30Geologi Energi

Minyak bumi adalah sisa organisme mikroskopis yang terkubur bersama lumpur lalu dimasak selama jutaan tahun pada sekitar $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; energi panas bumi adalah kehangatan Bumi yang sama, yang diambil secara langsung. Keduanya dikendalikan oleh suhu dan waktu: yang pertama oleh laju suatu reaksi kimia ketika batuan yang terkubur perlahan-lahan menghangat, yang kedua oleh banyaknya panas yang disimpan suatu volume batuan dan seberapa cepat air dapat membawanya ke sumur. Bab ini mengkuantifikasi sistem petroleum, lalu beralih ke sumber daya yang tidak memiliki salah satu unsurnya, ke panas bumi dan ke uranium, dan diakhiri dengan operasi kebalikannya: mengembalikan karbon dioksida ke bawah tanah.

Yang sudah kamu ketahui

Dari volume-volume sekolah: batuan sumber, kerogen, pematangan, jendela minyak, migrasi, batuan reservoir, batuan penutup, perangkap, batuan penimbun, dan sistem petroleum; batu bara dan peringkat batu bara; energi panas bumi. Dari volume Tahun 1: aliran panas dan geoterm; porositas dan permeabilitas; tekanan fluida pori, tegangan efektif, dan kriteria Coulomb; log lubang bor; cekungan sedimen dan penurunan cekungan. Dari buku-buku kimia: hukum Arrhenius, energi aktivasi, reaksi orde pertama. Dari buku-buku fisika: peluruhan radioaktif, konstanta peluruhan, waktu paruh; titik kritis suatu fluida. Dari Bab 16: kurva penurunan. Dari Bab 29: tipe endapan bijih, tonase.

30.1 Sistem petroleum secara kuantitatif

Suatu sistem petroleum memerlukan batuan sumber yang kaya kerogen, reservoir, batuan penutup, perangkap, dan batuan penimbun yang cukup tebal untuk memanaskan batuan sumber, dan peristiwa-peristiwanya harus terjadi dalam urutan yang benar: perangkap harus sudah ada ketika minyak bermigrasi. Mengkuantifikasinya berarti menjawab tiga pertanyaan: jenis kerogen apa yang dikandung batuan sumber, sejauh mana kerogen itu telah terkonversi, dan berapa banyak hasilnya yang berada di dalam perangkap.

Definisi 30.1 (Tipe kerogen, diagram van Krevelen)

Yang disebut tipe kerogen adalah ketiga golongan kerogen menurut komposisi unsurnya: tipe I, sapropelik, yang paling kaya hidrogen, yang terutama menghasilkan minyak; tipe III, humik atau bersifat batu bara, miskin hidrogen, yang terutama menghasilkan metana; dan tipe II, peralihan, sumber minyak sekaligus gas. Yang disebut diagram van Krevelen adalah grafik rasio atom H/C suatu kerogen terhadap rasio atom O/C-nya; tipe-tipe itu menempati wilayah yang berbeda di dalamnya, dan pematangan menggeser kerogen ke arah H/C rendah dan O/C rendah.

Tujuh kerogen belum matang yang tipenya diketahui, yang dianalisis dalam satu kajian laboratorium, memiliki H/C atom 1.51 dan 1.61 (tipe I, di antaranya serpih minyak Green River di Utah, yang diendapkan di danau dan kaya akan sisa alga), 1.22 sampai 1.28 (tipe II, di antaranya Kimmeridge Clay di Laut Utara), 1.13 (tipe campuran II/III), dan 0.99 (tipe III, batu bara Cameo di Colorado). Kerogen Green River, dengan $77\,\%$ karbon menurut massa, rata-rata berkomposisi C$_{100}$H$_{150}$N$_3$O$_8$S: H/C 1.50 dan O/C 0.08. Bila dipanaskan di laboratorium dengan laju $10\,\mathrm{K}$ per menit, kerogen itu meninggalkan residu yang H/C-nya turun menjadi 1.20 pada $460\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan 0.54 pada $525\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, sementara O/C-nya turun dari 0.08 menjadi sekitar 0.01: lintasan yang digambar di sisi kiri gambar di bawah.

Konversi kerogen menjadi petroleum adalah sekumpulan reaksi orde pertama, yang masing-masing mematuhi hukum Arrhenius. Di dalam cekungan yang mengalami penurunan, suhu batuan sumber naik secara perlahan dan hampir dengan laju tetap, sehingga hasil berikut menjadi inti model-model pematangan.

Proposisi 30.2 (Reaksi orde pertama pada laju pemanasan tetap)

Misalkan suatu reaksi orde pertama dengan konstanta laju $k = A\,e^{-E/RT}$ berlangsung dalam bahan yang dipanaskan dengan laju tetap $\beta = \mathrm{d}T/\mathrm{d}t$ sejak suhu $T_0$ yang membuat $k$ dapat diabaikan. Fraksi yang belum terkonversi pada suhu $T$ adalah

$$x(T) = \exp\Bigl[-\frac{A}{\beta}\int_{T_0}^{T} e^{-E/RT'}\,\mathrm{d}T'\Bigr] \approx \exp\Bigl[-\frac{A R T^2}{\beta E}\,e^{-E/RT}\Bigr] ,\tag{30.1}$$

dengan pendekatan itu berlaku bila $E/RT \gg 1$; rasio transformasinya adalah $1 - x$.

Ada dua akibat. Konversi terjadi dalam rentang suhu yang sempit, karena $e^{-E/RT}$ berubah begitu cepat (latihan 30.11). Dan pemanasan yang lebih lambat mengonversi pada suhu yang lebih rendah: dengan $x = 1/2$, laju pemanasan yang sepuluh kali lebih cepat menaikkan suhu konversi separuh sekitar $(RT^2/E)\ln 10$. Kinetika kerogen Green River, yang dicocokkan dengan pirolisis laboratorium, adalah $A = 9.21 \times 10^{13}\,\mathrm{s}^{-1}$ dan $E/R = 26\,800\,\mathrm{K}$ ($E = 223\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$); dengan energi tunggal ini, konversi separuh terjadi pada $136.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ untuk $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$ dan pada $150.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ untuk $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$, pergeseran $14.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dibandingkan dengan $6.26 \times \ln 10 = 14.4\,\mathrm{K}$ yang diramalkan. Bila dipanaskan dengan laju $10\,\mathrm{K}$ per menit, kerogen yang sama terkonversi di dekat $450\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (latihan 30.6): waktu menggantikan suhu, itulah sebabnya kinetika diukur dengan pirolisis pada sekitar 250 sampai $600\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan mengapa mengekstrapolasinya melintasi dua belas orde besaran laju pemanasan membuat kedalaman jendela minyak yang diramalkan menjadi tidak pasti.

Kerogen yang sebenarnya memiliki ikatan dengan berbagai kekuatan, sehingga kinetikanya berupa distribusi energi aktivasi, yang setiap fraksinya mematuhi proposisi itu; untuk kerogen Green River distribusinya normal, dengan simpangan baku $\sigma/R = 481\,\mathrm{K}$. Distribusi itu menyebarkan konversi, seperti diperlihatkan sisi kanan gambar: pada $150\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ kerogen yang dipanaskan dengan laju $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$ telah $93\,\%$ terkonversi, sedangkan yang dipanaskan sepuluh kali lebih cepat baru $48\,\%$.

Definisi 30.3 (Reflektansi vitrinit, indeks waktu–suhu)

Yang disebut reflektansi vitrinit, $R_o$, adalah persentase cahaya datang yang dipantulkan oleh butir-butir vitrinit yang dipoles, suatu komponen organik batu bara dan kerogen, yang diukur di bawah mikroskop; nilainya naik secara tak terbalikkan dengan pemanasan dan merekam kematangan termal tertinggi yang pernah dicapai suatu batuan. Yang disebut indeks waktu–suhu (TTI) Lopatin adalah jumlah $\sum_n \Delta t_n\,2^n$ atas selang-selang $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ yang telah dilalui suatu batuan, dengan $\Delta t_n$ waktu dalam juta tahun yang dilewatkan dalam selang bernomor $n$, dengan $n = 0$ untuk 100 sampai $110\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $n = 1$ untuk 110 sampai $120\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $n = -1$ untuk 90 sampai $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan seterusnya.

Pada skala reflektansi, pembentukan minyak dari kerogen tipe I dan II dimulai di dekat $R_o = 0.60\,\%$; di atas 1.20 sampai $1.30\,\%$ minyak tidak stabil dan terurai menjadi metana; tipe III mulai menghasilkan metana di dekat $0.73\,\%$, dan pembentukan gas berlanjut sampai sekitar $4.8\,\%$. Model-model menghitung $R_o$ seperti menghitung kerogen: model Easy%Ro memperlakukan vitrinit sebagai dua puluh reaksi orde pertama paralel dengan $A = 10^{13}\,\mathrm{s}^{-1}$ dan energi dari 34 sampai $72\,\mathrm{kcal}/\mathrm{mol}$ (142 sampai $301\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$), dan memetakan fraksi terkonversinya $F$, paling besar 0.85, ke $R_o = \exp(-1.6 + 3.7F)$, yang berkisar dari 0.20 sampai $4.7\,\%$.

Reflektansi dihitung dengan cara yang sama di sepanjang setiap horizon suatu cekungan. Dalam cekungan rekaan pada gambar di bawah, sedimen terakumulasi dengan laju $100\,\mathrm{m}$ per juta tahun dari 100 sampai $70\,\mathrm{Ma}$, lalu $35\,\mathrm{m}$ per juta tahun, di bawah permukaan bersuhu $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan dengan gradien tetap $30\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. Horizon tertuanya mencapai $R_o = 0.6\,\%$ pada $67.6\,\mathrm{Ma}$, pada $3080\,\mathrm{m}$ dan $102\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dan $1.3\,\%$ pada $11.6\,\mathrm{Ma}$, pada $5040\,\mathrm{m}$ dan $161\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; kini horizon itu terletak pada $5450\,\mathrm{m}$ dan $173.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan $R_o = 1.54\,\%$. Karena geotermnya tetap, front-front reflektansi hampir mengikuti isoterm, dengan awal pembentukan minyak di dekat $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, di dalam rentang 60 sampai $120\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dari volume-volume sekolah.

TTI lebih tua dan lebih kasar. Indeks ini mengandaikan bahwa laju pematangan berlipat dua setiap kenaikan $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, seperti yang terjadi pada hukum Arrhenius dengan $E \approx 82\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ di dekat $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (latihan 30.5); pada skala ini Waples menempatkan awal pembentukan minyak pada TTI 15, puncaknya pada 75, dan akhirnya pada 160.

Metode 30.4 (Menghitung indeks waktu–suhu)

Datanya adalah sejarah penimbunan batuan sumber dan geoterm, yang diandaikan tetap.

1. Lintasan suhu. Ubah kedalaman menjadi suhu pada setiap waktu: suhu permukaan ditambah gradien kali kedalaman.
2. Waktu dalam selang. Tentukan waktu $\Delta t_n$ yang dilewatkan dalam setiap selang $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; bila laju pemanasan $\beta$ tetap, $\Delta t_n = 10\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\beta$.
3. Jumlahkan. Jumlahkan hasil kali $\Delta t_n\,2^n$ menurut urutan waktu; awal, puncak, dan akhir pembentukan minyak tercapai ketika jumlah berjalannya melewati 15, 75, dan 160.

Model cekungan menyatakan konversi sebagai rasio transformasi: fraksi potensi hidrokarbon awal suatu batuan sumber yang telah terkonversi. Dalam satu model suatu cekungan di California, ekspulsi dari batuan sumber dianggap dimulai pada rasio $10\,\%$, memuncak pada $50\,\%$, dan berakhir pada $95\,\%$. Minyak yang terekspulsi, lebih ringan daripada air, bermigrasi ke atas ke dalam batuan reservoir yang permeabel, dan tertahan di tempat batuan penutup menutup suatu perangkap.

Proposisi 30.5 (Minyak di tempat)

Misalkan suatu perangkap memiliki luas $A$ dan reservoir dengan ketebalan bersih $h$, porositas $\phi$, dan saturasi air $S_w$, dan misalkan $B_o$ adalah faktor volume formasi minyaknya, yaitu rasio volume yang ditempati sejumlah minyak di dalam reservoir terhadap volumenya di permukaan. Yang disebut minyak tangki stok awal di tempat, yaitu volume minyak yang diukur di permukaan, adalah

$$\mathrm{STOIIP} = \frac{A\,h\,\phi\,(1 - S_w)}{B_o} .\tag{30.2}$$

Definisi 30.6 (Faktor perolehan)

Yang disebut faktor perolehan suatu reservoir adalah fraksi minyak (atau gas) awal di tempat yang diproduksi sepanjang umurnya.

Produksi primer dan perolehan sekunder dengan injeksi air bersama-sama biasanya memperoleh 30 sampai $40\,\%$ minyak di tempat; injeksi karbon dioksida memperoleh 10 sampai $15\,\%$ lagi. Suatu perangkap seluas $10\,\mathrm{km}^{2}$ dengan $30\,\mathrm{m}$ reservoir bersih, porositas 0.20, saturasi minyak 0.70, dan $B_o = 1.2$ memuat $3.5 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$ minyak tangki stok, yang 1.05 sampai $1.4 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$ di antaranya akan terproduksi.

30.2 Sumber daya nonkonvensional

Definisi 30.7 (Reservoir nonkonvensional)

Yang disebut reservoir nonkonvensional adalah batuan dengan permeabilitas yang begitu rendah sehingga minyak atau gas di dalam pori-pori mikroskopisnya tidak dapat mengalir ke sumur dengan laju ekonomis tanpa stimulasi buatan; batuan ini diproduksi melalui sumur yang dibor secara horizontal di sepanjang batuan itu dan direkahkan secara hidraulik. Minyak serpih dan gas serpih tersimpan di dalam batuan sumber itu sendiri, gas ketat di dalam batu pasir dan karbonat berpermeabilitas rendah.

Jadi, suatu sasaran nonkonvensional adalah batuan sumber, atau batuan di sampingnya, yang menyimpan sebagian dari apa yang dihasilkannya. Produk yang dikandungnya ditentukan oleh kematangannya: serpih di dalam jendela minyak memuat minyak, serpih yang telah melewati $R_o \approx 1.3\,\%$ memuat gas. Produksi gas serpih berskala besar dimulai sekitar 2000 di Serpih Barnett, Texas, dan sebagian besar pertumbuhan produksi gas Amerika Serikat sejak 2005 berasal dari pengeboran horizontal dan perekahan hidraulik di serpih, batu pasir, karbonat, dan formasi ketat lainnya; gas juga diproduksi dari lapisan batu bara.

30.3 Energi panas bumi

Definisi 30.8 (Sistem panas bumi, panas di tempat, kelas entalpi, EGS)

Yang disebut sistem panas bumi adalah volume kerak tempat panas, permeabilitas, dan air berkumpul sehingga air panas atau uap dapat diproduksi dari sumur. Yang disebut panas di tempat suatu reservoir adalah panas yang akan dilepaskannya ketika mendingin dari suhunya ke suatu suhu acuan. Yang disebut sumber daya entalpi tinggi adalah sistem panas bumi di atas sekitar $150\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; sumber daya entalpi rendah adalah sistem di bawah sekitar $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; di antara keduanya sumber dayanya disebut sedang. Ketiganya cocok untuk pemanfaatan panas secara langsung, tetapi umumnya hanya kelas sedang dan tinggi yang dapat membangkitkan listrik. Yang disebut sistem panas bumi yang ditingkatkan (EGS) adalah tubuh batuan panas berpermeabilitas alami rendah yang permeabilitasnya diciptakan dengan rekayasa, sehingga air dapat dialirkan melaluinya dan panasnya diperoleh.

Proposisi 30.9 (Panas di tempat dan daya yang dapat diperoleh)

Suatu reservoir dengan volume $V$, suhu rata-rata $T_R$, dan kapasitas kalor volumetrik $C$ (batuan dan fluida pori bersama-sama) menyimpan, di atas suhu acuan $T_0$, panas

$$q_R = C\,V\,(T_R - T_0) .\tag{30.3}$$

Jika sebagian $R_g$ darinya mencapai kepala sumur selama waktu produksi $\tau$, daya termal rata-rata yang diproduksi adalah $P = R_g\,q_R/\tau$.

Penilaian sumber daya memakai metode volume ini dengan suhu acuan $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Faktor perolehan $R_g$ adalah bagian yang tidak pasti: penilaian awal mengambil 0.25, antara 0 dan 0.5; produksi dari reservoir terekahkan menunjukkan sekitar 0.1, antara 0.05 dan 0.2. Dengan $C = 2.5\,\mathrm{MJ}\,\mathrm{m}^{-3}\,\mathrm{K}^{-1}$ (matriks batuan menyimpan 2 sampai $3\,\mathrm{MJ}\,\mathrm{m}^{-3}\,\mathrm{K}^{-1}$), reservoir berukuran $3 \times 4 \times 1\,\mathrm{km}$ pada $220\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ menyimpan $6.15 \times 10^{18}\,\mathrm{J}$; dengan $R_g = 0.1$ selama 30 tahun reservoir itu menghasilkan daya termal rata-rata $650\,\mathrm{MW}$. Lapangan konvensional membangkitkan 10 sampai $20\,\mathrm{MW}$ listrik per kilometer persegi lapangan.

Sistem panas bumi alami memerlukan permeabilitas sama seperti panas. Sebagian besar sistem utama terletak di dekat tepi-tepi lempeng tektonik, di antara gunung api, fumarol, mata air panas, dan geiser, dan permeabilitasnya biasanya berupa permeabilitas rekahan yang dibuka oleh sesar aktif: air tanah yang terpanaskan di kedalaman naik melaluinya, dan sumur menyadap reservoir terekahkan itu, seperti pada penampang di bawah. EGS tidak memerlukan reservoir alami: sumur-sumurnya, yang dibor sampai sekitar $5\,\mathrm{km}$, mencapai batuan panas yang permeabilitasnya direkayasa, dan suatu penilaian tahun 2008 untuk Amerika Serikat menaksir potensi sementaranya sebesar $517\,800\,\mathrm{MW}$ listrik, dibandingkan dengan $9057\,\mathrm{MW}$ dari sistem konvensional yang telah teridentifikasi.

Definisi 30.10 (Seismisitas terinduksi)

Yang disebut seismisitas terinduksi adalah aktivitas gempa bumi yang disebabkan oleh kegiatan manusia yang mengubah tegangan atau tekanan fluida pori di dalam kerak, paling sering injeksi fluida ke dalam tanah.

Mekanismenya adalah kriteria Coulomb dengan tekanan fluida pori: sesar tergelincir ketika tegangan geser mencapai $\mu(\sigma_n - p)$, sehingga menaikkan $p$ membawa sesar yang sudah tertegang menuju keruntuhan tanpa perubahan apa pun pada beban tektonik. Pada tahun 1960-an, fluida limbah yang diinjeksikan ke dalam batuan dasar Prakambrium yang terekahkan di bawah Rocky Mountain Arsenal dekat Denver, pada kedalaman 3.7 sampai $7.0\,\mathrm{km}$, memicu gempa bumi; gempa-gempa itu terbatas pada bagian reservoir tempat tekanan telah naik lebih dari $32\,\mathrm{bar}$ ($3.2\,\mathrm{MPa}$). Kenaikan tajam gempa bumi di Oklahoma telah dikaitkan dengan pembuangan air limbah: empat sumur bervolume tinggi dapat menjelaskan seperlima seismisitas Amerika Serikat bagian tengah, dengan memicu gempa bumi yang berjarak lebih dari $30\,\mathrm{km}$. Stimulasi reservoir EGS menaikkan tekanan pori dengan cara yang sama, secara sengaja.

30.4 Uranium

Dua tipe endapan bijih menggambarkan cara uranium terkonsentrasi: satu pada ketidakselarasan purba, yang lain di dalam batu pasir.

Definisi 30.11 (Endapan uranium terkait ketidakselarasan dan endapan uranium roll-front)

Yang disebut endapan uranium terkait ketidakselarasan adalah tubuh pitchblende dan uraninit yang mengisi rekahan dan breksi di dalam pelit karbonan termetamorfosis dan di dalam kuarsa arenit di atasnya, di bawah, di atas, atau memotong ketidakselarasan antara batuan Proterozoikum Awal dan Tengah di suatu cekungan intrakratonik. Yang disebut endapan uranium roll-front adalah tubuh mineral uranium berbentuk bulan sabit yang memotong perlapisan batu pasir feldspatik atau tufaan pada batas antara tanah teroksidasi dan tereduksi, tempat uranium diendapkan dalam lingkungan yang tereduksi secara lokal, di antara pirit.

Endapan ketidakselarasan berada di dalam batuan berumur 1800 sampai $1200\,\mathrm{Ma}$, yaitu pelit termetamorfosis di bawah ketidakselarasan dan batu pasir tak termetamorfosis di atasnya; batuan induknya terkloritisasi, dan sekis grafitan yang menyertai banyak di antaranya merupakan konduktor listrik yang kuat, sasaran survei elektromagnetik. Key Lake, Cluff Lake, dan Rabbit Lake di Saskatchewan serta Jabiluka dan Ranger di Australia utara adalah contohnya. Endapan roll-front lebih muda, kebanyakan Tersier: di dalam batu pasir yang dipasok oleh abu vulkanik felsik atau granit, mineral besi teroksidasi terletak di arah atas kemiringan dari front itu dan mineral tereduksi di arah bawahnya, seperti di cekungan-cekungan Wyoming dan Pesisir Teluk Texas.

Proposisi 30.12 (Uranium-235 di masa lampau)

Misalkan $r_0$ adalah rasio atom $^{235}$U/$^{238}$U saat ini dan $\lambda_5$, $\lambda_8$ konstanta peluruhan kedua isotop itu. Pada waktu $t$ yang lalu rasionya adalah

$$r(t) = r_0\,e^{(\lambda_5 - \lambda_8)\,t} ,\tag{30.4}$$

dan $^{235}$U menyusun fraksi $r/(1 + r)$ dari atom-atom uranium, dengan mengabaikan jejak $^{234}$U.

Dengan $\lambda_5 = 9.8485 \times 10^{-10}\,\mathrm{yr}^{-1}$, $\lambda_8 = 1.551\,25 \times 10^{-10}\,\mathrm{yr}^{-1}$ dan kelimpahan saat ini $0.7204\,\%$ dan $99.2742\,\%$, $r_0 = 0.0072567$; $2.0\,\mathrm{Ga}$ yang lalu $r = 0.0381$ dan uranium alam memuat $3.67\,\%$ $^{235}$U, lima kali bagiannya saat ini.

Sejarah — Reaktor berumur dua miliar tahun

Pada 1972, ilmuwan Prancis yang mengukur bijih uranium menemukan defisit $^{235}$U yang kecil tetapi berarti, yang mereka telusuri sampai ke tambang Oklo di Gabon. Di sana, kantong-kantong batuan memuat sampai $65\,\%$ uranium dengan bagian $^{235}$U serendah separuh bagian normal, dan neodimium yang miskin isotop primordialnya $^{142}$Nd tetapi kaya isotop 143 sampai 150 yang dihasilkan fisi: reaksi berantai telah berlangsung di dalam bijih itu sekitar dua miliar tahun yang lalu, pada sekitar $300\,\mathrm{bar}$ dan 400 sampai $500\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Enam belas reaktor alam semacam itu diketahui di Oklo dan di Bangombé yang berdekatan, satu-satunya dua endapan di dunia tempat reaktor itu ditemukan; bahan organik telah membantu memekatkan uranium, dan uranium oksida telah menahan sebagian besar aktinida dan produk fisi yang tidak mudah menguap di tempatnya sejak saat itu.

30.5 Penyimpanan geologis karbon dioksida

Definisi 30.13 (Penyimpanan $\ce{CO2}$ geologis, mekanisme pemerangkapan, faktor efisiensi penyimpanan)

Yang disebut penyimpanan $\ce{CO2}$ geologis adalah injeksi karbon dioksida ke dalam formasi batuan berpori jauh di bawah tanah, yaitu reservoir minyak dan gas yang telah terkuras, formasi salin dalam, atau lapisan batu bara, untuk ditahan dalam waktu lama. Yang disebut mekanisme pemerangkapan $\ce{CO2}$ yang menahannya adalah pemerangkapan struktural (dan stratigrafis) di bawah batuan penutup; pemerangkapan residual, sebagai fase tak bergerak yang ditahan di dalam pori oleh gaya kapiler; pemerangkapan kelarutan, dengan pelarutan di dalam air formasi; pemerangkapan mineral, dengan reaksi dengan mineral menjadi karbonat; dan, di dalam batu bara dan serpih, adsorpsi pada bahan organik. Yang disebut faktor efisiensi penyimpanan $E$ suatu formasi adalah fraksi volume porinya yang diharapkan dapat diisi oleh $\ce{CO2}$ yang diinjeksikan.

Karbon dioksida berupa gas di permukaan, tetapi titik kritisnya terletak pada $31.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan $7.38\,\mathrm{MPa}$. Di sepanjang geoterm $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$ dari $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ di bawah tekanan hidrostatik, suhu melewati nilai kritisnya pada $641\,\mathrm{m}$ dan tekanan pada $742\,\mathrm{m}$; densitas $\ce{CO2}$ murni melonjak dari $234\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ pada $700\,\mathrm{m}$ menjadi $583\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ pada $900\,\mathrm{m}$, lalu mendatar di dekat 670 sampai $700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ di bawah $1.5\,\mathrm{km}$. Satu ton menempati $534\,\mathrm{m}^{3}$ di permukaan dan $1.6\,\mathrm{m}^{3}$ pada $1000\,\mathrm{m}$, 330 kali lebih kecil; itulah sebabnya penilaian penyimpanan hanya mempertimbangkan formasi yang lebih dalam dari $800\,\mathrm{m}$.

Proposisi 30.14 (Kapasitas penyimpanan suatu formasi)

Suatu formasi dengan luas $A$, tebal $h$, dan porositas $\phi$, tempat $\ce{CO2}$ memiliki densitas $\rho$ dan faktor efisiensi penyimpanannya $E$, dapat menyimpan massa

$$M = A\,h\,\phi\,\rho\,E .\tag{30.5}$$

Untuk lapangan minyak terkuras yang telah memproduksi volume tangki stok $N_p$, penggantian minyak yang diproduksi volume demi volume memberikan $M = \rho\,N_p\,B_o$.

Untuk formasi salin dalam, simulasi memberikan $E$ antara 1 dan $4\,\%$ volume pori dalam rentang kepercayaan 15 sampai 85 persen, dengan median di dekat $2\,\%$: sebagian besar ruang pori tidak pernah tercapai, atau tetap berisi airnya. Formasi seluas $1000\,\mathrm{km}^{2}$, setebal $50\,\mathrm{m}$, dan berporositas 0.20 pada $2000\,\mathrm{m}$ ($\rho = 686\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$) menyimpan $137\,\mathrm{Mt}$ pada $E = 2\,\%$.

Setelah diinjeksikan, $\ce{CO2}$ naik ke bawah batuan penutup dan menyebar. Di belakang plume yang bermigrasi, gaya kapiler menahan saturasi residual yang dapat mencapai 15 sampai $25\,\%$ ruang pori; pelarutan menyerap 20 sampai $60\,\mathrm{kg}$ $\ce{CO2}$ per meter kubik air formasi, dan di dalam formasi yang alirannya lambat sampai $30\,\%$ $\ce{CO2}$ yang diinjeksikan larut dalam puluhan tahun. Pemerangkapan kelarutan mendominasi selama puluhan sampai ratusan tahun, bentuk ionik selama ratusan sampai ribuan tahun, pemerangkapan mineral selama ribuan sampai jutaan tahun: reaksi dengan mineral karbonat berlangsung beberapa hari, dengan silikat ratusan sampai ribuan tahun. Penyimpanan menjadi makin aman seiring umurnya, dan di lokasi yang dipilih dan dikelola dengan baik, tertahannya $99\,\%$ atau lebih $\ce{CO2}$ selama 1000 tahun dinilai mungkin.

Data tahun 2005

Di Sleipner, di Laut Utara sekitar $250\,\mathrm{km}$ lepas pantai Norwegia, $\ce{CO2}$ yang dipisahkan dari gas alam lapangan itu, sekitar $9\,\%$ darinya, telah diinjeksikan sejak Oktober 1996 ke dalam formasi Utsira, batu pasir salin tak terkonsolidasi 800 sampai $1000\,\mathrm{m}$ di bawah dasar laut, dengan laju sekitar $1\,\mathrm{Mt}$ setahun. Pada awal 2005 lebih dari $7\,\mathrm{Mt}$ telah tersimpan, dari $20\,\mathrm{Mt}$ yang direncanakan sepanjang umur proyek. Survei seismik berulang mencitrakan plume itu, yang jejaknya saat itu sekitar $5\,\mathrm{km}^{2}$, dan menunjukkan bahwa batuan tudung di atasnya menyegelnya.

Di lapangan — Membaca sumur selagi dibor

Ketika satu bagian sumur selesai, para ahli geofisika menurunkan alat-alat dengan kabel dan merekam terhadap kedalaman sifat-sifat batuan di sekitar lubang. Satu alat merekam radioaktivitas alaminya, rendah di batu pasir dan lebih tinggi di serpih; alat lain merekam densitas totalnya, yang darinya porositas diperoleh sebagai (densitas butir $-$ densitas total)/(densitas butir $-$ densitas fluida), dengan $2.65\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ untuk butir kuarsa dan sekitar $1\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ untuk air. Bila dibaca bersama, log-log lubang bor ini memberikan ketebalan reservoir bersih dan porositas yang masuk ke dalam rumus-rumus volumetrik bab ini.

Latihan

Data untuk latihan, kecuali dinyatakan lain: $R = 8.314\,\mathrm{J}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$; satu juta tahun adalah $3.156 \times 10^{13}\,\mathrm{s}$; kerogen Green River $A = 9.21 \times 10^{13}\,\mathrm{s}^{-1}$, $E/R = 26\,800\,\mathrm{K}$; massa atom C 12.011, H 1.008, O 15.999; densitas $\ce{CO2}$ di sepanjang profil pada gambar: $1.872\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ di permukaan, 583 pada $900\,\mathrm{m}$, 621 pada $1000\,\mathrm{m}$, 686 pada $2000\,\mathrm{m}$. Bulatkan sampai tiga angka penting.

Latihan 30.1 ★

(a) Empat kerogen belum matang memiliki H/C atom 1.58, 0.95, 1.24, dan 1.12. Tentukan tipe masing-masing dan sebutkan mana yang terutama akan menghasilkan gas. (b) Periksa rasio H/C dan O/C rumus C$_{100}$H$_{150}$N$_3$O$_8$S. (c) Tentukan keduanya dari komposisi massa C $77.4\,\%$, H $9.8\,\%$, O $8.2\,\%$.

Solusi

Solusi Latihan 30.1.

(a) 1.58: tipe I; 0.95: tipe III; 1.24: tipe II; 1.12: tipe campuran II/III. Kerogen tipe III, dengan 0.95, terutama menghasilkan gas. (b) H/C $= 150/100 = 1.50$, O/C $= 8/100 = 0.08$. (c) Per $100\,\mathrm{g}$: $77.4/12.011 = 6.444\,\mathrm{mol}$ C, $9.8/1.008 = 9.722\,\mathrm{mol}$ H, $8.2/15.999 = 0.513\,\mathrm{mol}$ O; H/C $= 1.51$ dan O/C $= 0.0795$, sesuai dengan rumusnya.

Latihan 30.2 ★

(a) Lima sampel batuan sumber tipe II memiliki $R_o$ = 0.45, 0.68, 1.1, 1.6, dan $2.5\,\%$. Uraikan keadaan masing-masing terkait minyak dan gas. (b) Apakah kerogen tipe III pada $R_o = 0.68\,\%$ sedang menghasilkan metana? (c) Fraksi terkonversi $F$ Easy%Ro berapakah yang bersesuaian dengan $R_o = 0.6$ dan $1.3\,\%$?

Solusi

Solusi Latihan 30.2.

(a) 0.45: belum matang, di bawah awal pembentukan pada $0.60\,\%$; 0.68: sedang menghasilkan minyak; 1.1: masih di dalam jendela minyak, di dekat ujungnya; 1.6: telah melewati 1.20–$1.30\,\%$, sehingga minyak terurai menjadi metana dan batuan itu menghasilkan gas; 2.5: hanya gas, dengan pembentukan yang berlanjut sampai sekitar $4.8\,\%$. (b) Tidak: pembentukan metana dari tipe III dimulai di dekat $0.73\,\%$. (c) $F = (\ln R_o + 1.6)/3.7$: $(-0.511 + 1.6)/3.7 = 0.294$ dan $(0.262 + 1.6)/3.7 = 0.503$.

Latihan 30.3 ★

Suatu perangkap meliputi $6\,\mathrm{km}^{2}$; reservoirnya memiliki ketebalan bersih $25\,\mathrm{m}$, porositas 0.18, dan saturasi air 0.30, dan $B_o = 1.25$. (a) Tentukan volume minyak di dalam reservoir dan STOIIP-nya. (b) Tentukan volume yang diproduksi untuk faktor perolehan 0.30 dan 0.40.

Solusi

Solusi Latihan 30.3.

(a) Di dalam reservoir, $6 \times 10^6 \times 25 \times 0.18 \times 0.70 = 1.89 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$; $\mathrm{STOIIP} = 1.89 \times 10^7/1.25 = 1.51 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$. (b) $0.30 \times 1.512 \times 10^7 = 4.54 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$ dan $0.40 \times 1.512 \times 10^7 = 6.05 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$.

Latihan 30.4 ★

Akuifer batu pasir setebal $200\,\mathrm{m}$ di bawah $10\,\mathrm{km}^{2}$ bersuhu $75\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (a) Tentukan panas di tempatnya di atas $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan $C = 2.5\,\mathrm{MJ}\,\mathrm{m}^{-3}\,\mathrm{K}^{-1}$. (b) Termasuk kelas entalpi manakah akuifer itu? (c) Tentukan daya termal rata-rata selama 30 tahun untuk $R_g = 0.25$.

Solusi

Solusi Latihan 30.4.

(a) $V = 10^7 \times 200 = 2 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ dan $q_R = 2.5 \times 10^6 \times 2 \times 10^9 \times 60 = 3.0 \times 10^{17}\,\mathrm{J}$. (b) Di bawah $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: sumber daya entalpi rendah, untuk pemanfaatan panas secara langsung. (c) $P = 0.25 \times 3.0 \times 10^{17}/(30 \times 3.156 \times 10^{7}\,\mathrm{s}) = 79.2\,\mathrm{MW}$ panas.

Latihan 30.5 ★★

(a) Tentukan energi aktivasi yang membuat laju Arrhenius berlipat dua antara 100 dan $110\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (b) Dengan faktor berapa laju reaksi Green River bertambah dalam selang yang sama? (c) Manakah dari kedua aturan itu yang memberi bobot lebih besar pada waktu yang dilewatkan batuan pada suhu rendah, dan apa implikasinya bagi TTI yang dihitung untuk batuan sumber tipe I?

Solusi

Solusi Latihan 30.5.

(a) $k_2/k_1 = \exp[(E/R)(1/T_1 - 1/T_2)] = 2$ dengan $1/373.15 - 1/383.15 = 6.994 \times 10^{-5}\,\mathrm{K}^{-1}$ memberikan $E = 8.314 \times \ln 2/(6.994 \times 10^{-5}) = 82.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$. (b) $\exp(26800 \times 6.994 \times 10^{-5}) = 6.52$. (c) Aturan lipat dua, yang energi efektifnya lebih rendah, memberi bobot yang relatif lebih besar pada waktu panjang yang dilewatkan pada suhu rendah; untuk kerogen tipe I dengan energi aktivasi yang tinggi, TTI mengumumkan pembentukan minyak terlalu dini.

Latihan 30.6 ★★

(a) Tunjukkan dari (30.1) bahwa suhu konversi separuh memenuhi $T = (E/R)\big/\ln\bigl[A T^2/(\beta\,(E/R)\ln 2)\bigr]$, dan selesaikan dengan iterasi untuk kerogen Green River yang dipanaskan dengan laju $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$ dan $10\,\mathrm{K}$ per menit. (b) Bandingkan selisihnya dengan taksiran $(RT^2/E)\ln(\beta_2/\beta_1)$ yang diambil pada suhu yang lebih rendah, dan jelaskan ketidaksesuaiannya.

Solusi

Solusi Latihan 30.6.

(a) $x = 1/2$ dalam pendekatan itu memberikan $(ART^2/\beta E)\,e^{-E/RT} = \ln 2$; dengan mengambil logaritma, $E/RT = \ln[AT^2/(\beta(E/R)\ln 2)]$, dan bentuk yang dinyatakan pun diperoleh. Mulai dari tebakan mana pun di dekat $400\,\mathrm{K}$ dan beriterasi dengan $\beta$ dalam kelvin per detik: pada $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$ ($\beta = 3.169 \times 10^{-14}\,\mathrm{K}/\mathrm{s}$), $T = 409.6\,\mathrm{K}$, $136.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$; pada $10\,\mathrm{K}$ per menit ($\beta = 0.1667\,\mathrm{K}/\mathrm{s}$, $5.26 \times 10^{12}$ kali lebih cepat), $T = 719.0\,\mathrm{K}$, $445.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (b) Selisihnya $309.5\,\mathrm{K}$; taksiran $6.259 \times \ln(5.26 \times 10^{12}) = 6.259 \times 29.29 = 183\,\mathrm{K}$ jauh terlalu kecil, karena $RT^2/E$ sendiri bertambah bersama $T$ (sampai $19.3\,\mathrm{K}$ pada $719\,\mathrm{K}$): pergeseran linear hanya berlaku untuk perubahan laju yang kecil.

Latihan 30.7 ★★

Dengan (30.4) dan data dalam teks: (a) tentukan bagian $^{235}$U dalam uranium alam $2.0\,\mathrm{Ga}$ dan $1.8\,\mathrm{Ga}$ yang lalu; (b) kapan bagian itu $3.00\,\%$? (c) Bijih Oklo memuat $^{235}$U serendah separuh bagian normal saat ini. Dengan mengabaikan $^{238}$U yang terpakai, berapa fraksi $^{235}$U yang ada pada saat reaksi-reaksi itu yang telah mengalami fisi, dan mengapa peluruhan sesudahnya tidak mengubah jawabannya?

Solusi

Solusi Latihan 30.7.

$\lambda_5 - \lambda_8 = 8.297\,25 \times 10^{-10}\,\mathrm{yr}^{-1}$ dan $r_0 = 0.7204/99.2742 = 0.0072567$. (a) Pada $2.0\,\mathrm{Ga}$, $r = 0.0072567\,e^{1.6595} = 0.03814$, bagiannya $0.03814/1.03814 = 3.67\,\%$; pada $1.8\,\mathrm{Ga}$, $r = 0.03231$, bagiannya $3.13\,\%$. (b) $r = 3/97 = 0.030928$ dan $t = \ln(0.030928/0.0072567)/(8.29725 \times 10^{-10}) = 1.75\,\mathrm{Ga}$. (c) Bijih yang miskin itu dan uranium normal sejak itu meluruh dengan faktor yang sama, sehingga rasio bagian $^{235}$U keduanya saat ini sama dengan rasio sesaat setelah reaksi: bijih itu ketika itu memuat separuh bagian normal, sehingga sekitar separuh $^{235}$U-nya telah mengalami fisi.

Latihan 30.8 ★★

(a) Tentukan volume $1\,\mathrm{Mt}$ $\ce{CO2}$ di permukaan, pada $1000\,\mathrm{m}$, dan pada $2000\,\mathrm{m}$. (b) Di Sleipner lebih dari $7\,\mathrm{Mt}$ telah diinjeksikan pada 2005, pada sekitar $900\,\mathrm{m}$, ke dalam plume dengan jejak $5\,\mathrm{km}^{2}$. Dengan porositas 0.35 dan saturasi $\ce{CO2}$ 0.30 di dalam plume, tentukan volume batuan yang ditempatinya dan tebal rata-ratanya.

Solusi

Solusi Latihan 30.8.

(a) $10^9/1.872 = 5.34 \times 10^{8}\,\mathrm{m}^{3}$; $10^9/621.4 = 1.61 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$; $10^9/686.4 = 1.46 \times 10^{6}\,\mathrm{m}^{3}$. (b) $7 \times 10^9/583 = 1.20 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$ $\ce{CO2}$, yang mengisi $0.35 \times 0.30 = 0.105$ volume batuan: $1.20 \times 10^7/0.105 = 1.14 \times 10^{8}\,\mathrm{m}^{3}$ batuan, dengan tebal rata-rata $1.143 \times 10^8/(5 \times 10^6) = 22.9\,\mathrm{m}$.

Latihan 30.9 ★★

Suatu reservoir entalpi tinggi berukuran $3 \times 2 \times 1.5\,\mathrm{km}$ pada $250\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dengan $C = 2.6\,\mathrm{MJ}\,\mathrm{m}^{-3}\,\mathrm{K}^{-1}$. (a) Tentukan panas di tempatnya di atas $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (b) Tentukan daya termal rata-rata selama 30 tahun untuk $R_g = 0.1$ dan $0.25$. (c) Lapangannya meliputi $6\,\mathrm{km}^{2}$; dengan 10 sampai $20\,\mathrm{MW}$ listrik per kilometer persegi, berapa fraksi daya termal pada $R_g = 0.1$ yang menjadi listrik?

Solusi

Solusi Latihan 30.9.

(a) $V = 9 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ dan $q_R = 2.6 \times 10^6 \times 9 \times 10^9 \times 235 = 5.50 \times 10^{18}\,\mathrm{J}$. (b) Selama $30 \times 3.156 \times 10^{7}\,\mathrm{s} = 9.47 \times 10^{8}\,\mathrm{s}$: $R_g = 0.1$ memberikan $581\,\mathrm{MW}$ dan $0.25$ memberikan $1450\,\mathrm{MW}$ panas. (c) $6 \times (10 \text{ sampai } 20) = 60$ sampai $120\,\mathrm{MW}$ listrik, $60/581 = 0.10$ sampai $120/581 = 0.21$ dari daya termal: sebagian besar panas dibuang, seperti pada setiap pembangkit listrik yang bekerja dengan beda suhu yang sedang.

Latihan 30.10 ★★★

Suatu sesar pada kedalaman sekitar $4\,\mathrm{km}$ menanggung tegangan normal $80\,\mathrm{MPa}$ dan tegangan geser $22\,\mathrm{MPa}$; koefisien gesekannya 0.6 dan tekanan porinya hidrostatik, $39\,\mathrm{MPa}$. (a) Apakah sesar itu stabil? Tentukan kenaikan tekanan pori yang membawanya ke keruntuhan, dalam megapascal dan dalam bar, dan bandingkan dengan ambang Denver. (b) Hal yang sama jika tegangan gesernya $24\,\mathrm{MPa}$. (c) Jelaskan mengapa gempa bumi dapat terpicu berkilometer-kilometer jauhnya dari sumur injeksi, dan bertahun-tahun setelah injeksi dimulai.

Solusi

Solusi Latihan 30.10.

(a) Kekuatannya $0.6 \times (80 - 39) = 24.6\,\mathrm{MPa} > 22\,\mathrm{MPa}$: stabil. Keruntuhan memerlukan $0.6\,\Delta p = 24.6 - 22$, $\Delta p = 4.33\,\mathrm{MPa} = 43\,\mathrm{bar}$, berorde sama dengan $32\,\mathrm{bar}$ yang membatasi gempa-gempa Denver. (b) $(24.6 - 24)/0.6 = 1.0\,\mathrm{MPa} = 10\,\mathrm{bar}$: sesar yang sudah dekat dengan keruntuhan hanya memerlukan kenaikan kecil. (c) Fluida yang diinjeksikan menaikkan tekanan di suatu zona yang meluas secara difusi melalui batuan permeabel dan zona sesar, berkilometer-kilometer jauhnya selama bertahun-tahun; di mana pun zona itu bertemu dengan sesar yang sudah dekat dengan keruntuhan, kenaikan yang kecil sudah cukup.

Latihan 30.11 ★★★

(a) Dari pendekatan dalam (30.1), tunjukkan bahwa pada laju pemanasan tetap rasio transformasi naik dari $10\,\%$ menjadi $90\,\%$ dalam selang suhu $\Delta T \approx \bigl[\ln\ln 10 - \ln\ln(10/9)\bigr]\,RT^2/E$. (b) Hitunglah nilainya untuk kerogen Green River pada $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$. (c) Bandingkan dengan kurva garis utuh pada gambar dan jelaskan perbedaannya.

Solusi

Solusi Latihan 30.11.

(a) Tulislah $x = e^{-u}$ dengan $u = (ART^2/\beta E)\,e^{-E/RT}$. Rasio transformasi $10\,\%$ berarti $x = 0.9$, $u = \ln(10/9)$; $90\,\%$ berarti $u = \ln 10$. Karena $\mathrm{d}\ln u/\mathrm{d}T = E/RT^2 + 2/T \approx E/RT^2$, $\Delta(\ln u) \approx (E/RT^2)\,\Delta T$, yang memberikan rumus itu, dengan $\ln\ln 10 - \ln\ln(10/9) = 0.834 + 2.250 = 3.084$. (b) Dengan $T = 409.6\,\mathrm{K}$, $RT^2/E = 6.26\,\mathrm{K}$ dan $\Delta T = 19.3\,\mathrm{K}$; kurva energi tunggal yang eksak memberikan $18.6\,\mathrm{K}$, dari 125.3 sampai $143.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. (c) Kurva garis utuh naik dari $10\,\%$ di dekat $122\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ sampai $90\,\%$ di dekat $148\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dalam sekitar $26\,\mathrm{K}$: sebaran energi aktivasi melebarkan selang konversi.

Latihan 30.12 ★★★

Sleipner akan menyimpan $20\,\mathrm{Mt}$ $\ce{CO2}$. (a) Tentukan volume air formasi yang diperlukan untuk melarutkan semuanya, pada 20 dan pada $60\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. (b) Tentukan volumenya sebagai fase bebas pada $1000\,\mathrm{m}$. (c) Dengan $E = 2\,\%$, tentukan volume pori formasi yang diperlukan, dan luas formasi setebal $50\,\mathrm{m}$ dengan porositas 0.30.

Solusi

Solusi Latihan 30.12.

(a) $2 \times 10^{10}/20 = 1.0 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ ($1.0\,\mathrm{km}^{3}$) dan $2 \times 10^{10}/60 = 3.3 \times 10^{8}\,\mathrm{m}^{3}$. (b) $2 \times 10^{10}/621.4 = 3.22 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$. (c) $3.22 \times 10^7/0.02 = 1.61 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ pori, yang dengan ruang pori $50 \times 0.30 = 15\,\mathrm{m}$ per meter persegi memerlukan $1.61 \times 10^9/15 = 1.07 \times 10^{8}\,\mathrm{m}^{2}$, sekitar $107\,\mathrm{km}^{2}$.

Soal 30.1

Soal akhir pekan — Satu cekungan, dua kegunaan

Di suatu cekungan rekaan, batuan sumber tipe I diendapkan pada $120\,\mathrm{Ma}$ di permukaan. Sedimen kemudian terakumulasi dengan laju $60\,\mathrm{m}$ per juta tahun sampai $70\,\mathrm{Ma}$, dan $30\,\mathrm{m}$ per juta tahun sejak itu. Permukaan bersuhu $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan geotermnya tetap, $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{km}$. Kerogennya memiliki kinetika Green River dalam teks (energi tunggal). Dapurnya, yaitu bagian batuan sumber yang matang, meliputi $400\,\mathrm{km}^{2}$, setebal $50\,\mathrm{m}$, berdensitas $2400\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, dan dapat menghasilkan $30\,\mathrm{kg}$ minyak per ton batuan pada konversi penuh; minyaknya berdensitas permukaan $850\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. Minyak itu mengisi perangkap seluas $12\,\mathrm{km}^{2}$ yang reservoirnya, berpusat pada $2000\,\mathrm{m}$, memiliki ketebalan bersih $40\,\mathrm{m}$, porositas 0.22, dan saturasi air 0.25, dengan $B_o = 1.30$. Gunakan data latihan; bulatkan sampai tiga angka penting.

Bagian I — Penimbunan dan indeks waktu–suhu.

1. Tentukan kedalaman dan suhu batuan sumber pada $70\,\mathrm{Ma}$ dan saat ini.
2. Tentukan laju pemanasannya dalam setiap fase.
3. Tentukan waktu yang dilewatkannya dalam setiap selang $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dari $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ sampai suhunya saat ini.
4. Hitunglah TTI-nya saat ini (metode dalam teks).
5. Kapan, pada suhu berapa, dan pada kedalaman berapa batuan itu melewati TTI 15?
6. Hal yang sama untuk 75 dan 160.
7. Menurut TTI, apakah batuan sumber itu masih menghasilkan minyak?

Bagian II — Konversi menurut kinetika.

8. Tentukan konstanta laju pada $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan tunjukkan bahwa kerogen yang dapat terkonversi sebelum $70\,\mathrm{Ma}$ kurang dari $0.2\,\%$.
9. Dengan (30.1) dan laju pemanasan fase kedua, tentukan fraksi yang belum terkonversi dan rasio transformasi saat ini.
10. Tentukan suhu konversi separuh pada laju pemanasan ini (latihan 30.6).
11. Kapan suhu itu tercapai?
12. Bandingkan dengan waktu puncak pembentukan minyak menurut TTI, dan jelaskan perbedaannya.
13. Apakah kerogen tipe II dengan energi aktivasi rata-rata yang lebih rendah akan terkonversi lebih awal atau lebih lambat?

Bagian III — Minyak yang terbentuk, di tempat, dan yang dapat diperoleh.

14. Dengan rasio transformasi 0.92, tentukan massa minyak yang terbentuk di dapur.
15. Tentukan volumenya di permukaan.
16. Tentukan STOIIP perangkap itu.
17. Berapa fraksi minyak yang terbentuk yang ditampung perangkap? Pakailah $1.56 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$ untuk (15).
18. Tentukan minyak yang diproduksi untuk faktor perolehan 0.35.
19. Mengapa faktor perolehan jauh lebih kecil daripada satu, dan apa yang akan diubah oleh injeksi $\ce{CO2}$?

Bagian IV — Lapangan terkuras sebagai penyimpan $\ce{CO2}$.

20. Tentukan suhu dan tekanan hidrostatik reservoir. Apakah $\ce{CO2}$ yang diinjeksikan superkritis di sana? Bacalah densitasnya pada gambar.
21. Dengan $N_p = 2.13 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$, tentukan volume reservoir yang dibebaskan oleh produksi.
22. Nyatakan volume itu sebagai faktor efisiensi penyimpanan volume pori perangkap, dan bandingkan dengan formasi salin.
23. Suatu formasi salin di bawah lapangan itu meliputi $600\,\mathrm{km}^{2}$, setebal $80\,\mathrm{m}$, berporositas 0.20, dengan $\ce{CO2}$ pada $691\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. Tentukan kapasitasnya pada $E = 2\,\%$.
24. Berapa tahun injeksi dengan laju Sleipner akan mengisinya?
25. Dengan $\rho = 686\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ dan volume yang dibebaskan dibulatkan menjadi $2.77 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$, tentukan kapasitas penyimpanan $\ce{CO2}$ reservoir terkuras itu, dalam megaton.

Solusi

Solusi Soal 30.1.

Bagian I. 1. Pada $70\,\mathrm{Ma}$: $50 \times 60 = 3000\,\mathrm{m}$, $15 + 25 \times 3.0 = 90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. Saat ini: $3000 + 70 \times 30 = 5100\,\mathrm{m}$, $142.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. 2. $60 \times 0.025 = 1.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$, lalu $30 \times 0.025 = 0.75\,{}^{\circ}\mathrm{C}/\mathrm{Ma}$. 3. 15–$20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: $3.33\,\mathrm{Ma}$; setiap selang dari 20 sampai $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: $10/1.5 = 6.67\,\mathrm{Ma}$; setiap selang dari 90 sampai $140\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: $10/0.75 = 13.3\,\mathrm{Ma}$; 140–$142.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: $3.33\,\mathrm{Ma}$. 4. Nilai selang $\Delta t_n 2^n$, dengan jumlah berjalannya: 15–20 ($n = -9$) 0.0065; 20–30 0.026 (0.033); 30–40 0.052 (0.085); 40–50 0.104 (0.189); 50–60 0.208 (0.397); 60–70 0.417 (0.814); 70–80 0.833 (1.65); 80–90 1.67 (3.31); 90–100 6.67 (9.98); 100–110 13.3 (23.3); 110–120 26.7 (50.0); 120–130 53.3 (103); 130–140 107 (210); 140–142.5 ($n = 4$) 53.3: TTI saat ini 263. 5. Nilai 15 dilewati dalam selang 100–$110\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, pada $100 + 10 \times (15 - 9.98)/13.33 = 103.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, yang tercapai $(103.8 - 90)/0.75 = 18.4\,\mathrm{Ma}$ setelah $70\,\mathrm{Ma}$: pada $51.6\,\mathrm{Ma}$ dan $(103.8 - 15)/0.025 = 3550\,\mathrm{m}$. 6. 75: $124.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $23.7\,\mathrm{Ma}$, $4390\,\mathrm{m}$. 160: $135.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $9.6\,\mathrm{Ma}$, $4810\,\mathrm{m}$. 7. Tidak: dengan 263 batuan itu telah melewati akhir pembentukan minyak (160), sejak sekitar $10\,\mathrm{Ma}$.

Bagian II. 8. $k = 9.21 \times 10^{13}\,e^{-26800/363.15} = 8.20 \times 10^{-19}\,\mathrm{s}^{-1}$. Batuan itu berada di bawah $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ selama $50\,\mathrm{Ma}$ sebelum $70\,\mathrm{Ma}$, sehingga fraksi yang terkonversi kurang dari $k\,t = 8.20 \times 10^{-19} \times 50 \times 3.156 \times 10^{13} = 1.29 \times 10^{-3}$. 9. $\beta = 0.75/(3.156 \times 10^{13}) = 2.376 \times 10^{-14}\,\mathrm{K}/\mathrm{s}$, $T = 415.65\,\mathrm{K}$: $ART^2/(\beta E) = 2.498 \times 10^{28}$ dan $e^{-E/RT} = 9.95 \times 10^{-29}$, sehingga $u = 2.486$, $x = 0.0833$, dan rasio transformasinya 0.917. 10. $134.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. 11. $70 - (134.7 - 90)/0.75 = 10.4\,\mathrm{Ma}$. 12. TTI menempatkan puncak pembentukan minyak pada $23.7\,\mathrm{Ma}$, kinetika $13\,\mathrm{Ma}$ lebih lambat, karena aturan lipat dua bersesuaian dengan $E \approx 82\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ dan memberi bobot terlalu besar pada suhu rendah untuk kerogen $223\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ (latihan 30.5). 13. Lebih awal: energi yang lebih rendah menurunkan suhu konversi separuh.

Bagian III. 14. Batuan: $4 \times 10^8 \times 50 \times 2400 = 4.8 \times 10^{13}\,\mathrm{kg}$; potensi $0.030 \times 4.8 \times 10^{13} = 1.44 \times 10^{12}\,\mathrm{kg}$; yang terbentuk $0.92 \times 1.44 \times 10^{12} = 1.32 \times 10^{12}\,\mathrm{kg}$. 15. $1.3248 \times 10^{12}/850 = 1.56 \times 10^{9}\,\mathrm{m}^{3}$. 16. $1.2 \times 10^7 \times 40 \times 0.22 \times 0.75/1.30 = 6.09 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$. 17. $6.09 \times 10^7/1.56 \times 10^9 = 0.039$, $3.9\,\%$: sebagian besar minyak yang terbentuk tetap berada di batuan sumber, hilang di sepanjang jalur migrasi, atau lolos ke permukaan. 18. $0.35 \times 6.09 \times 10^7 = 2.13 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$. 19. Sekitar dua pertiga minyak tetap berada di reservoir setelah perolehan primer dan sekunder; injeksi $\ce{CO2}$ dapat memperoleh 10 sampai $15\,\%$ lagi dari minyak di tempat.

Bagian IV. 20. $15 + 25 \times 2 = 65\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ dan $0.101 + 1000 \times 9.807 \times 2000/10^6 = 19.7\,\mathrm{MPa}$: keduanya di atas titik kritis ($31.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, $7.38\,\mathrm{MPa}$), sehingga $\ce{CO2}$ itu superkritis, dengan densitas sekitar $686\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. 21. $2.13 \times 10^7 \times 1.30 = 2.77 \times 10^{7}\,\mathrm{m}^{3}$. 22. Volume pori $1.2 \times 10^7 \times 40 \times 0.22 = 1.056 \times 10^{8}\,\mathrm{m}^{3}$, dan $E = 2.77 \times 10^7/1.056 \times 10^8 = 0.262$, jauh di atas 1 sampai $4\,\%$ formasi salin: minyak yang diproduksi telah mengosongkan ruang yang diketahui dan tersegel. 23. $6 \times 10^8 \times 80 \times 0.20 \times 691 \times 0.02 = 1.33 \times 10^{11}\,\mathrm{kg}$, $133\,\mathrm{Mt}$. 24. Dengan $1\,\mathrm{Mt}$ setahun, sekitar 133 tahun. 25. $M = \rho\,N_p\,B_o = 686 \times 2.77 \times 10^7 = 1.90 \times 10^{10}\,\mathrm{kg}$: reservoir terkuras itu dapat menyimpan $19.0\,\mathrm{Mt}$ $\ce{CO2}$.