ALTERNATIF PEMODELAN NUMERIK KOPEL THERMO-HYDRO …

Jurnal Geofisika Eksplorasi Vol. 6/No. 1 Maret 2020: 42-56

42

ALTERNATIF PEMODELAN NUMERIK KOPEL THERMO-HYDRO-MECHANIC INJEKSI CO2 PADA FORMASI GEOLOGI BAWAH

PERMUKAAN

Cahli Suhendi1, Mohammad Rachmat Sule2

1Jurusan Teknik Geofisika, Institut Teknologi Sumatera2Jurusan Teknik Geofisika, Institut Teknologi Bandung

Corresponding author: [email protected] received : Feb 17th, 2020, revised : Feb 24th, 2020;Approved: Mar 09th, 2020; Available online : Mar 20th, 2020

Abstrak - Injeksi CO2 pada formasi bawah permukaan merupakan metode yang potensial untuk mereduksiemisi gas CO2 di atmosfer. Studi geologi dan geofisika dilakukan dalam upaya untuk menganalisis kapasitasdan potensi risiko. Hasil studi tersebut selanjutnya digunakan untuk analisis respon batuan reservoir terhadapmassa fluida CO2 yang diinjeksikan. Pengaruh injeksi fluida pada batuan reservoir bersifat kompleks danmelibatkan sistem gabungan aliran fluida dan geomekanika. Injeksi fluida CO2 akan meningkatkan tekananfluida reservoir yang mempengaruhi kondisi tegangan lokal batuan sekitar serta akan direspon dalam bentukdeformasi yang berpotensi mempengaruhi properti hidraulik batuan dalam meloloskan fluida. Selainpengaruh hidromekanik, perubahan temperatur reservoir akibat hadirnya massa fluida CO2 juga akanmempengaruhi tegangan batuan reservoir meskipun tidak signifikan. Kompleksitas sistem reservoir bawahpermukaan meliputi analisis termomekanik dan hidromekanik yang melibatkan fluida multi-fasa dan multi-komponen. Pogram komputer dibutuhkan untuk mempelajari interaksi kompleks tersebut yang mampumemodelkan kopling antara aliran fluida multi-fasa dan multi-komponen dengan geomekanik. Rutqvist dkk(2002) telah mengusulkan pendekatan pemodelan numerik, yaitu dengan mengintegrasikan TOUGH2-ECO2N dan FLAC3D. Pada studi ini kami mengembangkan program eksternal yang dibangun sehinggaproses kalkulasi dan transfer data antara FLAC3D dan TOUGH2-ECO2M berjalan otomatis dan lancarsampai waktu simulasi yang ditentukan berakhir.

Abstract - CO2 injection into subsurface formations is a potential method to reduce CO2 gas emissions in theatmosphere. Geological and geophysical studies are carried out as an effort to analyze the storage capacityand potential risks. The results are then used to analyze the response of reservoir rock to the injected CO2fluid. The effect of fluid injection on reservoir rocks is complex and involves a coupled system of fluid flow-geomechanics. CO2 fluid injection can increase fluid pressure that affects the local stress conditions ofreservoir and surrounding rock. Meanwhile, changes in temperature due to the presence of CO2 fluid alsoaffect reservoir rock stress, although not significantly. The complexity of the subsurface reservoir systemincludes thermomechanical and hydromechanical analysis involving multi-phase and multi-component fluids.To study these complex interactions, a program which can simulate the coupling between multi-phase andmulti-component fluid-flows-geomechanics is needed. To accommodate these needs, Rutqvist et al (2002)have proposed a numerical modeling approach by linking TOUGH2-ECO2N and FLAC3D. In this study wedeveloped an external program that linking TOUGH2 with different fluid modul (ECO2M), and FLAC3Dusing these approaches to run the coupled THM simulation automatically and seamlessly until the end ofsimulation.

Keywords – geomekanik, FLAC3D, hidromekanik, termomekanik, TOUGH2

How to cite this article:Suhendi, C. dan Sule, M.R., 2020, Alternatif Pemodelan Numerik Kopel Thermo-Hydro-Mechanic Injeksi

Co2 Pada Formasi Geologi Bawah Permukaan, Jurnal Geofisika Eksplorasi, 6 (1) p.42-56. doi:10.23960/jge.v6i1.62

doi: 10.23960/jge.v6i1.62

mailto:[email protected]


43

1. PENDAHULUAN

Carbon Capture and Storage (CCS)merupakan suatu metode yangdikembangkan dengan tujuan untukmereduksi emisi gas CO2 di atmosfer.CCS meliputi beberapa aktifitas, yaitupenangkapan molekul CO2 produkindustri dan penyimpanan CO2 dalamformasi geologi bawah permukaan(Ajayi, dkk., 2019; Celia, dkk., 2015;Shahbazi dkk., 2016). Salah satu yangmenjadi perhatian utama dalam CCSadalah penentuan lokasi penyimpanan,kapasitas penyimpanan dan faktorkeamanan. Proses injeksi CO2 dapatmenginduksi terjadinya perubahankesetimbangan sistem bawah permukaan,khususnya disekitar titik injeksi. Potensiyang mungkin timbul akibat prosesinjeksi fluida CO2 diantaranya adalahrembesan CO2, atau bahkan reaktivasipatahan. Kebocoran CO2 kembali keatmosfer dapat terjadi dalam dua kondisi,saat injeksi dan pasca injeksi.

Injeksi CO2 pada suatu formasi akanmengakibatkan perubahan yangkompleks pada kondisi sistem bawahpermukaan misalnya perubahan tekanan,temperatur dan saturasi. Kompleksitasperubahan pada sistem bawah permukaanini meliputi pengaruh termomekanik,hidromekanik, geomekanik dan kimiareaktif.

Perubahan tekanan fluida padabatuan reservoir akan mengakibatkanperubahan kondisi tegangan lokal,khususnya disekitar titik injeksi.Perubahan tekanan ini akan menginduksiterjadinya deformasi mekanik dankemungkinan terjadinya kegagalan padabatuan. Selanjutnya, kegagalan padabatuan dapat mengakibatkan terjadinyapergeseran pada rekahan yang sudah adasebelumnya dan bahkan dapatmengakibatkan terbentuknya rekahanbaru sehingga mereduksi kemampuandari batuan tudung. Proses kompleksyang timbul akibat injeksi CO2 perludipelajari dengan melibatkan studi

terhadap pengaruh thermal –hydrological – mechanical – chemical(THMC) yang di dalamnnya melibatkanparameter - parameter yang salingberkaitan satu sama lain secara kompleks.Namun demikian, saat ini belum adaperangkat yang dapat menyelesaikanmodel numerik dari proses THMC secaraumum dan komprehensif meliputi fluidamulti-komponen dan multi-fasa yangterintegrasi dalam satu perangkat lunak.Oleh karena itu, Rutqvist, J., dkk. (2002)mengembangkan pendekatan alternatifuntuk menyelesaikan model numerik dariproses THMC yang kompleks pada kasusinjeksi CO2 pada media berpori danpermeabel dengan cara menghubungkandua perangkat yang sudah ada dan teruji,yaitu TOUGH2-ECO2N dan FLAC3Dmelalui prosedur dan modul – moduldengan fungsi tertentu. Untuk itu, padastudi ini telah dilakukan pengembanganprogram eksternal untuk mengkopelkedua perangkat numerik, TOUGH2 danFLAC3D, namun modul EOS (Equationof State) pada TOUGH2 yang digunakanadalah ECO2M, yaitu yang didesainuntuk penyimpanan geologi dari CO2pada akifer air garam (Pruess, 2011).Prosedur pemodelan yang dijalankansecara otomatis oleh perangkat eksternaldan cara kerja dari program eksternal iniakan dijelaskan lebih detail dalam tulisanini sehingga akan mebuka diskusi dalampengembangan metode pemodelankopling THM.

2. TINJAUAN PUSTAKA

2. 1 TOUGH2 (Transport ofUnsaturated Groundwater andHeat)TOUGH2 merupakan program

simulasi numerik untuk aliran fluida non-isotermal dan perpindahan panas daricampuran fluida multi-komponen danmulti-fasa dalam suatu media berpori danter-rekahkan (Pruess dkk., 1999).TOUGH2 menyediakan beberapa modul


44

properti fluida atau disebut dengan modul“EOS” (Equation of State) untukmenganalisis aliran fluida multi-komponen, contohnya ECO2N danECO2M. ECO2N merupakan modulproperti fluida dari TOUGH2 untukfluida campuran dari air, NaCl, dan CO2(Pruess, 2005). Berbeda dengan ECO2N,ECO2M merupakan salah satu modulEOS dari TOUGH2 yang didesain untukpenyimpanan geologi dari CO2 padaakifer air garam yang melibatkan analisiskondisi sub- dan super-kritis sertaperubahan fasa anatara fasa likuid CO2dan fasa gas (Pruess, 2011). ECO2Mberisi deskripsi properti termodinamikdan termofisik dari campuran H2O – NaCl– CO2 yang valid untuk kondisi sebagaiberikut:

1. Temperatur: 10 ≤ ≤ 110 .2. Tekanan: ≤ 10 bar.3. Salinitas: 0 sampai dengan saturasi

karang garam penuh.Dalam pemodelan simulasi aliran

fluida, TOUGH2 menjalankan suatuberkas masukan yang berisi banyakinformasi yang dibutuhkan dalammenjalankan simulasi. Arsitektur berkasmasukan simulator TOUGH2 dibangunberdasarkan blok – blok yang berisiparameter – parameter tertentu danmemiliki fungsi khusus dalam simulasi.Blok ELEME berfungsi menjadi acuandari properti setiap elemen TOUGH2,misal nama elemen, material elemen,volume elemen, dan posisi titik tengahelemen. TOUGH2 menyediakan domain“SEED” untuk mengakomodasiperubahan sifat hidrolik elemen padaberkas masukan TOUGH2 akibatperubahan nilai tegangan batuan. Domainini perlu ditambahkan di blok ROCKSpada berkas masukan TOUGH2 sehinggadapat melakukan modifikasipermeabilitas setiap blok yangbermanfaat dalam simulasi kopel dengangeomekanika.

Persamaan pembangun dariTOUGH2 pada dasarnnya menyelesaikanpersamaan kesetimbangan massa dan

kesetimbangan energi sebagai akibatadanya fluida influx dan outflux sebagaifungsi dari domain waktu, dimensi ruang,dan laju sumber fluida. Persamaan dasardari kestimbangan massa dan energidalam TOUGH2 dituliskan dalampersamaan berikut,

.G

= G

+

ò òò

nn n

n

k kn nV

knV

d M dV F ddt

q dV (1)

Perubahan volume total dari akumulasimassa dan energi per volume, ,merupakan penjumlahan antara fluxmassa dan panas dengan sumber, .Integrasi akumulasi dilakukan pada suatuvolume sistem aliran yang dibatasioleh permuakaan Γ . Indeksmerepresentasikan komponen fluida darisistem. Pada ECO2M komponen fluidayang terlibat adalah water, NaCl, danCO2. Dalam TOUGH2-ECO2M fluidadirepresentasikan terdiri dari satu, dua,atau tiga fasa, yang dapat terdiri dari fasa“aqueous” kaya-air, dan satu atau duafasa kaya CO2 yang disebut sebagai“liquid” atau “gases”. Pada temperatursuper-kritis yaitu temperatur diatasTcrit=31.04 oC, fasa kaya-CO2diasosiasikan sebagai “liquid” ketikatekanan, P, lebih besar dari Pcrit=73.82bar.

Persamaan umum untukmengkalkulasi besarnya akumulasi massadari setiap komponen fluida adalahsebagai berikut (Pruess, 2005)

( )k k k ka a a l l l g g gM S X S X S Xf r r r= + + (2)

Persamaan di atas merepresntasikanbahwa besarnya akumulasi massa darikomponen merupakan penjumlahandari mass komponen tersebut dalamsetiap fasa ( = aqueous, = liquid,

= gas) yang mengisi void batuandengan porositas dengan tingkatsaturasi dan fraksi .


45

Perubahan flux massa pada suatusistem reservoir dapat berupa akibatperbedaan tekanan (transportasi massasecara advektif) dan perbedaankonsentrasi (transportasi massa secaraadvektif). Perubahan flux massa advektiffluida merupakan penjumlahan darisemua flux untuk setiap fasa dari setiapkomponen fluida yang dihitung sebagaiberikut,

= + +F F F Fk k k kadv a a l l g gX X X (3)

dengan dihitung berdasarkan per-samaan Darcy sebagai berikut,

( )b bb b b

b

rr

m= - Ñ -F K grk

P (4)

Sementara perubahan flux massa secaradiffusif dapat dihitung menggunakanHukum Ficks.

r r

r

= Ñ + Ñ

+ Ñ

F D D

D

k kk k ka ldiff a a l l

k kgg g

X X

X (5)

dimana merupakan tensor difusif darikomponen dalam fasa ( = aqueous,

= liquid, = gas). Dengan demikian,dengan memanfaatkan teoremadivergensi Gauss, persamaankesetimbangan massa pada Pers.1 dapatdituliskan dalam bentuk sebagai berikut,

¶= - +

¶F

kk kM div q

t(6)

atau

(

( ))( )

b b bb b

b bb b

b b

bb bb

rr

m

r

r

æ ö¶ Æç ÷è ø =

¶

Ñ -

+ Ñ

+

åå

å

div K

g

div D

k

rk

k k

k

S Xk

Xt

P

X

q (7)

Selanjutnya, TOUGH2 menyelesaiakanpersamaan kesetimbangan energi dalambentuk persamaan berikut,

¶= - +

¶div F

hh hM q

t(8)

dengan merupakan akumulasi panasdalam sistem multi-fasa, merupakandensitas fluks energi (termasuk fluksadvektif dan difusif), dan adalahsumber panas. Akumulasi panas,merupakan total energi panas dari sistemmultifasa berupa penjumlahan dari energidalam setiap fasa fluida dan energi panasdari grain atau solid, dirumuskan dalambentuk persamaan berikut,

( )( )

1 f r

f r r r

= -

+ + +

hR R

a a a l l l g g g

M C T

S u S u S u (9)

dimana dan berturut-turut adalahdensitas grain dan kalor jenis batuan,merupakan temperature dan adalahenergi dalam dari setiap fasa ( =aqueous, = liquid, = gas). Total fluksenergi pada sistem merupakanpenjumlahan dari kontribusi advektif darisetiap fasa fluida dan fluks difusif sebagaiberikut,


46

( )l= - Ñ

+ + +

F

F F F

h

k k ka a l l g g

T

h h h (10)

Dengan merupakan konduktivitaspanas, ℎ adalah specific enthalpy (energiper satuan massa) dalam fasa untuksetiap komponen fluida .

Pada TOUGH2, metode integralbeda hingga (Narasimhan dkk., 1976)digunakan untuk menyelesaiakanpersamaan kesetimbanagan massa danenergi. Dsikritisasi ruang pada TOUGH2dapat dilihat pada Gambar 1. Domainwaktu pada TOUGH2 di diskritisasi kedalam beda hingga orde pertama.Diskritisasi waktu mengasilkanhimpunan gabungan persamaan tak-liniear dalam bentuk sebagai berikut,

, 1 , 1 ,

, 1 , 1

0

+ +

+ +

= -

D æ ö- +ç ÷D è ø=

å

k t k t k tn n n

k t k tnm nm n n

mn

R M R

t A F V qV

(11)

Dimana , merupakan residualkomponen per satuan volum n,adalah representasi dari elemenpermukaan, merupakan massa atauenergi per unit volum, adalah elemenvolum dan adalah luas dari elemenpermukaan, merupakan fluks massaatau energi, dan merupakan suku yangmenyatakan sumber.

2.2 FLAC3D (Fast LagrangianAnalysis of Continua in 3Dimensions)FLAC3D merupakan program beda

hingga yang digunakan untukmensimulasikan perilaku dari materialyang mengalami pembebanan atautekanan (ITASCA, 2006). Programnumerik ini mampu merepresentasikansifat deformasi elasto – plastic darimaterial. Respon dari setiap grid yang adapada setiap elemen terhadap tegangan dankondisi batas diatur oleh hubungan

tegangan - regangan baik linier maupuntak-linier.

FLAC3D merupakan kelanjutan dariFLAC, yaitu program komputasi mekanikuntuk 2 dimensi. Suatu model dalamFLAC3D dapat dibentuk denganmenggunakan kumpulan perintah(command) yang menjalankan instruksitertentu. FLAC3D menyediakan FISH,yaitu bahasa pemrograman yangterintegrasi di dalam FLAC3D yangmemungkinkan pengguna untukmendefinisikan variabel dan fungsi barudalam pemodelan (ITASCA, 2006)sehingg pengguna dapat meningkatkanfungsi FLAC3D dengan menambahkanfitur baru ke dalamnya.

FLAC3D menyediakan perintahSAVE untuk menyimpan kondisimekanik pada kondisi dan waktu tertentu.Sementara itu, FLAC3D jugamenyediakan perintah untuk memuatulang kondisi mekanik yang disimpansebelumya melalui perintah RESTORE.Perintah – perintah tersebut bermanfaatsaat menjalankan simulasi sekuensial.

FLAC3D akan menyelesaikanpersamaan gerak (Pers. 12) baik padakonfigurasi mekanik ataupuntermomekanik (Rutqvist dkk., 2002).

. r rÑ + =vσ gm m

ddt

(12)

dengan adalah tensor tegangan totalmakroskopik (negatif untuk kompresi),

adalah densitas rata – rata dari massabatuan, adalah vektor percepatangravitasi, adalah vektor kecepatan dan tadalah waktu. Pada saat menyelesaikanPers.12, mode groundwater perludipanggil pada FLAC3D untukmenghitung tegangan efektif. Teganganefektif dihitung dengan persamaansebagai berikut,

a¢ = +σ σ I P (13)

dengan adalah tensor tegangan efektifmakroskopik (negatif untuk kompresi),


47

adalah tensor tegangan total makroskopik(negatif untuk kompresi), adalah tensorsatuan dan adalah parameter teganganefektif Biot dan adalah tekanan pori.Pertambahan tegangan dan regangandalam suatu rentang waktu tertentudibentuk oleh hukum konstitutif elastisatau elasto – plastis pada material dansecara umum dapat dituliskan dalambentuk sebagai berikut (Rutqvist dkk.,2002 and 2005),

( )' ', ,s s eD = DF & t (14)

dengan adalah fungsi material yangdiberikan, adalah tegangan efektif dan∆ adalah pertambahan waktu. PadaFLAC3D, Pers. 12 dan Pers. 14diselesaikan secara bergantian danberulang. Proses kalkulasi berhenti ketikasolusi akhir dicapai, yaitu ketika bodiberada dalam kondisi setimbang dengannilai out of balance force menuju nol,yang berarti bahwa tidak ada perubahankecepatan yang signifikan atau steady –state flow.

3. METODE PENELITIAN

3.1 Metode Kopling TOUGH2 danFLAC3DPenyelesaian persamaan kopel dari

kedua perangkat ini tidak dapat dilakukansecara paralel namun dilakukan secarasekuensial, yaitu dengan cara mentransferparameter – parameter yang terkopelantara kedua perangkat tersebut padasuatu interval waktu tertentu. Oleh karenaitu, TOUGH2-ECO2M dan FLAC3Dperlu dieksekusi secara bergantian dansecara otomatis sampai dengan waktusimulasi berakhir (Lihat Gambar 2 danGambar 3). Untuk mengakomodasikebutuhan tersebut, pada studi inidikembangkan suatu aplikasi komputeryang berfungsi untuk menghubungkanTOUGH2-ECO2M dan FLAC3D sertamengotomatisasi simulasi THM. Aplikasi

ini dikembangkan dengan menggunakanbahasa pemrograman C#. Fungsi utamadari aplikasi ini adalah untukmenjalankan perangkat TOUGH2-ECO2M dan FLAC3D secara otomatisdan mentransfer data antara keduaperangkat tersebut setiap interval waktutertentu.

TOUGH2-ECO2M dan FLAC3Ddijalankan dengan menggunakan doscommand yang diaktifkan pada programeksternal secara otomatis pada setiapperulangan per interval waktu tertentu.Sementara itu, fungsi transfer data dariTOUGH2 ke FLAC3D dan sebaliknyadilakukan melalui berkas data. Beberapaperubahan pada program TOUGH2 danformat dari berkas masukan TOUGH2perlu dilakukan sehingga dapatmengintegrasikan TOUGH2 – FLAC3Dserta dapat digunakan untuk pemodelankopel THM pada injeksi CO2. Prosedurnumerik ini menggunakan metodesekuensial eksplisit, yaitu masing –masing kode program dijalankan sekalidan data hanya ditransfer sekali dalamsetiap interval waktu (Rutqvist dkk.,2002).

3.2 Modul TOUGHFLACModul TOUGHFLAC berfungsi

menghubungkan proses kalkulasi termal -hidrolik (TH) di TOUGH2 dengan proseskalkulasi mekanik (M) di FLAC3D.Modul ini mentransfer data saturasi (S),temperatur (T) dan tekanan fluida (P)dalam setiap fasa dari TOUGH2 keFLAC3D untuk kemudian dilakukankalkulasi pengaruhnya terhadap kondisimekanik batuan. Perlu diperhatikanbahwa terdapat perbedaan posisiperhitungan temperatur dan tekananantara TOUGH2 dan FLAC3D.TOUGH2 melakukan kalkulasitemperatur dan tekanan di pusat elemen,sementara di dalam FLAC3Dperhitungan tekanan, temperaturdilakukan di titik grid (titik pojok)elemen. Jadi, dalam modul ini disediakanjuga fungsi untuk interpolasi nilai tekanan


48

dan temperatur dari titik pusat elemenTOUGH2 ke titik pojok setiap elemen dimodel FLAC3D yang menggunakakanbahasa FISH yang terdapat padaFLAC3D (lihat Gambar 4). Interpolasidilakukan dengan menggunakan metodeInverse Distance Weighted (IDW) sepertiyang ditunjukkan Pers. 15 dan Pers. 16.

Interpolasi nilai di posisiberdasarkan sampel = ( ) untuk =1,2, … , adalah sebagai berikut,

( )( )

( )1

1

untuk ( , )

untuk )

0

( , 0

å=

å=

ìï

¹ï= íïï =î

i

i

x

xx x

x

x xi

Nw ui i

iN

wii

du

u d

(15)

dengan

( )( )

1,

=i

xx xi pw

d(16)

dimana merupakan bobot untuksampel di dan merupakan parameterpangkat yang bernilai positif.

3.3 Modul FLACTOUGHModul ini berfungsi untuk

menghubungkan analisis kalkulasimekanik (M) dengan analisis termal –hidrolik (TH). Fungsi utama dari modulini adalah untuk mentransfer data propertihidrolik (porositas, permeabilitas, dantekanan kapiler) dengan memanfaatkanbahasa FISH pada FLAC3D untukkemudian dituliskan kedalam berkasinput TOUGH2 baru. Properti hidrolikdikalkulasi baik langsung maupun tidaklangsung sebagai fungsi dari teganganefektif rata – rata (lihat Pers. 17, Pers. 18dan Pers. 19) dan dikalkulasi di pusatelemen model FLAC3D sehingga tidakdiperlukan interpolasi pada elemenTOUGH2. Berkas input TOUGH2 yangbaru ini kemudian digunakan untukanalisis termal – hidrologi secara internaloleh TOUGH2 pada step waktuberikutnya.

Nilai porositas dikoreksimenggunakan hubungan terhadaptegangan efektif rata – rata (Rutqvist dkk.,2002 dan 2005) sebagai berikut,

( ) ( )0 expf f f f s ¢= + -r r Ma x (17)

dengan ∅ adalah porositas baru, ∅adalah porositas pada tegangan nol, ∅adalah porositas pada tegangan tinggi,adalah eksponen empiris untuk fungsiporositas-tegangan yang perlu ditentukanmelalui eksperimen di laboratorium dan

adalah tegangan efektif rata – rata.Nilai porositas yang baru digunakanuntuk mengkoreksi nilai permeabilitas(Rutqvist dkk., 2002 dan 2005) melaluipersamaan berikut,

00

exp 1ff

é ùæ ö= * -ç ÷ê úè øë ûk k c (18)

dengan adalah permeabilitas intrinsik, adalah permeabilitas intrinsik pada

tegangan nol dan adalah eksponenempiris untuk fungsi permeabilitas-porositas. Sementara itu, tekanan kapilerdikoreksi oleh hubungan permeabilitasdan porositas (Rutqvist dkk., 2002 dan2005) berdasarkan fungsi Leveret (1941),

( )0

00

f

f=c c l

k

P P S k (19)

Semua perhitungan koreksi propertihidrolik model batuan reservoirdilakukan pada FLAC3D yang ditulisdengan menggunakan FISH dalamSubprogram io_zone.

4 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Program Eksternal SimulatorTHM TOUGH2 – FLAC3DSedikit modifikasi terhadap program

TOUGH2 dan penambahan program


49

perlu dilakukan sehingga perangkat lunakTOUGH2 dan FLAC3D dapat berjalandan dapat berkomunkasi dalam bentuktransfer dan membaca data secaraotomatis. Pada program TOUGH2dilakukan modifikasi sehingga kalkulasitekanan kapiler langsung diambil darinilai yang disediakan pada berkasmasukan TOUGH2. Selain itu, padaprogram TOUGH2 juga ditambahkansubprogram yang menuliskan propertidan hasil perhitungan TOUGH2 untuksetiap elemen ke dalam suatu berkas datadalam ekstensi .dat untuk kemudiandipetakan oleh program eksternal kedalam elemen FLAC3D. Pada FLAC3Dtidak perlu dilakukan modifikasi samasekali. Tabel 1 berisi tentang programyang ditambahkan dan dimodifikasiuntuk mengkopel perangkat lunakTOUGH dan FLAC3D. SimulatorTOUGH – FLAC3D dibangun denganUser Interface (UI) untuk memudahkanmemilih berkas masukan TOUGH2,berkas masukan FLAC3D dan lamanyasimulasi berdasarkan banyaknya iterasi(lihat Gambar 5).

Geometri model yang dibangun diTOUGH2 dan FLAC3D harusbersesuaian dan konsisten. Setelah berkasmasukan TOUGH2 dan FLAC3Dberhasil dibuat, selanjutnya simulasisteady – state dijalankan untukmemperoleh kondisi awal, diantaranyatekanan, temperatur dan kondisitegangan. Setelah diperoleh kondisi awal,berkas input TOUGH2 dimodifikasisehingga siap dikopel dengan FLAC3D.Program eksternal memanggil TOUGH2untuk menjalankan analisis TH dariinjeksi CO2 dengan laju injeksi tertentudan kemudian memetakan elemenTOUGH2 ke FLAC3D untuk kemudianmenuliskan hasilnya (tekanan,temperatur, dan saturasi) pada berkaszone_ppt.dat. Program eksternalselanjutnya menjalankan FLAC3D untukmelakukan analisis mekanik. FLAC3Dmemanggil berkas input yang berisicommand – command dengan fungsi

tertentu. Command pertama berfungsime-restore kondisi geomekanik saat iniyang disimpan di dalam berkasFLAC3D.sav. Sub – command berikutnyamembaca data dari file eksternalzone_ppt.dat yang berisi tekanan,temperatur dan saturasi fasa untukkemudian memetakan nilai – nilaitersebut pada grid FLAC3D melaluiinterpolasi IDW. Kemudian, analisis HMdan TM dijalankan. Perintah berikutnyamenuliskan hasil kalkulasi propertihidrolik sebagai fungsi perubahantegangan dari hasil analisis HM dan TM.Selanjutnya, kondisi geomekanik yangbaru disimpan ke dalam berkasFLAC3D.sav. Program ekternalselanjutnya membaca, memetakanproperti hidrolik hasil kalkulasi padaelemen FLAC3D ke elemen TOUGH2dan membuat berkas input TOUGH2yang baru. Proses tersebut diulangi untukiterasi tertentu sampai waktu simulasiyang dikehendaki tercapai.

4.2 Penerapan Simulator TOUGH2 –FLAC3D pada Injeksi CO2 padamodel reservoir sederhanaProgram ekternal simulator

TOUGH2-FLAC3D yang dikembangkansudah diaplikasikan pada reservoirsederhana (Suhendi dkk., 2019) dan padasimulasi injeksi CO2 pada LapanganGundih sebagai bagian dari kajian PilotProject CCS di Indonesia (Fatkhan dkk.,2019). Prinsip penggunaan aplikasi inirelatif sederhana seperti yang ditunjukanpada Gambar 6. Tahap pertama adalahpenentuan model dan parameter batuan,baik parameter fisis ataupun mekanisyang dilanjutkan dengan pembentukanmodel perlapisan. Pada pemodelandianjurkan injeksi dilakukan padaformasi dalam dengan kedalaman lebihdari 900 m sehingga fluida CO2diharapkan berada pada kondisisuperkritis. Model dibangun darisejumlah grid berupa balok denganukuran tertentu yang didefinisikan diawal.


50

Tahap berikutnya adalahmenentukan kondisi awal dari sistemdengan cara mengeksusi programTOUGH2 dan FLAC3D bergantianberdasarkan berkas masukan yang dipilih(lihat kotak kuning pada Gambar 5).Model runtuhan batuan reservoirdiasumsikan mengikuti kriteria runtuhanMohr Coulomb.

Setelah kondisi awal ditentukanuntuk masing – masing analisis TH dan Mselanjutnya adalah mengaktifkan fungsikopling TOUGH2-FLAC3D denganmenceklist fungsi Couple TOUGH2-FLAC3D (lihat kotak ungu pada Gambar5). Selanjutnya adalah menentukan lamasimulasi yang akan dijalankan dankemudian mengeksuki simulasi kopelTHM secara otomatis sampai denganwaktu simulasi berakhir.

Hasil simulasi injeksi CO2 padamodel perlapisan seperti pada Gambar 7dengan titik injeksi berada di kedalaman1.475 m. Properti fisis dan mekanikbatuan seperti yang ditunjukan padaTabel 2. Injeksi dilakukan dengan lajuinjeksi sebesar 10 kg.s-1. Kondisi batasdari sistem diasumsikan bahwa sistemtidak mengalami pergeseran normalterhadap bidang di samping dan bidang dibawah model. Bidang permukaan tidakdikenakan kendala sehingga permukaandapat mengalami pergeseran lateral atauvertikal. Sementara itu, kondisi mekanikawal sistem adalah sistem berada kondisisetimbang sebagai akibat pengaruh daribeban gravitasi saja.

Simulasi pada model inimenghasilkan pergeseran vertikal sebesar25 cm yang posisinya dipermukaan tepatdi atas sumur injeksi (lihat Gambar 9).Sementara itu, akumulasi CO2 pada fasaaqueous berkumpul disekitar titik injeksi(lihat Gambar 8) yang bersamaandengan fasa fluida lainnya menghasilkantekanan yang mengakibatkan penurunannilai strength-stress ratio yang mendekatinilai satu, yaitu 1.375.

5. KESIMPULAN DAN SARAN

Program eksternal simulator THMTOUGH2 – FLAC3D yang sudahdikembangkan berhasil menjalankansimulasi kopel THM secara otomatissampai waktu simulasi berakhir. Hasilujicoba program ekternal terhadap prosesinjeksi CO2 pada model reservoirsederhana berhasil memperlihatkanbahwa terjadi pergeseran vertikal, dengannilai pergeseran vertikal maksimumdipermukaan terjadi di sekitar sumurinjeksi sebesar 2,25 cm setelah injeksidilakukan selama 22,21 jam. Pergeseranvertikal ini terjadi akibat peningkatantekanan di dalam reservoir. Selain itu,terdapat reduksi rasio kekuatan batuan disekitar titik injeksi (di kedalaman 1.475m) terhadap tegangan yang dialamibatuan yang mengindikasikan bahwanilai tegangan yang dialami batuan sudahhampir sama dengan kekuatan batuan(nilai rasio mendekati nilai 1) danberpotensi untuk mengalami runtuhan.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasihatas kesempatan untuk dapat terlibat padaPilot Project CCS (Carbon CaptureStorage) di Gundih, Jawa Tengah,Indonesia khusunya JICA (JapanInternational Cooperation Agency) untukpenelitian dan pelatihan di UniversitasKyoto, Jepang sehingga dapatmenggunakan fasilitas software danperangkat yang digunakan padapenelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

Ajayi, T., Gomes, J.S., dan Bera, A.,2019, A review of CO2 storage ingeological formations emphasizingmodeling, monitoring and capacityestimation approaches, PetroleumScience, 16:1028–1063.


51

Celia, M. A., S. Bachu, J. M. Nordbotten,and K. W. Bandilla., 2015, Status ofCO2 storage in deep saline aquiferswith emphasis on modelingapproaches and practicalsimulations, Water ResourcesResearch., 51, 6846–6892.

Fatkhan, Suhendi, C., Sahara, D.P., Sule,R.M., 2019, Modelinggeomechanical responses induced byCO2 injection in CCS pilot project inGundih field, Indonesia, IOP Conf.Series: Journal of Physics: Conf.Series 1204.

Itasca Consulting Group Inc., 2006,FLAC3D manual: Fast Lagrangiananalysis of continua in 3 –dimensions – version 4.0, ItascaConsulting Group Inc., Minnesota,USA.

Leverett, M.C., 1941, Capillary behaviorin porous media, Trans, AIME, 142,341 – 358.

Narasimhan, T.N., Witherspoon, P.A.,1976, An Integrated FiniteDiffeerence Method for AnalyzingFluid Flow in Porous Media, WaterResources Research, Vol. 12, No.1.

Pruess, K., Oldenburg, C. dan Moridis,G., 1999, TOUGH2 user’s guideversion 2.0, Clean Energy System inthe Subsurface, Earth SciencesDivision, Lawrence BerkeleyNational Laboratory University ofCalifornia, Berkeley.

Pruess, K., 2005, ECO2N: A TOUGH2Fluid Property Module for Mixtures

of Water, NaCl, and CO2, EarthSciences Division, LawrenceBerkeley National LaboratoryUniversity of California, Berkeley.

Pruess, K., 2011, ECO2M: A Tough2fluid property module for mixtures ofwater, NaCl and CO2, includingsuper – and sub – critical conditions,and phase change between liquid andgaseous CO2, Earth SciencesDivision, Lawrence BerkeleyNational Laboratory University ofCalifornia, Berkeley.

Rutqvist, J., Wu, Y.S., Tsang, C.F. danBodvarsson, G., 2002, A modelingapproach for analysis of coupledmultiphase fluid flow, heat transfer,and deformation in fractured porousrock, International Journal of RockMechanics & Mining Sciences, 39,pp. 429 – 442.

Shahbazi, A. dan Nasab, B.R., 2016,Carbon Capture and Storage (CCS)and its Impacts on Climate Changeand Global Warming, Journal ofPetroleum and EnvironmentalBiotechnology 7: 291. doi:10.4172/2157-7463.1000291.

Suhendi, C., Fatkhan, Shara, D.P., Sule,R.M., 2019, Modeling the behaviorof CO2 injection in a sand reservoir,IOP Conf. Series: Journal of Physics:Conf. Series 1204.

Rutqvist, J. dan Tsang, C.F., 2005,Coupled hydromechanical effects ofCO2 injection, Developments inWater Sciences, 52, pp. 649 – 679.


52

LAMPIRAN

Tabel 1. Daftar program komputer dan berkas program yang dibangun

Tabel 2. Properti material untuk setiap lapisan formasi

Properti Formasi1

Formasi2

Formasi3

Formasi4

Modulus Young’s (GPa) 5 5 5 5Poisson’s Ratio, ν (tidakberdimensi) 0,25 0,25 0,25 0,25

Parameter Biot’s, α (tidakberdimensi) 1 1 1 1

Densitas batuan tersaturasi,(Kg/m ) 2.260 2.260 2.260 2.260

Porositas pada tegangan nol,Φ (tidak berdimensi) 0,1 0,01 0,1 0,01

Porositas residu, Φ (tidakberdimensi) 0,09 0,009 0,09 0,009

Permeabilitas pada tegangannol, (m ) 1 x 10 1 x 10 1 x 10 1 x 10

Program/file BahasaPemrograman

Objektif

Berkas programProperties.f3dat FISH Menyediakan properti batuan.

Berkas programInitial_run.f3dat FISH Kalkulasi HM dan TM untuk kondisi

awal.Berkas programCouple_run.f3dat FISH Kalkulasi HM dan TM dalam iterasi.

Prosedurdens_zone FISH Memetakan densitas setiap elemen

TOUGH ke elemen FLAC3D.

Prosedurppt_zone FISH

Menginterpolasi dan memetakannilai tekanan dan temperatur darititik tengah elemen TOUGH2 ke titikpojok FLAC3D.

Subprogramio_zone FISH Menuliskan hasil modifikasi

parameter hidrolik


53

Gambar 1. Diskritisasi ruang dan data geometri pada integral beda hinggadalam TOUGH2 (Pruess dkk., 1999)

Gambar 2. Skema transfer data pada simulator TOUGH2 – FLAC3D

Gambar 3. Prosedur simulasi numerik dari simulator TOUGH2 - FLAC3D(diambil dari Rutqvist dkk., 2002)

Gambar 4. Posisi perhitungan tekanan fluida (P) dan temperatur (T) padaTOUGH2 dan FLAC3D (modifikasi dari Rutqvist dkk., 2002)


54

Gambar 5. GUI dari program eksternal (kiri) dan form untuk post processingdata luaran TOUGH2

Gambar 6. Prosedur cara kerja dari program eksternal dalam simulasi kopelTHM menggunakan simulator TOUGH - FLAC3D


55

Gambar 7. Peta lapisan formasi dari potongan vertikal model

Gambar 8. Fraksi CO2 yang larut dalam air (fasa aqueous) pada simulasiinjeksi CO2 selama 2,52 jam (atas) dan Fraksi CO2 yang larutdalam air (fasa aqueous) pada simulasi injeksi CO2 selama 22,21jam (bawah).


56

Gambar 9. Magnitudo pergeseran vertikal (m) untuk setiap lapisan setelahinjeksi 22,21 jam

Gambar 10. Evolusi strength-stress ratio setelah injeksi selama 2,52 jam(lingkaran merah dan kotak kuning). Warna biru menyatakannilai strength-stress ratio rendah

Gambar 11. Evolusi rasio kekuatan-tegangan setelah injeksi selama 22,21 jam(lingkaran merah dan kotak kuning). Warna biru menyatakannilai strength-stress ratio rendah

Documents

ALTERNATIF PEMODELAN NUMERIK KOPEL THERMO-HYDRO …