Geothermal Well testing

Didalam Uji produksi suatu sumur geothermal merupakan kelanjutan dari pengukuran-pengukuran sebelumnya seperti Completion Test yang terdiri dari Gross Permeability dan Water Loss Test dimana didapat gambaran tentang Injektivitas, Kapasitas Spesifik, Transmisifitas, skin faktor dan dugaan-dugaan lain terhadap kemampuan sumur baik secara kualitatif maupun kuantitatif.

Tujuan pengujian sumur ini adalah mencari parameter data yang dapat menggambarkan kemampuan aktual untuk:

1.    Keperluan analisa reservoir.

2.    Perencanaan analisa mengenai aliran massa uap, enthalpy discharge, kandungan gas dan sifat-sifat uap.

Dalam suatu uji produksi kemampuan sumur dapat dilihat secara nyata sehingga hasilnya dapat dipergunakan sebagai pembanding terhadap pengujian sebelumnya ataupun menentukan tindak lanjut terhadap sumur tersebut.

Seperti diketahui ada dua cara yang biasa dipergunakan melakukan flowing test yaitu:

1.    Output test, pengukuran dilakukan terhadap karakteristik aliran pada tekanan yang berbeda dalam suatu interval waktu yang pendek (jam/hari).

2.    Run down transient, dalam hal ini tekanan/aliran ditahan tetap dan perubahan aliran/tekanan terhadap waktu diukur dalam waktu yang panjang selama berbulan-bulan/tahun, hal ini dilakukan biasanya untuk mengetahui perubahan yang berhubungan dengan efek reservoir atau interaksi sumur.

Waktu pengujian yang diperlukan untuk mendapatkan aliran stabil dalam suatu output test sangat bervariasi. Sumur basah dengan permeability tinggi dapat stabil dalam waktu pendek setelah pembukaan sumur sehingga pengujian dapat diselesaikan dalam waktu singkat.

Sumur dengan produksi uap kering memerlukan waktu panjang untuk mendapatkan laju aliran dan enthalpy yang stabil. Sedang sumur dengan produksi dari reservoir pada titik didihnya atau dua fasa memerlukan waktu pengujian di antara dua tipe di atas.

Uji produksi adalah suatu kegiatan untuk mengetahui kemampuan produksi suatu sumur yang sebenarnya/nyata. Untuk menentukan potensi dan produksi sumur panas bumi diperlukan suatu pengukuran laju alir massa fluida yang keluar dari sumur tersebut. Pengukuran laju alir pada sumur panas bumi ada dua metode uji produksi, yaitu:

1.    Uji Tegak (Lip Pressure).

2.    Uji Datar (Orifice Plate).

Salah satu tujuan uji produksi adalah untuk menentukan kapasitas produksi atau deliverability sumur. Persamaan dasar yang digunakan dalam tes penentuan deliverability ini adalah:

..1.1

Persamaan ini menyatakan hubungan antara q terhadap  pada kondisi aliran yang stabil dimana:

q          : laju produksi pada keadaan standar, kg/detik.

Pr        : tekanan reservoir rata-rata, ksc.

Pwf     : tekanan alir dasar sumur, ksc.

C         : konstanta, tergantung pada satuan dari q­_sc dan p.

n          : harga berkisar antara 0.5 – 1.0.

harga n ini mencerminkan derajat pengaruh faktor inersia turbulensi aliran. Persamaan grafik pada persamaan 1.1 pada sistem koordinat log-log akan menghasilkan hubungan yang linier.

...1.2 & 1.3

Contoh grafik dapat dilihat pada gambar 1.1 di bawah ini.

Gambar 1.1 Hubungan Linier antara delta P vs  qsec dalam Skala Log-Log

Harga C dapat dicari secara grafis, yaitu berdasarkan titik perpotongan grafik dengan bersumbu mendatar . Harga n diperoleh dari sudut kemiringan grafik dengan sumbu tegak. Satuan ukuran lain yang digunakan dalam analisa deliverability adalah Absolute Open Flow Potential (AOF). Besar potensial ini diperoleh bila dalam persamaan kita masukkan harga  sama dengan nol.

........................ (1.4)

Analisa deliverability berdasarkan persamaan dikenal sebagai analisa konvensional.

Permeabilitas dari reservoir gas akan mempengaruhi lama waktu aliran mencapai kondisi stabil. Pada reservoir yang ketat kestabilan dicapai pada waktu yang lama. Untuk mencapai keadaan ini maka ada 3 macam test yang dapat digunakan untuk memperoleh deliverability yaitu:

a.    Back Pressure.

b.    Isochronal.

c.    Modified Isochronal.

1.1.    Back Pressure

Merupakan suatu metode test sumur gas untuk mengetahui kemampuan sumur berproduksi dengan memberikan tekanan balik (back pressure) yang berbeda-beda. Pelaksanaan dari test konvensional ini dimulai dengan menstabilkan tekanan reservoir dengan cara menutup sumur lalu ditentukan harga . Selanjutnya sumur diproduksi diubah-ubah empat kali dan setiap kali sumur itu dibiarkan berproduksi sampai tekanan mencapai stabil sebelum diganti dengan laju produksi lainnya. Setiap perubahan laju produksi tidak didahului dengan penutupan sumur. Gambar skematis dari proses ‘back pressure’ diperlihatkan pada gambar di bawah:

Gambar 1.2 Skema Tekanan dan Laju Alir pada Uji Back Pressure

Analisa deliverability didasarkan pada kondisi aliran yang stabil. Untuk keperluan ini diambil tekanan alir dasar sumur, pada akhir perioda suatu laju produksi. Pada gambar sebelumnya dinyatakan oleh . Analisa data untuk keperluan pembuatan grafik deliverability didasarkan pada metode konvensional.

1.2.    Uji Datar (Orifice Plate)

Uji produksi dengan metode orifice plate dilaksanakan setelah pengujian tegak selesai, mengingat sumur di area panas bumi Kamojang dikategorikan uap kering maka uji produksi ini dilakukan dengan menggunakan metode orifice plate.

Uji datar dengan metode orifice plate bertujuan untuk mendapatkan data yang sesungguhnya dari potensi sumur dan perlu dilaksanakan dalam jangka waktu yang lebih panjang dibandingkan dengan pengujian tegak karena dalam uji datar ini dilakukan pada berbagai variasi Tekanan Kepala Sumur (TKS) sesuai program uji yang telah ditentukan dan pada pengujian ini dilakukan pengambilan contoh uap dan gas yang dilakukan sebelum dan sesudah pengujian.

Pada setiap pengetesan tekanan dilakukan dalam jangka waktu yang cukup panjang sampai tekanan kepala sumur stabil. Biasanya tekanan stabil bervariasi antara 1 sampai dengan 6 hari sesuai dengan perilaku sumur.

Pipa uji datar ini berukuran 6”, 8” dan 10” tergantung dari besarnya laju alir uap yang diperkirakan dan jenis orifice plate yang sering digunakan di lapangan panas bumi Kamojang adalah jenis orifice plate bertepi persegi (sharp edge) dengan lubang tekanan terletak di pipa. Ada berbagai macam letak lubang tekanan, yaitu:

1.    Flange Tap.

2.    Corner Tap.

3.    Radius Tap.

4.    Pipe Tap.

5.    Vena Tap.

Radius Tapping yaitu dua buah lubang tekanan ditempatkan pada jarak masing-masing satu kali diameter (di bagian upstream) dan setengah kali (di bagian downstream) diameter pipa uji datar yang diukur dari titik pusat orifice untuk mencatat tekanan upstream dan perbedaan tekanan antara upstream dan downstream dengan alat bantu yaitu Barton Recorder dan hasilnya dicetak pada lembaran Barton Chart. Tekanan upstream adalah tekanan di dalam pipa uji datar menuju orifice plate (hulu) dan tekanan downstream setelah orifice plate ke silencer (hilir).

Di samping itu pada pipa upstream dibuat dua buah lubang yang dikoneksikan dengan sok berukuran ¾” untuk tempat thermowell dan pengambilan contoh kondensat. Pada ujung akhir pipa uji dipasang sebuah peredam bawah tanah (silencer) untuk mengurangi tingkat kebisingan akibat kecepatan aliran uap tersebut.

Aliran massa uap dialirkan ke pipa uji datar dengan membuka master valve dan wing valve (horizontal discharge valve) dan menutup vertical discharge valve serta memprogram tekanan kepala sumur dengan mengatur throttle valve pada pipa downstream. Akibat pengaturan aliran uap pada throttle valve maka terjadilah hambatan di orifice plate yang menimbulkan perbedaan tekanan () antara sebelum dan sesudah orifice plate (hulu dan hilir).

Dengan mempergunakan alat ukur tekanan Barton Recorder dapat diketahui harga tekanan dari differential pressure yaitu pengukuran perbedaan tekanan antara tekanan upstream dan tekanan downstream (). Ini dilakukan dengan tekanan kepala sumur tertentu sesuai dengan program. Selama pengujian untuk setiap tekanan kepala sumur tertentu dengan program yang dirancang sebelumnya, dilaksanakan juga dengan pengambilan sampel kondensat dan gas untuk dianalisa pada laboratorium besarnya kandungan kimia dan gas.

Rumus Dasar Perhitungan

........................................ (1.5)

Keterangan:

M           : laju alir massa (ton/jam).

C            : koefisien dasar.

Z                        : faktor koreksi.

             : faktor ekspansibilitas.

             : rasio panas spesifik dari uap dan CO₂.

d                        : diameter dalam orifice (mm).

D            : diameter dalam pipa uji (mm).

D dan d dikoreksi sesuai dengan faktor panas logam pada T­_U.

m           : perbandingan luas (m) = (d/D)².

E            : faktor kecepatan (E) = (1 – m²)^-0.5.

          : selisih tekanan di upstream dan downstream (ksc).

                        : berat jenis fluida (kg/m³).

1.3.    Konstruksi Orifice Plate

Pengukuran laju alir massa uap di sumur mempergunakan metode orifice plate dengan Radius Tappings. Sesuai persyaratan yang terdapat dalam buku British Standard 1042 dengan bantuan throttle valve yang dipasang di bagian downstream plate untuk menjaga supaya tidak terjadi perubahan spesifik volume yang terlalu besar antara bagian upstream dan downstream yang dapat menyebabkan kesalahan dalam hasil perhitungan.

Untuk menentukan diameter orifice plate yang akan dipasang diperlukan perhitungan-perhitungan dengan bantuan hasil pengukuran laju alir maksimum yaitu uji tegak.

Orifice plate yang akan dibahas disini adalah susunan yang mempunyai lubang-lubang tekanan pada jarak satu kali garis tengah pipa di sebelah upstream dan setengah kali garis tengah pipa sebelah downstream orifice plate. Sedangkan bentuk lubang orifice-nya adalah tajam di bagian sisi upstream. Diameter lubang tekanan baik setelah upstream dan downstream harus sama besar dan tidak boleh melampaui 0.1D dan permukaan lubang tekanan harus halus tanpa ada bagian-bagian yang menonjol ke dalam pipa.

1.4.    Prosedur Perhitungan Menggunakan Orifice Radius Tapping

Prosedur dan urut-urutan perhitungan adalah sebagai berikut:

1.    Mencatat temperatur alir uap, T_U di upstream ().

2.    Mengoreksi diameter lubang orifice (d) dan diameter dalam pipa (D) hasil pengukuran dengan menggunakan grafik pada Gambar 1,3 di bawah berdasarkan T_U.

Gambar 1.3 Multiplying Factor For Thermal Expansion

3.    Mencatat perbedaan tekanan pada lubang tekanan di orifice,  (ksc).

4.    Mencatat tekanan di upstream, P (ksc gauge); dan tentukan P_U abs-nya di upstream (P_{U abs} = P_U + P_a). P_a diperoleh dari grafik pada Gambar 1.4 di bawah ini.

Gambar 1.4 P_atm vs Ketinggian

5.    Menentukan berat jenis fluida  (kg/m³) pada kondisi upstream (kondisi T_U dan P_{U abs}).

6.    Menentukan viskositas fluida,  (poise) pada kondisi T_U dan P_Uabs.

7.    Menentukan harga specific heat ratio  sesuai grafik pada  Gambar 1.5, jika harga yang dicari tidak sesuai dengan tekanan yang ada, dilakukan interpolasi (heat ratio).

Gambar 1.5 Rasio Panas Spesifik Uap () atau CO₂

8.    Menghitung m = (d/D)² setelah dilakukan koreksi menggunakan langkah 2 di atas. Harga m harus lebih besar dari 0.1 dan lebih kecil dari 0.7.

9.    Menghitung faktor kecepatan E = (1 – m²)^-0.5.

10. Menentukan koefisien dasar C, gunakan grafik pada Gambar 1.6 sesuai rasio luas (m) antara penampang lubang orifice dan diameter dalam pipa uji.

Gambar 1.6 Konstanta Orifice Radius

11. Menghitung perkiraan laju alir massa, M₁ (kg/detik) = 0.659862 C E d²  (faktor Z dan  akan ditentukan kemudian).

12. Menghitung bilangan Reynold. Rd = 3.54 X 3600 M₁/d, dimana M₁ dalam kg/s,  dalam Pa.s dan d dalam m.

13. Menghitung harga Z besarnya tergantung m, D dan Rd (bilangan Reynold) Z = Z_R X Z_D. Tentukan Z_R dan Z_D dengan grafik pada Gambar 1.7 dan 1.8.

Gambar 1.7 Faktor Koreksi Bilangan Reynold (Z_R)

Gambar 1.8 Faktor Koreksi Ukuran Pipa (Z_D)

14.  Menentukan faktor ekspansibilitas (Ekspansibility Factor),  sesuai dengan P, P_U,  dan m

15. Menghitung kembali M; M = M₁ Z .

1.5.    Desain Orifice

Sebelum uji produksi dengan menggunakan orifice, pertama yang harus dilakukan adalah mendesain atau menentukan berapa besarnya diameter orifice yang akan dipasang pada instalasi pipa yang akan dilewati fluida. Pendesainan orifice ini penting mengingat selama uji dengan menggunakan orifice, orifice yang telah dipasang jarang sekali atau sulit untuk dilakukan penggantian orifice dengan diameter yang berbeda. Desain ini dilakukan agar diameter orifice tersebut akan mampu digunakan untuk melakukan pengukuran pada range laju alir yang akan diukur. Untuk menentukan berapa besarnya diameter orifice yang akan dipasang, data yang umum dipakai untuk memperkirakan laju alir maksimum adalah dari uji tegak.

Rumus perhitungan diameter lubang orifice diperoleh dari turunan rumus laju aliran massa, laju aliran (volume) dan persamaan untuk mendapatkan bilangan Reynold dengan mensubstitusi mD² untuk d². Perhitungan diawali dengan menentukan harga N yang didapat dari persamaan 1.6 berikut.

................................................... (1.6)

Besarnya N dapat dievaluasi dari data yang sudah diketahui sebelumnya.

Tahapan berikutnya adalah menghitung besarnya mE yang berhubungan dengan N dengan persamaan 1.7:

...................................................................... (1.7)

Tetapi karena C, Z dan  tergantung harga m, besarnya mE tidak dapat dievaluasi langsung dari persamaan tersebut di atas. Hal ini ditemukan dengan satu metode perkiraan berikut yang diterangkan di bawah ini dengan menggunakan hubungan:

....................................................... (1.8)

Bilangan Reynold diperlukan pada tahapan pertengahan untuk perhitungan mE yang diberikan oleh persamaan 1.9:

.......................................................... (1.9)

Tahap akhir adalah menghitung rasio diameter d/D dari mE, dan kemudian diameter lubang orifice, dengan mengikuti persamaan 2.10:

........................................... (1.10)

Dimana: