Karakterisasi Dispersi Dielektrik Batuan Shale Gas Berbasis Teknik
advertisement
Karakterisasi Dispersi Dielektrik Batuan Shale Gas Berbasis Teknik Kapasitansi (Skripsi ) Oleh Sammi Rizki Taufik FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2016 ABSTRAK. KARAKTERISASI DISPERSI DIELEKTRIK BATUAN SHALE GAS BERBASIS TEKNIK KAPASITANSI OLEH SAMMI RIZKI TAUFIK Telah dilakukan penelitian karakterisasi batuan dengan menggunakan sensor berbasis kapasitansi. Sampel batuan yang digunakan adalah batuan shalegas dan sandstone. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui hubungan sifat listrik batuan dari pengaruh besar porositas terhadap pengukuran kapasitansi. Proses pengambilan data dilakukan menjadi dua pengujian secara eksperimen dan simulasi. Pengukuran kapasitansi batuan menggunakan dua alat yaitu rangkaian C-V Converter dan capacito meter. Fungsi rangkaian C-V Converter untuk mengetahui respon frekuensi terhadap kapasitansi batuan dan capacito meter untuk mengetahui hubungan besar porositas batuan dengan nilai kapasitansi terukur. Hasil penelitian menunjukkan sensor kapasitansi mampu mengukur perbedaan kapasitansi pada setiap sampel batuan dengan karakteristik (porositas) batuan yang berbeda. Dari hasil pengukuran rangkaian C-V Converter diperoleh frekuensi kapasitansi maksimal pada frekuensi rendah antara 500kHz–1MHz dan dari hasil pengukuran capacito meter hubungan besar porositas dengan kapasitansi berbanding terbalik untuk batuan sandstone namun pada sampel shalegas berbanding lurus. Kata kunci : Dielektrik, kapasitansi, porositas, shalegas i ABSTRACT. DIELECTRIC DISPERSION CHARACTERIZATION OF SHALE GAS ROCK BASED ON CAPACITANCE TECHNIQUE BY SAMMI RIZKI TAUFIK Rock characterization researches have been conducted using capacitance-based sensors. Rock samples used were shalegas and sandstone rocks. This research was conducted to determine the relationship of the electrical properties of the rock porosity major influence on capacitance measurements. The data collection process into two experimental testing and simulation. Rock capacitance measurements using two tools namely C-V Converter circuit and capacito meters. C-V Converter circuit functions to determine the frequency response of the rocks and capacito meter to determine the relationship of large rock porosity with the measured capacitance value. Results of this research, the capacitance sensor capable of measuring differences in capacitance at each rock sample with the characteristics (porosity) of different rocks. C-V Converter circuit of measurement results obtained by frequency maximum capacitance at low frequencies between 500kHz-1MHz and from the result of measurement of porosity capacito meter great relationship with the capacitance is inversely proportional to rock sandstone but the sample is directly proportional shalegas. Keywords: Capacitance, dielectric, porosity, shalegas ii KARAKTERISASI DISPERSI DIELEKTRIK BATUAN SHALE GAS BERBASIS TEKNIK KAPASITANSI Oleh SAMMI RIZKI TAUFIK SKRIPSI Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA SAINS Pada Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2016 iii RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 19 Nopember 1993, anak pertama dari dua bersaudara dari pasangan Bapak Agusman dan Ibu Lulu Kamelia. Penulis menyelesaikan pendidikan di SDN 01 pagi Petamburan, Jakarta Pusat pada tahun 2005, SMPN 16 Palmerah, Jakarta Selatan pada 2008 dan SMAN 06 Bandar Lampung pada tahun 2011. Selanjutnya pada tahun 2011 penulis diterima sebagai mahasiswa Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung melalui jalur SNMPTN-Tertulis. Selama menjadi mahasiswa penulis aktif dalam kegiatan kampus antara lain sebagai Anggota muda Rois FMIPA dan Generasi Muda Himafi pada tahun 2011/2012, Anggota Biro Danus ROIS FMIPA dan Anggota Bidang Sosmas HIMAFI pada Tahun 2012/2013, Kepala Biro Akademik ROIS FMIPA dan Anggota Bidang SAINTEK HIMAFI pada Tahun 2013/2014,Anggota Departemen akademik dan profesi UKM-U Birohmah pada Tahun 2014/2015. Penulis pernah melakukan Praktek Kerja Lapangan (PKL) di Ctech Labs PT.Edwar Tecnology. Penulis melakukan KKN di Liwa Lampung Barat tepatnya di Kecamatan Balik Bukit Pekon Sedampah Indah. Selanjutnya penulis melakukan penelitian dengan judul “Karakterisasi Dispersi Dielektrik Batuan Shale Gas Berbasis Teknik Kapasitansi ” sebagai tugas akhir di Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung. i MOTO “Ikhtiar, Doa dan Tawakal “ ii PERSEMBAHAN Bismillahirrohmanirrohim “aku persembahkan karya kecil ini kepada :” Orang Tuaku Papa Agusman dan Mama Lulu Kamelia “Jazakallah atas kasih sayang, semangat, pengorbanan dan selalu mendoakan ku untuk kelancaran dan keberhasilan ku” Untuk my brother Hamzah Pahlevi “Jazakallah atas doa dan dukungannya”.... iii KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT berkat rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan kuliah dan skripsi dengan baik. Judul skripsi ini adalah “Karakterisasi Dispersi Dielektrik Batuan Shalegas Berbasis Teknik Kapasitansi”. Shalawat dan salam kepada Nabi Muhammad SAW, keluarga dan pengikutnya. Skripsi ini dilaksanakan pada bulan Februari 2015 sampai Juli 2015 bertempat di Ctech Labs Edwar Tecnology, Alam Sutera, Tanggerang. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat yang harus ditempuh untuk mendapatkan gelas Sarjana Sains dari Universitas Lampung. Penulis menyadari skripsi ini masih memiliki kelemahan dan ketidaksempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun terhadap kelanjutan dan hasil yang akan dicapai. Semoga skripsi ini bisa bermanfaat bagi kita semua. Bandar Lampung, 18 Februari 2016 Penulis, Sammi Rizki Taufik iv SANWACANA Assalamu’alaikum Wr. Wb. Puji dan syukur selalu terucap dalam setiap nafas penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena rahmat, karunia, dan hidayah-Nya. Serta tidak lupa berkat pemberi cahaya dan teladan hidup terbaik, salawat serta salam penulis sampaikan untuk Baginda Rasul Muhammad SAW. Dalam kesempatan ini penulis dengan bangga mengucapkan terima kasih kepada pihak yang telah banyak membatu dalam menyelesaikan penelitian dan skripsi ini, terutama kepada 1. Kepada orang tua Bapak Agusman dan Ibu Lulu Kamelia yang telah memberi semangat dan doa. 2. Bapak Arif Surtono S.Si., M.Si., M.Eng selaku pembimbing I yang tidak lelah memberikan bimbingan serta nasihat dalam menyelesaikan skripsi 3. Bapak Dr. Mahfudz Al-Huda M.Eng selaku pembimbing II yang telah mengizinkan penulis untuk berkesempatan melakukan penelitian di Ctech Labs serta senantiasa memberikan masukan-masukan untuk menyelesaikan skipsi 4. Bapak Prof.Dr.Warsito, S.Si., DEA selaku penguji memberikan saran selama penulisan skripsi v yang telah 5. Ibu Suprihatin S.Si., M.Si selaku Pembimbing Akademik yang memberikan nasihat dan bimbingan dari awal perkuliahan sampai menyelesaikan skripsi 6. Ibu Dr.Yanti Yulianti M.Si selaku ketua jurusan Fisika 7. Bapak Prof. Suharso, Ph.D selaku Dekan FMIPA Universitas Lampung 8. Para Dosen dan staff di Jurusan Fisika 9. Kepada teman-teman NDTPTI dan Visiting Research Ctech Lab Edwar Tecnology : Kk Haris, Adit, Rifa, Wadda, Rizky serta para karyawan dan staff Ctech Lab Edwar Tecnology yang telah membatu menyelesaikan penelitian 10. Para Sahabat : Ade, Encep, Ali, Rizal, Fathul, Gana, Dani, Ari, Fahad, Yuri, Heri, Abdan, Hendri, Herdiwan, yang telah memberikan keceriaan selama kuliah 11. Teman-teman Fisika: Rini, Yuni, Puji, Putri, Umi R, Umi L, Exsa, Nawira, Naila dan semua teman fisika 2011 serta kakak-kakak dan adikadik tingkat yang telah memberikan semangat selama menyelesaikan skripsi 12. Teman-teman ADK, ROIS, HIMA, BIROHMAH, KKN Lambar yang telah memberikan pelajaran hidup yang sangat luar biasa selama kuliah vi Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya serta memberkahi hidup kita aamiin Bandar Lampung, 18 Februari 2016 Penulis vii DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ...................................................................................................... i ABSTRACT .................................................................................................... ii HALAMAN JUDUL ...................................................................................... iii HALAMAN PERSETUJUAN ...................................................................... iv HALAMAN PENGESAHAN ........................................................................ v PERNYATAAN .............................................................................................. vi RIWAYAT HIDUP ........................................................................................ vii MOTTO .......................................................................................................... viii PERSEMBAHAN ........................................................................................... ix KATA PENGANTAR .................................................................................... x SANWACANA ............................................................................................... xi DAFTAR ISI ................................................................................................... xii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xv DAFTAR TABEL .......................................................................................... xvii I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang .................................................................................... B. Rumusan Masalah ............................................................................... C. Tujuan Penelitian ................................................................................ D. Batasan Masalah.................................................................................. E. Manfaat Penelitian .............................................................................. 1 3 3 4 4 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Penelitian Terkait ................................................................................. B. Perbedaan dengan Penelitian Sebelumnya ........................................... C. Batuan Shale Gas ................................................................................. D. Porositas ............................................................................................... E. Kapasitansi ........................................................................................... F. Senser Kapasitansi Semi Silinder ........................................................ G. Material Dielektrik ............................................................................... H. Teori Mixing Konstanta Dielektrik ...................................................... I. Capacitometer ...................................................................................... J. Analisis Regresi dan Korelasi .............................................................. 5 6 6 7 8 10 13 16 18 23 viii III. METODE PERCOBAAN A. Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................. B. Alat dan Bahan .................................................................................... C. Rancangan Prosedur Penelitian ........................................................... 1. Simulasi dan Komputasi ............................................................... 2. Eksperimen.................................................................................... D. Rancangan Data Pengamatan .............................................................. 25 25 26 28 34 39 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Hasil Simulasi Sensor ......................................................................... 1. Sensitivitas Desain Sensor Kapasitansi ................................... 2. Pengaruh Orientasi Batuan Simulasi ....................................... 3. Pengaruh Letak Pori di Dalam Batuan Secara Simulasi ......... 4. Pengaruh Porsitas Batuan........................................................ B. Hasil Eksperimen ................................................................................ 1. Pengujian Rangkaian C-V Converter ...................................... 2. Pengaruh Frekuensi Terhadap Kapasitansi Batuan ................. 3. Pengaruh Kapasitansi Terhadap Orientasi Batuan .................. 4. Pengaruh Porositas Terhadap Kapasitansi Batuan .................. 5. Perbandingan Pengukuran Rangkaian C-V dan Capacitometer C. Analisis Data ....................................................................................... 1. Analisis Data Simulasi ............................................................ 2. Analisis Data Batuan Shalegas................................................ 3. Analisis Data Batuan Sandstone ............................................. 4. Analisis Data Batuan Sandstone 1H, 15H dan 20H ................ 40 40 41 43 44 45 45 46 48 51 52 53 53 56 58 60 V. KESIMPULAN A. Kesimpulan ........................................................................................ B. Saran .................................................................................................. 63 64 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN ix DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1.Batuan Shalegas ................................................................................. 7 2.2.Kapasitor Pelat Sejajar ....................................................................... 8 2.3.Geometri Sensor Semi Silinder .......................................................... 10 2.4.(a) Tampak Atas Sensor Tanpa Bahan Dielektrik (b) Distribusi Medan listrik bagian dalam Sensor Kapasitansi Semi Silinder ..................... 11 2.5.Dielektrik Polar .................................................................................. 13 2.6.Medan Listrik Di Antara Elektroda ................................................... 14 2.7.Rangkaian C-V Converter .................................................................. 20 2.8 Rangkaian C-V Converter .................................................................. 20 2.9 Diagram Blok Capacito Meter 2 Channel .......................................... 23 3.1 Diagram Alir Penelitian ..................................................................... 27 3.2 Diagram Alir Simulasi ....................................................................... 28 3.3 Desain Sensor kapasitansi .................................................................. 29 3.4 Model Batuan Shale Gas .................................................................... 30 3.5 Parameter Material ............................................................................. 30 3.6 Porous Media ..................................................................................... 31 3.7 Parameter Elektroda Transmitter ....................................................... 31 3.8 Parameter Elektroda Reciever............................................................ 32 3.9 Meshing.............................................................................................. 33 3.10 Nilai Kapasitansi .............................................................................. 33 3.11 Diagram Alir Rancangan Eksperimen ............................................. 34 3.12 Spesifikasi Rangkaian C-V Converter ............................................. 35 3.13 Ilustrasi Eksperimen Menggunakan Rangkaian C-V Converter ...... 36 3.14 Sketsa Eksperimen Menggunakan Capacitometer ........................... 37 3.15 Diagram Alir Analisis Data ............................................................. 39 4.1 Grafik Sensitivitas Sensor .................................................................. 41 4.2 Grafik Kapasitansi Orientasi Bentuk Pori Segitiga ........................... 42 4.3 Grafik Kapasitansi Orientasi Bentuk Pori Kotak ............................... 42 4.4 Letak Posisi Pori ................................................................................ 43 4.5 Grafik Pengukuran Kapasitansi Posisi Pori ....................................... 43 4.6 Grafik Pengaruh Porositas Terhadap Kapasitansi Batuan ................. 45 4.7 Grafik Kalibrasi Rangkaian C-V Pada Frekuensi Beragam .............. 46 4.8 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Frekuensi (Shalegas) ......... 46 x 4.9 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Frekuensi (Sandstone) ....... 47 4.10 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Perubahan Sudut Batuan Shalegas ................................................................................................... 48 4.11 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Perubahan Sudut Batuan Sandstone ................................................................................................. 49 4.12 Grafik Kapasitansi Orientasi Batuan Porositas 4,7% ...................... 50 4.13 Grafik Kapasitansi Orientasi Batuan Porositas 14,37% .................. 50 4.14 Grafik Hubungan Porositas Terhadap Pengukuran Kapasitansi Batuan Sandstone ................................................................................................. 51 4.15 Grafik Hubungan Porositas Terhadap Pengukuran Kapasitansi Batuan Shalegas ................................................................................................... 51 4.16 Grafik Hasil Pengukuran Capacitometer dan Rangkaian C-V Batuan Sandstone ................................................................................................. 52 4.16 Grafik Hasil Pengukuran Capacitometer dan Rangkaian C-V Batuan Shalegas ................................................................................................... 53 4.18 Grafik Hubugan Porositas Terhadap Kapasitansi ............................ 54 4.19 Grafik Hubungan Porositas Mix Model Terhadap Porositas Hasil Simulasi.................................................................................................... 56 4.20 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Porositas Batuan Shalegas 57 4.21 Grafik Hubungan Porositas Mix Model Terhadap Porositas Batuan Shalegas ................................................................................................... 58 4.22 Grafik Hubungan Kapasitansi Terhadap Porositas Batuan Sandstone 59 4.23 Grafik Hubungan Porositas Mix Model Terhadap Porositas Batuan Sandstone ................................................................................................. 60 4.24 Grafik Hubungan Porositas Terhadap Kapasitansi Sampel Batuan Sandstone 1h, 20h Dan 15h ..................................................................... 60 4.25 Grafik Hubungan Porositas Mix Model Terhadap Porositas Batuan Sandstone 1h, 20h Dan 15h ..................................................................... 62 xi DAFTAR TABEL Tabel Halaman 2.1 Beberapa tipe Relative Dielectric Permittivity (RDP) dari beberapa material bumi .................................................................................................................... 15 2.2 Interpretasi dari Nilai R ................................................................................. 24 3.1 Rancangan Hasil Pengamatan Simulasi ........................................................ 39 3.2 Rancangan Hasil Eksperimen ....................................................................... 39 4.1 Data Kapasitansi terhadap Perubahan Porositas ........................................... 44 4.2 Data Hasil Pendekatan Porositas Simulasi.................................................... 55 4.3 Data Hasil Pendekatan Porositas Batuan Shalegas ....................................... 57 4.4 Data Hasil Pendekatan Porositas Batuan Sandstone ..................................... 59 4.5 Data Hasil Pendekatan Porositas Batuan Sandstone 1H, 15H, dan 20H ...... 61 xii 1 I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Indonesia adalah salah satu negara berkembang yang membutuhkan energi dengan jumlah yang besar karena permintaan kebutuhan energi terus meningkat setiap tahun. Pada kenyataannya, total energi yang dihasilkan dari cara konvensional telah mengalami penurunan dengan cepat, terutama produksi bahan bakar minyak bumi. Oleh karena itu, dilakukan serangkaian penelitian dan eksplorasi untuk menemukan sumber energi alternatif seperti potensi energi non-konvensional. Sampai saat ini, energi non-konvensional yang sudah mulai dilakukan percobaan eksploitasi adalah shalegas (Sunarjanto, 2012). Shalegas adalah gas yang diperoleh dari batuan shale (serpih) yang terperangkap di dalam ruang pori (Sostrowidjojo, 2011). Shalegas pada umumnya terperangkap pada ruang pori dan di dalam rekahan batuan serpih (Ruppel, 2008). Permeabilitas batuan serpih yang sangat rendah (<10 mD) sehingga memerlukan metode perekahan untuk memproduksi gas (Potter, 1981). Metode perekahan yang digunakan metode hydraulic fracturing. Fungsi hydraulic fracturing untuk memperbesar rekahan batuan serpih sehingga dapat mempermudah pengambilan gas pada pori batuan serpih (Sunarjanto, 2012). Namun sebelum dapat 2 dimanfaatkan dilakukan analisis terlebih dahulu pada batuan untuk menentukan kualitas batuan. Untuk menentukan batuan yang memiliki gas, maka batuan perlu memenuhi salah satu kriteria yaitu memiliki porositas lebih besar dari 5% (Zheng, 2011). Hal ini dikarenakan porositas dapat memprediksi jumlah gas yang akan diperoleh dari batuan. Porositas menggambarkan rongga kosong pada bahan (Vlack, 2012), yang di dalamnya dapat berupa gas. Pada umumnya analisis besar porositas batuan dengan menggunakan alat ukur porosimeter dengan cara membandingkan volume bulk dengan volume pori, menggunakan teknik tomografi konvensional Nuclear Magnetic Resonance (NMR) dan micro-CT. Namun, metode tersebut membutuhkan kemampuan khusus dan alat yang cukup mahal. Selain dari metode tersebut, analisis porositas batuan dapat dilakukan dengan metode analisis dielektrik. Analisis dielektrik merupakan metode yang memanfaatkan perbedaan permitivitasnya pada bahan dengan menggunakan sensor kapasitansi. Sensor kapasitansi mengukur besar kapasitansi objek berdasarkan perbedaan permitivitas bahan. Penggunaan metode ini lebih mudah dan efektif karena tidak membutuhkan kemampuan khusus dalam penggunaannya dibandingkan metode konvesional. Berdasarkan sifat kelistrikan, batuan terdiri dari matrik dan porositas yang memiliki nilai permitivitas yang berbeda untuk porisitas sebesar 1 dan untuk matrik batuan serpih sekitar 5-15 (Conyers, 2013). Oleh karena itu, analisis porositas batuan dapat dilakukan dengan metode analisis dielektrik. 3 Dengan mengembangkan sensor kapasitansi yang dapat mengukur dan menganalisa besar porositas akan lebih mudah dan cepat untuk menentukan kualitas batuan. Beberapa studi analisis dielektrik batuan dilakukan oleh marzoug et al melakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh distribusi dielektrik terhadap kadar air dan porositas batuan shalegas. Ternyata, kadar air dan porositas batuan mempengaruhi permitivitas bahan. Seperti pada penelitian stroud et al besar permitivitas terpengaruh oleh jumlah minyak dan air yang mengisi ruang pori dan pada penelitian rajeshwar menunjukkan penurunan permitivitas ketika mengalami siklus pengeringan. B. Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini meliputi: 1. Bagaimana desain sensor kapasitansi yang optimal dalam pengukuran kapasitansi sampel batuan. 2. Seberapa besar pengaruh porositas sampel batuan terhadap pengukuran kapasitansi. 3. Bagaimana pengaruh frekuensi, struktur dan material sampel batuan terhadap hasil pengukuran kapasitansi. C. Tujuan Penelitian Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah: 4 1. Melakukan pengukuran kapasitansi batuan sampel batuan menggunakan sensor kapasitansi. 2. Mencari hubungan porositas dengan kapasitansi pada sampel batuan shalegas dan sandstone. 3. Mengetahui seberapa besar pengaruh frekuensi terhadap kapasitansi pada porositas batuan yang berbeda. 4. Mengetahui besar pengaruh sudut putar (orientasi) batuan sampel terhadap pengukuran kapasitansi batuan. D. Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah: 1. Sampel batuan shalegas berasal dari satu sumur 2. Range frekuensi osiloskop yang digunakan 500Hz sampai 10MHz 3. Capacitometer menggunakan tegangan 18,4 Vpp dan frekuensi 2,5 MHz 4. Karakteristik sampel batuan yang diperoleh adalah hubungan porositas dan kapasitansi terukur. E. Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah: 1. Mengetahui hubungan sifat dielektrik dan porositas sampel batuan shalegas terhadap nilai kapasitansi 2. Mengetahui desain sensor kapasitansi yang optimal untuk batuan shalegas. 5 II. TINJAUAN PUSTAKA A. Penelitian Terkait Sebenarnya penelitian terkait batuan shalegas telah lama dilakukan sejak tahun 1970. Rancangan setiap metode telah dilaksanakan untuk menganalisa sifat fisis, karateristik batuan serta kandungan minyak dan gas di dalam batuan. Pada penelitian Marzoug (2013) bertujuan mengetahui karakteristik batuan shalegas menggunakan FTIR dan distribusi dielektrik material. Dalam eksperimen tersebut, sifat dielektrik batuan shalegas diukur dari beberapa sumur. Selain itu, kompisisi mineral dalam batuan shalegas dihubungkan dengan respon permitivitas relatif, kemudian untuk mengetahui kadar komposisi mineral di dalam batuan dapat diketahui menggunakan FTIR. Hasil penelitian tersebut, kadar air mempengaruhi respon nilai permitivitas relatif batuan. Bouledjnib dan Sahli (2010), meneliti pengaruh porositas terhadap nilai permitivitas pada sebuah material menggunakan metode Monte Carlo. Pada penelitian ini bentuk porositas berpengaruh terhadap permitivitas. Bentuk porositas batuan antara seperti silinder, hexagonal, dan kubik yang sering digunakan pada metode Monte Carlo. Mixing rules biasanya digunakan untuk memprediksi nilai permitivitas campuran dua fase atau lebih dengan komposisi campuran beragam bentuk pori. 6 B. Perbedaan Penelitian Terkait Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan Marzoug (2013) menggunakan perangkat pengukuran menggunakan alat Vector Network Analyser untuk mengetahui permitivitas batuan. Pada penelitian tersebut membahas pengaruh pengukuran kapasitansi terhadap porositas batuan shalegas. Sedangkan pada penelitian ini penulis menggunakan sensor kapasitansi untuk mengetahui pengaruh kapasitansi terhadap porositas, dengan menggunakan pendekatan pemodelan untuk mengidentifikasi respon permitivitas terhadap distribusi porositas batuan. C. Batuan Shalegas Shalegas adalah gas alam terperangkap dari batuan serpih yang biasanya berfungsi ganda sebagai reservoir dan sumber untuk gas alam atau gas bumi. Dalam reservoir, gas biasanya tersimpan dalam pori shale atau terbentuk secara alami pada rekahan shale (Sostrowijojo, 2011). Selain itu, shale terbentuk kurang dari 50% partikel clay (Silikat) dan silt (Kuarsa). Shale mengadung material organik, iron oxcide dan heavy mineral (Butt, 2012). Shale memiliki permeabilitas yang sangat rendah dari 0.1 sampai 0.0001 mD. Shalegas merupakan salah satu gas non-konvesional yang memiliki potensi dua kali lebih besar dari gas konvensional dengan nilai 500 Billion Feet Cubic (BFC) (Sostrowijojo, 2011). Berikut contoh gambar batuan serpih yang ditunjukkan pada gambar 2.1. 7 Gambar 2.1 Batuan Serpih (geologi.com) Serpih memiliki permeabilitas yang rendah. Agar dapat diproduksi secara kormesil batuan serpih harus di rekahkan (fracturing) untuk meningkatkan permeabilitas. Tidak semua sumber batuan serpih dapat menghasilkan atau melepaskan hidrokarbon (gas). Shalegas dapat bersumber dari batuan dan resevoir batuan. Serpih menyimpan gas pada empat tempat (Ruppel, 2008) : 1. Terserap kedalam materi organik (kerogen) 2. Terjebak di dalam ruang pori 3. Di dalam fracture (Rekahan) shalegas 4. Jaringan pori dalam meteri organik (kerogen) D. Porositas Porositas suatu bahan menggambarkan ruang-ruang kosong (pori) pada bahan. Porositas merupakan salah satu sifat fisis yang mendefinisikan sebagai perbandingan antara volume total bahan dengan volume pori. Nilai porositas dapat dinyatakan dalam persen atau desimal (Ismarani, 2004). Total fraksi volume poripori dalam sebuah material berpori disebut porositas. Porositas dibedakan menjadi tiga yaitu pororsitas terbuka, porositas tertutup dan porositas total (Lee and Rainforth, 1994). Porositas terbuka adalah volume pori-pori terbuka dalam material dibagi dengan volume bulknya. Porositas tertutup adalah volume pori- 8 pori tertutup yang terkandung dalam maerial dibagi dengan volume bulknya. Porositas total adalah fraksi volume pori-pori terbuka dan tertutup. Nilai dari porositas total dapat dicari dengan persamaan. (2.1) Porositas memiliki nilai yang berbanding terbalik dengan densitas, dengan nilai densitas tinggi akan menghasilkan nilai porositas yang cenderung rendah. Nilai porositas yang tinggi menyatakan bahwa pada bahan tersebut memiliki banyak rongga didalamnya. Rongga yang banyak akan menyebabkan bahan tersebut mudah rapuh dan berkurang kekeuatannya (Vlack, 1992). E. Kapasitansi Kapasitor merupakan suatu perangkat yang dapat menyimpan muatan listrik dan terdiri dari dua material konduktif (biasanya pelat atau lembaran) yang diletakkan dekat satu sama lain namun tidak bersentuhan. Kapasitor sederhana terdiri dari dua pelat sejajar dengan luas bidang A yang dipisahkan oleh jarak d. kerap kali dua pelat sejajar ini digulung melingkar menggunakan kertas atau bahan isolator lainnya yang memisahkan pelat (Giancoli, 2005). + +Q -Q Gambar 2.2 Kapasitor pelat sejajar Jika kapasitor dihubungkan pada sumber tegangan, dua pelat akan segera terisi muatan. Ketika kepingan terhubung pada piranti yang bermuatan (contohnya 9 baterai), seperti ditunjukan pada Gambar 2.2, muatan akan dipindahkan dari satu konduktor ke konduktor lainya sampai beda potensial antara kutub positif (+) dan kutub negatif (-) konduktor sama dengan beda potensial antara kutub positif (+) dan kutub negatif (-) baterai. Jumlah muatan (Q) yang dipindahkan tersebut sebanding dengan beda potensialnya (Tipler, 1996). Q = CV (2.2) Konstanta C pada persamaan (2.2) disebut kapasitansi dari kapasitor. Satuan kapasitansi adalah coulomb per volt, yang disebut farad (F). Kapasitansi C tidak bergantugng pada Q atau V. Nilainya bergantung pada ukuran, bentuk, posisi dari dua konduktor (pelat) dan material yang memisahkannya. Pada dua pelat sejajar yang memiliki luas A dan dipisahkan dengan jarak d oleh material tertentu dan merupakan permitivitas material, sehingga kapasitansinya adalah (2.3) Pada kapasitor umumnya ada material yang memisahkan dua pelat sejajar. Material ini dinamakan material dielektrik. Material dielektrik merupakan material yang memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan. Apabila material dielektrik mengisi jarak antara dua konduktor sejajar, akan meningkatkan kapasitansi karena faktor , yang disebut sebagai permitivitas relatif atau konstanta dielektrik dimana: (2.4) maka: (2.5) dengan merupakan permitivitas ruang hampa sebesar 8,85 x 10-12 C2/Nm2 (Sudirham dan Utari, 2012). Dua pelat sejajar dalam aplikasi karakterisasi sifat 10 dielektrik material disebut sebagai sensor kapasitif. Sensor kapasitif terbuat dari dua pelat sejajar (yang disebut elektroda) yang berjarak tertentu sesuai dengan persamaan (2.5). Semakin kecil jarak dua pelat dan semakin lebar luas permukaan pelat maka kapasitansi yang terukur semakin tinggi. Diantara dua pelat sejajar (elektroda sensor) diletakkan material yang akan diukur kapasitansinya. Kapasitansi akan meningkat apabila diantara dua pelat sejajar diberikan material dielektrik. F. Perhitungan Nilai Kapasitansi Sensor Semi Silinder Sensor kapasitansi sudah banyak digunakan dalam berbagai aplikasi sensor seperti sensor laju aliran fluida, sensor tekanan, sensor sifat dielektrik bahan dan sensor gerak. Ada beberapa jenis geometri pelat sensor yang dapat digunakan yaitu pelat sejajar, silinder, lingkaran dan semi silinder (Baxter.1997). Dalam penelitian ini menggunakan sensor kapasitansi semi silinder. Sensor kapasitansi adalah sensor yang terdiri dari dua pelat yang berbentuk semi silinder yang dipisahkan oleh jarak atau gap di antara dua pelat seperti gambar 2.3. Gambar 2.3 Geometri sensor kapasitansi semi silinder (a) tanpa dielektrik (b) dengan bahan dielektrik 11 (a) (b) Gambar 2.4 (a) Tampak atas sensor kapasitansi tanpa bahan dielektrik (b) distribusi medan listrik bagian dalam sensor kapasitansi semi silinder tanpa bahan dielektrik dan perwakilan simbol untuk analisis metode numerik (Das et al, 2014). Untuk mengetahui nilai kapasitansi dari sensor kapasitansi semi silinder digunakan analisis numerik. Pada gambar 2.4b mempelihatkan distribusi medan listrik bagian dalam sensor kapasitansi semi silinder untuk analisis metode numerik. Perbedaan mendasar antara kapasitor pelat sejajar dan semi silinder kapasitor adalah bahwa perbedaan jarak pada setiap titik dua pelat ini beragam sepanjang permukaan melengkung. Perbedaan potensial antara dua pelat adalah V. Untuk memperkirakan kapasitansi sensor dapat diasumsikan bahwa pelat A bermuatan + Q dan pelat B bermuatan -Q dan medan listrik antara pelat sejajar adalah E = Q / Aε0. Karena struktur semi silinder dari pelat daerah itu πRH oleh karena itu diperoleh: (2.6) di mana permitivitas ruang hampa, A luas permukaan elektroda, R adalah jari- jari, H tinggi pelat dan Q muatan. Sedangkan perbedaan potensial dinyatakan: ∫ ∫ (2.7) 12 Jarak gap d yang memisahkan antara dua pelat akan berubah bersamaan dengan permukaan lengkung. Jarak gap di antara setiap titik dari permukaan melengkung dari tepi adalah L = 2Rsinθ, di mana θ adalah sudut antara jari-jari (R) dan bidang horizontal dari permukaan melengkung. Jadi, laju perubahan jarak gap di antara dua permukaan melengkung sehubungan dengan sudut θ adalah (2.8) dari persamaan 2.6 dan 2.8 yang dikombinasikan pada persamaan 2.7 diperoleh persamaan : [ ] di mana, (2.9) maka nilai kapasitansi sensor tanpa bahan dielektrik adalah C=Q/V (2.10) (2.11) Karena rancangan desain sensor dalam penelitian ini adalah dua pelat direkatkan dinding bagian luar pipa PVC, maka media dielektrik antara dua pelat adalah udara, pipa PVC dan sampel. Sehingga kapasitansi sebenanrya: (2.12) Di mana adalah permitivitas ruang vakum 8,85 x 10-12 C2/Nm2, permitivitas udara, permitivitas pipa, permitivitas sampel, dalam pipa dan ketebalan pipa PVC (Das et al, 2014). G. Material Dielektrik adalah jari-jari bagian 13 Material dielektrik adalah suatu material nonkonduktor, seperti kaca, kertas, air atau kayu bahan yang apabila diberikan beda potensial (tegangan) dapat mempertahankan beda potensial. Gambar 2.5 Dielektrik Polar (Nolan, 1993) Jika molekul-molekul dalam dielektrik bersifat polar, maka dielektrik tersebut memiliki momen dipol. Momen dipol secara normal tersebar secara acak (gambar 2.5a). Dalam pengaruh medan listrik di antara keping-keping elektroda, momen dipol menerima suatu gaya listrik yang memaksa momen dipol tersebut menyearahkan diri, searah dengan medan listrik (gambar 2.5b). Kemampuan momen dipol untuk menyearahkan diri dengan medan listrik tergantung pada kuat medan dan temperatur. Pada temperatur tinggi, gerak termal molekul-molekul yang bersifat acak, cenderung menghambat proses penyearahan (Tipler, 1996). Jika molekul-molekul dielektrik bersifat non-polar, maka dalam pengaruh suatu medan listrik dari luar, molekul-molekul dielektrik akan menginduksi momenmomen dipol yang searah dengan arah medan seperti pada gambar 2.6a. Suatu dielektrik dengan momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik dapat dikatakan terpolarisasi oleh medan listrik dari luar (Tipler, 1996). 14 E0 E0 Ei Gambar 2.6 Penampakan medan listrik di antara elektroda secara molekuler (a) Udara (b) polar (c) Non-polar (Nolan,1993) Ketika suatu dielektrik diletakkan antara elektroda, maka medan listrik dari elektroda akan memolarisasikan molekul-molekul dielektrik seperti pada gambar 2.6b. Hasilnya adalah terdapat suatu muatan terikat pada permukaan dielektrik yang menghasilkan medan listrik (Ei) yang berlawanan dengan medan listrik dari luar (gambar 2.6c). Dengan demikian, medan listrik antara elektroda menjadi lemah dengan adanya dielektrik (Tipler, 1996). Setiap material memiliki nilai permitvitas yang berbeda bergantung kepada jenis dan struktur ikatan kimia material. Tabel 2.1 menampilkan permitivitas dari berbagai material di bumi. Beberapa material memiliki permitivitas dengan skala berbeda karena material tersebut memiliki kandungan unsur yang berbeda tiap jenisnya yang mempengaruhi permitivitas relatif. 15 Tabel 2.1 Beberapa tipe Relative Dielectric Permittivity (RDP) dari beberapa material bumi (Conyers, 2013) Material RDP Air 1 Dry sand 3–5 Dry silt 3–30 Ice and snow 3–4 Asphalt 3–5 Volcanic ash/pumice 4–7 Limestone 4–8 Granite 4–6 Permafrost 4–5 Coal 4–5 Shale 5–15 Clay 5–40 Concrete 6 Saturated silt 10–40 Dry sandy coastal land 10 Average organic-rich surface soil 12 Marsh or forested land 12 Organic rich agricultural land 15 Saturated sand 20–30 Fresh water 80 Sea water 81–88 Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif adalah sebuah konstanta dalam ilmu fisika. Konstanta ini melambangkan rapat fluks elektrostatistik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik, berbanding energi listrik yang tersimpan pada bahan jika diberi sebuah potensial relatif vakum (ruang hampa). Dimana permitivitas relatif dari sebuah medium berhubungan dengan susceptiblity (kerentanan) listrik e. Berdasarkan nilai bahan dielektrik tersebut (tabel 2.1) dapat mempengaruhi gaya elektrostatis pada suhu tertentu yang disebut permitivitas. Kemampuan dielektrik mendukung gaya elektrostatis berbanding lurus dengan permitivitas. Secara sederhana pemitivitas adalah kemampuan dari sebuah material untuk menyimpan dan melepaskan energi elektromagnetik yang 16 disebabkan muatan listrik dan berhubungan dengan kemampuan penyimpan kapasitor. H. Teori Mixing Model Ada berbagai pendekatan yang dapat digunakan untuk memprediksi permitivitas material antara lain yaitu aturan Lichterecker, Complex Refractive Index Model (CRIM) dan Volume Average Theory (VAT). Pendekatan ini menghubungkan permitivitas relatif campuran dengan fraksi volume campuran suatu material. Berikut penjelasan dari aturan Lichterecker. Menurut Lichterecker bahan dielektrik campuran dapat ditulis sebagai berikut ini: (2.13) Dimana εh dan εl adalah permitivitas dari fasa dielektrik tinggi dan fasa dielektrik rendah, Vh dan Vl merupakan fraksi volume dari dielektrik fasa tinggi dan dielektrik fasa rendah (Vh + Vl = 1), α merupakan permitivitas efektif dari komposit, dan εm merupakan permitivitas relatif campuran. Ketika α = -1, aturan mixing seri: (2.14) dan ketika α =1, aturan mixing paralel: (2.15) Volume Average Theory (VAT) adalah model yang digunakan untuk mengetahui dielektrik efektif dan sifat listrik dari dua fase berbeda. Dari refrensi lain, menurut hasil perhitungan dibandingkan dengan model pendekatan lain seperti MaxwellGarnet Theory, Bruggeman, parallel model, series model, model VAT lebih efektif memprediksi sifat nanopori dengan variasi besar pori dan besar porositas 17 pada film (Garahan et al, 2007). Penelitian yang dilakukan Rio dan Whitaker mengaplikasikan model VAT ke dalam persamaan Maxwell untuk daerah persebaran acak suatu matrik. Untuk memprediksi permitivitas efektif dari campuran dua fase berbeda (2.16) Dimana fase permitivitas efektif campuran, porositas material, permitivitas tinggi dan permitivitas fase rendah (Rio, 2000). Complex Refractive Index Model (CRIM) merupakan salah satu model yang berasal aturan Lichterecker (Gueguen and Palciauskus,1994). Model ini yang dapat diterapkan untuk menggambarkan sifat dielektrik suatu material. CRIM memperkenalkan parameter yang menceritakan arah rambat gelombang elektromagnetik dengan fraksi volume. CRIM adalah model yang terbukti efektif untuk multifase dengan material granular. CRIM memiliki keuntungan yang hanya membutuhkan pengetahuan dari sebuah permitivitas bahan dan persentase fraksi volume (Tsui, 1997). Secara umum formula CRIM dapat di tulis sebagai berikut : (∑ Dimana √ ) (2.17) permitivitas efektif bulk, fi fraksi volume material dan permitivitas komplek. Beberapa jumlah fase dapat dimasukkan dalam kasus pemodelan ini, ada 3 model fase yang ditetapkan dengan , dan mewakili yang diukur permitivitas efektif komplek dari air, matrik dan gas matrik. Sehingga formula CRIM menjadi (Cassidy, 2009). 18 * √ ( √ ) √ + (2.18) I. Capacitometer Capacitometer adalah suatu alat ukur kapasitansi yang terdiri dari 2 channel yang digunakan untuk keperluan pengukuran bahan atau benda yang mempunyai kapasitansi dalam orde femto farad hingga piko farad. Capacitometer ini mirip dengan LCR meter yang banyak di jual di pasaran. Capacitometer mempunyai keunggulan yang lebih baik karena mampu mengukur kapasitansi dalam orde femto farad sedangkan LCR meter hanya dalam orde piko farad. Capacitometer menggunakan prosessor 8 bit dari atmel atmega128 dengan frekuensi clock 14.7456 MHz untuk mengolah akusisi data. Sedangkan pengkondisi sinyal menggunakan rangkaian C-V (capacitance to voltage), gain awal, low pass filter, pengatur tegangan dc offset, dan programmable gain amplifier (PGA). Terdapat fitur tambahan yaitu adanya ekektroda referensi yang digunakan sebagai data referensi jika terdapat naik turunnya sinyal yang diakibatkan oleh kondisi lingkungan seperti kelembaban, temperatur, tekanan. Konversi data menggunakan ADC simultan AD7606 dan range pengukuran bidang diatur hingga 25 pf. a) Perhitungan kapasitansi Terdapat beberapa proses dalam menghitung kapasitansi dari sensor capacitometer. Sensor harus diinjeksi dengan sinyal yang berubah terhadap waktu (t) misalnya sinus atau kotak kemudian dilakukan konversi 19 dari kapasitansi menjadi tegangan menggunakan rangkaian C-V selanjutnya dilakukan akusisi data dan dikirim ke PC. 1. Rangkaian C-V Rangkaian pada gambar 2.7 merupakan rangkaian pengukuran kapasitansi berbasis AC atau AC-Based dalam referensi lain disebut rangkaian C-V Converter. Rangkaian ini merupakan intergrator yang berfungsi untuk mengumpulkan semua muatan yang mengalir pada Cf. Kapasitor Cx sebagai C masukkan dihubungkan langsung ke opamp dan sumber tegangan untuk mengurangi noise. Metode ini disebut metode pembalik muatan yang menggunakan tegangan step (ΔV) terhadap ground pada op-amp. Ada empat bagian utama dalam proses pengukuran kapasitansi, yaitu Cx sebagai kapasitor yang akan diukur nilai kapasitansinya bisa berupa kapasitor polar dan non-polar ataupun bisa berupa dua buah pelat yang berfungsi sebagai elektroda. Sebelah kiri elektroda adalah sinyal generator untuk tegangan eksitasi yang digunakan untuk memberikan sinyal sinusoidal dengan tegangan dan frekuensi tertentu, di sebelah kanan elektroda adalah rangkaian deteksi yang berupa operasional amplifier (op-amp) dan sebuah resistor dan kapasitor Cf. Kemudian keluaran op-amp dihubungkan dengan sebuah osiloskop untuk menganalisis sinyal yang dihasilkan. Berdasarkan sinyal tersebut dapat dihitung berapa nilai kapasitansi dari sebuah kapasitor tersebut. 20 Signal Generator Osiloskop Gambar 2.7 Rangkaian C-V Converter Dengan sumber tegangan sinus (vi) sebagai sumber ekstasi yang diterapkan pengukuran kapasitansi Cx, menyebabkan arus AC masuk. Op-Amp dengan umpan balik kapasitansi dan resitansi (Cf, Rf) akan mengubah masukkan AC ini menjadi tegangan AC (sebagai catatan umpan balik resistansi diperlukan untuk menjaga keluaran dari opamp tidak mengalami saturasi). Dengan hal tersebut rangkaian pengukuran kapasitansi berbasis AC ini akan menghasilkan sinyal AC yang sebandung dengan nilai kapasitansi yang (Yang,1995). Gambar 2.8 Rangkaian C-V Converter diukur Cx 21 Pada gambar 2.8 juga disebutkan sebagai butterworth low-pass filter yang menghasilkan rippel keluaran sesuai dengan kapasitor Cx yang terpasang. Pada rangkaian tersebut (gambar 2.8) menggunakan prinsip inverting amplifier atau amplifier pembalik. Dengan rektansi kapasitif (XCx) pada input, dan paralel dari rektansi kapasitif (XCf) dan resistensi pada umpan balik (Rf). Hubungan antara tegangan masukan (vi) dengan tegangan keluaran (vo) adalah sebagai berikut (2.19) Zo adalah impedansi pada umpan balik dan Zi adalah impedansi dari input. Zo didapatkan dengan hubungan paralel dari reaktansi kapasitif (XCf) dan resistansi (Rf) dan untuk Zi didapatkan dengan reaktansi kapasitif (XCx). Sehingga diperoleh persamaan (2.20) (2.21) (2.22) (2.23) (2.24) Dengan nilai Zo dan Zi persamaan 2.19 menjadi sebagai berikut ( ) (2.25) Persamaan reaktansi kapasitif dapat diubah dengan menggunakan persamaan berikut (2.26) 22 (2.27) adalah frekuensi angular dari sumber gelombang sinus. Sehingga persamaan 2.25 akan menjadi ( ) (2.28) ( ) (2.29) ( ) (2.30) ( ) (2.31) Jika nilai Rf dibuat sedemikian besar sehingga | | >>1 sebagai contoh | maka | maka persamaan 2.31 menjadi lebih sederhana. Hal ini jika umpan balik resitansi jauh lebih kecil dari nilai reaktansi kapasitif, atau pembagian nilai resitansi oleh reaktansi kapasitif jauhjauh lebih besar dari satu maka dengan asumsi tersebut pada persamaan 2.27 maka nilai +1 akan dapat diabaikan. Sehingga persamaan 2.31: ( ) (2.32) Maka persamaan 2.32 menjadi ( ) atau (2.32) 23 ( ) (2.33) 2. Blok Diagram Capacitometer Gambar 2.9 menunjukkan blok diagram capacitometer 2 channel yang mempunyai fitur yaitu adanya dengan elektroda referensi yang digunakan sebagai data referensi jika terdapat naik turunnya sinyal yang di akibatkan oleh kondisi lingkungan seperti kelembaban, temperatur dan lain-lain (Edwar Tech, 2015). C/V AC G1 Peak LPF G2 Swift DC Mikrokontroller Atmega128 FTDI G3 LCD Data Signal Path Control Signal ADC Tombol Fungsi PRE AC Path Gambar 2.9 Diagram Blok Capacitometer 2 Channel J. Analisis Regresi dan Korelasi Analisis regresi berguna untuk mendapatkan hubungan fungsional antara dua variabel atau mendapatkan pengaruh antara variabel prediksi x terhadap variabel y. Analisis regresi diperlukan untuk untuk mencari kebenaran secara ilmiah atau ilmu. Salah satu fungsi ilmu adalah meramalkan (prediksi), menggambarkan, menerangkan dan mengontrol. Analisis regresi dapat digunakan jika variabel yang 24 akan dicari hubungan fungsionalnya mempunyai data berdistribusi normal.;variabel x tidak acak sedangkan variabel y harus acak; variabel yang dihubungkan mempunyai pasangan yang sama dari subyek yang sama pula; variabel yang dihubungkan mempunyai data interval. Persamaan regresi dapat dihitung secara manual dengan bantuan tabel penolong, kalkulator dan komputer. Korelasi adalah istilah statistik yang menyatakan derajat hubungan linier antara dua variabel atau lebih. Hubungan antara dua variabel di dalam teknik korelasi bukanlah dalam arti sebab akibat, melainkan hanya merupakan hubungan searah saja. Contoh hubungan sebab akibat: kemiskinan dengan kejahatan; kebersihan dengan kesehatan. Keadaan ini berbeda dengan hubungan searah di dalam analisis korelasi. Dalam korelasi (R) hanya dikenal hubungan searah saja, contohnya: tinggi badan menyebabkan berat badannya bertambah, tetapi berat badan bertambah belum tentu menyebabkan berat badan bertambah; meningkatkanya pemakaian mobil pribadi menyebabkan macet lalu lintas, macet lalu lintas belum tentu meningkatkan pemakaian mobil pribadi (Usman dkk, 2006 ). Tabel 2.2 Interpretasi dari Nilai R Korelasi (R) Interpretasi 0 Tidak berkorelasi 0,01 - 0,20 Sangat rendah 0,021 – 0,40 Rendah 0,41 – 0,60 Agak rendah 0,61 – 0,80 Cukup 0,81 – 0,9 Tinggi 1 Sangat Tinggi 25 III. METODE PENELITIAN A. Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Februari 2015 sampai April 2015. Perancangan, pembuatan dan pengambilan data dilaksanakan di C-Tech Labs, Edwar Technology dan Laboratorium Elektronika Dasar dan Instrumentasi Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Lampung. B. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan adalah : 1. Capacitometer versi 3.0 merk Edwar tech untuk mengukur nilai kapasitansi bahan 2. Komputer untuk menyimpan data hasil pengukuran 3. Osiloskop untuk membaca sinyal tegangan input dan output 4. Rangkaian C-V Converter untuk konversi kapasitansi ke tegangan output 5. Power Supply untuk memberikan tegangan input 6. Multimeter untuk untuk mengukur arus (A), resistansi (Ω), tegangan AC dan DC dan untuk mengecek komponen elektronika 26 Sedangkan bahan-bahan yang digunakan adalah : 1. Batuan shalegas dan sandstone (Lampiran 4) untuk bahan uji eksperimen 2. Kabel coaxial RG 174 digunakan sebagai penghubung rangkaian dengan panjang 50 cm 3. Konektor BNC untuk penghubung kabel dengan sensor 4. Kawat timah untuk menempelkan komponen pada PCB 5. Lem tembak digunakan untuk merekatkan alat 6. Air digunakan untuk bahan uji kalibrasi sensor kapasitansi 7. PCB untuk menghubungkan komponen-komponen pada rangkaian agar arus mengalir seperti pada sebuah kabel 8. Plat tembaga dengan ketebalan 0,05 mm untuk dijadikan elektroda sensor kapasitansi dimana salah satu plat akan di alir tegangan yang berfungsi sebagai transmitter dan yang lain menjadi reciever. 9. Plat aluminium dengan ketebalan 0,5 mm untuk dijadikan pelindung luar sensor 10. Busa eva untuk pelindung sensor dari tetes air 11. COMSOL Multiphysic digunakan sebagai program simulasi 12. Resistor untuk meningkatkan hambatan pada rangkaian C. Rancangan Prosedur Penelitian Pada penelitian ini akan dilakukan beberapa tahap langkah kerja. Beberapa tahap langkah kerja pada penelitian ini akan dijelaskan pada diagram alir gambar 3.1. 27 Mulai Desain sensor Secara Simulasi Secara Eksperimen Data Kapasitansi Analisis Data Selesai Gambar 3.1 Diagram alir penelitian Desain sensor merupakan proses pembuatan desain sensor dengan menggunakan bantuan perangkat lunak COMSOL Multiphysic. Setelah desain selesai dibuat, melakukan pengujian desain sensor secara simulasi sebelum dijadikan perangkat keras (sensor). Pengambilan data kapasitansi adalah proses pengambilan data kapasitansi batuan shalegas dan batuan sandstone. Proses pengambilan dibagi menjadi dua metode secara simulasi dan eksperimen. Hal ini dilakukan untuk memperkuat penelitian dari hasil pengukuran (eksperimen) dengan hasil teori (simulasi). Analisis Data adalah proses untuk menganalisa seluruh data kapasitansi untuk mengetahui karakter batuan antara porositas dan kapasitansi. Dengan menggunakan metode regresi data yang terkumpul akan dianalisa dengan 28 persamaan mixing model. Metode regresi digunakan untuk mengetahui mixing model mana yang memiliki akurasi paling tinggi untuk memprediksi porositas batuan. 1. Simulasi dan Komputasi Simulasi bertujuan untuk mendukung hipotesa teori terkait hubungan porositas terhadap kapasitansi batuan. Model sensor dan batuan disesuaikan dengan sifat fisis sebenarnya. Model sensor yang dibuat menggunakan software COMSOL Multiphysic. Sesungguhnya, simulasi tetap menggunakan persamaan fisika dan metode numerik untuk meminimalkan nilai error sehingga hasil simulasi mendekati hasil eksperimen. Prosedur simulasi pada penelitian ini akan dijelaskan pada diagram alir gambar 3.2. 29 Gambar 3.2 Prosedur dasar simulasi a. Desain Sensor Model geometri sensor dan batuan shalegas dibuat secara 3 dimensi dengan batuan software COMSOL Multiphysic. Geometri sensor diperlihatkan pada gambar 3.3 dengan jarak pemisah antara dua elektroda bagian tepi sebesar 5 mm dan pemodelan batuan shalegas diperlihatkan pada gambar 3.4. (a) (c) (b) (d) Gambar 3.3 Desain sensor kapasitansi (a) desain sensor (b) sensor tampak atas (c) desain elektroda (d) tinggi sensor 30 Gambar 3.4 Model batuan shalegas Untuk mengurangi medan tepi membesar pada sisi-sisi elektroda dan dapat mengurangi akurasi pengukuran kapasitantasi, bentuk elektroda Rx berbeda dengan elektroda Tx. Setelah geometri berhasil di import-kan kedalam COMSOL Mutlipysic, langkah selanjutnya mendeskripsikan material pada setiap geometri. b. Parameter Materials Parameter ini menjelaskan material yang akan digunakan pada subdomain dan boundary dari geometri. Material dibutuhkan untuk mengetahui sifat elektromagnetik ketika diberi medan listrik. Material yang digunakan pada simulasi ini antara lain adalah : udara (standar), tembaga (copper) dan matrik batuan shalegas yang ditunjukkan pada gambar 3.5. Gambar 3.5 Parameter material 31 Bagian-bagian sensor (gambar 3.3) seperti elektroda dan ground, material yang digunakan adalah tembaga. Untuk material batuan (gambar 3.4) dibagi menjadi dua buah material yaitu matriks (batu) dan pori (udara). Untuk material matriks batuan memiliki permitivitas 10 karena rata-rata batuan shale memiliki nilai permitivitas 5-15 (tabel 2.1) dan pori bersifat hidrokarbon (gas) udara dengan permitivitas 1 (tabel 2.1). c. Parameter Elektrostastik Parameter ini menjelaskan elektrostatik pada bahan/material, berapa besar porositas material (Porous Media) (pada gambar 3.6) dan memberikan nilai tegangan pada elektroda transmitter (pada gambar 3.7) dan reciever (pada gambar 3.8). Pada elektroda transmitter diberi masukkan 18 volt dan reciever diberi nilai 0 volt. Gambar 3.6 Porous media Gambar 3.7 Parameter elektroda transmitter 32 Gambar 3.8 Parameter elektroda reciever Pada elektroda transmitter diberi tegangan positif dan elektroda reciever tidak diberi tegangan sehingga terjadi beda potensial antara dua elektroda. Seperti prinsip kapasitor, ketika elektroda terhubung pada sumber tegangan (beda potensial) muatan akan berpindah dari satu elektroda ke elektroda sampai jumlah muatan positif dan negatif sama. Jumlah muatan (Q) yang berpindah sebanding dengan beda potensial (V) seperti yang dijelaskan pada persamaan 2.20. d. Parameter Meshing Mesh merupakan bagian unit terkecil dari geometri sensor dengan bentuk sederhana. Meshing adalah pembagian domain geometri sensor ke domain lebih kecil (mesh) Pengaturan mesh dapat diatur sekecil apapun sesuai dengan kemampuan tingkat komputasi dari komputer yang digunakan. Umumnya semakin halus ukuran mengurangi nilai error yang diperoleh, tetapi ukuran memori komputer juga harus besar jika tidak akan memperlambat proses komputasi. Untuk mempermudah proses simulasi ukuran mesh normal (jumlah elemen: 12571) sudah cukup. Gambar 3.9 memperlihatkan hasil meshing sensor. 33 Gambar 3.9 Meshing e. Parameter Solver Solver adalah teknik untuk mencari solusi metode numerik. Solver bertujuan untuk mengatur sistem penyelesaian masalah simulasi sesuai dengan teorema fisika, dalam hal ini masalah medan listrik. Pengaturan parameter solver pada COMSOL Multiphysic harus bersesuaian dengan kasus yang akan diselesaikan. Kemudian ekstrak nilai kapasitansi dari hasil simulasi seperti yang diperlihatkan pada gambar 3.10. Gambar 3.10 Data kapasitansi sensor f. Analisis Data Setelah simulasi selesai, langkah selanjutnya menggunakan data kapasitansi untuk dianalisis secara regresi dengan menggunakan 34 persamaan mix model VAT dan CRIM untuk mengetahui akurasi dari masing-masing mix model. 2. Eksperimen Pada bagian eksperimen pengambilan data kapasitansi menggunakan 2 perangkat yaitu rangkaian C-V-converter dan capacitometer. Sampel batuan yang digunakan sebelumnya telah dilakukan pengujian porositas dengan porosimeter sehingga nilai porositas batuan diketahui. Setiap pengujian menggunakan sensor kapasitansi. Gambar 3.11 merupakan diagram alir eksperimen. Gambar 3.11 Diagram alir rancangan eksperimen 35 a. Uji Permeabilitas dan Porositas Sampel yang digunakan telah dilakukan pemeriksaan permeabilitas dan porositas. Tujuannya sebagai data acuan untuk mengetahui hubungan kapasitansi dengan porositas batuan, sehingga mempermudah penelitian. b. Rangkaian C-V Converter Rangkaian C-V converter terdiri dari komponen IC AD827, resistor dan kapasitor. Rangkaian C-V converter dapat dilihat pada gambar 3.12 dengan spesifikasi Cf sebesar 20pF dan Rf 10kΩ. 20 pF 10 kΩ Sensor IC AD827 Gambar 3.12 Spesifikasi rangkaian C-V Converter Pada eksperimen ini perangkat yang digunakan antara lain rangkaian C-V converter Osiloskop, Signal Generator, Sensor kapasitansi dan komputer. Eksperimen ini bertujuan untuk mengetahui frekuensi serta tegangan optimal, sedangkan komputer untuk menyimpan data pengukuran. Hasil dari pengukuran ini, bisa menjadi pembanding dengan nilai porositas sampel batuan. 36 Garis Tanda Orientasi Batuan 5 Derajat Sensor Tampak Atas Rx Tx Sinyal Generator Diputar 180 Derajat Rangkaian Konverter C-V Osiloskop Sensor Gambar 3.13. Ilustrasi eksperimen menggunakan rangkaian C-V converter Deskripsi ilustrasi eksperimen menggunakan rangkaian C-V pada gambar 3.13: 1) Masukkan sampel batuan ke dalam sensor kapasitansi dengan garis batuan sejajar dengan garis sudut putar sensor kapasitansi. 2) Kemudian mengatur nilai input frekuensi dan tegangan signal generator yang akan dihubungkan ke channel Tx sensor dan osiloskop. 3) Tegangan output yang keluar dari sensor kemudian akan menjadi tegangan input rangkaian C-V converter. Tegangan ouput tersebut akan terbaca dengan osiloskop. 4) Data pengukuran tegangan input Vi dan tegangan output Vo kemudian dimasukkan ke dalam komputer/laptop untuk di analisis data pengukuran. 5) Data pengukuran yang terkumpul tersebut di analisa untuk mengetahui pengaruh frekuensi terhadap kapasitansi. 37 c. Capacitometer Capacitometer adalah perangkat akusisi data yang digunakan untuk mengolah data pengukuran kapasitansi dengan frekuensi tunggal 2,5 MHz dan tegangan input 18,4 Vpp. Capacitometer memiliki keunggulan yang mampu mengukur kapasitansi ukuran orde femto farad sedangkan LCR tidak bisa. Fungsi dari alat ini untuk mengukur kapasitansi dari batuan (material). Gambar 3.14 memperlihatkan ilustrasi percobaan menggunakan capacitometer. Capacitometer Sensor Kursor Layar Tx Rx Tx Rx Gambar 3.14 Sketsa eksperimen menggunakan Capacitometer Prosedur penggunaan capacitometer untuk mengukur kapasitansi batuan: 1) Meletakkan sampel batuan ke dalam kapasitansi yang telah dihubungkan ke Capacitometer. 2) Melakukan pengaturan pada perangkat capacitometer pada bagian menu berikut: CF, Gain, Frame Rate, offset untuk mendapatkan set optimal terhadap pengukuran. Berikut adalah keterangan-keterangan dari fungsi set menu pada capacitometer a) CF adalah pengaturan rentang pengukuran (dalam piko farad) dimana pengaturan ini adalah mengatur nilai kapasitansi feedback yang ada di dalam rangkaian C-V. 38 b) Gain adalah menu pengaturan penguatan pada pengukuran kapasitansi. c) Frame Rate adalah menu untuk mengatur kecepatan transfer paket data dari sistem ke PC yang dihitung dalam frame/detik. d) Tegangan offset adalah menu untuk mengatur tegangan offset supaya tegangan pengukuran mendekati volt sehingga gain dapat di tingkatkan. 3) Setelah pengaturan di perangkat selesai, melakukan pengaturan pada program matlab yang disesuaikan dengan pengaturan capacitometer. 4) Kemudian running program, save data Cx Cref Vref Vcf untuk di analisis data pengukurannya. Cx : Nilai kapasitansi terukur Cref : Nilai Kapasitansi referensi rangkaian V1 : Tegangan Output Vref : Tegangan referensi rangkaian 5) Nilai kapasitansi dari capcito meter akan dianalisis untuk mengetahui pengaruh nilai porositas sampel batuan terhadap pengukuran kapasitansi. d. Analisis Data Setelah data eksperimen diperoleh, langkah selanjutnya menggunakan data kapasitansi untuk dianalisis dengan metode regresi dengan menggunakan persamaan mix model VAT dan CRIM untuk mengetahui akurasi dari masingmasing mix model. 39 Data Kapasitansi Analisis Regresi Koefisien Persamaan VAT dan CRIM Pengujian Nilai Regresi dengan Porositas Gambar 3.15 Diagram alir analisis data D. Rancangan Data Pengamatan Setelah perancangan penelitian selesai, selanjutnya adalah pengambilan data penelitian. Tabel 3.1 dan Tabel 3.2 berikut merupakan tabel rencana data pengamatan. Tabel 3.1 Rancangan Hasil Pengamatan Simulasi No 1 2 3 4 Jenis Batuan Batuan A Kapasitansi Terukur Porositas (Pemodelan) Porositas (Simulasi) Error % Tabel 3.2 Rancangan Hasil Pengamatan Eksperimen No 1 2 3 4 Jenis Batuan Batuan A Batuan B Batuan C Batuan D Kapasitansi Terukur Porositas (Pemodelan) Porositas (Porosimetri) Error % 63 V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa. 1. Sensor kapasitansi mampu mengukur perbedaan kapasitansi pada setiap sampel batuan dengan karakteristik (porositas) batuan yang berbeda. Pada batuan shalegas kapasitansi terukur 3,12pF-5,96pF dan pada batuan sandstone kapasitansi terukur 1,43pF-5,55pF. 2. Pada batuan sandstone hubungan porositas berbanding terbalik dengan nilai kapasitansi batuan. Pada batuan shalegas hubungan porositas berbanding lurus dengan nilai kapasitansi batuan, hal ini dikarenakan dielektrik bahan lebih dominan dibandingkan besar porositas. 3. Frekuensi pengukuran optimal kapasitansi batuan shalegas dan sandstone pada frekuensi 500kHz-1MHz karena pada frekuensi ini nilai kapasitansi yang terukur maksimal. 4. Hubungan nilai kapasitansi terhadap sudut orientasi pemindaian menunjukkan sampel batuan 1H (sandstone) bersifat anistropik karena pada sudut orientasi 0o-90o terjadi perubahan nilai kapasitansi yang signifikan dari 5,55pF sampai 4,12pF. Sedangkan pada sampel yang lain 64 bersifat isotropik karena tidak terjadi perubahan kapasitansi yang signifikan. B. Saran Adapun saran dari penelitian ini sebagai acuan perkembangan riset selanjutnya adalah sebagai berikut: 1. Perlu penambahan sampel batuan yang memiliki komposisi material yang homogen, agar mempermudah perkembangan riset terkait hubungan kapasitansi dan porositas. 2. Mempelajari sifat elektromagnetik konstanta dielektrik campuran pada jenis batuan berbeda. DAFTAR PUSTAKA Anderson, B. I., Barber, T., and Luling, M. 2006. Observations of large dielectric effects on induction logs, or, can source rocks be detected with induction measurements SPWLA 47th.Annual Logging Symposium. Beck, M.S., Byars, M., Dyakowski.T. Principles And Industrial Applications Of Electrical Capacitance Tomography.1997. Measurement and Control. Vol. 30. pp 197 – 200. Bouledjnib, Leila and Sahli, Salah.2010. Investigation of Pores Influence On Dielectric Constant Value In Low K Material Using Monte Carlo. Universitie Mentouri de Constantine, LMI, Vol 12. Butt, Ali Shehzad.2012. Shale Characterization Using X-Ray Diffraction. (Tesis) Master Of Engineering, Universitas Dalhousie. Halifax, Nova Scotia. Brenner, S.C and Scott, L.R. 1994. The Mathematical Theory of Finite Element Methods.Springer. Baxter, L. K.1997. Capacitive Sensors Design and Applications.IEEE Press. New York Cassidy, Nigel J.2009.Ground Penetaring Radar Theory And Elsavier Science Applications.Universitas Wisconsin-Eau Claire.UK. Conyers, Lawrence. 2013. Radar for Archaeology Third Edition. Amerika: Alta Mira Press Curtis, J.B.2002.Fractured Shale Gas systems. AAPG Bulletin vol 86. no.11 p. 1921-1938. Das, Subir et al.2014. A Semi-Cylidrical Capacitive Sensor Used For Soil Moisture Measurement.International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering.India Directorate General of Oil and Gas.2012.Indonesia’a Unconventional Oil & Gas : Policies,Regulation and Opportunities on Upstream Oil & Gas Business Development. www.migas.esdm.go.id. Donthi, Sarath Subash. 2004.Capacitance Based Tomography for Industrial Application.Electronic System Group EE Dept. IIT Bombay. Giancoli, Douglas.2005.Fisika Dasar Jilid 2.Erlangga.Jakarta. Hakim, Ahmad Novian Rahman. 2008. Algoritma Rekonstruksi Citra Pada Electrical Capacitance Volume Tomography (ECVT) Untuk Sistem Pencitraan Tubuh Manusia. Departemen Fisika (Skripsi). Universitas Indonesia. Depok. Halliday, D and Resnick, R.1997. Fisika Edisi Ketiga Jilid 2.Jakarta:Erlangga. Hayes, R R., Newill, P A.,Wodd, F J W.2010.An investigation into the use of a mixture model for simulating the electrical properties of soil with varying effective saturation levels for sub-soil imaging using ECT.Journal of Physic University of Manchester, UK. IOP Publishing. Ismarani, T.2004. Karakteristik Abu Hasil Pembakaran Batubara Bukit Asam Tarahan, Lampung.(Skripsi).Universitas Lampung. Bandar Lampung. Lee, W.E. and Rainforth, W.M.1994.Structure Oxides I:Al2O3 and Mullite in Ceramic Micro Structure: Property Control by Processing. Chapman and Hall. London. P. 290.316. Marashdeh, Warsito and Fan, L.S. 2008. Electrical Capacitance Tomogrpahy-A Perspective Q. I&EC research industrial & Engineering Chemistry Research.Ohio State Univ.ACS Publications. Ind. Eng. Chem. Res. 47, 3708, 3719. Marzoug, A., AlGhamdi, T., Sassi, K.H., Badri, M.2013.Advanced Characterization Of Shale Gas Rocks Using Dual Range FTIR And Dielectric Dispersion. The International Symposium of Society of Core Analysts, California,USA. Publish Saudi Aramco and Sclumberger Dhahran Reserach Center, SCA 2013-042. Muhtadi, Almas Hilman. 2012. Citra Fungsional Otak Berbasis Metode Tomografi Electrical Capacitance Volume Tomography. Jurusan Fisika (Skripsi). Institut Teknologi Bandung, Bandung. Potter. 1981. Sedimentology of Shale. Blackwell Science: New York Rajeshwar, K., and Inguva, R .1985.Application of dielectric spectroscopy to chemical characterization of oil shales.Fuel vol. 64. Reed, R. M., Loucks, R.G., Jarvie, D. M., and Ruppel, S. C.2007.Nanopores is the Mississippian Barnett Shale: Distribution, Morphology, and Possible genesis (abs.): Geological Society of America Abstracts with Programs, v. 39, no.6, p. 358. Ruppel, S. C., Loucks, R. G., and Gale, J. F. W.2008. Related mudrock successions in Texas cores and outcrops: a core workshop prepared for the 2008 AAPG/SEPM Annual Convention: The University of Texas at Austin, Bureau of Economic Geology 82 p. Saputra, Almusfi.2009. Menghitung Kapasitansi pada electrical capacitance volume tomography (ECVT) dengan menggunakan metode Artificial Neural Network. Departement.Fisika (Skripsi). Universitas Indonesia, Depok. Smallman R.E, dan Bishop, R.J. 2000. Metalurgi Fisik Modern dan Rekayasa Material Edisi Keenam.Erlangga.Jakarta. Sostrowidjojo, Imam B.2011. Teknik Identifikasi Shale Gas: Prospek Shale Gas di Cekungan Sumatra Utara. Workshop Kapasitas Sumber Daya Manusia dalam Penguasaan Teknologi Shale Gas Badan Litbang ESDM,PPPTMBG LEMIGAS. Jakarta. Sunarjanto, Djoko.2012.Ekspolarisasi dan Pengembangan Migas NonKonvesional Ramah Lingkungan. Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi. Jakarta. Stroud, D., Milton, G.W., De, B.R.1986.Analytical model for the dielectric response of brine-satured rock.Chevron Oil Field Research Company, La Habra. Dept. of Physics, Ohio State University, Columbus. Vol.34, no 8. Tipler.1996. Fisika Universitas Sains dan Teknik.Erlangga.Jakarta. Tsui, F and Matthews, S.I. 1997. Analytical Modeling of The Dielectric Properties of Concerete for Subsurface Radar Application. Construction and Building Materials. Vol. 11, No.3. pp. 149-161. Usman, Prof.Dr.Husain dan Akbar,R. Purnomo Setyadi,M.Pd.2006.Pengantar Statistika edisi kedua.PT.Bumi Aksara.Jakarta. Vlack, V.1992.Ilmu dan Teknologi Bahan (Ilmu Logam dan non-Logam), Edisi kelima. Alih Bahasa Sriati Djaprie.Erlangga.Jakarta. Villares, Begon-Lours, Margo.2010. A Non-linear Model of Sensitivity Matrix for Electrical Capacitance Tomography. Paris. Warsito, Marashdeh dan Fan, Liang Shih. 2007. Electrical Capacitance Volume Tomography. IEEE Sensors Journal, VOL. 7. Xie C G, Huang S M, Hoyle B S, Thorn R, Lean C, Snowden D dan Beck M S. 1992. Electrical Capacitance Tomography For flow Imaging System Model For Development Of Image Reconstruction Algorithms And Design Of Primary Sensor. IEEE Proc. G 139 89–98 Yang, W Q. 1995.Hardware Design of Electrical Capacitance Tomography System. IOP Publishing. Meas. Technol. Vol. 7. pp.255-232. Yang, WQ dan Peng, Lihui. 2003. Image reconstruction algorithms for electrical capacitance tomography. Measurement Science And Technology Vol 14. Zheng, Majia. 2011. Start With The Rock Based Characterization Of The Lower Silurian Longmaxigas-Shale In The Southwest of Sichuan Basin. China. Zhang, X., Pan, L K., Sun, C Q.Effective Dielectric Constant of Chemically Passivated Porous Silicon.Shcool of Electrical & Electronic Engineering, Nanyang Technological University. Singapore. Publish Ntu.
