triaksial new
TRANSCRIPT
JTM Vol. XVI No. 3/2009
183
DESIGN LAB APPARATUS: SINGLE STAGE COMPRESSIVE TEST
(SST) PADA TEKANAN DAN TEMPERATUR TINGGI
Ecep Muhammad Mujib1, Taufan Marhaendrajana
1
Sari Single Stage Compressive Test merupakan alat uji tekan untuk mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan
memodelkan batuan reservoir tersebut kedalam kondisi laboratorium. Hasil pengukuran pada kondisi permukaan pada
umumnya memiliki hasil yang berbeda dengan kondisi sebenarnya pada kondisi reservoir, oleh karena itu, prinsip kerja dari
alat ini mempertimbangkan principal stress yang bekerja pada batuan reservoir dan memodelkan kondisi reservoir lebih
detil seperti kondisi temperatur yang tinggi, adanya tekanan pori dan pengaruh keberadaan fluida didalam batuan reservoir
tersebut. Model laboratorium seperti itu akan memberikan gambaran besarnya pengaruh stress, baik stress maksimum atau
stress minimum yang bekerja pada batuan reservoir dan pengaruh temperatur serta keberadaan fluida terhadap sifat
kekuatan batuan reservoir. SST di design dengan mempertimbangkan kondisi reservoir yang ada di Indonesia, secara umum
dideskripsikan dengan besar takanan axial (tekanan overbourden) maksimum mencapai 4000 psia dan tekanan radial yang
dapat berperan sebagai confining pressure (tekanan pori) mencapai 1500 psia serta temperature maksimum mencapai 400 oF. Pada paper ini akan dijelaskan secara rinci tentang design alat SST dan melaporkan hasil uji tekan core sintetik dengan
menggunakan alat ini.
Abstract
Single Stage Test compressive test is a tool for studying the strength properties of reservoir rock, reservoir rock is modeled
into the laboratory conditions. Results of measurement on the surface conditions in general have different results with the
actual conditions at the reservoir conditions, therefore, the working principle of the tool is considered the principal stress
acting on the reservoir rock and reservoir modeling the detailed conditions such as high temperature conditions, the pore
pressure and the effects of the presence of fluid in the reservoir rock. Such a laboratory model will give you a level of
influence of stress, both the maximum stress or minimum stress acting on the reservoir rock and the influence of temperature
and presence of fluid to the reservoir rock strength properties. SST in design by considering the existing reservoir conditions
in Indonesia, generally described by a large axial takanan (overbourden pressure) reaches a maximum radial pressure of
4000 psia and that can act as confining pressure (pore pressure) reaches a maximum of 1500 psia and temperatures reach
400 oF. This paper will explain in detail about the design tools report the results of SST and compression testing using a
synthetic core of this tool.
1) Program Studi Teknik Perminyakan, Institut Teknologi Bandung.
Email: [email protected]
I. PENDAHULUAN
Triaxial dan uniaxial test merupakan metode yang
sering digunakan untuk mempelajari karakteristik
kekuatan batuan reservoir. Perbedaan dari kedua
metode tersebut ialah kehadiran confining pressure
yang bekerja pada specimen. Jika pada specimen
tersebut tidak ada confining pressure yang bekerja
disebut dengan uniaxial test, sedangkan pada
triaxial test memperhitungkan kehadiran confining
pressure yang bekerja terhadap specimen.
Specimen yang sering digunakan pada uniaxial dan
triaxial test dapat dilihat pada Gambar (1). Pada
gambar tersebut terlihat bahwa ketika stress radial
(σ3) tidak sama dengan nol dikategorikan sebagai
sistem triaxial test, sedangkan sistem uniaxial test,
stress radial (σ3) berharga nol.
Berdasarkan perlakuan terhadap specimen selama
pengujian, triaxial test dibedakan menjadi dua
macam, yaitu Single Stage Triaxial Compressive
Test (SST) dan Multistage Triaxial Compressive
test (MST). SST memerlukan cukup banyak
specimen, karena setiap specimen dalam tahap
pengujian
digunakan hanya untuk pengambilan satu data
failure akibat beban axial (σ1) pada tekanan radaial
(σ3) tertentu saja, sehingga minimal specimen yang
diperlukan sebanyak tiga buah, dan idealnya empat
atau lima buah. Berbeda dengan MST, satu
specimen dapat digunakan untuk memperoleh
beberapa data failure akibat beban axial (σ1) pada
beberapa harga tekanan radialnya (σ3). Untuk lebih
jelas perbedaan dari SST dan MST dapat dilihat
pada Gambar 2 sampai Gambar 5.
Data hasil pengukuran dari SST dan MST sama-
sama menggambarkan karakteristik batuan baik
parameter kekuatannya ataupun properties statik
elastisitasnya. Berdasarkan rule of thumb, akurasi
data yang diperoleh dari SST lebih baik
dibandingkan dengan MST.
Hasil pengukuran kekuatan batuan dilaboratorium
tergantung dari model yang digunakan, seringkali
hasil pengukuran pada kondisi standar
dipermukaan berbeda dengan kondisi yang
sebenarnya direservoir. Oleh karena itu, untuk
mendekati kondisi sebenarnya direservoir,
pertimbangan aspek tekanan dan temperature
dilaboartorium sangat membantu tercapainya
kondisi tersebut. Berdasarkan data reservoir di
Indonesia yang berada pada kedalaman beberapa
ribu feet, maka model yang didesign
dilaboratorium disarankan agar memiliki
spesifikasi sebagai berikut :
Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana
184
- Temperatur makasimum 400 oF
- Beban axial maksimum 3500 psia dan tekanan
radial maksimum 1500 psia
- Fluida yang digunakan berupa air formasi, oil
atau gas
Dengan model laboratorium tersebut, maka dari
data pengukuran yang diperoleh dapat dievaluasi
efek tekanan radial (confining pressure) dan
temperature tertentu terhadap rock strength
properties.
II. DESKRIPSI SINGLE STAGE TRIAXIAL
COMPRESSIVE TEST PADA TEKANAN
DAN TEMPERATUR TINGGI
2.1 Tujuan Sistem uji Triaxial telah dikembangkan untuk
mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan
mengukur secara langsung dilaboratorium terhadap
parameter kekutan batuan tersebut. Pada sistem uji
triaxial konvensional, specimen mendapatkan
beban dari arah axial (maksimum principal
dan arah radial (minimum principal stress)
sedangkan intermediate principal stress dianggap
sama dengan minimum principal stress.
Temperatur yang bekerja pada alat tersebut
biasanya disesuaikan dengan kondisi standar
permukaan. Jika ditinjau kembali specimen batuan
reservoir yang diambil dari kedalaman tertentu
yang memiliki kondisi temperatur yang berbeda
dengan kondisi permukaan, menyebabkan hasil
pengukuran dipermukaan berbeda dengan kondisi
reservoir sebenarnya. Oleh karena itu, pada alat
Single Stage Triaxial Compressive Test yang kami
kembangkan memperhitungkan efek temperature,
sehingga model laboratorium akan mendekati
kondisi reservoir sebenarnya. Model seperti ini
dapat menghilangkan setidaknya asumsi yang
sebelumnya dianggap tidak mempang
terhadap sifat kekuatan batuan reservoir yaitu
akibat perubahan temperature. Model seperti ini,
tidak hanya digunakan untuk mempelajari sifat
kekuatan batuan yang dipengaruhi oleh masing
masing stress radial dan perubahan temperatur,
akan tetapi dapat sekaligus mempelajari pengaruh
secara kombinasi dari stress radial dan temperatur.
2.2 Konsep Dasar
Single Stage Triaxial Compressive Test dirangkai
untuk mensimulasikan lingkungan reservoir ke
skala laboratorium, untuk mendapatkan model
laboratorium seperti itu ada beberapa konsep yang
diterapkan dalam merangkainya, yaitu :
Gradien Tekanan dan Temperatur
Specimen batuan reservoir yang diambil pada
kedalaman tertentu, menjadi salah satu
pertimbangan dalam merangkai alat SST ini.
Berdasarkan asal keberadaan batuan reservoir pada
kedalaman tertentu setidaknya ada dua parameter
Taufan Marhaendrajana
Beban axial maksimum 3500 psia dan tekanan
Fluida yang digunakan berupa air formasi, oil
Dengan model laboratorium tersebut, maka dari
yang diperoleh dapat dievaluasi
efek tekanan radial (confining pressure) dan
temperature tertentu terhadap rock strength
DESKRIPSI SINGLE STAGE TRIAXIAL
COMPRESSIVE TEST PADA TEKANAN
dikembangkan untuk
mempelajari sifat kekuatan batuan reservoir dengan
mengukur secara langsung dilaboratorium terhadap
parameter kekutan batuan tersebut. Pada sistem uji
triaxial konvensional, specimen mendapatkan
beban dari arah axial (maksimum principal stress)
dan arah radial (minimum principal stress)
sedangkan intermediate principal stress dianggap
sama dengan minimum principal stress.
Temperatur yang bekerja pada alat tersebut
biasanya disesuaikan dengan kondisi standar
li specimen batuan
reservoir yang diambil dari kedalaman tertentu
yang memiliki kondisi temperatur yang berbeda
dengan kondisi permukaan, menyebabkan hasil
pengukuran dipermukaan berbeda dengan kondisi
reservoir sebenarnya. Oleh karena itu, pada alat
e Stage Triaxial Compressive Test yang kami
kembangkan memperhitungkan efek temperature,
sehingga model laboratorium akan mendekati
kondisi reservoir sebenarnya. Model seperti ini
dapat menghilangkan setidaknya asumsi yang
sebelumnya dianggap tidak mempangaruhi
terhadap sifat kekuatan batuan reservoir yaitu
akibat perubahan temperature. Model seperti ini,
tidak hanya digunakan untuk mempelajari sifat
kekuatan batuan yang dipengaruhi oleh masing-
masing stress radial dan perubahan temperatur,
t sekaligus mempelajari pengaruh
secara kombinasi dari stress radial dan temperatur.
Single Stage Triaxial Compressive Test dirangkai
untuk mensimulasikan lingkungan reservoir ke
skala laboratorium, untuk mendapatkan model
i itu ada beberapa konsep yang
diterapkan dalam merangkainya, yaitu :
Specimen batuan reservoir yang diambil pada
kedalaman tertentu, menjadi salah satu
pertimbangan dalam merangkai alat SST ini.
n batuan reservoir pada
kedalaman tertentu setidaknya ada dua parameter
yang harus dipertimbangkan, yaitu tekanan dan
temperatur. Kedua parameter tersebut merupakan
fungsi dari kedalaman, semakin dalam posisi
batuan reservoir, temperatur dan tekanan
lingkungan reservoirnya akan semakin meningkat.
Hubungan seperti ini biasa dikenal dengan gradien
tekanan dan temperatur. Pengetahuan menganai
gradien tekanan dan temperatur sangat berguna
untuk mengetahui kondisi lingkungan reservoir
yang akan dimodelkan dalam skala laboratorium,
tetapi yang menjadi pilihan utama untuk
mengetahui secara pasti kondisi lingkungan
reservoir yang sebenarnya adalah dengan
mengukur secara langsung parameter lingkungan
reservoir tersebut. Konsep gradien ini digunakan
apabila ada keterbatasan dalam pengambilan data
lingkunga reservoir secara langsung. Kelemahan
dari konsep gradien ini ialah menganggap kondisi
batuan dibawah permukaan dalam kondisi normal
untuk setiap kedalaman, sedangkan dalam
kenyataannya dapat dimungkinkan akan bertemu
dengan lapisan batuan yang abnormal. Meskipun
mempunyai kelemahan seperti itu, konsep gradien
sangat berguna untuk mendekati kondisi
lingkungan yang sebenarnya dibandingkan hanya
dengan menganggap sama dengan kondisi
dipermukaan.
Properties Statik Elastisitas Batuan
1992)
Stress merupakan besarnya gaya yang bekerja pada
suatu luas bidang tertentu. Ketika suatu benda
diberikan gaya atau beban, maka benda tersebut
akan mengalami perubahan secara fisik, perubahan
tersebut tergantung terhadap modulus elastik dari
benda tersebut. Apabila beban yang diebrikan
melebihan batas elstisitasnya maka benda tersebut
akan mengalami failure. Modulus elastik statik
terdiri dari Young’s Modulus dan Poisson Ratio.
Young’s Modulus merupakan perabandingan
besarnya beban yang diberikan terhadap perubahan
bentuk dari benda tersebut (strain). Sedangkan
Poisson Ratio merupakan perbandingan strain yang
terjadi secara lateral terhadap strain axialnya.
Gambar 6 dapat membantu dalam memahami
hubungan antara parameter modulus elastik statik
yang satu dengan yang lainnya, secara matematis
parameter-parameter tersebut ialah:
- Stress
- Strain
dan
Strain volume untuk silindris :
yang harus dipertimbangkan, yaitu tekanan dan
temperatur. Kedua parameter tersebut merupakan
fungsi dari kedalaman, semakin dalam posisi
batuan reservoir, temperatur dan tekanan
ngan reservoirnya akan semakin meningkat.
Hubungan seperti ini biasa dikenal dengan gradien
tekanan dan temperatur. Pengetahuan menganai
gradien tekanan dan temperatur sangat berguna
untuk mengetahui kondisi lingkungan reservoir
skala laboratorium,
tetapi yang menjadi pilihan utama untuk
mengetahui secara pasti kondisi lingkungan
reservoir yang sebenarnya adalah dengan
mengukur secara langsung parameter lingkungan
reservoir tersebut. Konsep gradien ini digunakan
atasan dalam pengambilan data
lingkunga reservoir secara langsung. Kelemahan
dari konsep gradien ini ialah menganggap kondisi
batuan dibawah permukaan dalam kondisi normal
untuk setiap kedalaman, sedangkan dalam
kenyataannya dapat dimungkinkan akan bertemu
dengan lapisan batuan yang abnormal. Meskipun
mempunyai kelemahan seperti itu, konsep gradien
sangat berguna untuk mendekati kondisi
lingkungan yang sebenarnya dibandingkan hanya
dengan menganggap sama dengan kondisi
sitas Batuan (Fjaer et al.
Stress merupakan besarnya gaya yang bekerja pada
suatu luas bidang tertentu. Ketika suatu benda
diberikan gaya atau beban, maka benda tersebut
akan mengalami perubahan secara fisik, perubahan
dulus elastik dari
benda tersebut. Apabila beban yang diebrikan
melebihan batas elstisitasnya maka benda tersebut
akan mengalami failure. Modulus elastik statik
terdiri dari Young’s Modulus dan Poisson Ratio.
Young’s Modulus merupakan perabandingan
a beban yang diberikan terhadap perubahan
bentuk dari benda tersebut (strain). Sedangkan
Poisson Ratio merupakan perbandingan strain yang
terjadi secara lateral terhadap strain axialnya.
dapat membantu dalam memahami
ulus elastik statik
yang satu dengan yang lainnya, secara matematis
:
(1)
(2)
- Young’s Modulus
- Poisson Ratio
Tanda negatif pada poisson ratio,
harga strain radial bernilai negatif (dt<do).
Failure criterion (Mohr-Coloumb)
(Fjaer et al.
1992)
Shear failure dapat terjadi ketika shear stress yang
bekerja pada suatu bidang terlalu besar. Shear
failure dapat didefinisikan:
Dimana σ, stress normal dan τ, shear stress yang
bekerja disepanjang bidang. Hubungan stress
normal dan shear stress dari persamaan
dapat dideskripsikan pada lingkaran Mohr.
Lingakran Mohr yang dibentuk dari kedua
parameter tersebut memberikan informasi
mengenai batas daerah failure. Gambar
menjelaskan hubungan τ vs σ. Informasi yang
diperoleh dari gambar tersebut salah satunya ialah
semakin besar stress normal minimum (
stress normal maksimumnya pun akan semakin
besar, lingkaran yang dibentuk dari kedua stress
tersebut merupakan batas daerah failure, sedangkan
stress normal medium tidak mempengaruhi
terhadap batas terjadinya failure. Hal ini sesuai
dengan hipotesis dari Mohr, yaitu:
failure hanya tergantung pada stress normal
maksimum dan stress normal minimumdan tidak
tergantung terhadap stress normal medium
Ahmed. S).
Dengan memilih bentuk sederhana dari fungsi f
yang diasumsikan linear dengan terhadap Mohr
Coloumb Criterion, maka dapat didefinisikan
bahwa :
Dimana So merupakan inherent shear strength
atau cohesion dari suatu material dan µ sebagai
coefficient of internal friction. Pada
dapat didefinisikan internal friction angle
sebagai fungsi dari coefficient of internal friction
yaitu:
Sedangkan 2β merupakan sudut yang dibentuk dari
lingkaran Mohr dengan failure line. Besarnya shear
stress dan stress normal pada titik tersebut sebagai
point of failure dapat didefinisikan oleh persamaan:
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
(3)
(4)
dikarenakan
harga strain radial bernilai negatif (dt<do).
(Fjaer et al.
Shear failure dapat terjadi ketika shear stress yang
bekerja pada suatu bidang terlalu besar. Shear
(5)
, shear stress yang
bekerja disepanjang bidang. Hubungan stress
an shear stress dari persamaan (5) diatas
dapat dideskripsikan pada lingkaran Mohr.
Lingakran Mohr yang dibentuk dari kedua
parameter tersebut memberikan informasi
mengenai batas daerah failure. Gambar 7
. Informasi yang
diperoleh dari gambar tersebut salah satunya ialah
semakin besar stress normal minimum (σ3) maka
stress normal maksimumnya pun akan semakin
ari kedua stress
tersebut merupakan batas daerah failure, sedangkan
stress normal medium tidak mempengaruhi
terhadap batas terjadinya failure. Hal ini sesuai
dengan hipotesis dari Mohr, yaitu: pure shear
failure hanya tergantung pada stress normal
dan stress normal minimumdan tidak
tergantung terhadap stress normal medium
(
Dengan memilih bentuk sederhana dari fungsi f
yang diasumsikan linear dengan terhadap Mohr
Coloumb Criterion, maka dapat didefinisikan
(6)
inherent shear strength
dari suatu material dan µ sebagai
Pada Gambar 8
internal friction angle Φ
coefficient of internal friction
(7)
merupakan sudut yang dibentuk dari
Besarnya shear
stress dan stress normal pada titik tersebut sebagai
dapat didefinisikan oleh persamaan:
(8)
dengan mensubtitusikan persamaa
kedalam persamaan [6], diperoleh hubungan
dengan σ3, yaitu:
Bila persamaan diatas disederhanakan akan
diperoleh:
Hubungan σ1 dengan σ3 diperlihatkan pada
Gambar (9). pada gambar tersebut harga
sama dengan Φ, akan tetapi α dan
hubungan sebagai berikut:
Ketika stress normal minimum (σ3) berharga nol,
kondisi tersebut biasa disebut dengan
Compressive Strength (UCS), nilainya dapat
ditentukan secara langsung pada pengukuran
uniaxial test, atau secara tidak langsung dengan
triaxial test. Alat SST yang didesign dapat
digunakan untuk mengukur UCS baik secara
langsung ataupun tidak langsung dengan mengatur
harga stress normal minimumnya (σ
langsung harga UCS dapat diperoleh dengan
menggunakan persamaan (9) yang diturunkan dari
persamaan (11):
Sedangkan ketika harga stress normal maksimum
(σ1) berharga sama dengan nol, maka harga
merupakan Tensile Strength dari ma
Dari persamaan (10) dan (8), besarnya harga
Tensile Strength dapat didefinisikan sebagai
berikut:
2.3 Konfigurasi Triaxial Cell Triaxial cell pada SST didesign dengan
menggunakan material baja yang mempunyai
ketahanan akibat besarnya beban axial dan radial
serta tingginya temperatur dan keberada
yang memungkinkan terjadinya korosi (terutama
air formasi) pada rangkaian cell tersebut.
bekerja pada tekanan dan temperature tinggi
menjadikan pertimbangan dari ketiga parameter
tersebut sangat diprioritaskan agar terjamin
keamanan selama dilakukan pengujian. Secara
lengkap konfigurasi SST dapat dilihat pada
Gambar 10 dan 11. Gambar tersebut
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
185
(9)
(10)
dengan mensubtitusikan persamaan [8] dan [9]
kedalam persamaan [6], diperoleh hubungan σ1
Bila persamaan diatas disederhanakan akan
(11)
3 diperlihatkan pada
. pada gambar tersebut harga α tidak
dan Φ mempunyai
(12)
Ketika stress normal minimum (σ3) berharga nol,
kondisi tersebut biasa disebut dengan Unconfined
(UCS), nilainya dapat
ditentukan secara langsung pada pengukuran
cara tidak langsung dengan
triaxial test. Alat SST yang didesign dapat
digunakan untuk mengukur UCS baik secara
langsung ataupun tidak langsung dengan mengatur
harga stress normal minimumnya (σ3). Secara tidak
langsung harga UCS dapat diperoleh dengan
yang diturunkan dari
(13)
Sedangkan ketika harga stress normal maksimum
1) berharga sama dengan nol, maka harga σ3
dari material tersebut.
, besarnya harga
dapat didefinisikan sebagai
(14)
Triaxial cell pada SST didesign dengan
menggunakan material baja yang mempunyai
ketahanan akibat besarnya beban axial dan radial
serta tingginya temperatur dan keberadaan fluida
yang memungkinkan terjadinya korosi (terutama
) pada rangkaian cell tersebut. SST yang
bekerja pada tekanan dan temperature tinggi
menjadikan pertimbangan dari ketiga parameter
tersebut sangat diprioritaskan agar terjamin
ma dilakukan pengujian. Secara
lengkap konfigurasi SST dapat dilihat pada
ambar tersebut
Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana
186
memperlihatkan sistem pengujian specimen dengan
memberikan beban dari arah axial dan radial yang
dihasilkan oleh sistem hidrolik, serta
mensimulasikan kondisi lingkungan reservoir
dengan adanya fluida formasi yang diberikan
temperatur tinggi melalui heating electric yang
dipasang pada baja penghantar panas dibagian
dalam cell. Sedangkan bagian baja yang dibagian
luar (jacket material) berperan dalam m
baja silindris didalamnya agar tidak terjadi
kecelakaan akibat besarnya tekanan dan temperatur
yang bekerja dalam cell tersebut. Sistem hidrolik
yang digunakan pada SST ini dapat menghasilkan
beban axial maksimum sebesar 10 Ton dan tekanan
radialnya 1500 psia. Sedangkan heating electric
didesign agar dapat memanaskan fluida didalam
cell sampai temperature maksimum 482
2.4 Temperatur Kontrol
Temperatur pada cell triaxial dikontrol dengan
menggunakan heating electric, panas yang dapat
dihasilkannya dapat mencapai
maksimum 482oF. Panas yang dihasilkan dari
heting electric dihantarkan oleh jacket heating agar
dapat memanaskan fluida formasi (air formasi),
panas pada fluida inilah yang kemudian akan
memanasi specimen agar sesuai dengan temperatur
lingkungan reservoir. Temperatur indicator
dipasang untuk mengukur temperatur fluida dalam
cell dan membantu mengontrol temperatur agar
tercapai temperatur yang diinginkan selama
pengukuran. Sistem dan bentuk nyata dari
pengontrol temperatur pada SST dapa dilihat pada
Gambar 12 sampai 14.
Agar kondisi temperatur didalam cell terjaga
konstan, maka diantara jacket material dan heating
jacket dilengkapi dengan gas bull
menghambat hantaran panas kelingkungan sekitar.
2.5 Stress Axial Kontrol Beban yang diterima specimen pada arah axial
dikontrol oleh sistem hidrolik yang dapat
menghasilkan beban maksimal 10 ton. Beban yang
berasal dari hidrolik tersebut diteruskan oleh
actuator (material baja) menuju specimen. Gambar
15 memperlihatkan sistem pembebanan arah axial
terhadap specimen. Selama pengukuran
berlangsung piston actuator akan selalu bergerak
dan bagian tersebut menghubungkan lang
kondisi permukaan dengan fluida didalam cell yang
betekanan dan temperature tinggi, kondisi ini akan
memicu kebocoran fluida melalui ruang diantara
piston actuator dengan jacket material, oleh karena
itu ruang tersebut dilengkapai dengan bahan sejenis
asbes (len packing) yang tahan terhadap tekanan
dan temperature tinggi. Kehadirann bahan tersebut
mengakibatkan adanya hambatan ketika dilakukan
pembebanan, sehingga sebelum dilakukan
Taufan Marhaendrajana
memperlihatkan sistem pengujian specimen dengan
memberikan beban dari arah axial dan radial yang
dihasilkan oleh sistem hidrolik, serta
an kondisi lingkungan reservoir
dengan adanya fluida formasi yang diberikan
temperatur tinggi melalui heating electric yang
dipasang pada baja penghantar panas dibagian
dalam cell. Sedangkan bagian baja yang dibagian
luar (jacket material) berperan dalam menyokong
baja silindris didalamnya agar tidak terjadi
kecelakaan akibat besarnya tekanan dan temperatur
yang bekerja dalam cell tersebut. Sistem hidrolik
yang digunakan pada SST ini dapat menghasilkan
beban axial maksimum sebesar 10 Ton dan tekanan
ya 1500 psia. Sedangkan heating electric
didesign agar dapat memanaskan fluida didalam
sampai temperature maksimum 482oF.
Temperatur pada cell triaxial dikontrol dengan
menggunakan heating electric, panas yang dapat
dihasilkannya dapat mencapai temperatur
F. Panas yang dihasilkan dari
heting electric dihantarkan oleh jacket heating agar
rmasi (air formasi),
panas pada fluida inilah yang kemudian akan
memanasi specimen agar sesuai dengan temperatur
Temperatur indicator
dipasang untuk mengukur temperatur fluida dalam
cell dan membantu mengontrol temperatur agar
i temperatur yang diinginkan selama
pengukuran. Sistem dan bentuk nyata dari
ST dapa dilihat pada
Agar kondisi temperatur didalam cell terjaga
konstan, maka diantara jacket material dan heating
yang dapat
menghambat hantaran panas kelingkungan sekitar.
Beban yang diterima specimen pada arah axial
dikontrol oleh sistem hidrolik yang dapat
menghasilkan beban maksimal 10 ton. Beban yang
lik tersebut diteruskan oleh piston
baja) menuju specimen. Gambar
memperlihatkan sistem pembebanan arah axial
terhadap specimen. Selama pengukuran
berlangsung piston actuator akan selalu bergerak
dan bagian tersebut menghubungkan langsung
kondisi permukaan dengan fluida didalam cell yang
betekanan dan temperature tinggi, kondisi ini akan
memicu kebocoran fluida melalui ruang diantara
piston actuator dengan jacket material, oleh karena
itu ruang tersebut dilengkapai dengan bahan sejenis
yang tahan terhadap tekanan
dan temperature tinggi. Kehadirann bahan tersebut
mengakibatkan adanya hambatan ketika dilakukan
pembebanan, sehingga sebelum dilakukan
pengukuran harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk
mengetahui besarnya beban hambatan.
Karena satuan dari beban axial masih dalam satuan
metrik-ton, maka untuk mengkonversi kedalam
satuan tekanan membutuhkan data luas lingkaran
specimen yang dibebani. Karena dudukan
specimen pada SST tersedia untuk tiga ukuran
diameter maka, untuk menentukan tekanannya
dapat digunakan persamaan berikut:
� Diameter specimen : 1 in
Dimana m dalam Kg. karena,
Maka
Atau jika m dalam ton,
� Diameter specimen : 1.5 in
Dengan cara yang sama seperti pada specimen
berukuran 1 in, diperoleh :
� Diameter specimen : 2 in
2.6 Stress Radial Kontrol
Sistem kontrol pada stress radial menggunakan
sistem hdirolik yang sama halnya pada hidrolik
stress axial, yang membedakannya ialah media
yang digunakan untuk meneruskan beban yang
dihasilakan hidrolik menuju specimen. Pada
hidrolik stress axial yang berpe
medianya adalah piston actuator (material baja)
sedangkan pada stress radial menggunakan media
fluida formasi (air formasi). Hidrolik stress radial
dapat menghasilkan tekanan maksimum sebesar
1500 psia. Selain sebagai pemberi tekanan pada
arah radial, tekanan yang dihasilkan oleh hidrolik
ini dapat berperan sekaligus sebagai tekanan pori,
karena pada SST ini mengasumsikan specimen
dalam keadaan undrained. System hidrolik
penghasil stress radial dapat dilihat pada Gambar
17.
2.7 Komponen Pelengkap Komponen pelengkap Single Stage Compressive
Test salah satunya ialah tempat berdirinya
specimen didalam cell. Apabila tidak ada
komponen tersebut, kedudukan specimen didalam
cell tidak stabil, dikhawatirkan
berada ditengah-tengah atau tida
berdiri sebagai pengaruh masukannya fluida
kedalam cell untuk memberikan stress radial.
Tempat menyimpan specimen tersebut didesign
dengan bentuk profil tertentu sehingga dapat
dipasang-cabut untuk mempermudah pemasangan
specimen. Bentuk profil tersebut dapat dilihat pada
pengukuran harus dikalibrasi terlebih dahulu untuk
beban hambatan.
Karena satuan dari beban axial masih dalam satuan
ton, maka untuk mengkonversi kedalam
satuan tekanan membutuhkan data luas lingkaran
specimen yang dibebani. Karena dudukan
specimen pada SST tersedia untuk tiga ukuran
untuk menentukan tekanannya
dapat digunakan persamaan berikut:
(15)
Dengan cara yang sama seperti pada specimen
(16)
(17)
Sistem kontrol pada stress radial menggunakan
sistem hdirolik yang sama halnya pada hidrolik
stress axial, yang membedakannya ialah media
yang digunakan untuk meneruskan beban yang
dihasilakan hidrolik menuju specimen. Pada
hidrolik stress axial yang berperan sebagai
medianya adalah piston actuator (material baja)
sedangkan pada stress radial menggunakan media
fluida formasi (air formasi). Hidrolik stress radial
dapat menghasilkan tekanan maksimum sebesar
1500 psia. Selain sebagai pemberi tekanan pada
radial, tekanan yang dihasilkan oleh hidrolik
ini dapat berperan sekaligus sebagai tekanan pori,
karena pada SST ini mengasumsikan specimen
dalam keadaan undrained. System hidrolik
dapat dilihat pada Gambar
Komponen pelengkap Single Stage Compressive
Test salah satunya ialah tempat berdirinya
specimen didalam cell. Apabila tidak ada
komponen tersebut, kedudukan specimen didalam
ell tidak stabil, dikhawatirkan posisinya tidak
tengah atau tidak pada posisi
berdiri sebagai pengaruh masukannya fluida
kedalam cell untuk memberikan stress radial.
Tempat menyimpan specimen tersebut didesign
dengan bentuk profil tertentu sehingga dapat
cabut untuk mempermudah pemasangan
dapat dilihat pada
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
187
Gambar 19 dan 20. Dudukan specimen tersedia
untuk ukuran diameter 1 in, 1,5 in dan 2 in.
2.8 Prosedur Pengukuran
2.8.1 Persiapan Specimen
Sample core atau specimen yang akan di ukur
kekuatan batuannya di ukur terlebih dulu panjang
dan diameternya (H/D:2/1) dan sesuai dengan
dudukan specimen yang tersedia. Specimen yang
sudah diukur selanjutnya dipanaskan (dioven)
sehingga diperoleh berat keringnya. Hal ini
dilakukan agar selama penjenuhan dengan fluida
yang diinginkan benar-benar tersaturasi 100% oleh
fluida tersebut. Setelah diperoleh specimen yang
sudah tersaturasi langkah selanjutnya ialah
persiapan alat SST.
2.8.2 Persiapan Alat SST Pada tahapan ini sangat dituntut ketelitian dan
kehati-hatian, karena pengukuran kekuatan batuan
dengan SST bekerja pada tekanan dan temperatur
tinggi, oleh karena itu setiap komponen pada alat
SST harus terpasang pada posisi yang tepat, apabila
tidak teliti terhadap setiap komponen
dimungkinkan terjadi kebocoran, dan pengukuran
harus diulang dari awal. Komponen SST yang
harus diperiksa sebelum dilakukan pengkuran
diantaranya :
1. Hidrolik : hdirolik axial dan hidrolik stress
radial harus pada posisi terkunci
2. Heating electric : semua rangkain dari heating
electric harus sudah terpasang dan
menggunakan tegangan listrik 220 volt.
3. Periksa komponen cell mulai dari tutup cell,
dudukan specimen, dan valve serta pastikan
sudah pada posisi masing-masing.
2.8.3 Pengujian specimen Apabila specimen dan alat SST sudah siap
digunakan, maka pengujian kekuatan batuan dari
specimen tersebut dapat dimulai. Langkah-langkah
yang harus diperhatikan selama pengujian
specimen tersebut diantaranya :
1. Letakan specimen tepat pada dudukan specimen
didalam cell
1. Isi cell dengan fluida yang diinginkan
(misalnya fresh water), apabila cell hampir
penuh, pengisian fluida selanjutnya melalui
tabung hidrolik stress radial setelah dipastikan
bahwa tutup cell terpasang dengan rapat.
2. Berikan stress radial sesuai yang diharapkan
dengan menggunakan hidrolik stress radial,
apabila sudah mencapai stress radial tertentu,
panaskan fluida dalam cell dengan mengatur
heating electric pada temperature tertentu,
setalah mencapai temperature tertentu diamkan
selama 2 jam.
3. Berikan beban axial sekaligus lakukan
pembacaan pada gauge ketika specimen mulai
terjadi failure dan hentikan pengukuran.
4. Untuk pengukuran specimen yang lainnya,
lakukan langkah diatas berulang kali.
III. UJI TRIAXIAL TERHADAP CORE
SINTETIK
Sample core (specimen) yang digunakan dalam uji
coba alat SST ini menggunkan core sintetik
(buatan). Komposisi berat core sintetik terdiri dari
80% pasir dan 20% semen. Karena SST
memerlukan cukup banyak sample core (minimal
tiga buah), diharapkan dengan komposisi tersebut
sample core dapat dianggap mewakili batuan yang
diambil pada tempat dan lingkungan yang sama,
sehingga dalam analisis terhadap perubahan stress
radial dan temperatur tidak dipengaruhi oleh
perbedaan jenis batuan (asumsi : sample core
tersebut bersumber dari batuan yang sama). Ukuran
sample core tersebut memiliki perbandingan
panjang dan diameternya 2:1 (standar ISRM).
Dengan ukuran seperti itu, sample core diharapkan
dapat mengakomodasi penetrasi shear kesegala
bagian dari sample core tersebut. Oleh karena itu,
core sintetik yang akan digunakan dalam pengujian
kali ini menggunakan ukuran panjang 2 in dan
diameter 1 in. sebelum dilakukan tes, sample core
tersebut dijenuhkan terlebih dahulu dengan fluida
reservoir (air formasi) selama 24 jam. Besarnya
tekanan axial yang dibebankan sepanjang
pengujian dapat langsung dibaca pada indicator
tekanan sampai sample core tersebut terjadi failure
pada kondisi stress radial dan temperatur tertentu.
Data yang diperoleh dapat digunakan untuk
menganalisis pengaruh stress radial, temperatur dan
kombinasi dari keduanya.
3.1 Data Hasil Pengukuran
Pengujian kekuatan batuan dari specimen tersebut
dilakukan dengan pengujian uniaxial dan triaxial.
Untuk triaxial specimen diperlakukan dengan
diberikan stress radial yang berbeda-beda pada
temperatur tertentu. Hasil pengujian tersebut dapat
dilihat pada Tabel 1 dan 2.
Table 1. Pengukuran kekuatan batuan dari
specimen dengan metode uniaxial
uniaxial
No.
sample
σ3
(psi)
σ1
(Ton)
σ1
(psi)
20 0 1.2 3366
18 0 1.3 3647
1 0 1.2 3366
Table 2 Pengukuran kekuatan batuan dari specimen
dengan menggunakan metode triaxial (SST)
Triaxial
Temperatur 30 C
Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana
188
No
sample σ3 (psi)
σ1
(Ton)
8 70 2
18 140 2.5
19 210 2.8
Temperatur 90 C
No
sample
σ3
(psi)
σ1
(Ton)
21 70 1.6
13 140 1.75
3 210 2
3.2 Failure Criterion (Mohr-Coloumb)
Untuk membuat failure criterion dari Mohr
Coloumb dapat menggunkan persamaan (5) sampai
(14) yang sudah dibahas sebelumnya.
3.2.1 Menentukan sudut pecah (friksi internal)
Dari Gambar 21 diperoleh harga gradien (tan
untuk masing-masing temperatur, yaitu
� Temperatur 30oC
Maka sudut pecahnya ialah :
Friksi internal = tan = 1.87
2β=62+90=152
� Temperatur 90oC
Maka sudut pecahnya ialah:
Friksi internal = tan = 1.23
2β=51+90=141
3.2.2 Menentukan cohesive strength
Cohesive strength dapat ditentukan dengan
persamaan [11] yang disusun kembali menjadi:
� Temperatur 30oC
� Temperatur 90
oC
Taufan Marhaendrajana
σ1 (psi)
5610
7013
7854
σ1
(psi)
4488
4909
5610
Coloumb)
Untuk membuat failure criterion dari Mohr-
umb dapat menggunkan persamaan (5) sampai
3.2.1 Menentukan sudut pecah (friksi internal)
diperoleh harga gradien (tanα)
masing temperatur, yaitu:
Cohesive strength dapat ditentukan dengan
persamaan [11] yang disusun kembali menjadi:
Failure criterion (mohr-coloumb)
� Temperatur 30oC
Gambar (22)
� Temperatur 90oC
Gambar (23)
3.3 Penentuan Unconfined Compressive
Strength Unconfined Compressive Strength (UCS)
UCS (Co) dapat ditentukan secara langsung dengan
metode uniaxial, hasil dari metode ini harga UCS
sama dengan harga σ1 pada Tabe
dengan metode SST, UCS dapat ditentukan dari
Gambar 21 dengan menarik persamaan garis, dan
harga UCS diambil pada saat harga
dengan nol, dan yang terakhir UCS juga dapat
ditentukan melalui persamaan
selengkapnya dapat dilihat pada tabe
Tabel (3). Penentuan harga UCS
UCS
Temperatur Ruangan
Uniaxial rata-rata
(psi) 3460
triaxial (psi)
persamaan (12)
(psi)
Dari ketiga harga UCS hasil melalui Triaxial lebih
besar daripada dengan uniaxial, hal ini dikarena
ada pengaruh air yang berada selama masa
pengukuran, jadi beban yang berasal dari beban
axial ada sebagian yang tertahan oleh air, karena
pada kondisi awal jarak antara piston actuator
dengan specimen ada ruang sekitar 5mm.
sedangkan apabila hasil perhitungan dengan
menggunakan persamaan (13)
dengan interpolasi dari Gambar 21
begitu jauh berbeda, karena persamaan
membutuhkan input data dari Gambar
gradiennya.
3.4 Efek Stress Radial Dari data hasil pengukuran dapat terlihat dengan
jelas bahwa semakin besar stress radial yang
diberikan pada specimen, maka tekanan failure
specimen tersebut semakin besar.
25 menunjukan hubungan stress radial dengan
axial.
Analisa mengenai perubahan stress radial
(confining stress) dapat dilakukan dengan metode
triaxial, sedangkan uniaxial tidak dapat melakukan
hal sperti ini. Adanya tekanan confining yang
semakin besar akan memberikan dukungan pada
Unconfined Compressive
Unconfined Compressive Strength (UCS)
UCS (Co) dapat ditentukan secara langsung dengan
metode uniaxial, hasil dari metode ini harga UCS
abel 1, sedangkan
dengan metode SST, UCS dapat ditentukan dari
dengan menarik persamaan garis, dan
harga UCS diambil pada saat harga σ3 sama
dengan nol, dan yang terakhir UCS juga dapat
ditentukan melalui persamaan (12). Hasil
pada tabel dibawah ini.
30 C 90 C
4581 3880
4760 3792
Dari ketiga harga UCS hasil melalui Triaxial lebih
besar daripada dengan uniaxial, hal ini dikarena
ada pengaruh air yang berada selama masa
pengukuran, jadi beban yang berasal dari beban
axial ada sebagian yang tertahan oleh air, karena
jarak antara piston actuator
dengan specimen ada ruang sekitar 5mm.
sedangkan apabila hasil perhitungan dengan
dibandingkan
21, hasilnya tidak
begitu jauh berbeda, karena persamaan (13)
ambar 21 yaitu
Dari data hasil pengukuran dapat terlihat dengan
jelas bahwa semakin besar stress radial yang
diberikan pada specimen, maka tekanan failure
specimen tersebut semakin besar. Gambar 24 dan
nunjukan hubungan stress radial dengan
Analisa mengenai perubahan stress radial
dapat dilakukan dengan metode
tidak dapat melakukan
hal sperti ini. Adanya tekanan confining yang
semakin besar akan memberikan dukungan pada
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
189
specimen, sehingga tekanan failure dari specimen
tersebut akan meningkat. Kelakuan seperti ini
dinamakan dengan strain hardening.
3.5 Efek Temperatur
Pengaruh temperatur terhadap kekuatan batuan
dapat diidentifikasi melalui besarnya tekanan
failure pada kondisi temperatur yang berbeda-beda.
Hasil pengujian terhadap specimen batuan pada
temperatur 30oC dan 90
oC dapat dilihat pada
Gambar 26. Dari gambar tersebut terlihat bahwa
semakin tinggi temperatur, tekanan failure batuan
akan semakin menurun, hal ini dimungkinkan
karena adanya kerusakan pada system sementasi
batuan tersebut akibat adanya pemanasan. Inilah
salah satu manfaat dari SST, dapat menganalisis
perubahan sifat kekuatan batuan akibat perubahan
temperatur. Sehingga model sebenarnya direservoir
dapat didekati dengan model laboratorium.
IV. KESIMPULAN 1. Parameter temperatur dan tekanan sangat
penting dalam mensimulasikan kondisi
reservoir kedalam skala laboratorium.
2. Alat Single Stage Triaxial Compressive Test
dapat digunakan untuk menganalisis pengaruh
temperatur dan confining pressure terhadap
sifat kekautan batuan.
3. Meningkatnya temperatur menyebabkan
kekuatan batuan mengalami penurunan,
sedangkan dengan meningkatnya confining
pressure menyebabkan kekuatan batuan
mengalami peningkatan.
V. REKOMENDASI
1. Alat Single Stage Compressive Strength dapat
dilengkapi dengan strain gauge dan sensor
computer agar dapat menganalisa perubahan
strain, baik secara radial maupun axial.
2. Sistem hidrolik yang sekarang terpasang
kedepannya dapat diganti dengan sistem motor
listrik agar proses pengukuran lebih sederhana.
3. Dilakukan pengkajian lebih mendalam
mengenai perubahan sifat fluida selama berada
didalam cell agar hasil pengukuran lebih
akurat.
4. dilakukan kajian lebih mendalam pengaruh
perubahan fluida yang digunakan didalam cell
(misalnya gas dan oil) terhadap sifat kekuatan
batuan.
VI. DAFTAR SIMBOL σ : stress
σ1 : principal stress normal maksimum
σ2 : principal stress normal medium
σ3 : principal stress normal minimum
σr : stress radial
τ : shear stress
So : cohesive strength
µ : koefisien friksi internal.
Φ : sudut pecah
Co : unconfined compressive strength
To : tensile strength
A : luas permukaan
P : tekanan
F : gaya
UCS : unconfined compressive strength
SST : Single Stage Compressive Test
MST : Multi Stage Compressive Test
DAFTAR PUSTAKA
1. Khaksar. A, Taylor. P.G, Fang. Z, Keyes.T,
Sazalar. A, and Rahman. K, 2009. Rock
Strength from core and log: Where we stand
and ways to go, SPE 121972, annual
conference and exhibition held in Amsterdam,
The Netherland, 8-11 Juni.
2. Fjaer. E, Rune. M, Horsud. P, Raaen. A M,
and Risnes. R., 1992. Petroleum realted rock
mechanic, Elsevier, Tokyo-London-New York.
3. Ahmed S. A. Reservoir Stimulation.
4. Descamps. F, and Tsibangu. J P, 2000.
Development of an automated triaxial system
for thermo-hydro-mechanical testing of rock,
ARMA 08-197, San Francisco.
5. C.M. Ross, SPE, E.R. Rangel-German, SPE,
and L.M. Castainer, SPE, Stanford U.; P.S.
Hara, SPE, Tidelands Oil Production Co.; and
A.R. Kovscek, SPE, Stanford U., 2005. A
Laboratory Investigation of Temperature
Induced Sand Consolidation, paper SPE
92398, 2005 SPE Western Regional Meeting,
Irvine, CA, U.S.A.
6. Denney, D., 2007. Ultradeep HP/HT
completions: classification, design
methodologies and technical challenges.
Journal of Petroleum Technology 59 : 3, 83-
85.
7. Jaeger, J.C. and Cook, N.W., 1979.
Fundamentals of rock mechanics. 3rd
edition.
London: Chapman and Hall.
Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana
190
Gambar 1. Stress yang bekerja pada specimen.
Gambar 2. Contoh hasil pengukuran Single Stage
Triaxial Compressive Test (SST)
Gambar 3. Mohr-coloumb dari data pengukuran
Single Stage Triaxial Compressive Test (SST)
Gambar 4.Contoh hasil pengukuran Multistage
Triaxial Compressive Test (MST)
Gambar 5. Mohr-coloumb dari data pengukuran
Multistage Triaxial Compressive Test (MST)
Gambar 6. benda silindris yang diberikan beban
tertentu pada arah axial.
Gambar 7. Diagram Mohr sebagai fungsi shear
stress dan stress normal, juga menggambarkan
hubungan principal stress normal
(σ1, σ2, dan σ3)
Gambar 8. Mohr Coloumb Criterion τ-σ.
Gambar 9. Mohr Coloumb Criterion pada bidang
σ1-σ3
Gambar 10. Kerangka Single Stage Triaxial
Compressive Test.
Gambar 11. Konfigurasi Single Stage Triaxial
Compressive Test.
Gambar 12. Model pengontrol temperatur pada
SST
Gambar 13. Heating electric yang ditempelkan
pada cell dengan dilengkapi gas bull (hambatan
panas) dan indicator electric.
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
ingle Stage Triaxial
. Konfigurasi Single Stage Triaxial
odel pengontrol temperatur pada
eating electric yang ditempelkan
pada cell dengan dilengkapi gas bull (hambatan
panas) dan indicator electric.
Gambar 14. Sistem pengontrol temperatur pada
Single Stage Compressive Test
Gambar 15. Sistem pembebanan specimen pada
arah axial.
Gambar 16. Bentuk nyata dari sistem hidrolik yang
memberikan beban axial maksimum s
Gambar 17. Stress radial yang dihasilkan oleh
sistem hidrolik
Design Lap Apparatus: Single Stage Compressive Test (STT) pada
Tekanan dan Temperatur Tinggi
191
. Sistem pengontrol temperatur pada
Single Stage Compressive Test
istem pembebanan specimen pada
Bentuk nyata dari sistem hidrolik yang
memberikan beban axial maksimum sebesar 10 ton
tress radial yang dihasilkan oleh
Ecep Muhammad Mujib, Taufan Marhaendrajana
192
Gambar 18. Rangkaian hidrolik penghasil stress
radial.
Gambar 19. Dudukan specimen pada posisi
terpasang didalam cell.
Gambar 20. Bentuk profil dudukan specimen.
bagian atas. Kanan: bagian bawah.
Gambar 21. Hubungan stress axial dengan stress
radial.
Taufan Marhaendrajana
n hidrolik penghasil stress
. Dudukan specimen pada posisi
entuk profil dudukan specimen. Kiri:
: bagian bawah.
ubungan stress axial dengan stress
Gambar 22. Failure criterion untuk specimen
batuan pada temperatur 30
Gambar 23. Failure criterion untuk specimen
batuan pada temperatur 90
Gambar 24. Hubungan stress axial dengan stress
radial pada temperatur 30
Gambar 25. Hubungan stress axial dengan stress
radial pada temperatur 30
Gambar 26. Hubungan tekanan failure terhadap
temperatur.
ailure criterion untuk specimen
batuan pada temperatur 30oC
ailure criterion untuk specimen
batuan pada temperatur 90oC
ubungan stress axial dengan stress
radial pada temperatur 30oC
ubungan stress axial dengan stress
radial pada temperatur 30oC
ubungan tekanan failure terhadap