Bab 3 Parameter Petrofisis Batuan

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 hubungan-hubungan 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 internal spesifik, adalah besarnya luas

Permukaan internal spesifik, adalah besarnya luas

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

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 internal spesifik, adalah besarnya luas

Permukaan internal spesifik, adalah besarnya luas

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

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

pori sebagai Vp=V-Vm, maka porositas dapat didefinisikan pori sebagai Vp=V-Vm, maka porositas dapat didefinisikan sebagai:

Meski terdapat dua batuan dengan porositas yang identik,

masing-masing batuan tersebut akan memiliki sifat fisis batuan yang membedakan, misal permeabilitas

v

v

v

v

m p

−

=

=

Φ

1

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

Beda halnya dengan batuan volkanik
Beda halnya dengan batuan volkanik

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

Sedimen dengan distribusi partikel yang sempit memiliki
Sedimen dengan distribusi partikel yang sempit memiliki

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

Kompaksi merupakan hasil konsentrasi tekanan pada butiran

Sedimen kimiawi yang terbentuk karena penguapan air laut pada

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

Porositas Inisial

Parameter yang mempengaruhi porositas inisial antara lain:

1. Ukuran butir:

Semakin menurunnya ukuran butir maka porositas cenderung semakin naik

Kenaikan porositas ini tampak signifikan untuk partikel dengan diameter di bawah 100µm

dengan diameter di bawah 100µm

Menurunnya porositas yang disebabkan oleh proses deformasi butiran disebut dengan proses kompaksi

2. Bentuk partikel:

Bentuk patikel yang tidak membola cenderung memiliki

porositas yang lebih besar dibandingkan dengan pertikel yang berbentuk bola

3. 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

( lenyapnya butiran akibat reaksi kimia ) atau kontraksi butiran. ( lenyapnya 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

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 mengalirkan arus listrik atau fluida di antara dinding-dinding pori tersebut. Perbedaan mengalirkan arus listrik atau fluida di antara dinding-dinding pori tersebut. Perbedaan 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

asumsi butir berbentuk bola teratur dalam suatu

asumsi butir berbentuk bola teratur dalam suatu

kubus akan menghasilkan porositas sebesar,

dan untuk kemasan hexagonal memiliki nilai

porositas yang lebih kecil yaitu 25,9 %.

4764

,

0

6

1

)

.

2

(

1

1

₃ 3 3 4

=

−

=

−

=

−

=

=

Φ

π

π

r

r

v

v

v

v

kubus bola kubus pori kubus

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

2. Metode imbibisi: 2. Metode imbibisi:

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

3. 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

4. Metode ekspansi gas:

Konsep dasarnya sama dengan metode injeksi merkuri namun medium yang digunakan adalah gas ideal

5. Metode densitas:

Porositas dapat ditentukan dari besar densitas bulk (ρ) dari batuan dan densitas rata-rata begian yang padat (ρ_s) melalui persamaan Φ = 1 – (ρ/ ρ ).

persamaan Φ = 1 – (ρ/ ρ_s).

6. Metode optikal:

Untuk kasus dimana mikrostruktur porositas adalah isotropik,

maka porositas dapat ditentukan (section 2D) melalui persamaan

Φ = A_p – A, dengan A adalah total area dan A_p adalah area yang berpotongan dengan pori

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

rekahan-rekahan yang timbul akibat proses tektonik

Kesimpulan

rekahan yang timbul akibat proses tektonik

Porositas 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

PERMEABILITAS

Arti Fisis: kemampuan suatu batuan untuk meloloskan suatu

fluida melalui pori-pori batuan

Arti Matematis : Berdasarkan Persamaan Darcy

u = kecepatan filtrasi

p

k

u

=

−

.

∇

u

u = kecepatan filtrasi

p = tekanan fluida

η

= viskositas dinamik

k = permeabilitas

batuan

Satuan Permeabilitas

Dalam SI adalah m2 _atau µ_m2

Yang sering dipakai mD(milidarcy) 1µm2 _{= 1,0133 d}

p

η

u

=

−

.

∇

p

u

η

k

∇

−

=

1.

Intergranular permeability

2.

Intragranular permeability

Fracture permeability

Klasifikasi

Berdasarkan tipe porositasnya

3.

Fracture permeability

4.

Vugular permeability

1.

Permeabilitas Primer

2.

Permeabilitas Sekunder

Tabel permeabilitas batuan sedimen taktermampatkan

Good aquifers

Clean gravel (105_…104_d) Clean sand (103_…101_d)

Poor aquifers (10

0

…10

-3

d)

Impervious (10

-4

…10

-5

d)

Poor aquifers

Ex : Very fine sand, silts,

clay, mixtures of sand

and silt

Impervious

Ex : Unweathered clays

Very low permeable k_f < 10-8_m/s

Low permeable k_f =10-8_…10-6_m/s

Permeable k_f =10-6_…10-4_m/s

Faktor yang mempengaruhi permeabilitas

Porosity

Pore size and its distribution

Pore shape, pore surface

Pore shape, pore surface

morphology

Pengukuran Permeabilitas

Dengan Permeameter

Suatu alat pengukur dengan mempergunakan

gas

Perkiraan penghilangan sirkulasi dalam

Perkiraan penghilangan sirkulasi dalam

pemboran

Dari kecepatan pemboran

Berdasar tes produksi terhadap penurunan

tekanan dasar lubang (bottom-hole pressure

decline)

Perhitungan Permeabilitas

k₂ h₂ k₁ h₁

Hubungan Paralel

Hubungan Seri

Hubungan Seri

k₁ l₁ k₂ l₂

Aliran Silinder Steady

State

k₁ r₁ r₂ k₂ P₂ P₁

Cara lain perhitungan permeabilitas

Persamaan Hazen (1893)

k_f = permeability fluida (cm/s)

φ = porosity (%)

d_m d_w = diameter butir dan diameter median (mm) Persamaan Terzaghi (1955) Persamaan Berg (1970) k = 5,1.10-6_.φ5,1_.d2_.exp(-1,385.ψ₎ k = permeability (d) φ = porosity (%) d = diameter (mm)

ψ = percentile deviasi (phi unit)

ψ = P₉₀-P₁₀ (menghitung penyebaran distribusi ukuran butir)

Persamaan Iverson & Satchwell (1989)

k = d

₂

(B

₁

+B

₂

.10

φ-s/d2

_+B

3

.s

2

+ B

4

.S

k

.V

f

.10

(-s/d)

Persamaan Schopper (1982)

log k = -2,1007 + 2,221. log d

k = permeability (md) s = standard deviasi B₁ = 0,05408 B₃=0,7020

φ = porosity (%) S_k = coefficient of skewness B₂ = 0,05714 B₄=-0,09427 d = diameter (mm) V_f = kecepatan fluida

Persamaan Sen (1990)

k = 10

6,59

_.

φ

m

_.(Spor)-2,08

_{k = permeability (md)} φ = porosity (%

S_por = Specifik internal surface porositas (µm-1₎ m = Archie-exponent

Beberapa nilai Archie Exponent (m)

untuk batupasir menurut Schon (1998)

Batupasir yang taktermampatkan m = 1,3

Batupasir yang kurang tersementasi m = 1,4 - 1,5

Batupasir yang tersementasi m = 1,5 – 1,7

Batupasir yang cukup tersementasi m = 1,8 – 1,9

Batupasir yang sangat tersementasi 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

2 , 3 . 250         _Φ = irr w S k Persamaan Tixier (1949) Persamaan Timur (1968) 2 Pers. Schlumberger (1989) Persamaan Coates-Dumanoir (1974) 2 , 25 . 2

.

100

















_Φ

=

irr w

S

k

2 , 4

300

















_Φ

⋅

=

_w irr w w

S

w

k

c irr w b

S

a

k

,

Φ

⋅

=

a = 0,316 c = 2 b = 4,4 m = w = n Archie Law k = permeabilitas (md)

Hubungan Permeabilitas dan Porositas dengan

S

_{w, irr}

Hubungan Permeabilitas dengan Tekanan

Persamaan Schon (1998)

k₀ = permeability pada tekanan 0 (md)

(md)

A_k = koeff kompaksi permeabilitas

No. Sedimen Persamaan hubungan 1. Batupasir 2. Batupasir 3. Batulempung

)

.

10

.

7

,

2

exp(

.

49

,

0

−

−4

z

=

Φ

2 8 4

.

10

.

604

,

2

.

10

.

719

,

2

728

,

0

−

−

z

+

−

z

=

Φ

)

.

10

.

1

,

5

exp(

.

803

,

0

−

−4

z

=

Φ

3. Batulempung 4. Batulempung 5. Batulempung

)

.

10

.

1

,

5

exp(

.

803

,

0

−

−4

z

=

Φ

2 3 2

)

1

ln(

.

10

.

4

,

5

)

1

ln(

.

10

.

3

,

4

803

,

0

−

+

−

+

=

Φ

− −

z

z

2 8 4

.

10

.

604

,

2

.

10

.

34

,

2

803

,

0

−

−

z

+

−

z

=

Φ

Permukaan internal spesifik (Specific

internal surface)

permukaan internal spesifik S merupakan luasan permukaan

ruang-ruang 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

).

m por tot

S

S

S

_tot

=

Φ

.

S

_por

=

(

1

−

Φ

).

S

_m

S

=

Φ

.

=

(

1

−

Φ

).

m m ma

S

S

ρρρρ

=

satuan untuk S_tot, S_por, dan S_m adalah ₃

2

m

m

_{= m}-1_{, pada umumnya yang sering}

digunakan adalah µm-1_{, dan S}

m adalah

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)

Permeabilitas menurun dengan adanya sementasi

Permeabilitas menurun dengan adanya sementasi

dan kompaksi

Permeabilitas bertambah dengan meningkatnya

water saturasi

Permeabilitas mengecil secara tak linier dengan

Densitas batuan

Densitas

ρ

didefinisikan sebagai perbandingan massa m

terhadap volume v suatu batuan, ditulis

v

m

ρ

=

Dalam SI densitas mempunyai satuan _kg/m3

dikenal adanya

densitas bulk

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,

p

m

ρ

ρ

ρ

=

(

1

−

Φ

).

+

Φ

.

Saturasi suatu fluida S_f adalah perbandingan antara volume fluida v_f tersebut terhadap volume pori totalnya v_p, yaitu

f f

v

S

=

p f

v

S

=

Batuan yang berisi gas dan air akan mempunyai densitas

gabungan ketiga materi tersebut, yaitu materi matrik padat, fluida

dan gas

[

]

g w w w m

S

ρ

S

ρ

ρ

ρ

=

(

1

−

Φ

).

+

Φ

.

+

(

1

−

).

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

)

.

.

002

,

0

.

333

,

0

.

.

10

.

3

,

1

.

.

016

.

0

.

.

2

.

489

.

00175

,

0

.

3

,

3

.

80

(

10

1

2 2 3 5 . 2 3 2 6

p

T

p

p

T

p

T

p

T

p

T

T

T

w

−

−

−

+

−

+

+

−

−

+

=

− −

ρ

[

0

,

668

0

,

44

.

10

.

(

,

,

)

]

.

6 tan NaCl w

C

C

f

p

T

C

laru −

+

+

+

=

ρ

ρ

_{laru tan NaCl}

=

ρ

_w

+

C

.

[

0

,

668

+

0

,

44

.

C

+

10

.

f

(

p

,

T

,

C

)

]

ρ

) . . 47 . 13 . 3300 . 3 80 .( . . 2400 . 300 ) , , ( p T C p p C T T C p p C f = − + + − − +

Hubungan analitik sederhana antara densitas batuan

terhadap kedalaman posisi batuan

o o

z

z

A

z

z

)

(

)

.

ln

(

=

ρ

+

ρ

[

][

]

[

(

)

(

)

]

.

exp(

.

)

)

(

)

.

exp(

1

.

)

(

)

(

)

(

)

(

z

B

z

z

z

z

B

z

z

z

z

o m m o m o

−

−

−

=

−

−

−

+

=

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

)

.

846

,

0

exp(

.

244

,

1

72

,

2

)

(

z

=

−

−

z

ρ

Hubungan empiris

Permeabilitas sebagai fungsi kedalaman

3

20

1

)

(













+

−

≈

z

z

z

k

Hubungan k,

Φ

Φ

Φ

Φ

, dan S berdasarkan model

teoritis

2 2 2 3 2 2 3 2 2 2 2 . . ) 1 .( 2 . . 2 . . 2 8 T S T S T S T r k m tot por − Φ Φ = Φ = Φ = Φ = 2 2 2 3 2 2 3 2 2 2 2 . . ) 1 ( . . 4 T S T S T S T r k hyd Φ − Φ = Φ = Φ = Φ =

χ

χ

χ

χ

2 2 2 2 2 2 2 2 . . ) 1 ( . . 4 T S T S T S T k m tot por − Φ = = = =

χ

χ

χ

χ

2 3 2 2 2 2 3

)

1

(

.

1

.

.

)

1

(

−

Φ

Φ

=

Φ

−

Φ

=

C

T

S

k

m

χ

C

=

χ

.

S

m

.

T

por S F k . 1 1 − =

χ

m w o

F

Φ

=

=

1

ρ

ρ

biasanya m = 1,8 – 2,0 88 , 5

1119

−

=

F

k

_f

k

=

2

,

51

.

10

7

F

−2,22 1085 , 3

3

,

475

−













=

o por

q

S

F

k