PB-02

Workshop & Seminar NasionalGeomekanika III WSNG III 16-17 Februari 2015, Jakarta

1

Uji model fisik untuk memprediksi inisiasi rekahan pada perekahan

hidrolik

(Physical modeling to predict fracture initiation on hydraulic fracturing)

Fredo Yolendra Kaswiyanto1, Irwandy Arif1, Ganda Marihot Simangunsong1

1Departemen Rekayasa Pertambangan, Institut Teknologi Bandung, Bandung 40132, Indonesia

Sari Perekahan hidrolik atau hydraulic fracturing merupakan metoda yang umum digunakan untuk meningkatkan nilai permeabilitas pada batuan yang memiliki permeabilitas rendah dengan cara membuat rekahan baru pada masa batuan. Dalam perkembangannya, rekah hidrolik pun dapat digunakan untuk penentuan kondisi tegangan insitu pada batuan. Pada

penelitian ini akan mencoba membahas teori yang berkembang bahwa rekahan yang timbul akibat penekanan secara internal pada perekahan hidrolik akan terjadi pada arah yang tegak lurus dengan sumbu tegangan utama minimum (Hubbert dan Willis, 1957). Penelitian ini akan membahas masalah tersebut menggunakan pendekatan pemodelan fisik. Pemodelan fisik yang dilakukan di laboratorium akan diberikan pembebanan secara polyaksial pada dua jenis material yaitu material transparan polyester resin dan campuran semen dan pasir. Penelitian ini telah membuktikan bahwa inisiasi rekahan pada perekahan hidrolik akan terbentuk pada sumbu arah tegangan maksimum. Kata-kata kunci: Hydraulic fracturing, uji model fisik, resin, semen dan pasir.

Abstract Hydraulic fracturing is a pressure-induced fracture caused by injecting fluid into a target rock formation. In oil and gas industries, this method is commonly used to increase permeability by creating fractures in the formation that connect the reservoir and wellbore. Another purpose of hydraulic fracturing is to determine in-situ stresses. This research was performed in laboratory to validate fracture mechanism of hydraulic fracturing where fractures should be formed perpendicular to the minimum principal stress. Block samples with dimension of 25 cm x 25 cm x 25 cm were prepared in laboratory using two types of materials i.e. resin and concrete. Nozzle with diameter of 1 cm was mounted at the center of block samples to

accommodate fluid injection. During the test, the block samples were given initial loads representing in-situ stress at three perpendicular directions. The initial loads were 12 MPa, 9 MPa and 6 MPa for resin block sample, and 3 MPa, 2 MPa and 1 MPa for concrete block sample. Fracture pressures (breakdown pressure) were obtained from the tests giving values of 15.6 MPa and 7.0 MPa for resin and concrete block samples, respectively. The fractures were observed approximately parallel to direction of maximum principal stress. The fracture initiation should begin at the perimeter of the injected hole, and the location has been confirmed similar with the laboratory test results where fracture generates parallel to direction of maximum principal stress. Keywords: Hydraulic fracturing, Laboratory test, Polyaxial loading, Finite element methods, Failure criterion.

*Penulis untuk korespondensi (corresponding author): E-mail: [email protected] Tel: +62-22-2509999, Faksimil: +62-22-2509998

I. PENDAHULUAN Prediksi arah rekahan pada aktivitas perekahan

hidrolikdalam kaitannya untuk peningkatan

permeabilitas merupakan hal yang penting untuk

diketahui agar rekahan dapat terjadi secara optimal.

Keberhasilan pelaksanaan hydraulic fracturing untuk

meningkatkan permeabilitas tidak hanya dipengaruhi

oleh parameter terkontrol seperti viskositas fluida

dan debit injeksi fluida, tetapi juga dipengaruhi oleh parameter tak terkontrol, seperti karakteristik masa

batuan, orientasi tegangan utama dan kondisi

tegangan in-situ.

Karena orientasi rekahan merupakan fungsi dari

tegangan insitu, maka pengetahuan akan kondisi

tegangan insitu penting untuk diketahui. Rekah

hidrolik bila dilakukan dengan prosedur tambahan,

juga dapat digunakan untuk mengukur tegangan

insitu pada suatu lokasi yang mempunyai kedalaman

yang besar(Haimson & Fairhurst, 1967), (Von

Schoenfeld 1970).

Rumusan masalah pada penelitian ini adalah untuk

mengetahui perilaku tegangan pada aktivitas

perekahan hidrolik skala laboratorium dalam

kaitannya untuk penentuan arah rekahan yang terjadi

pada perimeter lubang bor berdasarkan segala keterbatasan yang ada.

Batasan pada pelaksanaan pengujian

laboratoriumadalah model fisik akan dikenakan

tegangan secara polyaksial,1 2 3 dan 1> 2> 3.

Workshop & Seminar Nasional Geomekanika III WSNG III 16-17 Februari 2015, Jakarta

2

II. PENGUJIAN MODEL FISIK Pengujian model fisik yang dilakukan menggunakan

dua buah material yaitu resin dan semen. Pengujian

dilakukan di Laboratorium Geomekanika dan

Peralatan Tambang Jurusan Teknik Pertambangan, Institut Teknologi Bandung. Model akan diberikan

pembebanan secara polyaksial dan diberikan

penekanan secara hidrolik pada lubang uji yang telah

dibuat yang berada di tengah-tengah model. Lebih

jelasnya dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1.Skema Eksperimental

2.1 Apparatus Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini terdiri

dari:

1. Pompa hidrolik elektrik yang mampu memberikan debit penekanan secara konstan

2. Dua buah piston penekanan pada arah horizontal. 3. Alat uji penekanan Hung-Ta untuk memberikan

penekanan yang searah lubang uji

4. Pressure transducer dan perangkat lunak Personal Daq View

2.2 Pengujian Material Resin Material polyester-resin dipilih karena materialnya

yang transparan, sehingga diharapkan rekahan yang

terjadi dapat diamati dengan baik. Material resin yang

digunakan ini merupakan material dimana karakteristik

kekuatan materialnya sangat bergantung terhadap suhu. Pada suhu rendah material ini akan memiliki

karakteristik getas (brittle) tetapi pada suhu ruangan

material ini memiliki karakteristik ductile. Karena

model polyester-resin diharapkan dapat pecah oleh

tekanan hidrolik, maka model diharapkan dapat

berperilaku getas. Untuk itu model fisik

polyester-resin di diamkan pada suhu yang rendah di

lemari pendingin bersuhu 7o celcius selama 14 hari

sebelum pengujian rekah hidrolik dilaksanakan.

Karena karakteristiknya yang sangat bergantung

terhadap suhu tersebut, terdapat kesulitan untuk

menguji sifat fisik dan mekanik yang benar-benar merepresentasikan karakteristik material pada saat

dilakukan pengujian rekah hidrolik pada suhu yang

sama. Dengan tidak diketahuinya karakteristik fisik

dan mekanik material resintersebut, maka pengujian

ini hanya dilakukan untuk memberikan analisis

orientasi arah rekahan akibat pembebanan secara

polyaksial tanpa dilakukan analisa tegangan. Blok model fisik resin berbentuk kubus dengan

panjang sisi 25cm dengan lubang uji penekanan

sepanjang 7cm. Panjang nozzle penghubung ke pompa

hidrolik adalah 12 cm dan yang masuk ke dalam blok

model sepanjang 8cm. Diameter nozzle adalah 10 mm.

Geometri blok model resindapat dilihat pada gambar 2.

Gambar 2.Blok model Polyester-Resin

Pemberian pembebanan polyaksial pada model resin

adalah 12 MPa, 9 MPa dan 6 MPa untuk tegangan

maksimum, intermediet dan minimum (gambar 3).


3

Gambar 3.Pelaksanaan pengujian rekah hidrolik untuk

material Polyester-Resin

Pada gambar 4 hingga gambar 6terlihat hasil rekahan

yang terjadi. Rekahan pada blok fisik resin akibat

penekanan hidrolik terjadi pada saat tekanan pompa

sebesar 15.6 MPa. Hasil rekahan sesuai dengan teori

yang dikemukakan oleh Hubbert, 1957 yaitu rekahan

terjadi pada arah tegangan terbesar, yaitu pada arah 1. Karena tegangan maksimum (1) dan tegangan minimum (3) pada bidang yang tegak lurus dengan lubang uji diketahui dan tidak terdapat tekanan pori

pada material tersebut sehingga P0 sama dengan 0, maka menurut persamaan (7) dapat diketahui kuat tarik

material polyester-resin berdasarkan uji rekah hidrolik

adalah sebagai berikut:

1 = 3 3 Pc P0 + t 12 MPa = 3(6 MPa) 15.6 MPa 0 + t t = 12 MPa 18 MPa +15.6 MPa

t = 9.6 MPa

Gambar 4.Arah rekahan bila dilihat pada arah sumbu lubang

uji penekanan atau sumbu minimum (3) dari atas

Gambar 5.Arah rekahan bila dilihat pada arah sumbu

tegangan intermediet (2)

Gambar 6.Arah rekahan bila dilihat pada arah sumbu

tegangan maksimum (1)

Berdasarkan hasil perhitungan diatas diketahui bahwa

kuat tarik material polyester-resin yang digunakan

pada saat pengujian memiliki nilai kuat tarik sebesar

9.6 MPa.

Kurva data tekanan hidrolik berdasarkan waktu dapat

terlihat pada gambar 7.Dari grafik tersebut terlihat

bahwa terdapat beberapa perubahan kecepatan debit penekanan yang terjadi akibat karakteristik material

walaupun tidak dilakukan perubahan debit pada alat

pompa rekah hidrolik elektrik.

12 MPa

9 MPa

6 MPa


4

Gambar 7.Grafik data tekanan hidrolik terhadap waktu ketika pengujian material Polyester-Resin

Tabel 1. Hasil pengujian sifat mekanik material semen dan pasir

Pengujian Hasil Pengujian Keterangan

Parameter Value Units

Uji UCS Kuat Tekan c 33.48 MPa

Modulus Young E 5863.93 MPa

Poisson Ratio 0.28

Uji

Brazillian

Kuat Tarik t 2.78 MPa Kekuatan tarik tidak langsung

Uji

Triaksial

Kohesi C 4.52 MPa

Sudut Gesek Dalam 49.61

2.3 Pengujian material Pasir dan Semen Material campuran semen dan pasir dipilih karena

dapat merepresentasikan kondisi batuan alami,

sehingga dapat dilakukan analisa tegangan. Pasir yang

digunakan menggunakan pasir yang telah dilakukan

pengayakan, dengan perbandingan semen dan pasir

adalah 1:1 dan dikeringkan selama lebih dari 28 hari.

Blok model campuran semen dan pasir yang digunakan memiliki geometri yang sama dengan

model polyester-resin, yaitu kubus dengan panjang sisi

25 cm. Nozzle yang digunakan sebagai penghubung

dengan pompa hidrolik elektrik yang digunakan juga

memiliki dimensi yang sama dengan model

polyester-resin sebelumnya, yaitu sepanjang 12 cm.

Bentuk model fisik dan dimensinya dapat dilihat pada

gambar 8.

Pengujian karakteristik fisik dan mekanik yang

dilakukan antara lain pengujian sifat fisik, uji

Unconfined Compressive Strength (UCS), Uji

Brazillian dan Uji Triaksial. Hasil pengujian karakteristik fisik dan material dapat dilihat pada tabel

1.

Gambar 8.Blok model campuran Semen dan Pasir

Pemberian pembebanan polyaksial pada model fisik

campuran semen dan pasir yaitu nilai 1 adalah

sebesar 3 kali dari 3, dan nilai 2 berada diantaranya.

Perbandingan antara 1 dan 3 ini dipilih karena pada kondisi seperti ini akan memberikan tegangan

tangensial pada arah tegangan utama maksimum

memiliki nilai 0, maka diharapkan tekanan pecah atau pressure breakdown (Pc) akan memiliki nilai yang

sama dengan nilai kuat tarik material tersebut. Nilai 1

yang dipilih adalah 3 MPa, sehingga nilai 3 adalah

sebesar 1 MPa dan 2 sebesar 2 MPa (gambar 9).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Pre

ssu

re (M

Pa)

Time (s)

hifrac


5

Pengujian yang dilakukan diberikan kecepatan debit

penekanan yang konstan, yaitu 0.016 MPa/detik.

Penekanan berhenti ketika tekanan pada hidrolik turun

karena cairan sudah melewati batas luar blok model

semen. Penekanan berhenti saat tekanan maksimum

sebesar 7.0 MPa dengan waktu 429 detik. Bentuk

rekahan dan arah pembebanan dapat dilihat pada

gambar 10. Grafik tekanan hidrolik terhadap waktu saat pengujian dapat dilihat pada gambar 20.

Bila dilakukan analisa balik, dapat diketahui kekuatan

tarik batuan berdasarkan pengujian rekah hidrolik.

Kekuatan tarik material berdasarkan hasil pengujian

rekah hidrolik di laboratorium adalah sebagai berikut:

1 = 3 3 Pc P0 + t 3 MPa = 3(1 MPa) 7 MPa 0 + t

t = 7 MPa

Gambar 9.Pelaksanaan pengujian rekah hidrolik untuk

material semen dan pasir

Pada pengujian yang dilakukan terdapat perbedaan

terhadap teori yang disebutkan sebelumnya. Kekuatan

tarik material berdasarkan hasil uji kuat tarik tak

langsung Brazillian adalah 2.78 MPa, sedangkan kuat

tarik hasil uji rekah hidrolik adalah sebesar 7 MPa. Hal

ini menunjukan terdapat faktor lainnya selain kondisi

tegangan tangensial saja yang mempengaruhi nilai

tekanan pecah pada kegiatan rekah hidraulik pada

skala laboratorium yang telah dilakukan.

Gambar 10.Arah pembebanan pada material semen dan pasir

dan rekahan yang terbentuk

Arah rekahan yang terjadi seperti pada gambar 19

memiliki arah yang tegak lurus dengan arah tegangan

minimum. Hal ini sesuai dengan hasil yang didapatkan

pada pengujian sebelumnya yaitu pada material

resindansesuai pula dengan teori yang dikemukakan

oleh Hubbert, 1957 yang menyatakan bahwa rekahan

yang terjadi pada kegiatan hydraulic fracturing akan tegak lurus terhadap arah tegangan minimum.

Gambar 11.Grafik data tekanan hidrolik terhadap waktu ketika pengujian material Semen dan Pasir

Gambar 12.

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400 500

Pre

ssu

re (M

Pa)

Time (s)

Pressure vs Time

3 MPa

1 MPa

2 MPa

Workshop & Seminar NasionalGeomekanika III WSNG III 16-17 Februari 2015, Jakarta

6

III. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan dari penelitian ini adalah :

1. Pengujian rekah hidrolik menggunakan material polyester-resin dan material semen dapat

memberikan orientasi arah rekahan yang sesuai

dengan teori Hubbert, 1957 arah bahwa rekahan

pada aktifitas hydraulic fracturing akan terjadi

pada arah tegangan utama maksimum.

2. Pengujian rekah hidrolik yang menggunakan material semen dan pasir di laboratorium

memberikan nilai pressure breakdown (Pc) yang lebih besar dari nilai perhitungan yang

menggunakan persamaan tegangan pada rekah

hidrolik oleh Aggson dan Kim, 1987.

3. Nilai kuat tarik material hasil pengujian rekah hidrolik memberikan nilai yang lebih besar dari

nilai pengujian kuat tarik tak langsung pada uji

Brazillian.

DAFTAR PUSTAKA Aadnoy, B.S., Looyeh, R. (2010) : Petroleum Rock

Mechanics, Drilling Operation and Well Design. Gulf Professional Publishing.

Adachi, J., Siebrits, E., Peirce, A., Desroches, J. (2007) : Computer simulation of hydraulic fracturing. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 44. pg. 739757

Aggson, J.R., Kim, K. (1987) : Analysis of hydraulic fracturing pressure history: A Comparison of five methods used to identify shut-in pressure. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics. Vol. 24. p75-80.

Amadei, B., Stephansson, O. (1997) : Rock Stress and Its Measurement. Chapman and Hall, London, p. 490.

Arif, I. (1993) : Penentuan tekanan pembukaan kembali rekahan batuan pada pengukuran tegangan insitu

dengan metoda Hydraulic Fracturing. Buletin PPPTM Vol.15.

Arif, I. (t.d.) : Diktat Mata Kuliah TA 733 Pemodelan Struktur Alamiah. Program Studi Rekayasa Pertambangan, Program Pasca Sarjana. Institut Teknologi Bandung.

De, S. (t.d.) : Constant Strain Triangle. MANE 4240 & CIVL 4240 Introduction to Finite Element, Lectures Note.

De, S. (t.d.) : FEM Discretization of 2D Elasticity. MANE 4240 & CIVL 4240 Introduction to Finite Element, Lectures Note.

Gramberg, J. (1989) : A Non-Conventional View on Rock Mechanics and Fracture Mechanics. A.A.Balkema/Rotterdam/Brookfield.

Hamidi, F., Mortazavi, A. (2012) : Three Dimensional Modeling of Hydraulic Fracturing Process in Oil

Reservoirs. American Rock Mechanics Association. Hubbert, M.K., Willis, D.G. (1957) : Mechanics of

Hydraulic Fracturing. Journal of Petroleum Technology, Society of Petroleum Engineers.

Misich, I. (1997) : Subsidence Prediction and Mine Design for Underground Coal Mining in The Collie Basin. Dissertation, Curtin University of Technology.

Nikishkov, G. P. (2001) : Introduction to the Finite Element

Nethod. Lecture Notes, UCLA. Shimizu, H., Chijimatsu, M., Fujita, T., Ishida, T., Koyama,

T., Murata, S., Nakama, S. (2011) : Distinct Element Modeling for Class II Behavior of Rock and Hydraulic Fracturing. International Journal of the JCRM vol.7 pp.33-36

Wu, R. (2006) : Some Fundamental Mechanisms of

Hydraulic Fracturing. Dissertation, Georgia Institute of Technology.

Documents

PB-02