Bab IV Geomekanika dan Geotermometri Reservoir Panas Bumi

Deskripsi singkat

Geomekanika dan Geotermometri Reservoir Panas Bumi sangat relevan untuk dipresentasikan,

dibahas, dan dimengerti dalam kaitannya dengan pengetahuan untuk pengelolaan reservoir

panasbumi yang berkaitan dengan konskuensinya tehadap keamanan dan keselamatan

lingkungan dan pekerja, serta penduduk yang hidup di sekitar kawasan panasbumi. Materi pada

Bab IV ini adalah:

- Konsep tegangan (stress) dan lingkaran Mohr

- Mekanika dan kekuatan batuan

- Persamaan keseimbangan tegangan di tempat (insitu)

- Distribusi tegangan di sekitar lubang bor dan criteria kegagalan (failure)

- Kerusakan hidrolik (hydraulic fracturing)

- Tegangan efektif

- Kemampatan reservoir dan amblesan

Konsep tegangan (stress) dan lingkaran Mohr

Tegangan adalah gaya persatuan luas

- Jika arah vektor gayanya tegak lurus maka dinamakan tegangan normal ( tekanan).

- Jika tangensial maka dinamakan tegangan geser (shearing stress)

Jika sebuah benda elastik dikenakan tegangan, maka akan terjadi perubahan bentuk dan dimensi.

Perubahan titik-titik tersebut dinamakan regangan (strain)

Misal besarnya pergeseran u sebagai fungsi (x,y), ditulis sebagai u = u(x,y) dan besarnya

pergeseran v sebagai fungsi (x,y) juga, ditulis sebagai v = v(x,y), maka koordinat rusuk-rusuk

PQRS dan P'Q'R'S' adalah,

Koordinat PQRS Koordinat P'Q'R'S'

P(x, y) P'(x+u, y+v)

Q(x+dx, y) Q'(x+dx+u+(¶u/¶x)dx, y+v+(¶v/¶x)dx)

S(x, y+dy) S'(x+u+(¶u/¶y)dy, y+dy+v+(¶v/¶y)dy)

R(x+dx, y+dy) R'(x+dx+u+(¶u/¶x)dx+(¶u/¶y)dy,

y+dy+v+(¶v/¶x)dx +(¶v/¶y)dy)

IV.1

Umumnya perubahan dalam u dan v selalu lebih kecil dari pada dx dan dy, sehingga (¶u/¶x),

(¶u/¶y) dan lainnya cukup kecil dan bentuk perpangkatan serta perkaliannya dapat diabaikan.

Dengan asumsi tersebut maka,

1. PQ menjadi bertambah panjang dengan (¶u/¶x)dx.

PS menjadi bertambah panjang dengan (¶v/¶y)dy.

Oleh katena itu (¶u/¶x) dan (¶v/¶y) adalah fraksi (bagian)

pertambahan panjang dalam arah masing-masing sumbu (x dan y).

2. Sudut d1 dan d2 masing-masing adalah

d1 = (¶v/¶x) dan d2 = (¶u/¶y)

3. Sudut siku pada titik P berkurang sebesar

(d1 + d2) = (¶v/¶x) + (¶u/¶y)

Beberapa pengertian dasar di atas dapat ditarik pengertian :

• Besaran (¶u/¶x) dan (¶v/¶y) adalah pertambahan panjang relatif dalam arah x dan y,

disebut sebagai strain normal, dinotasikan dengan exx atau eyy.

Di dalam analisis 3 dimensi dengan posisi titik P(x,y,z) dan komponen pergeserannya adalah

(u,v,w), maka strain-strainnya adalah,

Tegangan normal exx = (¶u/¶x)

eyy = (¶v/¶y)

ezz = (¶w/¶z)

Regangan geser exy = eyx = (¶v/¶x) + (¶u/¶y)

eyz = ezy = (¶w/¶y) + (¶v/¶z)

ezx = exz = (¶w/¶x) + (¶u/¶z)

Mohr Circle adalah metode grafik untuk menentukan pengaruh koordinat rotasi

padakuantitas tensor. Dalam rekayasa menemukan aplikasi dalam pengaruh koordinat rotasi

pada  stress, strain, momen kedua daerah dan momen inersia. Tegangan normal

digambarkandisepanjang sumbu horisontal dan tegangan geser digambarkan disepanjang

sumbu vertikal.

Mekanika dan kekuatan batuan

IV.2

Sifat bahan/materi/batuan/benda dibagi menjadi dua yaitu elastic dan plastis.

Benda Elastis adalah benda yang jika diberi gaya maka akan mengalami pertambahan

panjang dan jika gaya yang bekerja pada benda tersebut dihilangkan, maka benda dapat

kembali ke bentuk semula.

Benda Platis adalah benda yang jika diberi gaya maka akan mengalami pertambahan

panjang dan jika gaya yang bekerja pada benda tersebut dihilangkan, maka benda tidak

dapat kembali ke bentuk semula.

Maka dari itu jenis deformasi juga dapat dibagi menjadi dua yaitu deformasi elastic dan

deformasi plastis.

• Deformasi elastis adalah deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi pada suatu benda

saat gaya atau beban itu bekerja, dan perubahan bentuk akan hilang ketika gaya atau

bebannya ditiadakan.

• Deformasi plastis adalah deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi pada benda secara

permanen, walaupun beban yang berkerja ditiadakan.

Hubungan linier antara tegangan dan regangan untuk suatu batang yang mengalami tarikan atau

tekanan dinyatakan dengan persamaan

Persamaan tersebut dikenal dengan hukum Hooke. Dimana ε adalah regangan aksial, dan E

adalah konstanta proporsionalitas yang dikenal dengan modulus elastisitas bahan.

Modulus Elastisitas didefinisikan sebagai perbandingan antara tegangan, dengan regangan suatu

bahan selama gaya yang bekerja tidak melampaui batas elastisitasnya.

Dalam SI satuan modulus elastisitas sama dengan satuan tegangan. Semakin besar nilai E, berarti

semakin sulit untuk merentangkan benda, artinya dibutuhkan gaya yang lebih besar.

Uniaxial compressive strength: tekanan maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material dalam

keadaan ditekan pada 1 sumbunya. Satuannya sama dengan tekanan (Pa), biasanya dalam Mpa.

Tensile strength: gaya tarik maksimum yang dapat ditahan oleh suatu material.

IV.3

Persamaan keseimbangan tegangan di tempat (insitu)

Tegangan di tempat (in-situ stress) merupakan tegangan yang dihasilkan oleh faktor-faktor

internal dalam batuan. Berguna untuk mengetahui kestabilan suatu batuan.

In-situ stress diukur untuk dapat mengetahui keadaan tegangan di dalam masaa batuan dan

menentukan parameter-parameter penting untuk mengetahui perilaku massa batuan di tempat

asalnya.

Distribusi tegangan di sekitar lubang bor dan criteria kegagalan (failure)

Masalah suatu distribusi gaya disekitar lubang bor circular dipecahkan oleh Kirsch (1898), pada

kondisi batuan homogen dibawah kondisi regangan bidang (plane strain) dengan batas elastis.

Distribusi gaya sekitas lubang bor, yaitu :

• Prinsip batas tekanan di tempat (insitu stress)

• Tekanan pori internal (tekanan lumpur)

• Perubahan suhu

Kerusakan hidrolik (hydraulic fracturing)

Gaya gesek : gaya suatu tahanan jenis bekerja pada bagian yang mencegah atau menghambat

peluncuran suatu bagian relatif terhadap bagian kedua (Gambar 4.1)

• Gaya gesek bekerja secara paralel ke permukaan pada arah yang berlawanan gerakan

relatif atau kecenderungan terhadap gerakan

• Gaya gesek maksimum,

• Koefisien gaya gesek (statis) μ.

IV.4

Gambar 4.1. Pada saat gaya dorong (P=F) < Fs benda akan masih tetap dalam keadaan diam dan

seimbang, manakala P>Fs benda akan bergerak dipercepat sebentar dan sesudah itu akan

bergerak lurus beraturan bilamana sudah terjadi keseimbangan antara gaya dorong P dan gaya

gesek F.

Tegangan efektif

Tegangan efektif (effective stress) merupakan tegangan/tekanan (gaya per satuan luas) yang

membuat kumpulan dari partikel penyusun benda/batuan tetap menyatu.

Batuan yang memiliki permeabilitas, mengandung fluida (pada kasus reservoir panasbumi adalah

air dan/atau uap air). Volume total pori-pori pada suatu batuan adalah lebih kecil dari volume

batuan keseluruhan. Komponen penyusun tegangan efektif yang perlu diamati adalah:

- Tekanan pada pori-pori.

- Tegangan total yang bekerja pada batuan keseluruhan.

IV.5

- Tegangan yang bekerja pada butir-butir penyusun batuan ( grains).

Dua mekanisme yang termasuk ke dalam konsep tegangan efektif adalah:

- Deformasi yang disebabkan perubahan tekanan pada pori

- Patahan yang disebabkan bertambahnya tekanan pori.

Kemampatan reservoir dan amblesan

Selama proses eksploitasi/produksi panas bumi terjadi penurunan tekanan fluida reservoir yang

akan meningkatkan tekanan efektif atau tekanan butir (beda tekanan antara tekanan overburden

dan tekanan fluida), dan reservoir akan mengalai kompaksi/pemampatan, akibatnya akan terjadi

amblesan (subsidence, penurunan permukaan lapisan batuan reservoir dan permukaan tanah).

Karena gejala ini akan membahayakan kelestarian system panasbumi dan juga membahayakan

bangunan yang berdiri di atas permukaan tanah, maka perlu ditanggulangi. Tindakan

penanggulangan terjadinya amblesan adalah dengan menginjeksikan air ke dalam system

reservoir, agar terjadi keseimbangan massa (massa yang keluar = massa yang dimasukkan).

Kompaksi tergantung pada overburden (tegangan vertikal) dan tekanan fluida reservoir (internal

stress). Agar penentukan tindakan penanggulangan bahaya amblesa dapat dilakukan dengan

tepat (terukur dan terkendali), maka perlu diketahui besaran kompresibilitas batuan reservoir

yang terdiri dari:

• Kompresibilitas matriks batuan, yaitu fraksi perubahan volume material padatan (grains)

terhadap satuan perubahan tekanan.

• Kompresibilitas bulk batuan, yaitu fraksi perubahan volume bulk batuan terhadap satuan

perubahan tekanan.

• Kompresibilitas pori-pori batuan, yaitu fraksi perubahan volume pori2 terhadap satuan

perubahan tekanan.

(bahan diambil dari hasil presentasi dan diskusi kelompok 4)

IV.6