BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Batuan Sedimen
Batuan Sedimen adalah salah satu kelompok utama dari batuan di muka bumi. Batuan ini sering membentuk reservoir berpori dan permeabel pada cekungan sedimen dengan kandungan minyak dan hidrokarbon dapat ditemukan di dalamnya. Batuan ini dihasilkan oleh proses akumulasi dan litifikasi dari berbagai jenis fragmen batuan yang dibentuk dari rangka organisme laut dan partikel halus yang terkikis oleh batuan lain. Batuan sedimen dapat juga terbentuk oleh pengendapan padatan dari larutan menjadi bentuk yang disebut dengan ‘sedimen kimiawi’.
Kategori dasar batuan sedimen yang digunakan untuk tujuan klasifikasi adalah
1. Batuan Sedimen Clastic
menentukan bagaimana dan dimana partikel diendapkan dan pada akhirnya jenis batuan sedimen yang akan terbentuk. Mineral silikat atau fragmen batuan adalah komponen utama dari batuan sedimen. Klasifikasi batuan sedimen sebagai siliclastic adalah konglomerat, Sandstone, Limestone, Siltstone, mudstone, dan shale. Limestone adalah jenis batuan sedimen dengan struktur butiran dari halus ke kasar yang lebih dari 50% unsur penyusunnya adalah karbonat, seperti calcite (kalsium karbonat (CaCO3)) dan dolomite CaMg(CO3)2.
2. Batuan Sedimen Bioclastic
Batuan sedimen Bioclastic sebagian besar tersusun dari sisa tumbuhan dan hewan. Contoh batuan jenis ini adalah Chert,coal, dan oil shale.
3. Batuan Sedimen Kimia
Batuan sedimen kimia biasanya dikelompokan menjadi dua bagian besar yaitu karbonat dan non-karbonat. Batuan karbonat disusun dari sedimen kimia dari sumber-sumber tidak organik (seperti ion karbonat (CO3)2-). Contohnya adalah calcite dan
dolomite.
Calcite, kalsium karbonat (CaCO3), adalah lapisan endapan dari air laut dan
bioclastic limestone. Pecahan paling kecil ketika disementasi bersama membentuk
batuan sedimen yang berbeda yang disebut sabagai ‘kapur’, yang memiliki warna yang terang dan terkadang lebih halus dibandingkan limestone atau chert. Batuan bioclastic dibentuk dari endapan lapisan karbonat inorganic. Jadi, mereka juga
dianggap sebagai sedimen kimia seawater-originated.
Dolomite, kalsium magnesium karbonat CaMg(CO3)2 juga membentuk
karbonat. Dolomite dikaisfikasikan sebagai limestone dengan lebih dari 50% berat mineral dolomite terdapat didalamnya dan setidaknya 10%nya adalah calcite. Dolomite dibentuk ketika calcite yang asli digantikan dengan magnesium karbonat.
Sedangkan batuan sedimen non-karbonat tersusun dari campuran kalsium karbonat (CaCO3). Contoh dari sedimen jenis ini adalah phosphates dan ferriferous.
Proses pembentukan batuan yang berbeda di atas menyebabkan struktur pori yang terdapat dalam batuan juga berbeda. Struktur pori yang berbeda ini menggambarkan karakteristik yang berbeda-beda pula pada batuan.
2.2 Besaran-besaran Fisis Batuan
Besaran-besaran fisis batuan adalah besaran yang terdapat dalam batuan yang dapat diestimasi dengan menggunakan metode-metode tertentu. Besaran-besaran fisis ini terdiri dari porositas, permeabilitas, dan tortuositas. Masing-masing besaran ini memiliki definisi dan fungsi yang berbeda pada batuan.
2.2.1 Porositas
Porositas merupakan fraksi volume total batuan yang dapat diisi oleh minyak, gas, air atau campuran dari ketiganya. Porositas merupakan parameter utama pada pengeboran minyak karena porositas menentukan jumlah kandungan hidrokarbon yang terdapat di dalam reservoir. Porositas total Φ didefinisikan sebagai fraksi volume total (Vbulk) dari reservoir batuan yang ditempati oleh ruang pori.
(
)
Dengan Vpore dan Vrock adalah volume dari pori dan matriks secara berurutan, w
adalah massa batu, dan ρrock adalah densitas batuan.
diisi oleh material gas, air, ataupun minyak. Tipe porositas yang sering dihitung adalah porositas total dan porositas efektif. Porositas total adalah porositas batuan dari total volume pori yang tersedia pada sistem batuan, sedangkan porositas efektif adalah fraksi volume pori pada batuan yang bisa melewatkan aliran fluida di dalam ruang porinya. Nilai porositas efektif lebih kecil dibandingkan dengan nilai porositas total yang tidak memperhatikan apakah porinya terhubung dengan pori lain atau merupakan pori yang buntu. Porositas hanya dapat memberikan informasi mengenai gambaran volume ruang pori yang tersedia pada batuan dan tidak memberikan informasi lebih seperti distribusi pori dan ukuran pori. Berikut ini adalah tabel nilai porositas untuk beberapa jenis batu [R.Wang et al, 2004].
Batuan sampel Porositas Efektif (%)
Fontainebleau sandstone 11,3±0,7
Edwards Limestone 15,1±1,1
Austin Chalk 18,4±0,9
Indiana Limestone 7,1±0,6
Tabel 2.1. Nilai porositas untuk beberapa jenis batu model R. Wang.
2.2.2 Permeabilitas
Penelitian permeabilitas dilakukan pertama kali oleh Henri Darcy pada abad ke 19 pada batuan pasir [Darcy,1856]. Dari penelitiannya didapatkan hubungan sebagai berikut :
L p A k
Q t
μ
Δ
= (2.2)
Dengan Q adalah laju aliran volume dalam m3/s sepanjang medium ruang pori, At
merupakan luas total yang tegak lurus dengan arah aliran, dan μ adalah viskositas dinamik dari fluida. merupakan perubahan tekanan yang melewati medium ruang pori dengan panjang L, dan k adalah permeabilitas dengan satuan Darcy [Darcy,1856]. 1 Darcy sama dengan 9.87 x 10
p
Δ
-13
m2.
Gambar 2.1. Skema percobaan Darcy
Pada persamaan (2.2), tekanan akibat pengaruh gravitasi diabaikan dan dapat ditulis ulang untuk dapat menentukan kecepatan aliran :
L p k A Q v
t μ
Δ =
= (2.3)
L p r Q
μ π
8 4Δ
= (2.4)
Dengan r adalah radius pipa kapiler.
Gambar 2.2.Model pipa kapiler dengan pipa diibaratkan sebagai ruang pori.
Konzeny [1927] dan Carman [1937] memperluas model kapiler menggunakan teori radius hidraulik. Diameter kapiler dapat dimisalkan sebagai diameter hidarulik dh yang dapat terhubung dengan diameter pori yang ekivalen :
area pore
volume pore
dh
_ _
= (2.5)
Ketika melakukan pengukuran permeabilitas, kecepatan aliran fluida dapat dibedakan, kecepatan aliran pori mikroskopik vF dan kecepatan makroskopik v yang
akan memberikan kecepatan aliran total sepanjang pipa. Rasio Le/L mengindikasikan
panjang lintasan patikel fluida yang melewati sepanjang sistem pori yang berliku. Pada situasi makroskopik partikel melewati lintasan L dengan kecepatan v. Pada waktu yang bersamaan, aliran partikel fluida sebenarnya memiliki kecepatan vF
Dupuit-Forcheimer mengasumsikan hitungan untuk perbedaan antara kecepatan aliran pada pori dan kecepatan aliran. Secara umum, kecepatan Dupuit-Forcheimer vDF didefinisikan sebagai v/Φ.
L
Tipe mode Hagen-Poiseuille memberikan kecepatan aliran mikroskopik pada pori :
e
Dengan dh adalah diamater hidraulik, Le adalah panjang rata-rata lintasan berbelok
dan ko merupakan bentuk faktor dimensi yang menggambarkan bentuk batas pinggir.
Kecepatan aliran makroskopik melewati tabung diberikan oleh Hukum Darcy :
L
Persamaan (2.8) diatas merupakan bentuk dasar dari model kapiler. Dengan (1/k0)
adalah fungsi dari geometri pori dan (Le/L)2 adalah tortuositas.
Berdasarkan Carman [1937] diameter hidrulik dh untuk model pipa kapiler
dapat diekspresikan sebagai :
Dengan S0 adalah luas permukaan spesifik berdasarkan pada volume matriks batuan.
Apabila persamaan (2.9) disubstitusi ke persamaan (2.8) maka persamaan Konzeny-Carman akan menjadi :
(
)
Simbol (Le/L)2 secara umum disebut sebagai faktor tortuositas.
Tabel berikut ini [Tabel 2.2] adalah tabel permeabilitas untuk beberapa jenis batu [R.Wang et al, 2004].
Batuan sampel Porositas Efektif (%) Permeabilitas (mD)
Fontainebleau sandstone 11,3±0,7 559±93
Edwards Limestone 15,1±1,1 7±0,9
Austin Chalk 18,4±0,9 2,6±0,3
Indiana Limestone 7,1±0,6 0,18±0,03
Tabel 2.2. Nilai permeabilitas untuk beberapa jenis batu model R. Wang.
Berdasarkan tabel 2.2 di atas terlihat bahwa nilai porositas yang besar belum tentu memiliki nilai permeabilitas yang besar pula. Hal ini bergantung dari karakteristik pori yang ada pada batuan tersebut.
2.2.3 Tortuositas
kimia. Hal ini bergantung dari cara mereka melihat pengaruh struktur pori suatu sampel.
Menurut Palciauskas, tortuositas (τ ) didefinisikan sebagai total jarak tempuh aliran fluida dalam ruang pori dengan jarak terpendek aliran tersebut. Secara matematis, turtoisitas didefinisikan sebagai berikut [Palciauskas et al ,1994]:
L Le
=
τ (2.11)
Berikut ini adalah gambar aliran antara satu pori dengan pori lain yang saling terhubung (Le) dengan panjang sampel batuan (L).
Gambar 2.3. Perbandingan antara panjang antara satu pori dengan pori lain yang saling
terhubung (Le) dengan panjang sampel batuan (L).
Sedangkan dalam istilah lain, faktor tortuositas didefinisikan sebagai kuadrat panjang lintasan patikel fluida yang melewati sepanjang sistem pori yang berliku [Amyx et al ,1960]. Hal ini seperti yang terlihat sesuai dengan rumusan :
2
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =
L Le
Faktor tortuositas ini bukanlah nilai yang dapat berdiri sendiri. Nilainya bergantung dari banyak parameter seperti porositas, geometri ruang pori, dan faktor resistivitas [Attia, 2005]. Secara teoritis, sangatlah tidak mungkin nilai tortuositas yang dihasilkan kurang dari 1 karena nilai minimun Le adalah L.
Definisi tortuositas yang digunakan dalam penelitian ini adalah definisi tortuositas Palciauskas. Hal ini dikarenakan definisi ini adalah definisi paling umum yang sering digunakan pada eksperimen. Berikut ini beberapa nilai tortuositas model Pirson (1983).
Sampel Porositas (%) Tortuositas
Berea A sandstone 19,3 2,04
Berea B sandstone 20,5 1,99
Okesa A sandstone 24,6 1,91
Okesa B sandstone 26 1,74
Tallant A sandstone 25,7 1,79
Tallant B sandstone 26,5 1,69
Elgin A sandstone 22,4 2,21
Elgin B sandstone 24,2 2
Elgin C sandstone 24,2 2
Elgin D sandstone 23,9 1,98
Elgin E sandstone 23,5 2,06
Tabel 2.3. Nilai tortuositas untuk jenis sandstone model Pirson (1983).
