design lab apparatus: single stage compressive … 20090305.pdfjtm vol. xvi no. 3/2009 183 design...

JTM Vol. XVI No. 3/2009

183

DESIGN LAB APPARATUS: SINGLE STAGE COMPRESSIVE TEST

(SST) PADA TEKANAN DAN TEMPERATUR TINGGI

Ecep Muhammad Mujib1, Taufan Marhaendrajana

1

Sari Single Stage Compressive Test merupakan alat uji tekan untuk mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan

memodelkan batuan reservoir tersebut kedalam kondisi laboratorium. Hasil pengukuran pada kondisi permukaan pada

umumnya memiliki hasil yang berbeda dengan kondisi sebenarnya pada kondisi reservoir, oleh karena itu, prinsip kerja dari

alat ini mempertimbangkan principal stress yang bekerja pada batuan reservoir dan memodelkan kondisi reservoir lebih

detil seperti kondisi temperatur yang tinggi, adanya tekanan pori dan pengaruh keberadaan fluida didalam batuan reservoir

tersebut. Model laboratorium seperti itu akan memberikan gambaran besarnya pengaruh stress, baik stress maksimum atau

stress minimum yang bekerja pada batuan reservoir dan pengaruh temperatur serta keberadaan fluida terhadap sifat

kekuatan batuan reservoir. SST di design dengan mempertimbangkan kondisi reservoir yang ada di Indonesia, secara umum

dideskripsikan dengan besar takanan axial (tekanan overbourden) maksimum mencapai 4000 psia dan tekanan radial yang

dapat berperan sebagai confining pressure (tekanan pori) mencapai 1500 psia serta temperature maksimum mencapai 400 oF. Pada paper ini akan dijelaskan secara rinci tentang design alat SST dan melaporkan hasil uji tekan core sintetik dengan

menggunakan alat ini.

Abstract

Single Stage Test compressive test is a tool for studying the strength properties of reservoir rock, reservoir rock is modeled

into the laboratory conditions. Results of measurement on the surface conditions in general have different results with the

actual conditions at the reservoir conditions, therefore, the working principle of the tool is considered the principal stress

acting on the reservoir rock and reservoir modeling the detailed conditions such as high temperature conditions, the pore

pressure and the effects of the presence of fluid in the reservoir rock. Such a laboratory model will give you a level of

influence of stress, both the maximum stress or minimum stress acting on the reservoir rock and the influence of temperature

and presence of fluid to the reservoir rock strength properties. SST in design by considering the existing reservoir conditions

in Indonesia, generally described by a large axial takanan (overbourden pressure) reaches a maximum radial pressure of

4000 psia and that can act as confining pressure (pore pressure) reaches a maximum of 1500 psia and temperatures reach

400 oF. This paper will explain in detail about the design tools report the results of SST and compression testing using a

synthetic core of this tool.

1) Program Studi Teknik Perminyakan, Institut Teknologi Bandung.

Email: [email protected]

I. PENDAHULUAN

Triaxial dan uniaxial test merupakan metode yang

sering digunakan untuk mempelajari karakteristik

kekuatan batuan reservoir. Perbedaan dari kedua

metode tersebut ialah kehadiran confining pressure

yang bekerja pada specimen. Jika pada specimen

tersebut tidak ada confining pressure yang bekerja

disebut dengan uniaxial test, sedangkan pada

triaxial test memperhitungkan kehadiran confining

pressure yang bekerja terhadap specimen.

Specimen yang sering digunakan pada uniaxial dan

triaxial test dapat dilihat pada Gambar (1). Pada

gambar tersebut terlihat bahwa ketika stress radial

(σ3) tidak sama dengan nol dikategorikan sebagai

sistem triaxial test, sedangkan sistem uniaxial test,

stress radial (σ3) berharga nol.

Berdasarkan perlakuan terhadap specimen selama

pengujian, triaxial test dibedakan menjadi dua

macam, yaitu Single Stage Triaxial Compressive

Test (SST) dan Multistage Triaxial Compressive

test (MST). SST memerlukan cukup banyak

specimen, karena setiap specimen dalam tahap

pengujian

digunakan hanya untuk pengambilan satu data

failure akibat beban axial (σ1) pada tekanan radaial

(σ3) tertentu saja, sehingga minimal specimen yang

diperlukan sebanyak tiga buah, dan idealnya empat

atau lima buah. Berbeda dengan MST, satu

specimen dapat digunakan untuk memperoleh

beberapa data failure akibat beban axial (σ1) pada

beberapa harga tekanan radialnya (σ3). Untuk lebih

jelas perbedaan dari SST dan MST dapat dilihat

pada Gambar 2 sampai Gambar 5.

Data hasil pengukuran dari SST dan MST sama-

sama menggambarkan karakteristik batuan baik

parameter kekuatannya ataupun properties statik

elastisitasnya. Berdasarkan rule of thumb, akurasi

data yang diperoleh dari SST lebih baik

dibandingkan dengan MST.

Hasil pengukuran kekuatan batuan dilaboratorium

tergantung dari model yang digunakan, seringkali

hasil pengukuran pada kondisi standar

dipermukaan berbeda dengan kondisi yang

sebenarnya direservoir. Oleh karena itu, untuk

mendekati kondisi sebenarnya direservoir,

pertimbangan aspek tekanan dan temperature

dilaboartorium sangat membantu tercapainya

kondisi tersebut. Berdasarkan data reservoir di

Indonesia yang berada pada kedalaman beberapa

ribu feet, maka model yang didesign

dilaboratorium disarankan agar memiliki

spesifikasi sebagai berikut :

Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana

184

- Temperatur makasimum 400 oF

- Beban axial maksimum 3500 psia dan tekanan

radial maksimum 1500 psia

- Fluida yang digunakan berupa air formasi, oil

atau gas

Dengan model laboratorium tersebut, maka dari

data pengukuran yang diperoleh dapat dievaluasi

efek tekanan radial (confining pressure) dan

temperature tertentu terhadap rock strength

properties.

II. DESKRIPSI SINGLE STAGE TRIAXIAL

COMPRESSIVE TEST PADA TEKANAN

DAN TEMPERATUR TINGGI

2.1 Tujuan Sistem uji Triaxial telah dikembangkan untuk

mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan

mengukur secara langsung dilaboratorium terhadap

parameter kekutan batuan tersebut. Pada sistem uji

triaxial konvensional, specimen mendapatkan

beban dari arah axial (maksimum principal

dan arah radial (minimum principal stress)

sedangkan intermediate principal stress dianggap

sama dengan minimum principal stress.

Temperatur yang bekerja pada alat tersebut

biasanya disesuaikan dengan kondisi standar

permukaan. Jika ditinjau kembali specimen batuan

reservoir yang diambil dari kedalaman tertentu

yang memiliki kondisi temperatur yang berbeda

dengan kondisi permukaan, menyebabkan hasil

pengukuran dipermukaan berbeda dengan kondisi

reservoir sebenarnya. Oleh karena itu, pada alat

Single Stage Triaxial Compressive Test yang kami

kembangkan memperhitungkan efek temperature,

sehingga model laboratorium akan mendekati

kondisi reservoir sebenarnya. Model seperti ini

dapat menghilangkan setidaknya asumsi yang

sebelumnya dianggap tidak mempang

terhadap sifat kekuatan batuan reservoir yaitu

akibat perubahan temperature. Model seperti ini,

tidak hanya digunakan untuk mempelajari sifat

kekuatan batuan yang dipengaruhi oleh masing

masing stress radial dan perubahan temperatur,

akan tetapi dapat sekaligus mempelajari pengaruh

secara kombinasi dari stress radial dan temperatur.

2.2 Konsep Dasar

Single Stage Triaxial Compressive Test dirangkai

untuk mensimulasikan lingkungan reservoir ke

skala laboratorium, untuk mendapatkan model

laboratorium seperti itu ada beberapa konsep yang

diterapkan dalam merangkainya, yaitu :

Gradien Tekanan dan Temperatur

Specimen batuan reservoir yang diambil pada

kedalaman tertentu, menjadi salah satu

pertimbangan dalam merangkai alat SST ini.

Berdasarkan asal keberadaan batuan reservoir pada

kedalaman tertentu setidaknya ada dua parameter

Taufan Marhaendrajana

Beban axial maksimum 3500 psia dan tekanan

Fluida yang digunakan berupa air formasi, oil

Dengan model laboratorium tersebut, maka dari

yang diperoleh dapat dievaluasi

efek tekanan radial (confining pressure) dan

temperature tertentu terhadap rock strength

DESKRIPSI SINGLE STAGE TRIAXIAL

COMPRESSIVE TEST PADA TEKANAN

dikembangkan untuk

mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan

mengukur secara langsung dilaboratorium terhadap

parameter kekutan batuan tersebut. Pada sistem uji

triaxial konvensional, specimen mendapatkan

beban dari arah axial (maksimum principal stress)

dan arah radial (minimum principal stress)

sedangkan intermediate principal stress dianggap

sama dengan minimum principal stress.

Temperatur yang bekerja pada alat tersebut

biasanya disesuaikan dengan kondisi standar

li specimen batuan

reservoir yang diambil dari kedalaman tertentu

yang memiliki kondisi temperatur yang berbeda

dengan kondisi permukaan, menyebabkan hasil

pengukuran dipermukaan berbeda dengan kondisi

reservoir sebenarnya. Oleh karena itu, pada alat

e Stage Triaxial Compressive Test yang kami

kembangkan memperhitungkan efek temperature,

sehingga model laboratorium akan mendekati

kondisi reservoir sebenarnya. Model seperti ini

dapat menghilangkan setidaknya asumsi yang

sebelumnya dianggap tidak mempangaruhi

terhadap sifat kekuatan batuan reservoir yaitu

akibat perubahan temperature. Model seperti ini,

tidak hanya digunakan untuk mempelajari sifat

kekuatan batuan yang dipengaruhi oleh masing-

masing stress radial dan perubahan temperatur,

t sekaligus mempelajari pengaruh

secara kombinasi dari stress radial dan temperatur.

Single Stage Triaxial Compressive Test dirangkai

untuk mensimulasikan lingkungan reservoir ke

skala laboratorium, untuk mendapatkan model

i itu ada beberapa konsep yang

diterapkan dalam merangkainya, yaitu :

Specimen batuan reservoir yang diambil pada

kedalaman tertentu, menjadi salah satu

pertimbangan dalam merangkai alat SST ini.

n batuan reservoir pada

kedalaman tertentu setidaknya ada dua parameter

yang harus dipertimbangkan, yaitu tekanan dan

temperatur. Kedua parameter tersebut merupakan

fungsi dari kedalaman, semakin dalam posisi

batuan reservoir, temperatur dan tekanan

lingkungan reservoirnya akan semakin meningkat.

Hubungan seperti ini biasa dikenal dengan gradien

tekanan dan temperatur. Pengetahuan menganai

gradien tekanan dan temperatur sangat berguna

untuk mengetahui kondisi lingkungan reservoir

yang akan dimodelkan dalam skala laboratorium,

tetapi yang menjadi pilihan utama untuk

mengetahui secara pasti kondisi lingkungan

reservoir yang sebenarnya adalah dengan

mengukur secara langsung parameter lingkungan

reservoir tersebut. Konsep gradien ini digunakan

apabila ada keterbatasan dalam pengambilan data

lingkunga reservoir secara langsung. Kelemahan

dari konsep gradien ini ialah menganggap kondisi

batuan dibawah permukaan dalam kondisi normal

untuk setiap kedalaman, sedangkan dalam

kenyataannya dapat dimungkinkan akan bertemu

dengan lapisan batuan yang abnormal. Meskipun

mempunyai kelemahan seperti itu, konsep gradien

sangat berguna untuk mendekati kondisi

lingkungan yang sebenarnya dibandingkan hanya

dengan menganggap sama dengan kondisi

dipermukaan.

Properties Statik Elastisitas Batuan

1992)

Stress merupakan besarnya gaya yang bekerja pada

suatu luas bidang tertentu. Ketika suatu benda

diberikan gaya atau beban, maka benda tersebut

akan mengalami perubahan secara fisik, perubahan

tersebut tergantung terhadap modulus elastik dari

benda tersebut. Apabila beban yang diebrikan

melebihan batas elstisitasnya maka benda tersebut

akan mengalami failure. Modulus elastik statik

terdiri dari Young’s Modulus dan Poisson Ratio.

Young’s Modulus merupakan perabandingan

besarnya beban yang diberikan terhadap perubahan

bentuk dari benda tersebut (strain). Sedangkan

Poisson Ratio merupakan perbandingan strain yang

terjadi secara lateral terhadap strain axialnya.

Gambar 6 dapat membantu dalam memahami

hubungan antara parameter modulus elastik statik

yang satu dengan yang lainnya, secara matematis

parameter-parameter tersebut ialah:

- Stress

- Strain

dan

Strain volume untuk silindris :

yang harus dipertimbangkan, yaitu tekanan dan

temperatur. Kedua parameter tersebut merupakan

fungsi dari kedalaman, semakin dalam posisi

batuan reservoir, temperatur dan tekanan

ngan reservoirnya akan semakin meningkat.

Hubungan seperti ini biasa dikenal dengan gradien

tekanan dan temperatur. Pengetahuan menganai

gradien tekanan dan temperatur sangat berguna

untuk mengetahui kondisi lingkungan reservoir

skala laboratorium,

tetapi yang menjadi pilihan utama untuk

mengetahui secara pasti kondisi lingkungan

reservoir yang sebenarnya adalah dengan

mengukur secara langsung parameter lingkungan

reservoir tersebut. Konsep gradien ini digunakan

atasan dalam pengambilan data

lingkunga reservoir secara langsung. Kelemahan

dari konsep gradien ini ialah menganggap kondisi

batuan dibawah permukaan dalam kondisi normal

untuk setiap kedalaman, sedangkan dalam

kenyataannya dapat dimungkinkan akan bertemu

dengan lapisan batuan yang abnormal. Meskipun

mempunyai kelemahan seperti itu, konsep gradien

sangat berguna untuk mendekati kondisi

lingkungan yang sebenarnya dibandingkan hanya

dengan menganggap sama dengan kondisi

sitas Batuan (Fjaer et al.

Stress merupakan besarnya gaya yang bekerja pada

suatu luas bidang tertentu. Ketika suatu benda

diberikan gaya atau beban, maka benda tersebut

akan mengalami perubahan secara fisik, perubahan

dulus elastik dari

benda tersebut. Apabila beban yang diebrikan

melebihan batas elstisitasnya maka benda tersebut

akan mengalami failure. Modulus elastik statik

terdiri dari Young’s Modulus dan Poisson Ratio.

Young’s Modulus merupakan perabandingan

a beban yang diberikan terhadap perubahan

bentuk dari benda tersebut (strain). Sedangkan

Poisson Ratio merupakan perbandingan strain yang

terjadi secara lateral terhadap strain axialnya.

dapat membantu dalam memahami

ulus elastik statik

yang satu dengan yang lainnya, secara matematis

:

(1)

(2)

- Young’s Modulus

- Poisson Ratio

Tanda negatif pada poisson ratio,

harga strain radial bernilai negatif (dt<do).

Failure criterion (Mohr-Coloumb)

(Fjaer et al.

1992)

Shear failure dapat terjadi ketika shear stress yang

bekerja pada suatu bidang terlalu besar. Shear

failure dapat didefinisikan:

Dimana σ, stress normal dan τ, shear stress yang

bekerja disepanjang bidang. Hubungan stress

normal dan shear stress dari persamaan

dapat dideskripsikan pada lingkaran Mohr.

Lingakran Mohr yang dibentuk dari kedua

parameter tersebut memberikan informasi

mengenai batas daerah failure. Gambar

menjelaskan hubungan τ vs σ. Informasi yang

diperoleh dari gambar tersebut salah satunya ialah

semakin besar stress normal minimum (

stress normal maksimumnya pun akan semakin

besar, lingkaran yang dibentuk dari kedua stress

tersebut merupakan batas daerah failure, sedangkan

stress normal medium tidak mempengaruhi

terhadap batas terjadinya failure. Hal ini sesuai

dengan hipotesis dari Mohr, yaitu:

failure hanya tergantung pada stress normal

maksimum dan stress normal minimumdan tidak

tergantung terhadap stress normal medium

Ahmed. S).

Dengan memilih bentuk sederhana dari fungsi f

yang diasumsikan linear dengan terhadap Mohr

Coloumb Criterion, maka dapat didefinisikan

bahwa :

Dimana So merupakan inherent shear strength

atau cohesion dari suatu material dan µ sebagai

coefficient of internal friction. Pada

dapat didefinisikan internal friction angle

sebagai fungsi dari coefficient of internal friction

yaitu:

Sedangkan 2β merupakan sudut yang dibentuk dari

lingkaran Mohr dengan failure line. Besarnya shear

stress dan stress normal pada titik tersebut sebagai

point of failure dapat didefinisikan oleh persamaan:

Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada

Tekanan dan Temperatur Tinggi

(3)

(4)

dikarenakan

harga strain radial bernilai negatif (dt<do).

(Fjaer et al.

Shear failure dapat terjadi ketika shear stress yang

bekerja pada suatu bidang terlalu besar. Shear

(5)

, shear stress yang

bekerja disepanjang bidang. Hubungan stress

an shear stress dari persamaan (5) diatas

dapat dideskripsikan pada lingkaran Mohr.

Lingakran Mohr yang dibentuk dari kedua

parameter tersebut memberikan informasi

mengenai batas daerah failure. Gambar 7

. Informasi yang

diperoleh dari gambar tersebut salah satunya ialah

semakin besar stress normal minimum (σ3) maka

stress normal maksimumnya pun akan semakin

ari kedua stress

tersebut merupakan batas daerah failure, sedangkan

stress normal medium tidak mempengaruhi

terhadap batas terjadinya failure. Hal ini sesuai

dengan hipotesis dari Mohr, yaitu: pure shear

failure hanya tergantung pada stress normal

dan stress normal minimumdan tidak

tergantung terhadap stress normal medium

(

Dengan memilih bentuk sederhana dari fungsi f

yang diasumsikan linear dengan terhadap Mohr

Coloumb Criterion, maka dapat didefinisikan

(6)

inherent shear strength

dari suatu material dan µ sebagai

Pada Gambar 8

internal friction angle Φ

coefficient of internal friction

(7)

merupakan sudut yang dibentuk dari

Besarnya shear

stress dan stress normal pada titik tersebut sebagai

dapat didefinisikan oleh persamaan:

(8)

dengan mensubtitusikan persamaa

kedalam persamaan [6], diperoleh hubungan

dengan σ3, yaitu:

Bila persamaan diatas disederhanakan akan

diperoleh:

Hubungan σ1 dengan σ3 diperlihatkan pada

Gambar (9). pada gambar tersebut harga

sama dengan Φ, akan tetapi α dan

hubungan sebagai berikut:

Ketika stress normal minimum (σ3) berharga nol,

kondisi tersebut biasa disebut dengan

Compressive Strength (UCS), nilainya dapat

ditentukan secara langsung pada pengukuran

uniaxial test, atau secara tidak langsung dengan

triaxial test. Alat SST yang didesign dapat

digunakan untuk mengukur UCS baik secara

langsung ataupun tidak langsung dengan mengatur

harga stress normal minimumnya (σ

langsung harga UCS dapat diperoleh dengan

menggunakan persamaan (9) yang diturunkan dari

persamaan (11):

Sedangkan ketika harga stress normal maksimum

(σ1) berharga sama dengan nol, maka harga

merupakan Tensile Strength dari ma

Dari persamaan (10) dan (8), besarnya harga

Tensile Strength dapat didefinisikan sebagai

berikut:

2.3 Konfigurasi Triaxial Cell Triaxial cell pada SST didesign dengan

menggunakan material baja yang mempunyai

ketahanan akibat besarnya beban axial dan radial

serta tingginya temperatur dan keberada

yang memungkinkan terjadinya korosi (terutama

air formasi) pada rangkaian cell tersebut.

bekerja pada tekanan dan temperature tinggi

menjadikan pertimbangan dari ketiga parameter

tersebut sangat diprioritaskan agar terjamin

keamanan selama dilakukan pengujian. Secara

lengkap konfigurasi SST dapat dilihat pada

Gambar 10 dan 11. Gambar tersebut



185

(9)

(10)

dengan mensubtitusikan persamaan [8] dan [9]

kedalam persamaan [6], diperoleh hubungan σ1

Bila persamaan diatas disederhanakan akan

(11)

3 diperlihatkan pada

. pada gambar tersebut harga α tidak

dan Φ mempunyai

(12)

Ketika stress normal minimum (σ3) berharga nol,

kondisi tersebut biasa disebut dengan Unconfined

(UCS), nilainya dapat

ditentukan secara langsung pada pengukuran

cara tidak langsung dengan

triaxial test. Alat SST yang didesign dapat

digunakan untuk mengukur UCS baik secara

langsung ataupun tidak langsung dengan mengatur

harga stress normal minimumnya (σ3). Secara tidak

langsung harga UCS dapat diperoleh dengan

yang diturunkan dari

(13)

Sedangkan ketika harga stress normal maksimum

1) berharga sama dengan nol, maka harga σ3

dari material tersebut.

, besarnya harga

dapat didefinisikan sebagai

(14)

Triaxial cell pada SST didesign dengan

menggunakan material baja yang mempunyai

ketahanan akibat besarnya beban axial dan radial

serta tingginya temperatur dan keberadaan fluida

yang memungkinkan terjadinya korosi (terutama

) pada rangkaian cell tersebut. SST yang

bekerja pada tekanan dan temperature tinggi

menjadikan pertimbangan dari ketiga parameter

tersebut sangat diprioritaskan agar terjamin

ma dilakukan pengujian. Secara

lengkap konfigurasi SST dapat dilihat pada

ambar tersebut


186

memperlihatkan sistem pengujian specimen dengan

memberikan beban dari arah axial dan radial yang

dihasilkan oleh sistem hidrolik, serta

mensimulasikan kondisi lingkungan reservoir

dengan adanya fluida formasi yang diberikan

temperatur tinggi melalui heating electric yang

dipasang pada baja penghantar panas dibagian

dalam cell. Sedangkan bagian baja yang dibagian

luar (jacket material) berperan dalam m

baja silindris didalamnya agar tidak terjadi

kecelakaan akibat besarnya tekanan dan temperatur

yang bekerja dalam cell tersebut. Sistem hidrolik

yang digunakan pada SST ini dapat menghasilkan

beban axial maksimum sebesar 10 Ton dan tekanan

radialnya 1500 psia. Sedangkan heating electric

didesign agar dapat memanaskan fluida didalam

cell sampai temperature maksimum 482

2.4 Temperatur Kontrol

Temperatur pada cell triaxial dikontrol dengan

menggunakan heating electric, panas yang dapat

dihasilkannya dapat mencapai

maksimum 482oF. Panas yang dihasilkan dari

heting electric dihantarkan oleh jacket heating agar

dapat memanaskan fluida formasi (air formasi),

panas pada fluida inilah yang kemudian akan

memanasi specimen agar sesuai dengan temperatur

lingkungan reservoir. Temperatur indicator

dipasang untuk mengukur temperatur fluida dalam

cell dan membantu mengontrol temperatur agar

tercapai temperatur yang diinginkan selama

pengukuran. Sistem dan bentuk nyata dari

pengontrol temperatur pada SST dapa dilihat pada

Gambar 12 sampai 14.

Agar kondisi temperatur didalam cell terjaga

konstan, maka diantara jacket material dan heating

jacket dilengkapi dengan gas bull

menghambat hantaran panas kelingkungan sekitar.

2.5 Stress Axial Kontrol Beban yang diterima specimen pada arah axial

dikontrol oleh sistem hidrolik yang dapat

menghasilkan beban maksimal 10 ton. Beban yang

berasal dari hidrolik tersebut diteruskan oleh

actuator (material baja) menuju specimen. Gambar

15 memperlihatkan sistem pembebanan arah axial

terhadap specimen. Selama pengukuran

berlangsung piston actuator akan selalu bergerak

dan bagian tersebut menghubungkan lang

kondisi permukaan dengan fluida didalam cell yang

betekanan dan temperature tinggi, kondisi ini akan

memicu kebocoran fluida melalui ruang diantara

piston actuator dengan jacket material, oleh karena

itu ruang tersebut dilengkapai dengan bahan sejenis

asbes (len packing) yang tahan terhadap tekanan

dan temperature tinggi. Kehadirann bahan tersebut

mengakibatkan adanya hambatan ketika dilakukan

pembebanan, sehingga sebelum dilakukan


memperlihatkan sistem pengujian specimen dengan

memberikan beban dari arah axial dan radial yang

dihasilkan oleh sistem hidrolik, serta

an kondisi lingkungan reservoir

dengan adanya fluida formasi yang diberikan

temperatur tinggi melalui heating electric yang

dipasang pada baja penghantar panas dibagian

dalam cell. Sedangkan bagian baja yang dibagian

luar (jacket material) berperan dalam menyokong

baja silindris didalamnya agar tidak terjadi

kecelakaan akibat besarnya tekanan dan temperatur

yang bekerja dalam cell tersebut. Sistem hidrolik

yang digunakan pada SST ini dapat menghasilkan

beban axial maksimum sebesar 10 Ton dan tekanan

ya 1500 psia. Sedangkan heating electric

didesign agar dapat memanaskan fluida didalam

sampai temperature maksimum 482oF.

Temperatur pada cell triaxial dikontrol dengan

menggunakan heating electric, panas yang dapat

dihasilkannya dapat mencapai temperatur

F. Panas yang dihasilkan dari

heting electric dihantarkan oleh jacket heating agar

rmasi (air formasi),

panas pada fluida inilah yang kemudian akan

memanasi specimen agar sesuai dengan temperatur

Temperatur indicator

dipasang untuk mengukur temperatur fluida dalam

cell dan membantu mengontrol temperatur agar

i temperatur yang diinginkan selama

pengukuran. Sistem dan bentuk nyata dari

ST dapa dilihat pada

Agar kondisi temperatur didalam cell terjaga

konstan, maka diantara jacket material dan heating

yang dapat

menghambat hantaran panas kelingkungan sekitar.

Beban yang diterima specimen pada arah axial

dikontrol oleh sistem hidrolik yang dapat

menghasilkan beban maksimal 10 ton. Beban yang

lik tersebut diteruskan oleh piston

baja) menuju specimen. Gambar

memperlihatkan sistem pembebanan arah axial

terhadap specimen. Selama pengukuran

berlangsung piston actuator akan selalu bergerak

dan bagian tersebut menghubungkan langsung

kondisi permukaan dengan fluida didalam cell yang

betekanan dan temperature tinggi, kondisi ini akan

memicu kebocoran fluida melalui ruang diantara

piston actuator dengan jacket material, oleh karena

itu ruang tersebut dilengkapai dengan bahan sejenis

yang tahan terhadap tekanan

dan temperature tinggi. Kehadirann bahan tersebut

mengakibatkan adanya hambatan ketika dilakukan

pembebanan, sehingga sebelum dilakukan

pengukuran harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk

mengetahui besarnya beban hambatan.

Karena satuan dari beban axial masih dalam satuan

metrik-ton, maka untuk mengkonversi kedalam

satuan tekanan membutuhkan data luas lingkaran

specimen yang dibebani. Karena dudukan

specimen pada SST tersedia untuk tiga ukuran

diameter maka, untuk menentukan tekanannya

dapat digunakan persamaan berikut:

� Diameter specimen : 1 in

Dimana m dalam Kg. karena,

Maka

Atau jika m dalam ton,

� Diameter specimen : 1.5 in

Dengan cara yang sama seperti pada specimen

berukuran 1 in, diperoleh :

� Diameter specimen : 2 in

2.6 Stress Radial Kontrol

Sistem kontrol pada stress radial menggunakan

sistem hdirolik yang sama halnya pada hidrolik

stress axial, yang membedakannya ialah media

yang digunakan untuk meneruskan beban yang

dihasilakan hidrolik menuju specimen. Pada

hidrolik stress axial yang berpe

medianya adalah piston actuator (material baja)

sedangkan pada stress radial menggunakan media

fluida formasi (air formasi). Hidrolik stress radial

dapat menghasilkan tekanan maksimum sebesar

1500 psia. Selain sebagai pemberi tekanan pada

arah radial, tekanan yang dihasilkan oleh hidrolik

ini dapat berperan sekaligus sebagai tekanan pori,

karena pada SST ini mengasumsikan specimen

dalam keadaan undrained. System hidrolik

penghasil stress radial dapat dilihat pada Gambar

17.

2.7 Komponen Pelengkap Komponen pelengkap Single Stage Compressive

Test salah satunya ialah tempat berdirinya

specimen didalam cell. Apabila tidak ada

komponen tersebut, kedudukan specimen didalam

cell tidak stabil, dikhawatirkan

berada ditengah-tengah atau tida

berdiri sebagai pengaruh masukannya fluida

kedalam cell untuk memberikan stress radial.

Tempat menyimpan specimen tersebut didesign

dengan bentuk profil tertentu sehingga dapat

dipasang-cabut untuk mempermudah pemasangan

specimen. Bentuk profil tersebut dapat dilihat pada

pengukuran harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk

beban hambatan.

Karena satuan dari beban axial masih dalam satuan

ton, maka untuk mengkonversi kedalam

satuan tekanan membutuhkan data luas lingkaran

specimen yang dibebani. Karena dudukan

specimen pada SST tersedia untuk tiga ukuran

untuk menentukan tekanannya

dapat digunakan persamaan berikut:

(15)

Dengan cara yang sama seperti pada specimen

(16)

(17)

Sistem kontrol pada stress radial menggunakan

sistem hdirolik yang sama halnya pada hidrolik

stress axial, yang membedakannya ialah media

yang digunakan untuk meneruskan beban yang

dihasilakan hidrolik menuju specimen. Pada

hidrolik stress axial yang berperan sebagai

medianya adalah piston actuator (material baja)

sedangkan pada stress radial menggunakan media

fluida formasi (air formasi). Hidrolik stress radial

dapat menghasilkan tekanan maksimum sebesar

1500 psia. Selain sebagai pemberi tekanan pada

radial, tekanan yang dihasilkan oleh hidrolik

ini dapat berperan sekaligus sebagai tekanan pori,

karena pada SST ini mengasumsikan specimen

dalam keadaan undrained. System hidrolik

dapat dilihat pada Gambar

Komponen pelengkap Single Stage Compressive

Test salah satunya ialah tempat berdirinya

specimen didalam cell. Apabila tidak ada

komponen tersebut, kedudukan specimen didalam

ell tidak stabil, dikhawatirkan posisinya tidak

tengah atau tidak pada posisi

berdiri sebagai pengaruh masukannya fluida

kedalam cell untuk memberikan stress radial.

Tempat menyimpan specimen tersebut didesign

dengan bentuk profil tertentu sehingga dapat

cabut untuk mempermudah pemasangan

dapat dilihat pada



187

Gambar 19 dan 20. Dudukan specimen tersedia

untuk ukuran diameter 1 in, 1,5 in dan 2 in.

2.8 Prosedur Pengukuran

2.8.1 Persiapan Specimen

Sample core atau specimen yang akan di ukur

kekuatan batuannya di ukur terlebih dulu panjang

dan diameternya (H/D:2/1) dan sesuai dengan

dudukan specimen yang tersedia. Specimen yang

sudah diukur selanjutnya dipanaskan (dioven)

sehingga diperoleh berat keringnya. Hal ini

dilakukan agar selama penjenuhan dengan fluida

yang diinginkan benar-benar tersaturasi 100% oleh

fluida tersebut. Setelah diperoleh specimen yang

sudah tersaturasi langkah selanjutnya ialah

persiapan alat SST.

2.8.2 Persiapan Alat SST Pada tahapan ini sangat dituntut ketelitian dan

kehati-hatian, karena pengukuran kekuatan batuan

dengan SST bekerja pada tekanan dan temperatur

tinggi, oleh karena itu setiap komponen pada alat

SST harus terpasang pada posisi yang tepat, apabila

tidak teliti terhadap setiap komponen

dimungkinkan terjadi kebocoran, dan pengukuran

harus diulang dari awal. Komponen SST yang

harus diperiksa sebelum dilakukan pengkuran

diantaranya :

1. Hidrolik : hdirolik axial dan hidrolik stress

radial harus pada posisi terkunci

2. Heating electric : semua rangkain dari heating

electric harus sudah terpasang dan

menggunakan tegangan listrik 220 volt.

3. Periksa komponen cell mulai dari tutup cell,

dudukan specimen, dan valve serta pastikan

sudah pada posisi masing-masing.

2.8.3 Pengujian specimen Apabila specimen dan alat SST sudah siap

digunakan, maka pengujian kekuatan batuan dari

specimen tersebut dapat dimulai. Langkah-langkah

yang harus diperhatikan selama pengujian

specimen tersebut diantaranya :

1. Letakan specimen tepat pada dudukan specimen

didalam cell

1. Isi cell dengan fluida yang diinginkan

(misalnya fresh water), apabila cell hampir

penuh, pengisian fluida selanjutnya melalui

tabung hidrolik stress radial setelah dipastikan

bahwa tutup cell terpasang dengan rapat.

2. Berikan stress radial sesuai yang diharapkan

dengan menggunakan hidrolik stress radial,

apabila sudah mencapai stress radial tertentu,

panaskan fluida dalam cell dengan mengatur

heating electric pada temperature tertentu,

setalah mencapai temperature tertentu diamkan

selama 2 jam.

3. Berikan beban axial sekaligus lakukan

pembacaan pada gauge ketika specimen mulai

terjadi failure dan hentikan pengukuran.

4. Untuk pengukuran specimen yang lainnya,

lakukan langkah diatas berulang kali.

III. UJI TRIAXIAL TERHADAP CORE

SINTETIK

Sample core (specimen) yang digunakan dalam uji

coba alat SST ini menggunkan core sintetik

(buatan). Komposisi berat core sintetik terdiri dari

80% pasir dan 20% semen. Karena SST

memerlukan cukup banyak sample core (minimal

tiga buah), diharapkan dengan komposisi tersebut

sample core dapat dianggap mewakili batuan yang

diambil pada tempat dan lingkungan yang sama,

sehingga dalam analisis terhadap perubahan stress

radial dan temperatur tidak dipengaruhi oleh

perbedaan jenis batuan (asumsi : sample core

tersebut bersumber dari batuan yang sama). Ukuran

sample core tersebut memiliki perbandingan

panjang dan diameternya 2:1 (standar ISRM).

Dengan ukuran seperti itu, sample core diharapkan

dapat mengakomodasi penetrasi shear kesegala

bagian dari sample core tersebut. Oleh karena itu,

core sintetik yang akan digunakan dalam pengujian

kali ini menggunakan ukuran panjang 2 in dan

diameter 1 in. sebelum dilakukan tes, sample core

tersebut dijenuhkan terlebih dahulu dengan fluida

reservoir (air formasi) selama 24 jam. Besarnya

tekanan axial yang dibebankan sepanjang

pengujian dapat langsung dibaca pada indicator

tekanan sampai sample core tersebut terjadi failure

pada kondisi stress radial dan temperatur tertentu.

Data yang diperoleh dapat digunakan untuk

menganalisis pengaruh stress radial, temperatur dan

kombinasi dari keduanya.

3.1 Data Hasil Pengukuran

Pengujian kekuatan batuan dari specimen tersebut

dilakukan dengan pengujian uniaxial dan triaxial.

Untuk triaxial specimen diperlakukan dengan

diberikan stress radial yang berbeda-beda pada

temperatur tertentu. Hasil pengujian tersebut dapat

dilihat pada Tabel 1 dan 2.

Table 1. Pengukuran kekuatan batuan dari

specimen dengan metode uniaxial

uniaxial

No.

sample

σ3

(psi)

σ1

(Ton)

σ1

(psi)

20 0 1.2 3366

18 0 1.3 3647

1 0 1.2 3366

Table 2 Pengukuran kekuatan batuan dari specimen

dengan menggunakan metode triaxial (SST)

Triaxial

Temperatur 30 C


188

No

sample σ3 (psi)

σ1

(Ton)

8 70 2

18 140 2.5

19 210 2.8

Temperatur 90 C

No

sample

σ3

(psi)

σ1

(Ton)

21 70 1.6

13 140 1.75

3 210 2

3.2 Failure Criterion (Mohr-Coloumb)

Untuk membuat failure criterion dari Mohr

Coloumb dapat menggunkan persamaan (5) sampai

(14) yang sudah dibahas sebelumnya.

3.2.1 Menentukan sudut pecah (friksi internal)

Dari Gambar 21 diperoleh harga gradien (tan

untuk masing-masing temperatur, yaitu

� Temperatur 30oC

Maka sudut pecahnya ialah :

Friksi internal = tan = 1.87

2β=62+90=152

� Temperatur 90oC

Maka sudut pecahnya ialah:

Friksi internal = tan = 1.23

2β=51+90=141

3.2.2 Menentukan cohesive strength

Cohesive strength dapat ditentukan dengan

persamaan [11] yang disusun kembali menjadi:

� Temperatur 30oC

� Temperatur 90

oC


σ1 (psi)

5610

7013

7854

σ1

(psi)

4488

4909

5610

Coloumb)

Untuk membuat failure criterion dari Mohr-

umb dapat menggunkan persamaan (5) sampai

3.2.1 Menentukan sudut pecah (friksi internal)

diperoleh harga gradien (tanα)

masing temperatur, yaitu:

Cohesive strength dapat ditentukan dengan

persamaan [11] yang disusun kembali menjadi:

Failure criterion (mohr-coloumb)

� Temperatur 30oC

Gambar (22)

� Temperatur 90oC

Gambar (23)

3.3 Penentuan Unconfined Compressive

Strength Unconfined Compressive Strength (UCS)

UCS (Co) dapat ditentukan secara langsung dengan

metode uniaxial, hasil dari metode ini harga UCS

sama dengan harga σ1 pada Tabe

dengan metode SST, UCS dapat ditentukan dari

Gambar 21 dengan menarik persamaan garis, dan

harga UCS diambil pada saat harga

dengan nol, dan yang terakhir UCS juga dapat

ditentukan melalui persamaan

selengkapnya dapat dilihat pada tabe

Tabel (3). Penentuan harga UCS

UCS

Temperatur Ruangan

Uniaxial rata-rata

(psi) 3460

triaxial (psi)

persamaan (12)

(psi)

Dari ketiga harga UCS hasil melalui Triaxial lebih

besar daripada dengan uniaxial, hal ini dikarena

ada pengaruh air yang berada selama masa

pengukuran, jadi beban yang berasal dari beban

axial ada sebagian yang tertahan oleh air, karena

pada kondisi awal jarak antara piston actuator

dengan specimen ada ruang sekitar 5mm.

sedangkan apabila hasil perhitungan dengan

menggunakan persamaan (13)

dengan interpolasi dari Gambar 21

begitu jauh berbeda, karena persamaan

membutuhkan input data dari Gambar

gradiennya.

3.4 Efek Stress Radial Dari data hasil pengukuran dapat terlihat dengan

jelas bahwa semakin besar stress radial yang

diberikan pada specimen, maka tekanan failure

specimen tersebut semakin besar.

25 menunjukan hubungan stress radial dengan

axial.

Analisa mengenai perubahan stress radial

(confining stress) dapat dilakukan dengan metode

triaxial, sedangkan uniaxial tidak dapat melakukan

hal sperti ini. Adanya tekanan confining yang

semakin besar akan memberikan dukungan pada

Unconfined Compressive

Unconfined Compressive Strength (UCS)

UCS (Co) dapat ditentukan secara langsung dengan

metode uniaxial, hasil dari metode ini harga UCS

abel 1, sedangkan

dengan metode SST, UCS dapat ditentukan dari

dengan menarik persamaan garis, dan

harga UCS diambil pada saat harga σ3 sama

dengan nol, dan yang terakhir UCS juga dapat

ditentukan melalui persamaan (12). Hasil

pada tabel dibawah ini.

30 C 90 C

4581 3880

4760 3792

Dari ketiga harga UCS hasil melalui Triaxial lebih

besar daripada dengan uniaxial, hal ini dikarena

ada pengaruh air yang berada selama masa

pengukuran, jadi beban yang berasal dari beban

axial ada sebagian yang tertahan oleh air, karena

jarak antara piston actuator

dengan specimen ada ruang sekitar 5mm.

sedangkan apabila hasil perhitungan dengan

dibandingkan

21, hasilnya tidak

begitu jauh berbeda, karena persamaan (13)

ambar 21 yaitu

Dari data hasil pengukuran dapat terlihat dengan

jelas bahwa semakin besar stress radial yang

diberikan pada specimen, maka tekanan failure

specimen tersebut semakin besar. Gambar 24 dan

nunjukan hubungan stress radial dengan

Analisa mengenai perubahan stress radial

dapat dilakukan dengan metode

tidak dapat melakukan

hal sperti ini. Adanya tekanan confining yang

semakin besar akan memberikan dukungan pada



189

specimen, sehingga tekanan failure dari specimen

tersebut akan meningkat. Kelakuan seperti ini

dinamakan dengan strain hardening.

3.5 Efek Temperatur

Pengaruh temperatur terhadap kekuatan batuan

dapat diidentifikasi melalui besarnya tekanan

failure pada kondisi temperatur yang berbeda-beda.

Hasil pengujian terhadap specimen batuan pada

temperatur 30oC dan 90

oC dapat dilihat pada

Gambar 26. Dari gambar tersebut terlihat bahwa

semakin tinggi temperatur, tekanan failure batuan

akan semakin menurun, hal ini dimungkinkan

karena adanya kerusakan pada system sementasi

batuan tersebut akibat adanya pemanasan. Inilah

salah satu manfaat dari SST, dapat menganalisis

perubahan sifat kekuatan batuan akibat perubahan

temperatur. Sehingga model sebenarnya direservoir

dapat didekati dengan model laboratorium.

IV. KESIMPULAN 1. Parameter temperatur dan tekanan sangat

penting dalam mensimulasikan kondisi

reservoir kedalam skala laboratorium.

2. Alat Single Stage Triaxial Compressive Test

dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh

temperatur dan confining pressure terhadap

sifat kekautan batuan.

3. Meningkatnya temperatur menyebabkan

kekuatan batuan mengalami penurunan,

sedangkan dengan meningkatnya confining

pressure menyebabkan kekuatan batuan

mengalami peningkatan.

V. REKOMENDASI

1. Alat Single Stage Compressive Strength dapat

dilengkapi dengan strain gauge dan sensor

computer agar dapat menganalisa perubahan

strain, baik secara radial maupun axial.

2. Sistem hidrolik yang sekarang terpasang

kedepannya dapat diganti dengan sistem motor

listrik agar proses pengukuran lebih sederhana.

3. Dilakukan pengkajian lebih mendalam

mengenai perubahan sifat fluida selama berada

didalam cell agar hasil pengukuran lebih

akurat.

4. dilakukan kajian lebih mendalam pengaruh

perubahan fluida yang digunakan didalam cell

(misalnya gas dan oil) terhadap sifat kekuatan

batuan.

VI. DAFTAR SIMBOL σ : stress

σ1 : principal stress normal maksimum

σ2 : principal stress normal medium

σ3 : principal stress normal minimum

σr : stress radial

τ : shear stress

So : cohesive strength

µ : koefisien friksi internal.

Φ : sudut pecah

Co : unconfined compressive strength

To : tensile strength

A : luas permukaan

P : tekanan

F : gaya

UCS : unconfined compressive strength

SST : Single Stage Compressive Test

MST : Multi Stage Compressive Test

DAFTAR PUSTAKA

1. Khaksar. A, Taylor. P.G, Fang. Z, Keyes.T,

Sazalar. A, and Rahman. K, 2009. Rock

Strength from core and log: Where we stand

and ways to go, SPE 121972, annual

conference and exhibition held in Amsterdam,

The Netherland, 8-11 Juni.

2. Fjaer. E, Rune. M, Horsud. P, Raaen. A M,

and Risnes. R., 1992. Petroleum realted rock

mechanic, Elsevier, Tokyo-London-New York.

3. Ahmed S. A. Reservoir Stimulation.

4. Descamps. F, and Tsibangu. J P, 2000.

Development of an automated triaxial system

for thermo-hydro-mechanical testing of rock,

ARMA 08-197, San Francisco.

5. C.M. Ross, SPE, E.R. Rangel-German, SPE,

and L.M. Castainer, SPE, Stanford U.; P.S.

Hara, SPE, Tidelands Oil Production Co.; and

A.R. Kovscek, SPE, Stanford U., 2005. A

Laboratory Investigation of Temperature

Induced Sand Consolidation, paper SPE

92398, 2005 SPE Western Regional Meeting,

Irvine, CA, U.S.A.

6. Denney, D., 2007. Ultradeep HP/HT

completions: classification, design

methodologies and technical challenges.

Journal of Petroleum Technology 59 : 3, 83-

85.

7. Jaeger, J.C. and Cook, N.W., 1979.

Fundamentals of rock mechanics. 3rd

edition.

London: Chapman and Hall.


190

Gambar 1. Stress yang bekerja pada specimen.

Gambar 2. Contoh hasil pengukuran Single Stage

Triaxial Compressive Test (SST)

Gambar 3. Mohr-coloumb dari data pengukuran

Single Stage Triaxial Compressive Test (SST)

Gambar 4.Contoh hasil pengukuran Multistage

Triaxial Compressive Test (MST)

Gambar 5. Mohr-coloumb dari data pengukuran

Multistage Triaxial Compressive Test (MST)

Gambar 6. benda silindris yang diberikan beban

tertentu pada arah axial.

Gambar 7. Diagram Mohr sebagai fungsi shear

stress dan stress normal, juga menggambarkan

hubungan principal stress normal

(σ1, σ2, dan σ3)

Gambar 8. Mohr Coloumb Criterion τ-σ.

Gambar 9. Mohr Coloumb Criterion pada bidang

σ1-σ3

Gambar 10. Kerangka Single Stage Triaxial

Compressive Test.

Gambar 11. Konfigurasi Single Stage Triaxial

Compressive Test.

Gambar 12. Model pengontrol temperatur pada

SST

Gambar 13. Heating electric yang ditempelkan

pada cell dengan dilengkapi gas bull (hambatan

panas) dan indicator electric.



ingle Stage Triaxial

. Konfigurasi Single Stage Triaxial

odel pengontrol temperatur pada

eating electric yang ditempelkan

pada cell dengan dilengkapi gas bull (hambatan

panas) dan indicator electric.

Gambar 14. Sistem pengontrol temperatur pada

Single Stage Compressive Test

Gambar 15. Sistem pembebanan specimen pada

arah axial.

Gambar 16. Bentuk nyata dari sistem hidrolik yang

memberikan beban axial maksimum s

Gambar 17. Stress radial yang dihasilkan oleh

sistem hidrolik



191

. Sistem pengontrol temperatur pada

Single Stage Compressive Test

istem pembebanan specimen pada

Bentuk nyata dari sistem hidrolik yang

memberikan beban axial maksimum sebesar 10 ton

tress radial yang dihasilkan oleh


192

Gambar 18. Rangkaian hidrolik penghasil stress

radial.

Gambar 19. Dudukan specimen pada posisi

terpasang didalam cell.

Gambar 20. Bentuk profil dudukan specimen.

bagian atas. Kanan: bagian bawah.

Gambar 21. Hubungan stress axial dengan stress

radial.


n hidrolik penghasil stress

. Dudukan specimen pada posisi

entuk profil dudukan specimen. Kiri:

: bagian bawah.

ubungan stress axial dengan stress

Gambar 22. Failure criterion untuk specimen

batuan pada temperatur 30

Gambar 23. Failure criterion untuk specimen

batuan pada temperatur 90


radial pada temperatur 30


radial pada temperatur 30

Gambar 26. Hubungan tekanan failure terhadap

temperatur.

ailure criterion untuk specimen

batuan pada temperatur 30oC

ailure criterion untuk specimen

batuan pada temperatur 90oC


radial pada temperatur 30oC


radial pada temperatur 30oC

ubungan tekanan failure terhadap

design lab apparatus: single stage compressive … 20090305.pdfjtm vol. xvi no. 3/2009 183 design...

Documents