Bab 3 Parameter Petrofisis Batuan
Pada dasarnya semua sifat-sifat fisis batuan reservoar dipengaruhi oleh struktur mikro pori. Namun demikian tidak semua informasi parameter fisis mikro dapat diukur secara langsung, seperti porositas, permeabilitas, tekanan kapiler dan lain sebagainya. Pengukuran dapat dilakukan dengan cara mengukur besaran fisis lain dan kemudian dihitung melalui hubunganhubungan yang melibatkan parameter mikro tersebut. Beberapa parameter petrofisis yang dominan mempengaruhi kecepatan gelombang seismik seperti, densitas, permeabiltas, saturasi air, dan porositas
Terdapat tiga sifat fisis yang berhubungan dengan ruang/ pori ini, yaitu
Porositas, merupakan perbandingan antara volume semua ruang (termasuk pori, rekahan (fracture), retakan (cracks), celah, lubang, dll) terhadap volume total suatu massa batuan atau medium. , permukaan pori yang berkaitan dengan volume pori atau massa batuan. Permukaan ini menggambarkan morphologi-dalam permukaan pori dan mengontrol efek antarmuka pada batas antara butiran penyusun massa batuan dengan cairan yang mengisi pori. Permeabilitas, adalah kemampuan untuk meloloskan cairan melalui pori-pori yang ada.
Terdapat tiga sifat fisis yang berhubungan dengan ruang/ pori ini, yaitu
Porositas, merupakan perbandingan antara volume semua ruang (termasuk pori, rekahan (fracture), retakan (cracks), celah, lubang, dll) terhadap volume total suatu massa batuan atau medium. , permukaan pori yang berkaitan dengan volume pori atau massa batuan. Permukaan ini menggambarkan morphologi-dalam permukaan pori dan mengontrol efek antarmuka pada batas antara butiran penyusun massa batuan dengan cairan yang mengisi pori. Permeabilitas, adalah kemampuan untuk meloloskan cairan melalui pori-pori yang ada.
Porositas, merupakan perbandingan antara volume semua ruang (termasuk pori, rekahan (fracture), retakan (cracks), celah, lubang, dll) terhadap volume total suatu massa batuan atau medium. , permukaan pori yang berkaitan dengan volume pori atau massa batuan. Permukaan ini menggambarkan morphologi-dalam permukaan pori dan mengontrol efek antarmuka pada batas antara butiran penyusun massa batuan dengan cairan yang mengisi pori. Permeabilitas, adalah kemampuan untuk meloloskan cairan melalui pori-pori yang ada.
Porositas
Porositas adalah mengukur volume pori yang tersedia dalam batuan, dan permeabilitas mengindikasikan aliran fluida melalui ruang pori ini. Jika volume batuan solid di notasikan sebagai Vm dan volume - , sebagai:
Φ =
v p v
=
1−
vm v
Meski terdapat dua batuan dengan porositas yang identik, masing-masing batuan tersebut akan memiliki sifat fisis batuan yang membedakan, misal permeabilitas
Porositas Batuan Beku
Saat pembentukan, batuan intrusif tidak memiliki porositas intergranular yang signifikan Terbentuk dari kristalisasi liquid magma, butir terikat rapat, hampir tidak menyisakan ruang Karena pendinginan yang sangat cepat dan pelapukan, porositas menjadi lebih besar Pada umumnya fluida yang mengalir dalam batuan beku melalui retakan dan rekahan yang timbul akibat proses tektonik Rekahan ini berpotongan satu sama lain membentuk suatu jaringan Batuan beku dengan rekahan intensif umumnya memiliki porositas yang rendah, namun porositas yang rendah ini dapat memiliki permeabilitas yang sangat tinggi
Porositas Batuan Sedimen
Pembentukan batuan sedimen akan menjelaskan mengapa sebagian batuan sedimen lebih berpori dibandingkan yang lain Batuan sedimen klastik tersusun atas butiran yang tertransport dan terdeposisi secara mekanik dan hingga tersusun menjadi sebuah jaringan porositas
porositas inisial antara 0.40-0.45 Ketergantungan porositas inisial terhadap diameter butiran disebabkan oleh perbandingan antara gravitasi dan gaya gesek yang bekerja pada butiran Saat ukuran butir mengecil, gaya gesek menjadi sebanding dengan gaya gravitasi yang bekerja pada partikel Jadi, ukuran partikel yang lebih kecil akan membentuk kerangka sedimentasi rigid dengan porositas inisial yang lebih besar Saat sedimen terendap, meningkatnya volume mengompakan sedimen hingga bervolume lebih kecil
Kompaksi merupakan hasil konsentrasi tekanan pada butiran Sedimen kimiawi yang terbentuk karena penguapan air laut pada umumnya memiliki porositas yang sangat rendah yaitu 10-3
Evolusi Porositas
Sedimen terbentuk saat partikel dalam larutan terendap ke bawah dengan pengaruh dari gravitasi Larutan partikel sedimen dapat dipandang sebagai medium berpori Karena faktor gravitasi, porositas berkurang dan jumlah kontak antar partikel bertambah Gaya gravitasi ini akan diimbangi dengan gaya gesek antar partikel dan akhirnya sedimen mengalami kestabilan Pada titik ini tampak bahwa sedimen mengalami transisi dari kondisi liquid tanpa shear menjadi kondisi dengan adanya faktor shear Kanampakan yang khas pada sedimen klastik adalah kerangka struktur butir yang melawan gaya gravitasi dan dan menghindari pengendapan selanjutnya Gaya gravitasi pada pengendapan selanjutnya tidak cukup kuat untuk melawan gaya gesek antar partikel Karena kerangka struktur inilah volume (ruang) di antara butiran dapat terbentuk Volume ruang inilah yang dinamakan dengan porositas inisial pada sedimen
Porositas Inisial
1.
2.
3.
Parameter yang mempengaruhi porositas inisial antara lain: Ukuran butir: Semakin menurunnya ukuran butir maka porositas cenderung semakin naik Kenaikan porositas ini tampak signifikan untuk partikel dengan diameter di bawah 100µm Menurunnya porositas yang disebabkan oleh proses deformasi butiran disebut dengan proses kompaksi Bentuk partikel: Bentuk patikel yang tidak membola cenderung memiliki porositas yang lebih besar dibandingkan dengan pertikel yang berbentuk bola Distribusi ukuran butir: Sedimen yang terendapkan di lingkungan pengendapan dengan energi yang lemah akan memiliki distribusi ukuran butir yang luas
Secara petrographi asal mula pembentukan porositas dapat dibedakan menjadi,
Porositas intergranular, yaitu ruang pori yang terbentuk antar butiran partikel atau fragmen material klastik akibat batuan yang memiliki kemas lepas (looses packing), terkompaksi atau tersementasi. Porositas intragranular atau interkristalin, terbentuk akibat adanya shrinking len a n a butiran akibat reaksi kimia atau kontraksi butiran. Porositas rekahan, diakibatkan oleh adanya proses mekanik atau proses kimiawi secara parsial terhadap batuan yang masiv pada awalnya, seperti batu gamping. Porositas jenis ini merupakan porositas sekunder. Porositas vugular, adalah porositas yang dibentuk oleh organisme dan bersamaan dengan terjadinya proses/ reaksi kimia pada tahapan selanjutnya. Porositas ini merupakan jenis porositas primer dan sekunder.
untuk keperluan teknis didefinisikan beberapa pengertian porositas sebagai berikut (Schön, 1998);
Porositas total Φtot , adalah porositas yang berkaitan dengan semua ruang pori, lubang, retakan dan lainnya. Porositas total merupakan jumlahan dari porositas primer dan porositas sekunder. Porositas interkoneksi, adalah porositas yang hanya berkaitan dengan ruang yang saling berhubungan saja. Ruang pori-pori dipandang saling berhubungan bila dapat porositas total dengan porositas interkoneksi dapat diberikan contoh dengan batu pumice. Pumice mempunyai porositas total 50 %, tetapi porositas interkoneksinya 0 %, karena pori-pori yang ada masing-masing terisolasi sehingga tidak membentuk suatu kanal untuk mengalirkan fluida. Porositas potensial, adalah bagian dari porositas interkoneksi yang mempunyai diameter saluran koneksi cukup besar untuk meloloskan/ mengalirkan fluida. Porositas potensial ini memiliki batas diameter minimum agar dapat berfungsi sebagai saluran koneksi (> 50 µm untuk minyak, dan > 5 µm untuk gas). Porositas efektif, adalah porositas yang tersedia untuk fluida dapat bergerak bebas. Porositas ini yang sering digunakan dalam analisis log.
Nilai porositas juga bergantung dari kemas (packing) butir partikelnya. Untuk butir berbentuk bola yang terkemas dalam kubus berbeda dengan yang terkemas dalam bentuk hexagonal. Bentuk kemas tersebut sering digunakan untuk memodelkan batu pasir yang takterkompaksi. Perhitungan porositas dengan u u u u u u kubus akan menghasilkan porositas sebesar, Φ
kubus
=
v pori v kubus
=
1−
v bola v kubus
=
1−
4 3
π r
3
( 2 .r ) 3
=
1−
π
6
=
0 , 4764
dan untuk kemasan hexagonal memiliki nilai porositas yang lebih kecil yaitu 25,9 %.
Metode Pengukuran Porositas 1.
Metode langsung: V dan Vs ditentukan secara langsung. Dengan persamaan Φ = 1 - (Vs-V) porositas rata-rata batuan dapat diperoleh. Pengukuran ini meliputi semua ruang pori walau tidak berhubungan dengan bagian luar batuan
.
3.
Pada prinsipnya batuan direndam pada suatu fluida selang waktu tertentu hingga fluida mengisi semua ruang pori yang terhubung dengan bagian luar batuan. Dengan memanfaatkan perbedaan bobot sebelum dan sesudah perendaman dapat diperoleh nilai porositanya Metode injeksi merkuri: Pada dasarnya adalah menginjeksikan merkuri pada tekanan tertentu hingga merkuri masuk ke seluruh ruang pori (volume pori). Hubungan antara volume merkuri yang diinjeksikan ke dalam ruang pori dan tekanan yang digunakan untuk menginjeksi dapat menentukan besar porositas
4.
5.
6.
Metode ekspansi gas: Konsep dasarnya sama dengan metode injeksi merkuri namun medium yang digunakan adalah gas ideal Metode densitas: Porositas dapat ditentukan dari besar densitas bulk (ρ) dari batuan dan densitas rata-rata begian yang padat (ρs) melalui = – s . Metode optikal: Untuk kasus dimana mikrostruktur porositas adalah isotropik, maka porositas dapat ditentukan (section 2D) melalui persamaan Φ = Ap – A, dengan A adalah total area dan Ap adalah area yang berpotongan dengan pori
Kesimpulan
Porositas merupakan pengukuran ruang pori pada batuan atau merupakan perbandingan antara volume pori terhadap volume total dari batuan Porositas pada batuan beku lebih didominasi oleh faktor rekahanPorositas pada batuan sedimen (klastik) akan dipengaruhi oleh adanya kerangka sedimentasi rigid (kerangka struktur) yang mampu menahan gaya gravitasi pada pengendapan sehingga dapat terbentuk pori (ruang) pada batuan sedimen. (porositas inisial) Evolusi porositas tampak pada terjadinya transisi dari kondisi liquid tanpa shear menjadi kondisi dengan shear
PERMEABILITAS
Arti Fisis: kemampuan suatu batuan untuk meloloskan suatu fluida melalui pori-pori batuan Arti Matematis : Berdasarkan Persamaan Darcy −
k .
η
k = −η
Satuan Permeabilitas
u ∇ p
p = tekanan fluida η = viskositas dinamik k = permeabilitas batuan
Dalam SI adalah m2 atau µm2 Yang sering dipakai mD(milidarcy) 1µm2 = 1,0133 d
Klasifikasi Berdasarkan tipe porositasnya Intergranular permeability Intragranular permeability Fracture permeability Vugular permeability
1. 2. 3. 4.
Berdasarkan proses terbentuknya 1. 2.
Permeabilitas Primer Permeabilitas Sekunder
Tabel permeabilitas batuan sedimen taktermampatkan
Good aquifers Clean gravel (105…104d) Clean sand
Poor aquifers Ex : Very fine sand, silts, clay, mixtures of sand and silt Impervious Ex : Unweathered clays
(103…101d)
Poor aquifers (100…10-3d) Impervious (10-4…10-5d)
Very low permeable kf < 10-8m/s Low permeable kf =10-8…10-6m/s Permeable kf =10-6…10-4m/s High permeable kf >10-4m/s
Faktor yang mempengaruhi permeabilitas Porosity Pore size and its distribution , morphology Topology of the pore network
Pengukuran Permeabilitas
Dengan Permeameter Suatu alat pengukur dengan mempergunakan gas pemboran Dari kecepatan pemboran Berdasar tes produksi terhadap penurunan tekanan dasar lubang (bottom-hole pressure decline)
Perhitungan Permeabilitas
Hubungan Paralel k 1 h1 k 2 h2
k 1
l1
k 2 l2
Aliran Silinder Steady State
k 1
r1 r2 k 2 P2 P1
Cara lain perhitungan permeabilitas Persamaan Hazen (1893)
kf Persamaan Terzaghi (1955)
Persamaan Berg (1970)
k = 5,1.10-6.φ5,1.d2.exp(-1,385.ψ )
= permeability fluida (cm/s) φ = porosity (%) dm dw = diameter butir dan diameter median (mm)
k = permeability (d) φ = porosity (%) d = diameter (mm) ψ = percentile deviasi (phi unit) ψ = P90-P10 (menghitung penyebaran distribusi ukuran butir)
Persamaan Schopper (1982) log k = -2,1007 + 2,221. log d Persamaan Iverson & Satchwell (1989) k = d2(B1+B2.10φ-s/d2 +B3.s2 + B4.Sk.Vf.10(-s/d) k = permeability (md) s = standard deviasi B1 = 0,05408 B3=0,7020 φ = porosity (%) Sk = coefficient of skewness B2 = 0,05714 B4=-0,09427 d = diameter (mm) Vf = kecepatan fluida
k = 106,59.φm.(Spor)-2,08 Persamaan Sen (1990)
k = permeability (md) φ = porosity (% Spor = Specifik internal surface porositas ( µm-1) m = Archie-exponent
Beberapa nilai Archie Exponent (m) untuk batupasir menurut Schon (1998) Batupasir yang Batupasir yang Batupasir yang Batupasir yang Batupasir yang
taktermampatkan kurang tersementasi tersementasi cukup tersementasi sangat tersementasi
m = 1,3 m = 1,4 - 1,5 m = 1,5 – 1,7 m = 1,8 – 1,9 m = 2,0 – 2,2
Hubungan Permeability dan Irreducible water saturation
Irreducible water adalah air yang tidak dapat dipindahkan/ berpindah oleh gaya-gaya yang bekerja pada fluida di dalam sejumlah pori-pori tersebut
Persamaan Tixier (1949)
k
=
3 Φ 250 . S w , irr
2
Persamaan Timur (1968)
Φ 100 . S w , irr 2 . 25
k
=
Persamaan Coates-Dumanoir (1974)
300 Φ k = 4 ⋅ w w S w,irr w
2
Pers. Schlumberger (1989) 2
k = a ⋅
Φ
b
c
S w,irr
a = 0,316 c = 2 b = 4,4 m = w = n Archie Law k = permeabilitas (md)
Hubungan Permeabilitas dengan Porositas
Hubungan Permeabilitas dengan Grain Size
Hubungan Permeabilitas dan Porositas dengan Sw, irr
Hubungan Permeabilitas dengan Tekanan Persamaan Schon (1998)
k0
= permeability pada tekanan 0 m Ak = koeff kompaksi permeabilitas Peff = tekanan efektif
No.
Sedimen
1.
Batupasir
2.
Batupasir
.
Persamaan hubungan
0 , 49 . exp(
Φ =
Batulempung
5.
Batulempung
−4
. z )
−4
Φ = 0,728 − 2,719.10
=
4.
− 2 , 7 . 10
. z + 2,604.10−8.z 2
0,803 . exp( −5,1.10 − . z ) −2
Φ = 0,803− 4,3.10 Φ =
. ln( z + 1) − 5,4.10−3. ln( z + 1)2
0,803 − 2,34 .10 −4. z + 2,604 .10 −8.z 2
Permukaan internal spesifik (Specific internal surface) permukaan internal spesifik S merupakan luasan permukaan ruangruang tersebut yang berhubungan dengan volume total batuan (S tot ), volume pori (S por ), volume partikel/matrik padatnya (S m ) dan massa kering batuan (S ma ). o
=
por
S ma
=
−
m
S m
=
ρ ρ ρ m 2
satuan untuk S tot , S por , dan S m adalah
m m3
= m-1, pada umumnya yang sering digunakan adalah µm-1, dan S m adalah m2 /g atau m2 /kg.
Permukaan internal spesifik ini sangat bergantung pada bentuk dan ukuran pori, struktur mikro dan morphologi antarmuka antara matrik-pori. Pada umumnya permukaan internal spesifik akan bertambah besar dengan mengecilnya pori atau ukuran butir partikel padatnya. Keberadaan partikel yang lebih halus seperti clay, karbonat dan mineral lainnya pada permukaan pori juga akan menaikan nilai permukaan internal, karena ia akan menimbulkan jenis struktur permukaan baru.
Kesimpulan
Permeabilitas bertambah seiring dengan semakin banyaknya porositas yang saling berhubungan Permeabilitas bertambah seiring dengan meningkatnya grain size (khusus unconsolidated sediment dari shale/clay – gravel) ermea as menurun engan a anya semen as dan kompaksi Permeabilitas bertambah dengan meningkatnya water saturasi Permeabilitas mengecil secara tak linier dengan bertambahnya tekanan
Densitas batuan
Densitas ρ didefinisikan sebagai perbandingan massa m terhadap volume v suatu batuan, ditulis ρ =
m v
Dalam SI densitas mempunyai satuan kg/m3
dikenal adanya a. densitas bulk, yaitu densitas rata-rata dari suatu batuan volume batuan (termasuk juga di dalamnya adanya pori, lubang dan lainnya). Sebagai contoh untuk batu pasir mempunyai bulk densitas batu pasir. b. densitas individu dari komponen batuan, misal densitas mineral kuarsa. c. densitas rata-rata dari materi matrik padat suatu batuan, misal densitas matrik karbonat (tanpa pori-pori), dan d. densitas fluida yang mengisi pori rata-rata, misalnya densitas air pori.
Untuk densitas batuan berpori, maka sebagian volumenya adalah volume pori yang dinyatakan dalam porositas Φ, densitas bulknya merupakan jumlahan dari densitas matrik materi padatnya ρ m dan densitas pori ρ p ,
ρ =
(1
− Φ
). ρ m
+ Φ
. ρ p
Saturasi suatu fluida S f adalah perbandingan antara volume fluida v f tersebut terhadap volume pori totalnya v p , yaitu
v f
f
Batuan yang berisi gas dan air akan mempunyai densitas gabungan ketiga materi tersebut, yaitu materi matrik padat, fluida dan gas
ρ =
(1 − Φ ). ρ m
+ Φ
S w . ρ w
+
v p
(1 − S w ). ρ g
Batzle dan Wang, (1992) menurunkan persamaan densitas sebagai fungsi suhu, tekanan dan kosentrasi NaCl secara empiris untuk air dan brine (air yang mengandung larutan NaCl) dalam bentuk polinomial, yaitu ρ w =
1 + 10 − 6 ( − 80 .T +
0 . 016 .T 2 . . p =
f ( p , T , C )
=
300 . p
−
− 1, 3 . 10
+ −
3 ,3 .T 2 −5
+
0 , 00175 .T 3
.T 3 . p
C . 0 668
+
2400 . p .C + T .( 80
−
+
0 , 333 . p 2
489 . p −
−
0 , 002 .T . p 2 )
0 44 .C + 10 − 6 . +
2 .T . p
3 .T − 3300 .C − 13 . p
T C +
47 . p .C )
dengan T adalah suhu (oC), p adalah tekanan (MPa), dan C adalah fraksi berat NaCl.
Hubungan analitik sederhana antara densitas batuan terhadap kedalaman posisi batuan z ρ ( z ) = ρ ( z o ) + A. ln z o ρ ( z ) =
( z o ) + [ ( z m ) − ( z o )][ . 1 − exp(− B. z )]
[
]
= ρ ( z m ) − ρ ( z m ) − ρ ( z o ) . exp( − B. z )
Hubungan empiris ρ ( z ) = 2 , 72
−
1 , 244 . exp(
Permeabilitas sebagai fungsi kedalaman
z k ( z ) ≈ 1 − z + 20
3
−
0 , 846 . z )
