Pengkerakkan Silika Sebagai Faktor Dominan Produksi Panas Bumi Pada Sumur Cerro Prieto, Mexico
(Tugas Mata Kuliah Kristalisasi Terapan)
Oleh :
Dewi Asmarani
0717011029
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
ABSTRAK
Pengkerakkan Silika Sebagai Faktor Dominan Produksi Panas Bumi Pada Sumur Cerro Prieto, Mexico
Cerro Prieto merupakan salah satu tambang terbesar di dunia dalam bidang panas bumi. Oleh karena itu beberapa metode dan teknik telah digunakan untuk mengurangi beberapa masalah yang berdampak pada produksi panas bumi. Akan tetapi sampai saat ini masalah pengkerakkan silica mungkin merupakan masalah yang sulit untuk ditangani karena terjadi baik di sumur dan di permukaannya. Masalah pengkerakkan silica mewakili masalah utama dari air-air garam yang membawa mineral didalamnya masuk ke sumur dan memerlukan tegangan yang tinggi untuk melarutkannya yang akan berakibat penurunan efisiensi pembangkit listrik. Metode pemindahan sumur untuk membersihkannya dari kerak silika beberapa saat sangatlah mahal dan memakan banyak waktu. Komisi Federal de Electricidad (Meksiko Listrik Utility) yang beroperasi harus melakukan sekitar 12 perbaikan setiap tahun terhadap beberapa sumur yang mengalami pengkerakkan silika. Untuk memahami kerak silika mekanismenya sangat sulit karena beberapa variabel ikut terlibat didalamnya. Beberapa model telah digunakan untuk menjelaskan endapan silika dalam bidang panas bumi tetapi sampai saat ini penelitian mengenai endapan silika belum mencapai hasil yang terbaik untuk menghilangkan atau meminimalkan masalah ini. Makalah ini terutama berkaitan dengan masalah pengkerakkan silika dan menyajikan model awal yang sederhana untuk menentukan jumlah pengkerakkan silika yang ada di dalam sumur, sementara aliran uap naik dari dalam sumur produksi ke permukaan sumur.
I. PENDAHULUAN
Cerro Prieto merupakan salah satu tambang terbesar di dunia dalam bidang panas bumi yang terletak di Baja California di ,Mexicali Valley 35 mil selatan perbatasan Amerika Serikat yang mulai bekerja sejak tahun 1973. Setelah 31 tahun berproduksi, lebih dari 250 sumur telah dibor dengan kedalaman 1000-4500 m. Suhu bagian dalam sumur mencapai 280 °C dan 367 °C adalah suhu tertinggi yang diukur pada area CP 3 dan CP 4. Saat ini ada rata-rata 150 sumur-sumur produksi, dialokasikan dalam empat area produksi diidentifikasi sebagai CP (CP 1, CP 2, CP 3 dan CP 4 ; lihat gambar 1). Selain itu terdapat pembangkit listrik yang sudah diinstal kapasitas 720 MWe, yang di distribusikan dalam empat pembangkit listrik. Laju aliran uap yang diperlukan untuk menghasilkan listrik oleh pembangkit adalah sekitar 6.500 metrik ton per jam.
Gambar 1. Lokasi sumur Cerro Prieto
II. AIR GARAM dan GAS KIMIA
Macam – macam komposisi kimia air garam yang berasal dari laut terpisah pada tekanan atmosfer yang ditunjukkan pada Tabel 1. Namun, beberapa jenis air garam dengan berbagai kondisi kimia ditemukan pada area produksi Cerro Prieto. Air garam bervariasi jenis dan perbedaannya tergantung pada beberapa factor termasuk sumber daya berdasarkan geologi, suhu, tekanan dan sumber air.
| | CP1 | CP2 | CP3 | TOTAL |
| Na | 6,445 | 9,915 | 8,659 | 7,942 |
| K | 1,455 | 2,710 | 2,274 | 2,047 |
| Ca | 292 | 445 | 387 | 351 |
| Cl | 11,766 | 18,627 | 16,125 | 14,823 |
| SiO2 | 931 | 1,028 | 891 | 983 |
| Total | 20,462 | 20,462 | 28,262 | 27,378 |
Tabel 1. Analisis kimia mengenai air garam dari sumur Cerro Prieto dalam ppm. Tidak termasuk area CP4
Seperti dapat dilihat hubungan berikut antara kation dan anion komponen dalam air garam (Mercado et al, 1989):
Cations: Na+ > K+>Ca2+>Mg2+
Anions: Cl- > HCO3- > SO2-4
Macam-macam komposisi gas utama dalam uap air dapat dilihat pada Tabel 2.
Produksi air garam di sumur Cerro Prieto telah sulit untuk ditangani. Campuran air, unsur-unsur dan aliran gas dalam jumlah besar berisi energi dan produksi larutan yang mengandung unsur-unsur dan senyawa dalam tempratur tinggi, menyebabkan keterbatasan dalam operasi panas bumi. Air garam yang diproduksi dari sumur Cerro Prieto bersumber dari pencampuran antara Sungai Colorado dan air laut yang menguap sampai sekitar enam kali salinitas normal (Truesdell et al., 1981). Campuran ini terletak mengelilingi di bagian dalam dan dipanaskan oleh proses magmatik. Selama sirkulasi dalam Li, K, B, SiO2, dan sebagian kecil Na membentuk batuan. Isotop oksigen dalam larutan berada dalam kesetimbangan dengan reservoir kalsit (Hurtado et al., 1983).
| GASES | CP 1 | CP 2 | CP 3 | TOTAL |
| Carbon Dioxide (CO2) | 1.233 | 1.032 | 1.711 | 1.22 |
| Hydrogen Sulfide (H2S) | 0.047 | 0.058 | 0.061 | 0.06 |
| Ammonia (NH3) | 0.007 | 0.006 | 0.008 | 0.007 |
| Others | 0.021 | 0.026 | 0.042 | 0.029 |
| TOTAL | 1.038 | 1.12 | 1.822 | 1.375 |
Tabel 2. Analisis kimia gas utama dalam uap, dari sumur Cerro Prieto dalam % menurut beratnya. Tidak termasuk area CP4
III. MASALAH PENGKERAKKAN
Pengkerakkan pada sumur Cerro Prieto terjadi baik pada sumur panas bumi
dan permukaan produksi. Sebagai konsekuensi ini, sejumlah besar pendukung sumur diperlukan secara terus-menerus untuk mendapatkan produksi uap, produksi menurun karena pengkerakkan, pemeliharaan dan perbaikan dilakukan setiap periode. Karena pengurangan kerak memerlukan peralatan pengeboran jadi biaya yang dikeluarkan tidaklah sedikit.
dan permukaan produksi. Sebagai konsekuensi ini, sejumlah besar pendukung sumur diperlukan secara terus-menerus untuk mendapatkan produksi uap, produksi menurun karena pengkerakkan, pemeliharaan dan perbaikan dilakukan setiap periode. Karena pengurangan kerak memerlukan peralatan pengeboran jadi biaya yang dikeluarkan tidaklah sedikit.
Hurtado et al., (1983), Investigasi terhadap karakterisasi kerak di sumur Cerro Prieto, menunjuk mineral utama didalamnya adalah : Kalsit, Sfalerit, Galena, Luzomite, dan amorf Silikat. Hampir semua sumur dianalisis dan dipelajari secara mendalam. Mercado et al., (1989), menyadari sebuah laporan tentang kerak yang ada di sumur panas bumi Cerro Prieto. Beberapa teknik pengkerakkan yang terjadi pada sumur Cerro Prieto ditampilkan dalam gambar 2.
Selain itu, Hurtado et al., (1990) menjalankan laporan studi di sumur Cerro Prieto mengenai pengontrolan kerak. Studi ini melibatkan sumur dengan masalah kerak dan metode untuk menghilangkan kerak silika yang ditanam pada pipa. Tiga jenis kerak yang terdapat pada sumur Cerro Prieto adalah : Kalsium karbonat (Kalsit), amorphous silika (SiO2), dan Metalik sulphides, terutama besi, timah dan kaleng (Ocampo et al., 2003).
Pada sumur area CP 1 menunjukkan endapan kalsit dan kerak silika. Kalsit cenderung terjadi pada kedalaman lebih besar daripada silika, tetapi saling tumpang tindih. Pada area CP 2, CP 3, dan CP 4, daerah produksi telah menunjukkan silika sulfida dan kerak lebih kecil dan lunak, yang terjadi pada kedalaman yang lebih besar. Ketiga jenis kerak terbentuk dalam memproduksi larutan ketika bergerak melalui sumur dan menaiki sumur.
Larutan jenuh dengan silika bersama sulphida dan kalsit dihasilkan dari reaksi air-batuan. Ketika cairan mendidih saat bergerak ke atas sumur, mendingin dan kehilangan uap, kemudian meningkatkan konsentrasi terlarut mineral dalam fase cair dan menyebabkan endapan di dalam pipa. Ini juga kehilangan gas CO2 terlarut, yang menyebabkan perubahan pH. Bentuk silika terutama sebagai hasil dari perubahan konsentrasi dan sulfida sebagai akibat pendinginan, dan kalsit hasil dari perubahan pH.
Gambar 2 proses pengerakkan yang terjadi pada sumur Cerro Prieto
Jumlah kerak silika dan sulphida terlarut dalam sumur panas bumi sumur Cerro Prieto pada dasarnya adalah fungsi temperatur Silika yang dikendalikan oleh kuarsa, yang mencapai maksimum kelarutan pada sekitar 340 ° C.
kerak silika terbentuk pada permukaan dalam sumur Cerro Prieto yang dipengaruhi oleh titik didih di bagian bawah.
Gambar 3 menunjukkan skematis dari pembentukan kerak.
Mineral sulfida menjadi jenuh segera setelah fluida larutan suhunya mendingin meskipun besi cenderung membentuk sulphida hanya setelah pendinginan setelah melewati titik jenuh, sebagai akibat dari laju reaksi lambat. amorf silika, yang terbentuk dari SiO2 berubah menjadi larutan jenuh hanya melalui proses pemanasan dan cukup pendinginan. Endapan kerak kalsit yang lebih kompleks adalah fungsi dari kimia fisik (misalnya : salinitas, pH dan konsentrasi kalsium dan pelapasan CO2) dan pH berubah setelah mendidih dibandingkan dengan laju pendinginan pada saat mendidih. Kalsit selalu jenuh dalam fluida larutan, dan selalu ada potensi kimia untuk membentuk kalsit, yang berkembang ketika cairan mendidih. Namun, tidak seperti silika dan sulfida, kalsit menjadi kurang larut saat suhu meningkat. Akibatnya, yang paling parah endapan kerak kalsit cenderung terjadi dari suhu yang lebih rendah cairan panas bumi (di bawah 220 ° C sampai 240 ° C) dan itu relatif tidak biasa untuk menemukan kerak di sumur kalsit panas seperti yang ditemukan di area CP 1. Meskipun ada potensi kimia untuk pembentukan kerak, reaksi untuk mencegah cukup lambat. Untuk alasan ini, mungkin akan bahwa kerak area 1 CP membentuk sebagai akibat khusus kondisi. Salah satu kemungkinan membentuk kerak hanya terjadi bila ada pencampuran antara pengeboran sumur lebih dalam, panas dan sedikit komponen pendingin. Kedua komponen akan membentuk kalsit-jenuh, namun campuran dari keduanya akan lebih jenuh dan membentuk kerak dengan potensi yang sangat tinggi dengan kilapan.
Bagian Personal CFE di Cerro Prieto membuat analisis statistik perbaikan antara 1988-1991. Hasilnya menunjukkan bahwa persentase setelah perbaikan pipa uap di 11 sumur, menggunakan mekanisme dalam mengurangi kerak pada permukaan, adalah 45% yang berkaitan dengan laju aliran uap produksi awal. Gutierrez Puente, H. dan Mendoza, M.A., (1995) menunjukkan bahwa setiap tahun di sumur panas bumi Cerro Prieto, 12-16 sumur yang diperbaiki akibat kerak silika yang telah menyebabkan penurunan produksi. Ocampo et al., (1997) menganalisis perbaikan dari 27 sumur Cerro Prieto, selama 1994-1997. Hasilnya adalah dengan membersihkan sumur-sumur produksi di permukaan bagian dalam menunjukkan penguapan yang lebih menurun. Hasil terbaik diperoleh di sumur yang semakin dalam.
IV. PREPARASI SILIKA
Prediksi tingkat pengkerakan silika jelas kompleks tetapi penentuan larutan jenuh adalah panduan penting. Gambar 4 menunjukkan perbandingan endapan silika yang diamati pada sumur panas bumi di Cerro Prieto dan Ohaaki sebagai fungsi dari tingkat kejenuhan.
Gambar 4. konsentrasi silika untuk sumur Cerro Prieto
Ada beberapa metode pada model matematika diterapkan pada endapan silika dalam sumur Cerro Prieto. Arellano, et al., (1991), mengembangkan sebuah prosedur untuk mendiagnosis pengurangan produksi kerak dalam sumur Cerro Prieto.
Faktor-faktor yang terkait dengan penurunan produksi sebagai berikut:
• Pengkerakkan permukaan pipa
• kerusakan mekanik pada pengeboran sumur.
• Pintu masuk cairan pendingin.
• larutan jenuh diseluruh permukaan.
• Pengkerakkan permukaan pipa
• kerusakan mekanik pada pengeboran sumur.
• Pintu masuk cairan pendingin.
• larutan jenuh diseluruh permukaan.
Proposal prosedur diterapkan hingga 17 sumur panas bumi di Cerro Prieto. Selain itu, endapan silika dihitung menggunakan Parameter tingkat (Rd) ditunjuk mewakili potensi pembentukan produksi kerak silika pada pipa-pipa sumur. Ini dapat digunakan sebagai alat untuk meramalkan pengkerakkan. Seperti dapat diamati sebagian besar sumur menunjukkan penurunan produksi kerak yang kuat. Untuk kasus-kasus dikelompokkan sepanjang garis vertikal berkorespondensi dengan Rd = 0, penurunan produksi kerak mungkin disebabkan karena penurunan dari kerak silica itu sendiri . Penting untuk diamati bahwa untuk semua kasus di mana Rd bernilai lebih besar dari 10 kg / jam, terjadi tingkat penurunan produksi kerak yang kuat (hampir semua kasus mengalami penurunan produksi kerak lebih besar dari 40% per tahun). Sebuah nilai Rd 10 kg / jam dapat diambil sebagai nilai minimum yang menunjukkan tingkat berbahaya pengkerakan larutan jenuh.
Gambar 5. Endapan Silika vs penurunan produksi kerak untuk sumur Cerro Prieto
Beal et al., (1997), memperkirakan jumlah endapan silika dibawah permukaan antara 0-120 pon per jam, di beberapa area CP 2 dan CP 3 dari data kimia sumur Cerro Prieto.
4.1 Awal model endapan silika
Sekitar 27 sumur-sumur produksi dianalisis untuk mendapatkan model awal matematis untuk menghitung endapan silika dalam sumur Cerro Prieto sementara cairan naik untuk menuju kepala sumur. Oleh karena itu, data produksi entalpi diplot terhadap endapan silika dalam sumur. Endapan silika itu ditentukan dari data kimia pada kondisi dikepala sumur dan kondisi di sumur bagian dalam, perbedaan antara konsentrasi silika (di kepala sumur dan di bagian dalam sumur) ditentukan pada endapan silika yang tertimbun di dalam sumur.
Gambar 6. Endapan Silika vs Entalpi produksi untuk Sumur Cerro Prieto
Gambar 6 menunjukkan korelasi ditemukan antara entalpi produksi dan endapan silika. Dari korelasi yang diperoleh, model untuk menghitung konsentrasi silika dalam cairan yang perlahan naik ke kepala sumur. Model awal yang sesuai dengan persamaan diferensial orde pertama yang merupakan fungsi dari kualitas campuran dan konsentrasi.silika.
C = konsentrasi silika pada setiap kedalaman pipa
Co = konsentrasi silika di bagian dalam sumur
x = fraksi airdalam cairan.
k = konstan
Co = konsentrasi silika di bagian dalam sumur
x = fraksi airdalam cairan.
k = konstan
Model ini telah diuji dan akan diintegrasikan pada bagian dalam sumur.
Gambar 7 menunjukkan plot konsentrasi silika (ppm) terhadap fraksi air (1-x) dari 600 sumur di Cerro Prieto. Perbedaan antara kepala sumur dan bagian dalam sumur memberikan jumlah konsentrasi endapan silika yang berbeda . Hal ini diperlukan untuk memasukkan endapan silika kedalam proposal model-tahap ke dua, karena menghitung fraksi air (1-x) atau kualitas (x) dan tingkat aliran uap air dan rasio pipa di setiap bagian.
Gambar 7. Endapan Silika vs Entalpi produksi untuk Sumur Cerro Prieto
V. KESIMPULAN
1. Kompleks senyawa kimia yang terkandung dalam panas bumi dan uap air garam menciptakan keterbatasan operasional di pembangkit listrik.pengkerakkan ekstrem dan karakteristik korosi air garam panas bumi dapat menyebabkan beberapa hal dan, disuatu saat adanya bencana kegagalan dalam operasi pabrik. Produksi sumur dan sistem pengumpulan, pabrik akan menghasilkan peralatan, pipa dan sumur injeksi semua dihadapkan pada hal yang ekstrim dan kondisi yang sulit dari air garam panas bumi.
2. Pengkerakkan terjadi di kedua sumur Cerro Prieto dan permukaan produksi. Sebagai konsekuensi dari ini, yang lebih besar mendukung jumlah sumur yang diperlukan untuk memperoleh cukup laju aliran uap produksi.
3. Penguranngan kerak memerlukan biaya yang tinggi karena di Cerro Prieto, metode yang biasa digunakan memerlukan peralatan pengeboran.
4. Tiga jenis utama kerak di sumur Cerro Prieto adalah : Kalsium karbonat (kalsit), amorphous silika (SiO2), dan Sulphida metalik.
5. Bagian Personal CFE di Cerro Prieto membuat analisis statistik perbaikan antara 1988-1991. Hasilnya menunjukkan bahwa persentase setelah perbaikan pipa uap di 11 sumur, menggunakan mekanisme dalam mengurangi kerak pada permukaan, adalah 45% yang berkaitan dengan laju aliran uap produksi awal.
6. Setiap tahun 12-16 sumur panas bumi di Cerro Prieto diperbaiki namun sebagai konsekuensi dari kerak silika menyebabkan penurunan produksi.
7. Hasil terbaik untuk mengatasi masalah pengkerakkan diperoleh dengan perbaikan dalam sumur dengan memperdalam zona produksi.
8. Dilakukan penelitian tentang perhitungan endapan silika dalam sumur Cerro Prieto mengungkapkan bahwa nilai-nilai dari 10 kg / jam dapat diambil sebagai nilai minimum yang menunjukkan tingkat berbahaya pengkerakkan larutan jenuh.
9. Sebuah model matematis dikembangkan untuk menentukan konsentrasi endapan silika pada kedalaman yang berbeda dan pada permukaan produksi sementara larutan naik dari bagian dalam sumur menuju kepala sumur. Model ini berasal dari persamaan diferensial pertama, dan akan dimasukkan dalam aliran bagian dalam sumur. Model silika diusulkan menentukan konsentrasi silika dalam permukaan produksi dari termodinamika dan karakteristik cairan geokimia yang dihasilkan.
10. Model pengurangan kerak silika telah diuji di beberapa sumur Cerro Prieto
untuk memvalidasi hasil.
untuk memvalidasi hasil.
Daftar Pustaka
Arellano, V.M., Nieva, D., Barragan, R.M. De Leon, J.,1991, Development in Geothermal Energy in Mexico-Part Thirty-Seven. Procedure to Diagnose ProductionAbatement Problems in Geothermal Wells, heatRecovery Systems & CHP., Vol. 11, No. 6, pp. 471-481.
Beal, J.,J., Pelayo, L.A., Ocampo. J.D., 1997, Dry Steam Feed Zones and Silica Scaling as Major Controls of the Total Flow Enthalpy at Cerro Prieto, Mexico,Geothermal Resources Council, Transaction, Vol. 21, pp., 153-156.
Gutierrez P., and Mendoza M., 1995, Techniques for rehabilitation of wells in Cerro Prieto. Geothermal Resources Council, Transaction, Vol. 19, pp., 401-408. Gunnarsson, I., Arnorsson, S., 2003, Silica scaling: th main obstacle in efficient use of high-temperature geothermal fluids. International Geothermal Conference, Reykjavik, pp. 30-36.
Hisao Kato, Junko Kamei, Koji Kitao, and Yoichi Muramatsu, Geothermal Resourses Council Transactions, Vol. 25, August 26-29, 2001. Numerical Simulation of anhydrite scaling In Production Well at the Sumikawa Geothermal Field, Japan, pp 99-108.
Hurtado, R., Holguin, S., Izquierdo G., Gamino, H., Bermejo, F., and Garibaldi, F., 1983, Downhole scale characterization at Cerro Prieto Geothermal Field, Proc. International Symp. Of Solving corrosion and scaling problems in geothermal systems, San Francisco California, pp. 165-176.
Mercado, S., Bermejo, F., 1989, Scaling of geothermal Wells in Cerro Prieto Field. Geothermal Resources Council transaction, Vol. 13, pp. 247-252.
Mercado, S., 1987, Cerro Prieto I First Units Running From 1973 to 1987 without corrosion Problems in the Turbines. Geothermal Resources Council Transaction, Vol. 11, pp. 453-457.
Ocampo, J., Pelayo, A., De Leon, J., Goyal, K., Box, T., 1999, Improvement in steam production through orifice plate diameter cleanout in the Cerro Prieto geothermal field. Proceedings of the 24th Workshop on the Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California.
Ocampo, J., Pelayo, A., De Leon, J., Goyal, K., Box, T., 1997, Recent Results of Deepening Wells Below Cerro Prieto II and III Traditional Exploitation Zones. Geothermal Resources Council Transactions, Vol. 21, pp. 585-590.
Ocampo, J., Moya , S. , De León , J., 2003 Lost Production as Consequence of Silica Scaling in Cerro Prieto Geothermal Well, Mexico. Proceedings, Twenty-Eight Ocampo et al.
Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California. SPG-TR-173.
Truesdell, A.H., Thompson, J..M., Coplen, T.B., Nehring, N.L. and Janik, C.J. (1981). The origin of the Cerro Prieto geothermal brine. Geothermics, 10, 225-238.
