Bab 3. Model Matematika dan Pembahasan. 3.1 Masalah Perpindahan Panas

Transkripsi

1 Bab 3 Model Matematika dan Pembahasan 3.1 Masalah Perpindahan Panas Beberapa model studi telah dikembangkan mengenai perolehan minyak dengan injeksi fluida panas atau uap. Tidak sedikit asumsi yang digunakan untuk mendukung model tersebut. Beberapa model studi yang telah dikembangkan di antaranya adalah model Marx dan Langenheim, model Wilman, dan tentunya model umum. Model terakhir ini berdasarkan pada asumsi bahwa panas ditransfer dengan dua cara yaitu pergerakan fisik fluida injeksi dan konduksi panas [6]. Adapun model yang akan dibahas berikut ini tidak terlepas dari pengaruh model umum yang ada, akan tetapi disertai dengan asumsi-asumsi yang lain. Dalam model ini masalah perpindahan panas dikembangkan dengan pertimbangan sebagai berikut. Temperatur dari fluida yang diinjeksikan akan diestimasi sebagai fungsi dari kedalaman dan waktu dengan mengasumsikan laju injeksi fluida dan temperatur permukaan diketahui. Pertimbangan untuk panas yang dipindahkan dari fluida yang diinjeksikan ke formasi atau lingkungan mengacu pada persamaan berikut. 10

2 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 11 Untuk fluida yang diinjeksikan berupa liquid dan untuk gas dengan T 1 (Z, t) =az + b aa +(T 0 + aa b)e Z/A, (3.1.1) T 1 (Z, t) =az + b A(a c )+[T 0 + A(a c ) b]e Z/A, (3.1.2) A = Wc[k + r 1Uf(t)]. (3.1.3) 2πr 1 Uk Perhatikan bahwa simbol-simbol pada persamaan di atas dapat dilihat pada lampiran A. Persamaan-persamaan ini dikembangkan di bawah asumsi bahwa sifat fisik dan thermal dari bumi dan fluida tidak bergantung pada temperatur, panas akan dipindahkan secara radial di dalam bumi, dan perpindahan panas di sumur bor jauh lebih cepat dibandingkan dengan aliran panas di formasi atau lingkungan sehingga bisa direpresentasikan dengan solusi keadaan tunak [5]. Untuk bisa menggunakan persamaan di atas diperlukan pengetahuan tentang koefisien perpindahan panas keseluruhan U dan fungsi waktu konduksi panas f(t). Secara singkat, koefisien keseluruhan U merupakan ketahanan bersih terhadap aliran panas yang diberikan oleh fluida dalam pipa, dinding pipa, fluida atau zat padat dalam annulus, dan dinding casing [5]. Berikut beberapa konsep tentang koefisien perpindahan panas keseluruhan yaitu: Ketahanan panas dari pipa atau casing sering diabaikan karena konduktivitas panas dari besi jauh lebih tinggi dibandingkan dengan material lain di sumur bor ataupun di bumi. Ketahanan panas dari fluida cair sering diabaikan karena koefisien lapisan perpindahan panas dari fluida cair begitu tinggi. Koefiesien lapisan gas dan ketahanan panas dari material penyekat di sumur bor sering menyebabkan efek terbesar pada koefien keseluruhan.

3 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 12 Adapun perhitungan koefisien perpindahan panas keseluruhan berdasarkan pada asumsi bahwa aliran panas mengalir secara radial dari sumur bor, perpindahan panas di sumur bor adalah tunak, sifat fisik dan thermal dianggap konstan. Sedangkan untuk fungsi waktu f(t), bisa diestimasi dari solusi untuk konduksi panas radial dari silinder dengan panjang tak hingga dengan pertimbangan sumber yang berbentuk silinder memancarkan panas dengan fluks konstan, temperatur konstan, dan di bawah syarat batas radiasi [3]. 3.2 Model Fisik Pada bagian berikut akan dibahas sistem fisik secara keseluruhan. Model fisik ini terdiri atas tiga bagian yang dihasilkan dalam tiga pasang persamaan yang berbeda. Ketiga bagian tersebut adalah (1) fluida yang mengalir, (2) pipa atau annulus casing, dinding casing, dan semen, (3) lingkungan sekitar semen atau bumi. Model diilustrasikan seperti pada Gambar 3.1 Perpindahan panas dari dari fluida yang mengalir ke semen atau formasi dianggap dalam keadaan tunak, sedangkan perpindahan panas di lingkungan sekitar digambarkan oleh persamaan konduksi panas tiga dimensi. Akan tetapi pembahasan kali ini akan dikhususkan pada bagian ketiga yaitu aliran panas dari semen atau formasi ke bumi dengan sistem fisik hanya terdiri atas satu tubing, satu casing dan semen. Aliran panas ini digambarkan oleh persamaan konduksi panas 2D sebagai berikut ( 1 r T ) f + 2 T f r r z = 1 T f 2 α t, (3.2.1) dengan syarat awal dan syarat batas seperti di bawah ini 1. Temperatur dari lingkungan sekitar adalah fungsi dari kedalaman. 2. Temperatur dari bumi dekat wellhead adalah fungsi dari waktu.

4 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 13 Surface Temperature TU Q Annulus Tsu Formation Casing Annulus Casing Insulation FLUID Q TSL Q conduction Tubing Cemen Q Reservoir Temperature TL Q Gambar 3.1: Sistem Fisik. 3. Temperatur dari bumi dekat bottomhole adalah fungsi dari waktu. 4. Fluks panas pada semen atau formasi diberikan oleh hukum Fourier tentang konduksi panas. 5. Temperatur di luar atau di batas tak berhingga tidak dipengaruhi oleh gangguan temperatur pada semen atau formasi. Secara matematika syarat-syarat di atas bisa dituliskan sebagai berikut 1. T f (0) = T su + βz pada t =0 2. T f = T sl pada Z = L untuk r r Dcem dan t 0 3. T f = T su pada Z =0untukr r Dcem dan t>0 4. Q = 2πrk he T f r pada r = r Dcem untuk 0 <Z<1dant>0

5 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN T f berhingga ketika r untuk 0 <Z<1dant>0 3.3 Pembahasan Berdasarkan model untuk masalah perpindahan panas di atas, kita peroleh temperatur dari fluida yang diinjeksikan sebagai fungsi dari kedalaman dan waktu. Solusi ini didapat dengan menyelesaikan persamaan energi total dengan faktor yang membedakan temperatur fluida cair dan gas adalah 1. Faktor ini muncul pada 778c kesetimbangan energi untuk gas dimana enthalpy tidak bergantung pada tekanan sehingga energinya berbeda dengan kesetimbangan energi untuk fluida cair. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada penurunan solusi di lampiran B. Kemudian seperti disebutkan sebelumnya, untuk mengaplikasikan model pertama dibutuhkan evaluasi nilai dari fungsi waktu konduksi panas f(t). Hal ini dikarenakan aliran panas di formasi berubah-ubah terhadap waktu. Fungsi konduksi panas itu sendiri bisa dituliskan dari laju konduksi panas casing ke formasi sebagai berikut f(t) = 2πk (T 2 T s ). (3.3.1) dq/dz Selain itu, banyak solusi untuk aliran panas dan fluida transient yang mungkin bisa digunakan untuk mengestimasi f(t). Sebagai contoh, solusi perpindahan panas di sumur bor, Moss and White, mengasumsikan bahwa konduksi panas transient ke bumi bisa direpresentasikan dengan panas yang hilang dari sumber garis pada fluks konstan. Adapun untuk masalah perpindahan panas dari fluida ke formasi seperti pada model di atas, fungsi waktu konduksi panas f(t) didekati oleh solusi grafik dan analitik Carslaw and Jaeger, yaitu untuk kasus panas yang hilang dari sumber berupa tabung pada fluks konstan, temperatur konstan, dan di bawah syarat batas radiasi. Perhatikan solusi grafik untuk fungsi konduksi panas f(t) berikut

6 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 15 Gambar 3.2: Konduksi Panas dalam Sistem Radial Tak Hingga [5]. Seperti terlihat pada Gambar 3.2 ketiga solusi tersebut akan konvergen ke garis yang sama, dengan waktu kekonvergenan biasanya satu minggu untuk banyak reservoir atau lebih. Waktu kekonvergenan di sini biasanya berkaitan dengan waktu injeksi. Persamaan fungsi waktu, f(t), untuk sumber dengan waktu injeksi yang lama adalah f(t) = ln r O(r 2 2 αt /4αt). Sedangkan untuk estimasi dari temperatur dengan waktu kekonvergenan kurang dari waktu di atas, f(t) didapat dari syarat batas radiasi terutama untuk nilai dari r 1 U/k. Sebagai contoh, untuk waktu yang kurang dari 1000 untuk waktu tak berdimensi (αt/r 2 2 = 1000), syarat batas radiasi dicari untuk menghasilkan nilai f(t) yang dapat diterima. Syarat batas dalam radiasi adalah ( ) T k = U 2 (T 1 T 2 ), (3.3.2) r r=r 2 dengan U 2 = r 1 U/r 2. Secara fisik persamaan di atas menyatakan bahwa aliran panas di daerah annular antara r 1 danr 2 dikontrol oleh konveksi untuk keadaan tunak dan bukan oleh konduksi. Berdasarkan solusi dari Carslaw and Jaeger fungsi waktu konduksi f(t) sepertinya

7 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 16 bergantung pada (r 1 U/k). Akan tetapi untuk nilai (r 1 U/k) mendekati tak hingga, solusi dari sumber berupa tabung dengan temperatur konstan direkomendasikan sebagai solusi untuk masalah model di atas jika ketahanan panas di dalam sumur bor diabaikan. Berikut adalah contoh perhitungan untuk injeksi air dengan fungsi waktu konduksi f(t) didekati oleh solusi Carslaw and Jaeger. Asumsikan data lapangan sebagai berikut: laju injeksi 4790 BWPD; temperatur air permukaan 58.5 o F; ukuran casing 7 in.-23 lb(6.366-in.id); casing shoe 6605 ft; no tubing; temperatur panas bumi 70 o o F/ft; koefisien film lokal dari perpindahan panas 222 Btu/hr-sq ft- o F dan periode injeksi kira-kira 75 hari. Persamaan koefisien panas keseluruhan untuk contoh perhitungan di atas adalah sebagai berikut 1/U =1/h + x c /k c. Hal ini dikarenakan hanya ketahanan panas dari lapisan air dan dinding casing yang terlibat, dan perbedaan daerah dalam dan luar dari dinding casing diabaikan. Konduktivitas besi sekitar 25 Btu/hr-ft- o F sehingga 1 U = ( in) 2(12in/ft)(25Btu/hr ft o F ), = , = , U = 180Btu/hr sqft o F, = 4320Btu/day sqft o F. Selanjutnya akan kita hitung fungsi waktu konduksi f(t) yang diestimasi dari solusi grafik Carslaw and Jaeger seperti berikut ini. Dengan periode injeksi sekitar 75 hari, maka

8 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 17 ( ) αt/r 2 2 = (0.04sqft/hr)(75days)(24hr/day) (3.5in/12in/ft) 2, = 845, ( ) log 10 αt/r 2 2 = dari solusi grafik yaitu pada Gambar 3.2, nilai yang bersesuaian dari log 10 f(t)adalah 0.58 sehingga kita peroleh f(t) =3.8. Kemudian dari persamaan A = Wc[k+r 1Uf(t)] 2πr 1 Uk diperoleh A = ft. Sekarang temperatur bisa dihitung untuk berbagai kedalaman seperti pada persamaan ( 3.1.1), misalkan untuk kedalaman 6000 ft T 1 (Z, t) = az + b aa +(T 0 + aa b) e Z/A = ( o F/ft)(6000ft)+70 o F ( o F/ft)(30400ft) + [58.5 o F +(0.0083)(30400) o F 70 o F ]e 6000ft/30400ft T 1 = 62.5 o F. Kemudian untuk model fisik, aliran panas dari semen atau formasi ke bumi bisa digambarkan oleh persamaan konduksi panas 2D. Persamaan ini menunjukkan temperatur formasi sebagai fungsi dari jari-jari r, kedalaman Z dan waktu t. Syarat batas yang dilihat adalah r r Dcem dan 0 Z 1. Laju panas yang hilang ke bumi bertanda negatif karena perubahan temperaturnya juga negatif sedangkan panas berpindah dari temperatur yang lebih panas ke temperatur yang dingin. Perlu diingat bahwa tubing, casing dan semen masing-masing mempunyai ketahanan panas sehingga panas yang dipindahkan akan mengalami hambatan yang pada akhirnya temperatur menjadi lebih dingin. Sehingga untuk r yang lebih besar bahkan menuju tak hingga, perubahan temperatur adalah konstan.

9 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN 18 Adapun solusi dari aliran panas ini adalah sebagai berikut ( (T f ) av T u + γ π ) = Q G (t 2 π 3 D,ξ), (3.3.3) k he dengan [1 ( 1) n ] 2 G (t D,ξ)= Λ(t n 2 D,n,L,ξ). (3.3.4) n=1 Adapun untuk pertambahan waktu yang cukup kecil didekati oleh Λ(t D,n,L,ξ)= erf [ (nξ) ] t D. nξ Lebih jauh dapat dituliskan menjadi (T f ) av ( T u + γ π ) = Q 2 π 3 k he [ [1 ( 1) n ] 2 ] erf (nξ) td. (3.3.5) n 2 nξ Solusi di atas dapat direpresentasikan seperti pada gambar () dan () n= xi Gambar 3.3: Solusi untuk nilai t yang berbeda atau dengan gambar 3D seperti di bawah ini

10 BAB 3. MODEL MATEMATIKA DAN PEMBAHASAN t 750 1,000 Gambar 3.4: Solusi untuk nilai ξ yang berbeda xi , t 250 Gambar 3.5: Solusi 3D