University of Manitoba, Winnipeg, Canada, 2000. 3. Dake, L. P.: Fundamentals of Reservoir Engineering, Elsevier, Amsterdam, 1978. 4. Departement of Chemical & Biomolecular Engineering, : Flow Behaviour of NonNewtonian Fluid, National University of Singapore. 5. Latil, M., Bardon, C., Burger, J., and Sourieau, P.: Enhanced Oil Recovery, Institut Francais du Petrole, Editions Technip, Paris, 1980. 6. Norton, C. J., Falk, D.O., Luetzelschwab, W.E., : “Xanthan Biopolymer Semiplot Fermentation,” SPEJ (April 1981) 205-217. 7. Pope, Gary A.: “The Application of Fractional Flow Theory to Enhanced Oil Recovery,” SPEJ (June 1980) 191-205. 8. Pratama, E.: “Pengaruh Kosentrasi Polymer Terhadap Efisiensi Pendesakkan Pada Sisitem Linear 1-D”, Tugas Akhir, ITB 2002. 9. P.T. Pertamina (persero),” Dokumen Pedoman Kerja”. 10. P.T. Pertamina (persero) DOH Sumbagteng, ”Re-Evaluasi Cadangan dan Studi Simulasi Reservoir Lapangan Ketaling Barat”. 11. Siregar, S. & Kristanto, D.: “Pengurasan Minyak Tahap Lanjut (Enhance Oil Recovery)”, Jurusan Teknik Perminyakan, Universitas Pembangunan Nasional “Veteran”, Yogyakarta, 1999. 12. Sorbie, K. S.: Polymers in Improved Oil Recovery, Blackie and Sons, Glasgow, 1991. 13. Willhite, G. P.: Waterflooding, SPE Textbook Series, Texas, 1986.
-9-
