SIFAT BATUAN DAN FLUIDA PANASBUMI

Kelompok 4Geothermal B

SIFAT BATUAN

SIFAT FLUIDA

Volume Spesifik

Entalpi

Energi Dalam

Entropi

Viskositas

Panas Spesifik

Konduktivitas Panas

Panas Spesifik

Densitas Batuan

Permeabilitas

Porositas

Parameter

Sifat BatuanPorositas (φ)

φ = Vp/Vb

Fraksi dari volume total batuan

Porositas Rekahan

Porositas Antar Butir

Porositas Matriks Batuan

Batuan Reservoir Panasbum

i

Sifat BatuanPermeabilitas (k)

Parameter untuk menetukan kecepatan

alir fluida di dalam batuan berpori

k arah horizontal > k arah vertikal

Permeabilitas matriks batuan reservoir panasbumi sangat

kecil

Satuan

mD (mili Darcy)

1 Darcy = 10-12 m2

Permeabilitas

1-100 mD

Transmisivitas

1-100 Dm

Sifat Batuan

Densitas (ρ)

Perbandingan antara berat batuan dengan volume dari

batuan tersebut

Sifat Batuan

Konduktivitas Panas (K)

Parameter untuk menyatakan besarnya kemampuan batuan

menghantarkan panas secara konduksi apabila

terdapat perbedaan temperatur pada batuan

tersebut (gradian temperatur)

𝑲=𝑸 ( 𝒅𝑻𝒅𝒛 )

Parameter yang menyatakan banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikan suhu satu satuan masa batuan tersebut sebesar

1˚C

Panas Spesifik (cp)

Harga spesifik batuan

T Rendah = 0.75 - 0.85 kJ/kg0C

T Sedang = 0.85 - 0.95 kJ/kg0C

T Tinggi = 0.95 - 1.10 kkJ/kg0C

Sifat Batuan

Jenis batuan atau mineral-mineral pembentuknya

Konduktivitas batuan ditentukan

Struktur kristal pembentuknya

Konduktivitas berlainan ke semua arah

Panas merambat dengan laju yang berbeda ke arah berlainyan

Orientasi masing-masing mineral

KwarsaKonduktivitas tinggiPlagiocaseKonduktivitas rendah

Contoh

Temperatur Fluida < Temperatur Titik Didih / Temperatur Saturasi

Temperatur Fluida > Temperatur Titik Didih / Temperatur Saturasi

Fluida Panasbumi

Cair Uap

Jenis dan Sifat Fluida

Temperatur Tekanan

250

200

150

100

50

00 50 100 150 200 250 300 350 400

Temperature, ˚C

Pre

ssu

re,

bar

ab

sCritical Point

Hubungan Temperatur Saturasi terhadap TekananKurva

Saturasi

Superheated Steam

Compressed liquid

Two Phase Mixture

Fluida dua fasa terdiri dari campuran uap –air. Fraksi uap di dalam fluida

atau sering disebut kwualitas uap atau dryness (x) menentukan jenis fluida yang terdapat pada fluida dua fasa.

Dryness (x) didefinisikan sebagai perbandingan antara laju alir masa

uap dengan laju alir masa total.

x = 0(cairan jenuh/

saturated liquid)

x = 1(uap jenuh /

saturated vapor)

Superheated Steam (Uap Lewat Panas)Two Phase Mixture (Fluida Dua Fasa)

Saturated Vapor (Uap Jenuh)

Saturated Liquid (Air Jenuh)

Compressed Liquid

Jenis Fluida

T > Tsaturasi

T = Tsaturasi

X = 1

X = 0

T < Tsaturasi

Pengaruh CO2 dan NaCl terhadap Temperatur dan Tekanan

Saturasi

Fluida yang terkandung dibawah permukaan dapat ditentukan dari landaian tekanan dan

temperatur hasil pengukuran di dalam sumur. Dari data tekanan dan dengan menggunakan Tabel Uap, selanjutnya ditentukan temperatur

saturasi atau temperatur titik didih. Temperatur saturasi kemudian diplot

terhadap kedalaman. Kurva biasa disebut sebagai “Kurva BPD”, dimana BPD adalah singkatan dari Boiling Point with Depth.

Apabila landaian temperatur dari pengukuran di sumur terletak di sebelah kiri kurva BPD, maka fluida

hanya terdiri dari satu fasa saja, yaitu air.

Apabila landaian temperatur dari pengukuran sumur terletak disebelah kanan dari kurva BPD, maka fluida

hanya terdiri satu fasa saja, yaitu uap.

Apabila landaian temperatur berimpit dengan kurva BPD maka fluida terdiri dari dua fasa, yaitu uap dan

air.

Tipe Landaian Tekanan dan Temperatur

Sistem Dominasi Uap

Sistem Dominasi Air

Sifat Fluida Satu Fasa

Volume Spesifik

Densitas

Energi Dalam

Entalpi

Panas Laten

Entropi

Viskositas

f dan g

f dan g

uf dan ug

hf dan hg

hfg

sf dan sg

f dan g

Volume Spesifik

Volume spesifik suatu fasa fluida adalah perbandingan antara masa dan volume fasa fluida

Sifat Fluida

Densitas

Densitas suatu fasa fluida adalah perbandingan antara masa dengan

volume fasa fluida tersebut

Sifat Fluida

Energi Dalam (u)

Merupakan parameter banyaknya panas yang terkandung didalam

suatu fasa persatuan masa

Sifat Fluida

jumlah energi dalam dengan energi yang dihasilkan oleh kerja tekanan

Entalpi (h)

Panas Latent

panas yang diperlukan untuk mengubah satu satuan massa air pada kondisi saturasi (jenuh)

menjadi 100% uap.

Entropi (s)

Bilangan abstrak yang menunjukkan peningkatan atau penurunan dari panas yang

diberikan atau ditolak pada suatu benda

VISKOSITAS

VISKOSITASKINEMATIK

v

VISKOSITASDINAMIK

μ

v = μ / ρ

ukuran keenganan suatu fluida untuk mengalir

Sifat Fluida Dua Fasa

𝒙=𝒎𝑽

𝒎𝑻

𝒙=𝒎𝑽

𝒎𝑽+𝒎𝑳

𝒉=𝒉 𝒇 +𝒙𝒉 𝒇𝒈

𝒔=𝒔 𝒇 +𝒙 𝒔𝒈

=𝒙𝒈+ (𝟏− 𝒙 )𝒇  

𝒖=𝒙 𝒖𝒈+ (𝟏− 𝒙 )𝒖 𝒇  

Dryness (x) didefinisikan sebagai perbandingan antara laju alir masa uap dengan laju alir masa total.

Jenis fluida biasanya ditentukan dengan membandingkan harga

entalpinya (h) dengan entaLpi air dan entalpi uap (hf dan

hg)pada kondisi saturasi. h < hf Air (compressed liquid)

h = hf Air jenuh (saturated liquid)

h = hg Uap jenuh (saturated steam)

hf < h < hg Dua fasa (campuran uap-air)

h > hg Uap (superheated steam)

Fluida Dua Fasa Dalam Batuan Reservoir

Hukum Darcy

Data Kimia Fluida

Perkiraan Sistem Panas Bumi Sifat Fluida

Temperatur, Jenis Reservoir, Asal

muasal air

Korosifitas, Kecenderungan

membentuk Scale (endapan padat)

Perencanaan sistem pemipaan dan sistem pembangkit listrik

Geokimia Fluida Panas Bumi

Sistem panas bumi/geotermal adalah sistem hidrotermal

terbuka.

Air merupakan media pembawa panas dan didominasi

oleh air meteorik

Saat fluida magmatik ikut ambil bagian, sistem panas

bumi menjadi sistem hidrotermal volkanik/magmatik.

Geokimia Fluida Panas Bumi

Kegunaan Data Kimia pada Tahap Produksi

Kegunaan Data Kimia pada Tahap Perencanaan

dan Konstruksi

Ion Balance

Pengaruh Boiling terhadap Komposisi

Fluida

Kandungan Kimia Fluida Panas Bumi

Jenis-Jenis Air Panas Bumi

Kegunaan Data kimia pada Tahap

Prospeksi

Kegunaan Data Kimia pada Tahap

Pemboran

Geokimia Fluida Panas Bumi

Kandungan Kimia Fluida Panas Bumi

Perubahan bentuk dan komposisi fluida

BoilingPencampuran

fluida magmatik

Pencampuran air dingin dari sumber lain

Oksidasi dekat permukaan

Altrasi termal batuan

Degradasi material

organik pada batuan

sedimen

Boiling:Air + unsur terlarutUap air + gas

: H2O + Cl, SiO2, Na, K, Ca, dll: H2O + CO2, H2S, dll

Fluida panas bumi

Air tanah:HCO3

MgCa

Mixing:

Air reservoir (Cl) + Air tanah

Oksidasi dan kondensasi:

H2S + 2O2 H2SO4 (2H+ + SO42-)

CO2 + H2O H2CO3 (H+ + HCO3-)

SO4 water

Muka air tanah

Topografi

Cl water

Diluted Cl-HCO3 water

HCO3 water

Kandungan Kimia Fluida Panas Bumi

Kosentrasi ion yang berbeda-beda dapat disebabkan karena banyak hal, antara lain adalah

Temperatur

Kandungan Gas

Sumber Air

Jenis Batuan

Kondisi dan lamanya interaksi

air batuan

Campuran air lain

Air Alkali Klorida

Air Asam Sulfat

Air Asam Sulfat-Klorida

Air Bikarbonat

Jenis-Jenis Air Panas Bumi

• Cl Tinggi (1000-10.000 mg/kg).

• Menunjukkan air reservoir

• Na dan K tinggi

• Ca seringkali rendah

• SiO2 cukup tinggi (tergantung temperatur).

• Umumnya mengandung SO42- , HCO3

-

• Sejumlah kecil F, NH 3 , As, Li, Rb, Cs dan Mg.

• pH sekitar 6 - 7.5 (tergantung CO2 yang terlarut)

• Terbentuk endapan permukaan sinter silika

Air Alkali Klorida

• SO42- (1000 ppm)

• Cl- dan HCO3- sangat rendah (kadang-kadang =

nol)• Mengandung Na, K, Ca, Mg, Fe• pH rendah (pH < 2-3)• Acid Sulphate water biasanya terjadi di volcanic

geothermal areas dimana uap terkondensasi menjadi air permukaan

• Acid Sulphate water berasal dari oksidasi H2S yang terjadi di “vadose zone” yaitu daerah dekat permukaan air.

Ditunjukkan dengan kenampakan kolam lumpur dan pelarutan batuan sekitar

Tidak dapat digunakan sebagai geotermometer

Air Asam Sulfat

• Cl- dan SO42- cukup tinggi

• pH < 2 – 5

• Tercampurnya alkali chloride water dengan acid

sulphate water

• Ion sulphide (h2S) dalam alkali chloride water teroksidasi

menjadi SO42-

• Alkali choride water melewati dan bereaksi dengan

batuan yang mengandung sulphur

Air Asam Sulfat-Klorida

• HCO3 tinggi

• Cl- rendah

• pH sekitar 5-6

• Di beberapa tempat air karbonat tercampur

karena adanya batuan limestone di bawah

permukaan.

• Di permukaan hal ini dicirikan oleh adanya

endapan sinter travertin (CaCO3) disekitar mata

air panas.

Air Bikarbonat

KEGUNAAN DATA KIMIA PADA TAHAP PROSPEKSI

GEOKIMIA Manifestasi Panasbumi Di Permukaan

KARAKTERISTIK

JENIS MANIFESTASI

PENGUKURAN

ANALISA KIMIA

PEMETAAN

SAMPLING

LOKASI

Kegiatan Pada Tahap Prospeksi

1 . Jenis reservoir

2 . Temp . reservoir

3 . Jenis batuan

4 . Besar natural heat flow

5 . Area of high upflow permeability

6 . Likely environmental problems

7 . Scaling potential

8 . Recharge area

9 . Siting exploration wells

IDENTIFIKASI JENIS

RESERVOIR

SISTIM HIDROTHERMAL

CYCLIC SYSTEMS

STORAGE SYSTEM

• Spring dengan kandungan chlorida tinggi

• Mata air panas yang bersifat netral

• Mata air panas jenuh dengan silika

• Kolam air panas : Air jernih, kebiruan netral

• Fumarole yang memancarkan uap dengan kecepatan tinggi

• Geyser

• Silika sinter

• Mata air panas yang bersifat asam

• Bila tidak ada spring yang kandungan chloridanya “significant”

• Mata air panas bersifat netral di kaki gunung

SISTIM DOMINASI UAP SISTIM DOMINASI AIR

Kolam air panas : Air bersifat asam berlumpur & kehijauan

Telaga air panas (hot cakes)

Mud pools

SISTEM DOMINASI (UAP ATAU AIR)

Perkiraan temperatur reservoir pada tahap prospeksi dari data kimia air permukaan

Geotermometer merupakan metode memperkirakan suhu reservoir panas

bumi yang didasarkan pada keberadaan zat– zat terlarut pada fluida panas bumi

dimana konsentrasi fluida tersebut sangat bergantung suhu.

Berdasarkan variasi kandungan beberapa unsur dalam

fluida panasbumi yang hadir sebagai fungsi dari

temperatur (solubilitas unsur sebagai fungsi dari

temperatur)

Unsur : terlarut, gas, isotop

Kesalahan: 5 hingga 10oC

Syarat:

Fluida panas bumi muncul ke permukaan dengan cepat (> 2 kg/sec)

Tidak ada mixing dengan fluida lain

Tidak ada steam atau gas yang hilang

Air klorida, pH netral

Non-volatil (unsur terlarut):

Anion, mis. Cl-, HCO3-, SO4

-2, NH4-, F-, I-, Br-

Kation, mis. Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Mn+2, Fe+2, Al+3, ion-ion As

Spesies netral, mis. SiO2, B, CO2, H2S, NH3

Volatil (gas):

Non condensible gases, mis. CO2, H2S , H2, N2

Gas inert/konservatif, mis. He, Ar

Geotermometer unsur terlarut:Geotermometer silika (SiO2)Geotermometer Na-KGeotermometer Na-K-MgGeotermometer Na-K-Cadll

Geotermometer gas:Geotermometer CO2-H2S-H2-CH4

Geotermometer COGeotermometer CO2

dllGeotermometer isotop

Geothermometer

Silika Geothermom

eter

Sodium, Potassium

Geothermometer Sodium,

Calcium, Potassium

Geothermometer

Permukaan Jenuh Kuarsa

Proses pendinginan secara adiabatik

Proses pendinginan secara konduktif

Permukaan Jenuh Chalcedony

Proses pendinginan secara konduktif

Silika Geothermometer

T<2500C

T>1500C Geothermomet

er Kuarsa

T<1500C Geothermomet

er Kalsedon

T<1000C Geothermometer Silika amorf

Untuk air jenis-jenis alkali-klorida dengan pH netral.

Tidak tepat digunakann bila ada endapan travertine

Persamaan Fournier :

Persamaan Giggenbach :

Sodium, Potasium Geothermometer

T>1500C

T>1500C

Untuk air yang mengandung Ca cukup banyak

Untuk air yang memberikan endapan traverline

Hitung :

Bila negatif Bila positif

Sodium,Calcium,Potasium Geothermometer

T>1200C

Dari Perbandingan Ion/Komponen:

Memperkirakan Sumber Air Pada Tahap Prospeksi

• Cl/Mg dan Cl(Mg+Ca) rendah• Ca/Mg sangat rendah

ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR LAUT

• Na/Mg Rendah• Cl(HCO3 + CO3) rendah• Na/Li tinggi

ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR DINGIN

• Na/B sama disemua tempat • Cl/B sama disemua tempat

AIR BERASAL DARI SATU SUMBER

• Na/K tinggi (15-25 ppm) AIR DARI SUMBERNYA TIDAK

LANGSUNG MENGALIR KE PERMUKAAN

• SiO2/K di perm. > di bawah perm.ADA PENCAMPURAN DENGAN AIR BERTEMPERATUR TINGGI

• Cl/SO4 rendah • Cl/B rendah

AIR BERASAL DARI SUATU SUMBER AIR YANG

DIPANASI UAP• Ca/Mg tinggi• Cl(HCO3 + CO3) tinggi• Na/Li tinggi

AIR MENGALIR LANGSUNG DARI SUMBERNYA

• SiO2/K di perm = di bawah permDALAM PERJALANANNYA KE PERMUKAAN PENGENDAPAN

SILIKA SANGAT KECIL

SUMBER AIR BERTEMPERATUR TINGGI

• Na/Ca tinggi• Na/Mg tinggi• Cl/Mg dan Cl(Mg+Ca) tinggi • Cl/SO4 tinggi• Ca/HCO3 • Na/K rendah (12-15 ppm) • Cl/F tinggi

Geochemist Downhole Sampling

(Wells)

Analisa Kimia

KEGUNAAN DATA KIMIA PADA TAHAP PEMBORAN

1. Memperkirakan komponen dan sifat kimia fluida reservoir (Untuk modifikasi “conceptual Model”)

2. Memperkirakan kedalaman pusat - pusat rekahan (feed zones) di sumur

3. Memperkirakan luas reservoir

• Analisa chloride dari berbagai sumur Dipetakan dapat diperoleh ⇒ ⇒gambaran mengenai upflow & outfow area

4. Menentukan entalpy fluida

5. Memonitor natural surface features

• Kandungan kimia dalam srpings & fumarcole diukur pada waktu pemboran & pengujian.

KEGUNAAN DATA KIMIA PADA TAHAP PEMBORAN

Kegunaan Data Kimia Pada Tahap Produksi

GEOCHEMIST• Sampling :

• Two phase lines• Separated water lines• Steam lines• Surface features

ANALISA KIMIA

SURFACE SAMPLING

(WELLS)

Kegunaan Data Kimia Pada Tahap Produksi

1. Memonitor kandungan kimia fluida sumur, untuk mendapatkan informasi mengenai: • Reinjection returns (Diindikasikan oleh adanya peningkatan kandungan Chlorida). • Penurunan enthalphy fluida (Diindikasikan oleh adanya penurunan konsentrasi Silika). • Masuknya air hasil pemanasan uap kedalam reservoir . Hal ini diindikasikan oleh adanya peningkatan ratio Sulphate/ Chloride. • Perubahan tingkat pendidihan air . Hal ini dapat diketahui dari perbandingan CO2/H2S • Perubahan zona produksi di dalam sumur. • Perubahan potensi scaling • Perubahan pH air reservoir .2. Memonitor kandungan kimia air injeksi.3. Problem solving.

Kegunaan Data Kimia Pada Tahap Perencanaan Dan Konstruksi

Konsentrasi silica

Banyaknya & jenis gas dalam uap

Data kimia air & gas

Chemistry of cooling water circuit

Environmental Planning

Chemistry of Production wells

Silica scaling in separated water pipeline & Reinjection wellsPerlu ditentukan :♦ Besarnya tubing inlet press♦ Besarnya temperatur air yang akan diinjeksikan

• Design condensor�• Sice condensor�• Pompa yang dibutuhkan�• Design turbine�• Steam & water pipelines�• Condensor�• Turbin blades�• Valves�• Compensatore�• Cooling towers�• Pompa�

• Design cooling tower• Materials

• �Likely gas emissions from cooling tower• Disposal of condensate blow down�• Disposal of gas extraction effluent�• Power station acoupational heath�• Effects of spills & breaks in pipe lines�• Water right hearings & envionmental impact �

reports

Fleld & clarification of conc. model

Cara untuk mengetahui seberapa baik analisa kimia yang kita miliki

Perbandingan jumlah [ion positif] dan [ion

negatif] adalah sama

Ion Balance ≤ 5%, menunjukkan analisa

yang baik

Ion Balance

∑ M×n=0

∑ mi× zi=0

Molaritas

Valensi IonMolalitas

Valensi Ion

∑ M×n=0∑ mi× zi=0

Perhitungan perbandingan jumlah [ion positif] dan [ion negatif] adalah sama

Molaritas Valensi IonMolalitasValensi Ion

Konversi konsentrasi ci dalam mg/kg atau mg/L ke konsentrasi molal mi dalam mol/kg atau molar mol/L

mengikuti persamaan:

M=CiMr m=

C iMr

Ion Balance ≤ 5%, menunjukkan analisa

yang baik

∆Charge%=∑ kation+∑ anion

|∑ kation|+|∑ anion|×100%

LokasiNa K Mg Ca Cl SO4 HCO3

∑Kation ∑Anionmg/kg

Wairakei 1070 102 0.4 26 1770 26 76

Waitangi 285 24 9 17 364 49 202

WhiteIsland 5910 635 3800 3150 38700 4870 -

46.5 2.6 0.02 0.65 49.8 0.3 1.2

12.4 0.6 0.4 0.42 10.2 0.5 3.3

272 17.2 166 84 1156 54 -

50.5 -51.6

14.6 -14.5

791 -1264

1.1%

0.3%

23%

Kelayakan Hasil Analisa

Mol /kg

Mol /kg

Mol /kg

Terjadi pemisahan 2 fasa fluida, yaitu air dan uap.

Non-Volatil components (tidak mudah menguap)

Volatil components (mudah menguap)

Entalpi liquid (Hliq) Entalpi vapour (Hvap)

Terjadi di bagian atas, yaitu pada kedalaman < 2 km.

Pengaruh Boiling terhadap Komposisi Fluida

Tfluida < TS Liquid

Tfluida > Ts Steam

Tfluida = TS Steam + Liquid

tidak ada perubahan entalpi

Asumsi

Adiabatik Isentalpi

Boiling:x = fraksi air yang terbentuky = fraksi uap yang terbentukx + y = 1 (atau 100%)

tidak ada panas yang hilang

hres = hperm

BOILING DAN UAP YANG TERBENTUK

Fluida panas bumi bertemperatur 265oC dan muncul di permukaan dan mendidih. Berapa uap yang terbentuk oleh proses mendidih ini?Isentalpi/Adiabatik Hres,265 = x Hl,100 + y Hv,100

x + y = 1Hres,265 = (1-y) Hl,100 + y Hv,100

Hres,265 – Hl,100y = ----------------- Hv,100 – Hl,100

Hres265 = 1159 J/gm Hl,100 = 419 J/gmHv,100 = 2676 J/gm

y = 0,327 Uap yang terbentuk adalah 33%x = 1 - 0,327 = 0,673 Fluida sisa/residual adalah 67%

BOILING DAN UAP YANG TERBENTUK

Berapa konsentrasi Cl di permukaan , apabila fluida reservoir yang suhunya 2560C mengandung Cl dengan konsentrasi 1145 mg/kg?

Mass balance Cll,265 = x Cll,100 + y Clv,100

Cll,265 = x Cll,100

Cll,265 Cll,265Cll,100 = -------- = --------

x (1 – y)

1145 Cll,100 = -------- = 1701 mg/kg

0,673

TERIMA KASIH