Paper Rheologi

PERALATAN PENGEBORAN MINYAK DAN GAS

TUGAS PAPER

PENJELASAN RHEOLOGI FLUIDA DAN APLIKASINYA

PADA PROSES PENGEBORAN MINYAK DAN GAS

Dosen : Ir. Warjito M.Sc., Ph.D

Disusun Oleh :

Mario Muhammad (1206217295)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS INDONESIA

2015

[Pick the date] [Type the document title]

A. Pengertian Rheologi

Rheologi berasal dari Bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti mengalir dan logos berarti ilmu. Dengan kata lain, rheologi adalah istilah yang menggambarkan mengenai studi mengenai aliran suatu cairan. Namun pembahasan rheologi tidak hanya sebatas cairan saja melainkan juga membahas karakteristik deformasi plastis suatu benda padat ketika diberikan gaya. Rheologi mempejari hubungan antara tegangan geser (shear stress) dengan kecepatan geser (shear rate) pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda padat. Rheologi sangat erat kaitannya dengan viskositas (kekentalan).

Dalam mekanika fluida, rheologi adalah ilmu tentang bagaimana fluida mengalir dan berubah bentuk ketika diberikan gaya. Sifat rheologi didasarkan pada respon dan deformasi cairan ketika diberikan gaya normal atau tangensial. Suatu fluida akan mengalir karena adanya tekanan yang diberikan. Tekanan yang diberikan pada suatu benda dengan arah tegak lurus disebut normal stress sedangkan apabila sejajar dengan benda disebut dengan tegangan geser (shear stress).

Suatu elemen fluida yang tidak diberi gaya tidak akan mengalir karena didalam fluida tersebut terdapat suatu hambatan yang menahan aliran, disebut dengan viskositas. Secara molekuler, viskositas fluida terjadi disebabkan oleh gerakan acak dari molekul yang berpindah dari suatu lapisan ke lapisan lain dan resultan dari gerak tersebut menghasilkan suatu hambatan (drag).

Secara umum terdapat dua jenis sifat fluida, yaitu fluida newtonian dan fluida non-newtonian. Fluida newtonian memiliki karakteristik yaitu hubungan antara nilai tegangan geser dengan kecepatan gesernya akan berupa garis lurus (linier) jika diplot dalam kurva shear stress-shear rate. Contoh fluida newtonian adalah air dan udara. Sementara fluida non-newtonian tidak memenuhi ketentuan diatas. Sebagian besar jenis fluida di dunia ini adalah fluida non-newtonian.

Gambar 1. Kurva - Stress - Strain Rate Berbagai Macam Fluida

[Type text] Page 1


Dari kurva diatas dapat dilihat perbedaan mendasar antara fluida newtonian dengan non-newtonian. Fluida newtonian memiliki kurva yang linier sementara fluida non-newtonian memiliki kurva yang tidak linier. Ciri khas lainnya yang membedakan antara fluida newtonian dan non-newtonian adalah bahwa fluida newtonian nilai viskositasnya tetap (konstan) pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung oleh shear rate. Sementara pada fluida non-newtonian, nilai viskositasnya berubah-ubah bergantung pada besarnya shear stress yang diberikan pada fluida.

Beberapa jenis fluida non-newtonian dapat dikelompokkan lagi berdasarkan karakteristik kurvanya yaitu fluida pseudoplastik (shear thickening), fluida dilatan (shear thinning) dan plastik Bingham.

1. Plastik Bingham

Fluida yang termasuk dalam kategori plastik Bingham tidak akan mengalir sebelum suatu gaya tertentu dilampauinya. Gaya tersebut disebut dengan yield value. Pada nilai tegangan dibawah yield value fluida akan bertindak sebagai bahan elastik sedangkan diatas harga ini fluida akan mengikuti hukum Newton (kurva berbentuk linier).

2. Fluida pseudoplastik (shear thickening)

Viskositas fluida pseudoplastik akan berkurang dengan naiknya shear rate. Berbeda dengan plastik Bingham, pada fluida pseudoplastik tidak terdapat nilai yield value. Karena kurva tidak mempunyai bagian yang linier maka fluida pseudoplastik tidak mempunyai harga viskositas yang tetap.

3. Fluida dilatan (shear thinning)

Berkebalikan dengan fluida pseudoplastik, viskositas fluida dilatan akan bertambah dengan naiknya shear rate. Persamaannya dengan fluida pseudoplastik adalah fluida jenis ini juga tidak memiliki nilai viskositas yang tetap karena kurvanya tidak linier.

Selain itu dalam beberapa kasus, ditemukan fluida yang memiliki karakteristik rheologi yaitu nilai viskositasnya berubah terhadap waktu. Fluida jenis ini terbagi menjadi 2 yaitu tiksotropik dan antitiksotropik. Fluida tiksotropik mengalami penurunan viskositas apabila diberikan tekanan konstan terus-menerus sepanjang waktu. Kebalikannya, fluida antitiksotropik mengalami kenaikan nilai viskositas apabila diberikan perlakuan serupa.

B. Parameter-Parameter pada Rheologi dan Cara Pengukurannya

Parameter yang paling utama dalam pembahasan mengenai rheologi fluida adalah shear stress, shear rate dan viskositas. Shear stress (τ) adalah parameter untuk menyatakan besarnya gaya per satuan luas yang diperlukan untuk menyebabkan fluida mengalami deformasi

[Type text] Page 2


(mengalir). Rumus matematis dari shear stress adalah besarnya gaya tekan (F) dibagi dengan luas penampang materi yang menekan. Shear rate adalah parameter yang menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara dua bidang cairan yang dipisahkan oleh suatu jarak dr.

Untuk melakukan pengukuran terhadap shear stress dan shear rate pada fluida, umumnya digunakan alat ukur yaitu rheometer. Terdapat 2 tipe umum dari alat ukur rheometer. Rheometer yang dapat mengatur nilai shear stress yang diberikan pada fluida yang akan diukur disebut rotational atau shear rheometer. Rheometer yang memberikan stress tambahan (selain shear stress) pada fluida yang akan diukur disebut extensional rheometer.

Gambar 2. Skematik Pengukuran dengan Rheometer (kiri), Rotational Rheometer (kanan)

Gambar diatas adalah skematik proses pengukuran shear stress dan shear rate fluida menggunakan rheometer jenis cone and plate (paling umum digunakan). Sampel fluida yang diuji diletakkan diantara pelat yang menekan fluida dari atas dan bawah. Pada pelat tersebut telah terpasang sensor untuk mengukur parameter-parameter yang dibutuhkan. Pada bagian bawah pelat terdapat alat kontrol temperatur untuk menjaga atau mengubah temperatur sesuai dengan yang diinginkan pemakai.

Pengukuran dilakukan dengan memberikan stress kepada fluida melalui pelat yang digerakkan oleh motor. Setelah beberapa saat, sensor akan memberika data-data dan mengirimkannya ke komputer untuk dilakukan pengolahan. Komputer akan menampilkan hasil pengukuran shear stress dan shear rate dari fluida yang diuji.

Dalam industri minyak dan gas bumi, beberapa rheometer digunakan untuk mengukur parameter-parameter rheology pada drilling fluid. Jenis rheometer yang sering dipakai adalah rotational cylinder rheometer. Gambar 3 dibawah menggambarkan bagian-bagian dari rotational cyinder rheometer. Sebuah pipa annulus dimasukkan kedalam fluida yang akan diukur yang telah berada dalam sample cup. Sample cup kemudian diletakkan pada base, dan annulus

[Type text] Page 3


disambungkan dengan sensor defleksi berupa pegas. Ketika motor dinyalakan maka pipa didalam annulus akan berputar dalam kecepatan tetap dan sensor akan membaca data yang akan dikirim dan diolah ke komputer.

Gambar 3. Rotational Cylinder Rheometer

Selain 2 tipe yang telah disebutkan diatas, terdapat beberapa tipe lainnya dari rheometer antara lain :

Dynamic shear rheometer, umumnya digunakan pada quality control industri-industri manufaktur.

Capillary rheometer, fluida diberikan tekanan dan dialirkan ke pipa yang telah dilengkapi sensor-sensor untuk pengukuran.

Linear shear rheometer, menggunakan probe linear untuk memberikan tekanan pada fluida ukur. Gaya geser diukur dengan menggunakan load cell dan shear strain diukur menggunakan linear variable differential transformer (LVDT).

Rheometer-rheometer yang telah disebutkan diatas semuanya adalah tipe shear rheometer dimana tegangan yang diberikan kepada fluida ukur hanya berupa tegangan geser (shear stress). Seperti telah disebutkan sebelumnya diatas, terdapat tipe rheometer yang memberikan tegangan selain tegangan geser kepada fluida ukur yang disebut extensional rheometer.

Extensional rheometer terdiri lagi dari beberapa tipe yang didasarkan pada range viskositas fluida yang akan diuji. Rheometer jenis ini biasanya digunakan untuk melakukan pengukuran rheologi pada material yang mengalami deformasi tarik (tensile deformation). Jenis deformasi ini sangat banyak terjadi pada industri-industri manufaktur seperti pada mesin

[Type text] Page 4


ekstrusi, injection molding, fiber spinning dan sebagainya. Selain itu dapat juga terjadi pada proses seperti pada proses dekohesi pada adhesive, pompa sabun atau pada proses handling makanan-makanan yang mengandung cairan.

Selain shear stress dan shear rate, parameter lainnya yang diukur dalam pembahasan mengenai rheologi fluida adalah viskositas. Viskositas adalah ketahanan untuk mengalir dari suatu fluida yang mendapatkan tekanan. Makin kental suatu cairan, makin besar gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu. Viskositas pada awalnya diselidiki oleh Sir Isaac Newton yaitu dengan mensimulasikan zat cair dalam bentuk tumpukan kartu seperti pada gambar berikut :

Gambar 4. Simulasi Viskositas Fluida oleh Sir Isaac Newton

Zat cair diasumsikan terdiri dari lapisan-lapisan molekul yang sejajar satu sama lain. Lapisan paling bawah dijaga tetap diam, sedangkan lapisan fluida diatasnya bergerak dengan kecepatan konstan sehingga setiap lapisan akan bergerak dengan kecepatan yang berbanding langsung dengan jarak terhadap lapisan terbawah yang nilainya tetap. Perbedaan kecepatan dv antara dua lapisan yang dipisahkan jarak dx disebut shear rate (dv/dx). Sedangkan gaya per satuan luas yang dibutuhkan untuk mengalirkan zat cair tersebut adalah shear stress, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya.

Viskositas sendiri merupakan perbandingan antara shear stress dan shear rate dari suatu fluida. Viskositas dinyatakan dalam bentuk μ. Satuan dari viskositas adalah N.s/m2. Viskositas juga sering dinyatakan dengan perbandingannya dengan densitas fluida yang disebut viskositas kinematik. Sementara viskositas yang disebut diatas adalah viskositas dinamik.

Setiap jenis fluida memiliki ciri khas viskositasnya tersendiri. Bila viskositas gas meningkat dengan naiknya temperatur maka viskositas cairan justru akan menurun jika temperatur dinaikkan. Kemampuan mengalir (fluidity) dari suatu cairan yang merupakan kebalikan dari viskositas akan semakin meningkat dengan makin tingginya temperatur.

Efek dari temperatur terhadap viskositas dapat diaproksimasi menggunakan dua pendekatan empirik. Untuk fluida gas (fluida kompresibel), digunakan Persamaan Sutherland, yaitu :

μ=CT 3 / 2

T +S

[Type text] Page 5


Dimana nilai C dan S adalah konstanta empirik dan T adalah temperatur absolut. Nilai C dan S didapat melalui eksperimen. Sementara untuk cairan maka persamaan matematis yang digunakan adalah :

μ=DeB /T

Dimana nilai B dan D adalah konstanta empirik dan T adalah temperatur absolut. Persamaan ini disebut sebagai Persamaan Andrade. Nilai konstanta empirik dari persamaan diatas juga didapat melalui eksperimen.

Pada viskositas dalam zat cair gaya yang paling berperan adalah gaya kohesi antar partikel zat cair. Dalam kasus gas, yang berperan adalah gaya akibat tumbukan antar molekul-molekul dalam gas. Suatu fluida yang mudah mengalir berarti memiliki nilai viskositas yang rendah sementara fluida-fluida yang sulit mengalir artinya memiliki viskositas yang tinggi. Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua buah bidang sejajar yang dilapisi fluida tipis diantara kedua bidang tersebut.

Berdasarkan hubungan antara viskositas dengan shear stress dan shear rate maka dapat dinyatakan bahwa makin besarnya viskositas akan makin besar pula shear stress yang dibutuhkan untuk menggerakkan fluida. Hal tersebut sesuai dengan pemahaman diatas bahwa viskositas yang besar membuat fluida sulit untuk bergerak.

Berhasil atau tidaknya penentuan dan evaluasi sifat-sifat rheologis suatu fluida bergantung pada pengukuran viskositas fluida. Untuk menentukan viskositas fluida pada umumnya digunakan alat ukur berupa viskometer. Viskometer umumnya digunakan untuk mengukur viskositas fluida yang tidak berubah pada suhu dan tekanan yang tetap. Jika viskositas fluida berubah dikarenakan perubahan kondisi aliran maka rheometer lebih utama digunakan untuk mengukur viskositas.

Secara umum, prinsip kerja viskometer adalah membuat sebuah benda untuk bergerak melintasi fluida yang diam (fluida yang akan diukur) atau sebaliknya. Gaya gesek (drag) yang disebabkan oleh kecepatan relatif fluida dan permukaan adalah ukuran dari besarnya viskositas suatu fluida.

Beberapa tipe dari viskometer yang sering digunakan adalah :

1. Viskometer kapiler/Ostwald

Viskositas dari fluida bisa ditentukan dengan menggunakan viskositas kapiler/ Ostwald. Cara kerjanya adalah dengan mengukur waktu yang dibutuhkan oleh fluida untuk melintasi 2 tanda ketika ia mengalir karena pengaruh gravitasi (Gambar 5). Waktu alir dari fluida yang diuji dibandingkan dengan waktu suatu zat yang viskositasnya sudah diketahui (contohnya air) ketika melewati 2 tanda tersebut. Berikut adalah ilustrasi dari viskometer kapiler/Otswald.

[Type text] Page 6


Gambar 5. Viskometer Kapiler/Otswald

2. Viskometer Hoppler

Viskometer Hoppler mengukur viskositas dengan cara menghitung kecepatan bola yang bergerak melewati fluida. Bola memasuki fluida akibat gaya gravitasi namun akan dihentikan oleh fluida dengan menggunakan gaya angkat (buoyancy) dan juga gaya viskos. Dengan mengukur kecepatan bola saat berada dalam fluida maka viskositas fluida dapat diketahui.

Gambar 6. Viskometer Hoppler

3. Viskometer Cone and Plate

Cara penggunaannya adalah sampel fluida ditempatkan di tengah-tengah papan, kemudian dinaikkan hingga posisi fluida tersebut tepat di bawah kerucut (Gambar 7). Kerucut digerakkan oleh sistem penggerak berupa motor dan menyebabkan fluida mengalami stress. Dengan mengukur perpindahan fluida akibat stress maka viskositas fluida akan didapatkan. Prinsip kerjanya hampir sama dengan rheometer cone and plate.

[Type text] Page 7


Gambar 7. Viskometer Cone and Plate

Selain jenis-jenis viskometer yang telah disebutkan diatas masih terdapat banyak jenis-jenis viskometer lainnya diantaranya adalah :

Viskometer piston, menggunakan naik-turunnya gerakan piston untuk memberikan gaya kepada fluida ukur.

Viskometer vibrasi, menggunakan getaran dan menghitung deformasi akibat getaran tersebut pada fluida ukur.

Viskometer EMS (Electromagnet Sphere), menggunakan bola (sphere) yang berputar akibat gaya elektromagnetik untuk memberi gaya kepada fluida ukur.

Dan lain-lain.

C. Aplikasi Rheologi pada Proses Pengeboran Minyak dan Gas

[Type text] Page 8

Documents

Paper Rheologi