Teori Fisika dan Mekanika Batuan dalam Reservoir Geothermal

Setiap formasi batuan mempunyai karakteristik yang berbeda antara yang satu dengan yang lainnya. Karakteristik formasi batuan terbagi menjadi dua yaitu, sifat fisik batuan dan sifat mekanik batuan. Sifat fisis adalah  sifat yang dapat diukur dan diteliti tanpa mengubah komposisi atau susunan dari zat tersebut. Sementara itu, sifat mekanik dapat diartikan sebagai respon atau perilaku material terhadap pembebanan yang diberikan, dapat berupa gaya, torsi atau gabungan keduanya.  Parameter fisis dari suatu batuan dapat digunakan untuk mendelineasikan kondisi  batuan suatu reservoir. Sifat fisis ini nanti akan menentukan bagaimana perilaku penjalaran suatu gelombang didalam batuan. 

Sifat Fisis Batuan

Sifat fisis batuan antara lain:

a.  Densitas

Merupakan besarnya massa setiap satuan volume. Densitas batuan berpori adalah perbandingan antara massa terhadap volume rata-rata dari material. Densitas spesifik adalah perbandingan densitas batuan pada tekanan dan temperatur normal. Densitas batuan lapangan panasbumi umumnya sangat berpengaruh terhadap heat content yang dikandungnya dan terdapat hubungan yang berbanding lurus antara heat content dengan densitas batuan. Semakin besar densitas batuan semakin besar heat content yang dikandung oleh batuan. Densitas batuan pada lapangan panasbumi umumnya sangat besar dibanding daerah non-vulkanik.

b.  Permeabilitas

Permeabilitas adalah kemampuan batuan untuk mengalirkan fluida. Permeabilitas tergantung pada ukuran dan bentuk pori serta bentuk, ukuran dan luasan pori yang saling berhubungan (interconnections). Permeabilitas diukur dalam Darcies atau milli-Darcies dan direpresentasikan dengan simbol K.

c.  Porositas 

Porositas batuan (Φ) didefinisikan sebagai perbandingan volume pori (volume pori-pori yang ditempati fluida) terhadap volume total batuan. Dalam reservoir panasbumi dikenal dua macam porositas, yaitu porositas antar butir dan porositas rekahan. Pada umumnya reservoir panasbumi hanya memiliki porositas rekahan.

d.  Saturasi

Saturasi merupakan fraksi fluida yang menempati pori-pori batuan reservoir. Pada saat sistem mengandung fasa cair dan fasa uap dalam keadaan setimbang, maka kedua fasa tersebut akan terjenuhi. Dalam keadaan demikian sifat tekanan dan temperatur tidak dapat berdiri sendiri. Ketika tekanan dan temperatur ini diplotkan maka akan diperoleh suatu kurva saturasi, kurva itu akan berakhir pada titik-titik kritis karena densitas dari fasa uap dan fasa cair adalah sama dengan keadaan fluida dua fasa.

e.  Travel Time

Travel Time  batuan diartikan sebagai lamanya waktu yang dibutuhkan gelombang sonik untuk merambatnya gelombang suara pada batuan dalam tiap satu satuan jarak, dinyatakan dalam satuan m sec/ft.

Sifat Mekanik Batuan

Sifat mekanik batuan antara lain:

a.  Tegangan (Stress)

Tegangan (τ) merupakan besarnya gaya yang dialami suatu luasan batuan. Apabila gaya yang bekerja tegak lurus terhadap permukaan, maka stress yang demikian dikatakan tegangan normal (normal stress). Sedangkan gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan dikatakan sebagai tegangan geser (shear stress). Persamaan tegangan adalah:

..................................................................................................................(2.1)

Dimana F adalah gaya dan A adalah luas bidang.

Gambar sengaja dihilangkan

Tegangan (Telford, dkk., 1990)

b. Regangan (Strain)

Regangan  (е)  merupakan besarnya deformasi  dibandingkan dengan kondisi awalnya.

Persamaan regangan adalah:

...............................................................................................................(2.2) 

Gambar sengaja dihilangkan

Regangan (Telford, dkk., 1990)

c. Modulus elastik

Hukum Hooke menyatakan bahwa terdapat hubungan linear antara  stress dan strain pada batuan (antara gaya yang diterapkan dan besarnya deformasi).

....................................................................................................................(2.3)

  

Tegangan (τ) dan regangan (e) merupakan besaran tensor, sedangkan C adalah konstanta yang berupa matriks tensor yang menentukan sifat dasar elastisitas dari suatu batuan. Pada material isotropik, koefisien-koefisien matriks C tersebut direduksi menjadi dua macam parameter elastik bebas yangmencirikan sifat elastisitas batuan. Beberapa kombinasi dari beberapa parameter bebas ini disebut modulus elastik yang terdiri dari:

-  Modulus Young (E)

Modulus Young didefinisikan sebagai perubahan panjang  peregangan  (longitudinal strain) dari sebuah material ketika tegangan  longitudinal tersebut mengenai material tersebut. Persamaan modulus Young dinyatakan dalam,

..................................................................................................................(2.4)

Dimana σl  adalah tegangan  longitudinal, E adalah Modulus Young, ΔL/L adalah perubahan panjang relatif, seperti yang diperlihatkan.

Gambar sengaja dihilangkan

Modulus Young (Canning, 2000)

-  Modulus Geser (µ)

Modulus geser adalah modulus elastik yang menghubungkan  tegangan geser  dengan regangan geser. Persamaannya dinyatakan oleh:

................................................................................................................(2.5) 

Dimana σ_s  adalah  tegangan geser, µ adalah modulus geser, ΔY  adalah pergeseran yang terjadi, X adalah jarak antara permukaan, seperti ilustrasi.

Gambar sengaja dihilangkan

Modulus geser (Canning, 2000)

-  Modulus Bulk (K)

Modulus Bulk adalah modulus elastik yang mengukur resistensi suatu material terhadap stress volumetrik (suatu gaya yang bekerja secara seragam ke segala arah / tekanan hidrostatik). Persamaannya dinyatakan dengan,

..................................................................................................................(2.6)

Dimana P adalah tekanan hidrostatik, K adalah modulus Bulk, ΔV adalah perubahan volume, V adalah jarak antara permukaan, seperti ilustrasi Gambar 2.8.

Gambar sengaja dihilangkan

Modulus Bulk (Canning, 2000)

-  Rasio poisson

Rasio poisson  adalah ukuran perubahan bentuk geometri yaitu perbandingan antara perubahan bentuk akibat kontraksi  lateral (disebabkan gelombang transversal) dengan peregangan axial (disebabkan oleh gelombang longitudinal)  yang disebabkan karena tekanan tertentu. 

Bayangkan sebuah sampel batuan yang berbentuk selinder dengan panjang L dan diameter  R. Sampel tersebut ditekan dengan gaya berkekuatan F. Karena tekanan tersebut maka panjang sample akan memendek dan jari-jarinya akan melebar. Jika perubahan panjangnya adalah

ΔL dan perubahan diameter adalah ΔD, maka besaran Rasio poisson adalah

......................................................................................................................(2.7) 

Gambar sengaja dihilangkan

Rasio poisson (dimodifikasi dari Telford, dkk., 1990)

Baca juga

sistem geothermal

Geothermal Energy Eksplorasi dan Pengawasan Reservoirnya : Poisson Ratio, Passive Seismic Tomography Methods

Eksplorasi Geothermal dengan Geofisika

Teori Fisika dan Mekanika Batuan dalam Reservoir Geothermal
Metode Seismik dalam Reservoir Geothermal
Penentuan Rasio poisson dan Tomography Seismik