Abstrak — Tubing N80  sering  digunakan  sebagai production tubing ,  namun  sering  dilaporkan sering mengalami kebocoran akibat  kontak  langsung  dengan  fluida.  Beberapa  faktor penyebab kebocoran tubing ini yaitu perbedaan temperatur dan tekanan  yang  berlebih.  Terdapat  teknologi  terbaru  yaitu metode patch repair dengan menggunakan material non-logam, polimer superabsorbent .  Polimer  yang  digunakan  adalah Polyacrylamide ,  yang  memiliki  sifat  unik dalam menyerap dan memelihara  aliran  fluida  bertekanan.  Akibat  keterbatasan informasi  tentang  teknologi  ini,  maka  mulai  dikembangkan simulasi patch terhadap kebocoran tubing . Dalam penelitian ini akan  menganalisis  distribusi  thermal  dan  deformasi  pada tubing beserta patch nya,  dengan  temperatur  operasi  yang berbeda.  Pembuatan  geometri  dan  simulasi  dilakukan  dengan menggunakan software ANSYS  Mechanical  APDL  Release  18.0 berdasarkan  metode elemen hingga. Penelitian ini diharapkan dapat  membantu  industri  minyak  dan  gas  mensimulasikan kinerja patch terhadap  kebocoran tubing ,  sebelum  dilakukan secara praktik.
Kata Kunci — Leaking Repair, Patch, Polyacrylamide, Superabsorbent, Tubing

## I. PENDAHULUAN
NDUSTRI oil  and gas melakukan pengeboran sumur untuk mendapatkan hidrokarbon dari reservoir menuju permukaan. Agar mutu hidrokarbon dari sumur ini terjaga dengan baik dan produksi  terus  tetap  dilakukan,  siklus lifetime sebuah  sumur harus tetap dijaga. Terdapat 5 tahap proses pengeboran sumur yaitu  eksplorasi,  penilaian,  pengembangan,  produksi,  dan pembuangan.  Tahap  produksi  adalah  tahap  yang  paling penting ketika dilakukan  pengaliran  hidrokarbon  dari formasinya  di  dalam  tanah.  Dalam  era ini, industri oil and gas melaporkan permasalahan yang cukup signifikan mempengaruhi  produksi  minyak  bumi  dan  gas  alam.  Banyak industri oil and gas memiliki laporan bahwa adanya kebocoran pada casing , salah satu komponen yang mengalami kebocoran adalah tubing yang  terekspos  secara  langsung  dengan  hasil produksi. Tubing yang  mengalami  kebocoran  ini  disebabkan oleh  korosi, sand  blasting ,  perbedaan  temperatur,  adanya shrink age ,  dan  tekanan  yang  berlebih.  Kebocoran  ini  dapat
memberikan  efek  bocornya  hasil  produksi  dari tubing selama proses produksi berlangsung. Maka, tubing harus ditutup [1]. Namun,  metode  konvensional  untuk  memperbaiki  sumur pada  aplikasinya  membutuhkan  biaya  yang  mahal,  banyak waktu,  dan  beresiko  pada  pengerjaan rig karena  telah menghentikan  atau  harus  melakukan shutdown pada  sumur bor. Metode ini adalah dengan mengganti tubing produksi dan pack er , lalu menjalankan kembali proses yang sempat terhenti. Selain  itu,  terdapat  metode  penambalan casing yang  kurang praktis  dan  membuat  tubing  produksi  beroperasi  pengerjaan selanjutnya sulit dilakukan [2].
Polimer superabsorbent merupakan  metode  yang  mulai dikembangkan  dalam  berbagai  bidang,  seperti  pertanian, produk  kebersihan,  pengolahan  air  limbah,  bahan  penyegel, dan  peningkatan  perbaikan  mutu  minyak.  Karena  polimer  ini memiliki sifat yang unik yaitu mampu menyerap dan memelihara sejumlah  besar  fluida  yang  bertekanan  tertentu  dan  dapat digunakan  untuk  mencegah  atau  membatasi  aliran  fluida terhadap kebocoran pada tubing . Material polimer superabsorbent yang  digunakan  adalah Polyacrylamide [3]. Oleh karena itu, perlu adanya simulasi analisis numerik tentang polimer superabsorbent ini  terhadap  variasi  temperatur  aliran fluida berupa minyak mentah dari reservoir tanpa menghentikan  atau shutdown proses  produksi  yang  sedang berlangsung.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisis pengaruh  temperatur tubing terhadap  kemampuan patch repair polyacrylamide dan  temperatur  optimum tubing yang paling  tepat  untuk  dilakukan patch  repair menggunakan polyacrylamide.

## II. METODE PENELITIAN

## A. Peralatan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian berupa perangkat lunak  ( software )  berbasis  elemen  hingga  yaitu ANSYS Work bench Release 18.0 dengan modul Fluent dan Transient Structural yang  digunakan  untuk  membuat  permodelan geometri  dan memodelkan simulasi in-situ well repair dengan menggunakan material polyacrylamide .

## B. Geometri
Geometri  yang  digunakan  pada penelitian ini adalah tubing
Studi Pengaruh Tubing pada Performa In-Situ
Well Repair Menggunakan Material
Polyacrylamide dengan Coupled CFD-FEM
Arifa Nuriyani, Mas Irfan P. Hidayat, Sungging Pintowantoro, dan Sonny Irawan Departemen Teknik Material, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : masirfan.ph@gmail.com
I
N80  dengan  permukaan  berlubang sebanyak 5 buah. Masing - masing  lubang  memiliki  diameter  sebesar  0,15  inci.  Posisi lubang  pada tubing N80  yaitu  3  lubang berada di permukaan bawah  berdasarkan  tampak  depan,  dan  2  lubang  berada  di permukaan  atas  berdasarkan  tampak  belakang.  Antarlubang memiliki jarak sebesar 36 inci.
Gambar 1. Geometri Tubing N80 T ampak Depan
Gambar 2. Geometri Patch

## C. Material Properties
Pada  penelitian,  material  yang  disimulasikan  adalah  tubing dengan  grade  N80.  N80  adalah  salah  satu  jenis  baja  karbon yang  hanya  memiliki  sedikit  unsur  paduan.  N80  memiliki spesifikasi sebagai berikut:
T abel 1. Spesifikasi Material T ubing N80 [4] Material Specifications Value Density 8030 kg/m 3 Min. Yield Strength 552 MPa Max. Yield Strength 758 MPa Min. Tensile Strength 689 MPa Max. Hardness - Total Elongation under Load (%) 0,500 Young Modulus 207.000 MPa Spesific Heat 502,48 J/kg.K Therm al Conductivity 16,27 W/m.K Heat Transfer Coefficient 150 W/m 2 .K OD 4,5 inch Wall Thickness 0,271 inch Length 18 feet
Dalam  penelitian  ini, polyacrylamide digunakan  sebagai material patch repair dengan sifat mekanik sebagai berikut:
T abel 2.
Sifat Material Polyacrylam ide [5] Material Specifications Value Density 1189 kg/m 3 Young Modulus 7111 Pa Poisson’s Ratio 0,48 Specific Heat 3810 J/kg.K Therm al Conductivity 0,56 W/m.K Molar Cohesive Energy 39.800 J/mol
Selain  itu  terdapat  sifat dari material fluida yang digunakan dalam penelitian ini, yaitu:
T abel 3. Sifat Minyak Mentah dan Gas Alam [6] Minyak Me ntah Material Specifications Value Density 960 kg/m 3 Spesific Heat 1880 J/kg.K Therm al Conductivity 0,12 W/m.K Viscocity 0,048 kg/m.s Molecular Weight 258,19 kg/kmol Gas Alam Material Specifications Value Density 0,6679 kg/m3 Standard State Enthalpy -7,489518e+007 J/kmol Therm al Conductivity 0,0332 W/m.K Viscocity 1,087e-005 kg/m.s Molecular Weight 16,04303 kg/kmol

## D. Pengaturan Permodelan
1) Analisis Modul Fluent
Dalam  melakukan  simulasi  permodelan tubing N80, langkah pertama  yang  dilakukan  adalah  menentukan General  Setup yaitu  tipe  pembebanan  yang  digunakan  berdasarkan  tekanan dan  tidak  bergantung  pada  waktu.  Kecepatan  fluida  yang mengalir  adalah  absolut.  Percepatan  gravitasi  bumi  yang digunakan  adalah  9,8  m/s2.  Nilai  minus  menunjukkan  arah percepatan menjauhi pusat bumi.
Pada Setup selanjutnya,  simulasi  ini  menggunakan  model fluida multiphase dengan  tipe volume  of  fluid , energy diaktifkan,  dan viscous fluida  dengan  tipe  laminar  dalam tubing . Material  properties dapat  diatur  dalam  menu  setup  ini, dengan  menginput  data  dari  Tabel  1.  dan  2.  sebagai solid material serta 3. sebagai fluid material . Setup dari Cell Zone Conditions dan Boundary  Conditions disesuaikan  dengan hasil meshing pada  prosedur  sebelumnya.  Pada inlet ,  diatur dengan tipe velocity-inlet dan terdapat kondisi operasi berupa kecepatan  0,24  m/s  (konstan)  serta  temperatur  dalam  tabulasi Thermal  diinput  sesuai  dengan  variabel  bebas  yang  akan dianalisis. Sedangkan  pada  pengaturan  nama  interior menyesuaikan  prosedur  meshing  sebelumnya.  Pada outlet , simulasi  ini  diatur  dengan  tipe pressure-outlet .  Kondisi wall diatur pada tabulasi thermal dengan nama material sebagai baja dengan nilai koefisien transfer panas sebesar 150 W/m 2 .K dan ketebalan  tubing  sebesar  0,271  inci. Dynamic  Mesh dan
Reference Values dalam simulasi ini adalah pengaturan default . Pada pengaturan Solution , metode analisis yang digunakan adalah  pengaturan default dengan scheme berupa  SIMPLE. Tabulasi controls juga diatur default .
2) Analisis Modul Transient Structural
Setelah  melakukan  analisis fluent ,  dapat  dilakukan  analisis thermal  pada  struktur tubing N80.  Modul  yang  digunakan adalah transient structural dengan melakukan sistem coupling dari  analisis fluent .  Dalam analisis ini, pengaturan yang harus dilakukan  yang  pertama  adalah meshing diperhalus  dengan menggunakan refinement pada  tubing,  setelah  itu meshing yang  dilakukan  pada  analisis  ini  menggunakan  fungsi curvature dengan  kehalusan meshing sedang  dengan menggunakan  ukuran  minimal meshing sebesar 0,01 inci pada tabulasi span  angle  center. Agar  pada  geometri patch terbentuk meshing yang  halus,  maka  tabulasi inflation diatur dengan  menggunakan smooth  transition dengan  maksimal sebanyak 15 layer .
Pada  tabulasi transient ,  temperatur  lingkungan  di  sekitar tubing sebesar variabel yang akan dianalisis. Analysis setting pada  simulasi  ini  menggunakan step  end  time sebesar  22,86 detik.

## E. Kondisi Temperatur Inlet
Variasi temperatur inlet yang diambil dari 323 K – 673 K (323 K, 373 K, 423 K, 473 K, 523 K, 573 K, 623 K, dan 673 K).
Variasi  temperatur inlet yang  diambil  bertujuan  untuk menunjukkan daya lekat patch yang masih baik atau tidak pada temperatur  tinggi  atau  lebih  rendah  dari  titik  leleh polyacrylamide . Geometri yang dibuat selanjutnya di- meshing hingga  memperoleh  sebanyak  264.446  elemen  dan  496.602 node.  Geometri  ini  sesuai dengan simulasi karena tidak terjadi error  analysis selama software bekerja.  Apabila  elemen  dan node dari meshing jumlahnya kurang dari nilai tersebut, hal ini akan  menyebabkan  kurangnya  keakuratan  dalam  perhitungan dan bentuk nyata dari geometri kurang terbentuk. Hal tersebut telah  terjadi  ketika meshing .  Apabila  elemen  dan  node berjumlah  lebih  banyak, software secara  otomatis melaporkan error analysis .

## F. Distribusi Thermal pada Analisis Modul Fluent
Berdasarkan analisis data yang diperoleh, dapat ditunjukkan bahwa fluida mengalami temperatur loss selama fluida mengalir di sepanjang tubing. Hal ini terjadi karena adanya perpindahan panas  secara  konveksi  dari  fluida  bertemperatur  lebih  tinggi menuju  dinding tubing dan patch .  Distribusi  thermal  yang tidak merata diakibatkan adanya  perbedaan material properties antara baja dengan polimer, yaitu memiliki titik lebur yang  berbeda.  Baja  memiliki  titik  lebur  >1.773  K  dan polyacrylamide memiliki  titik  lebur  >573  K,  hal  ini menyebabkan polyacrylamide akan mengalami defect pertama kali  daripada tubing . Defect yang  terjadi  dapat  berupa berkurangnya daya lekat patch , lepasnya patch , hingga patch meleleh.  Sedangkan  perpindahan  panas  antara tubing dan
patch terjadi  secara  konduksi  [7]. Tubing N80  yang  memiliki konduktivitas thermal yang lebih tinggi daripada polyacrylamide , menunjukkan bahwa tubing N80 semakin baik dalam  menghantarkan  panas.  Oleh  karena  itu  pada  analisis fluent ditunjukkan  temperatur  fluida  mengalami  distribusi thermal  yang  merata  di  sepanjang  tubing  daripada  di  sekitar patch .
Beberapa patch repair yang dilakukan memiliki dampak pada distribusi  thermal. Patch  repair yang  terbentuk  akan menyebabkan  tonjolan  ke  dalam tubing dan  menyebabkan penyempitan  area tubing .  Fluida  yang  mengalir  akan mendorong  dan  bergesekan  dengan  tonjolan patch ,  hal  ini menyebabkan  temperatur  di  s ekitar  tonjolan patch meningkat akibat  gesekan  dan  pemampatan  volume  fluida.    Temperatur loss masing-masing variabel dapat ditunjukkan pada tabel dan grafik sebagai berikut:
T abel 4.
Perbandingan Selisih T emperatur (ΔT ) antar T itik
Temperatur Inlet (K) 323 373 423 473 523 573 623 673 Keti ng g ia n (m )
0 - - - - - - - - 0,911 5 5.18 5 16.88 9 28.2 2 39.51 4 51.32 62.31 73.7 4 84.9 3 1,822 9 1.82 9 6.267 9.39 5 14.28 5 18.01 7 23.48 30.5 8 34.3 8 2,734 4 -2.31 - 8.147 -12.6 - 18.21 - 23.95 - 29.93 -38.3 -42.7 3,645 9 -3.95 - 12.60 -20.9 - 29.85 - 38.02 - 46.83 -55.4 -64.2 4,557 4 0.17 1 0.547 0.93 6 1.265 1.671 2.057 2.45 6 2.74 5,468 8 0.80 3 2.549 4.28 2 6.045 7.793 9.52 11.2 7 13.0 1 5,486 4 -1.12 - 3.565 -6.00 - 8.439 - 10.89 - 13.32 -15.8 -18.2
Δ T(T in -T out ) 0.61 2 1.945 3.27 2 4.608 5.943 7.278 8.61 3 9.93 7
T abel 5.

## Nilai Deformasi T otal
T emperatur Inlet (K) Deformasi T otal Minimum (meter) Deformasi T otal Maksimum (meter) 323 0,000018791 0,00061733 373 0,000059599 0,001959 423 0,00010049 0,0032998 473 0,00013924 0,0046395 523 0,00018123 0,0059797 573 0,00022014 0,0073181 623 0,00026273 0,0086574 673 0,00029928 0,009994
Gambar  3.  Grafik  T emperatur  T otal  pada  Analisis Fluent Selama  Fluida Mengalir
Dari  hasil  analisis,  temperatur loss terbesar  terjadi  pada temperatur inlet sebesar  673  K  yaitu  9,937K  dari  temperatur inlet menuju outlet .  Temperatur tubing yang  terlalu  panas akan  membuat  kemampuan lekat patch menurun. Oleh karena itu, kondisi temperatur inlet di atas 573 K tidak dianjurkan.

## G. Distribusi Thermal pada Analisis Modul Transient Structural
Deformasi  total  pada  penelitian  ini  untuk  menunjukkan seberapa  besar  deformasi  akibat  temperatur  operasi  yang dilakukan  pada  inlet.  Tegangan von  mises yang  dianalisis merealisasikan tegangan thermal yang terjadi pada tubing N80 ketika  diberi  temperatur  operasi  tertentu  pada inlet .  Apabila kedua nilai ini semakin tinggi dari batas nilai dari material, akan menyebabkan  menyebabkan  terjadi  thermal stress yang dapat menurunkan  kualitas  material  itu  sendiri  [8]  Hal  ini  akan menyebabkan  adanya  kavitasi  lokal,  keausan  dan  timbulnya korosi [9].
Berdasarkan  masing-masing  temperatur inlet , nilai terendah berada  di  temperatur  inisiasi  323  K  yaitu sebesar 0,000018791 meter  untuk  nilai  minimum  dan  0,00061733  meter  untuk  nilai deformasi  maksimumnya.  Sedangkan  nilai  deformasi  tertinggi berada di temperatur inisiasi 673 K yaitu dengan nilai minimum 0,00029928  meter  dan  nilai  maksimum  0,009994  meter.  Hal  ini dapat  menunjukkan  semakin  besar  temperatur  inisiasi  pada inlet maka  semakin  besar deformasi yang terjadi di sepanjang struktural.
Gambar  4.  Grafik  T emperatur  Operasi  pada Inlet terhadap  Nilai Minimum Deformasi
Gambar  5.  Grafik  T emperatur  Operasi  pada Inlet terhadap  Nilai Maksimum Deformasi
Tegangan von mises digunakan untuk menunjukkan thermal stress pada tubing dan patch selama  22,86  detik  fluida mengalir. Tegangan yang bervariasi ditunjukkan akibat adanya temperatur  inisisasi  yang  berbeda.  Berdasarkan  analisis  data pada  sub-bab sebelumnya, tegangan terbesar berada di patch kedua.  Tegangan  terbesar  terjadi  diantara  sambungan patch dan tubing .  Hal  ini  dapat  menunjukkan  daya  lekat patch terhadap tubing .
Berdasarkan  masing-masing  temperatur inlet , nilai terendah berada  di  temperatur  inisiasi  323 K yaitu sebesar 42,983 MPa. Sedangkan  nilai  tegangan von  mises tertinggi  berada  di temperatur  inisiasi  673  K  yaitu  dengan  nilai  minimum 0,00029928  meter  dan  nilai  maksimum  0,009994  meter.  Hal  ini juga  dapat  menunjukkan  semakin  besar  temperatur  inisiasi
pada inlet maka semakin besar tegangan von mises yang terjadi di antara sambungan patch dan tubing .
T abel 6.
Nilai T egangan Von Mises Maksimal
Gambar  6.  Grafik  T emperatur  Operasi  pada Inlet terhadap  Nilai Maksimum T egangan Von Mises
Nilai  perpindahan  dan  tegangan von  mises terbesar  juga terjadi  pada  temperatur inlet 673 K ini dengan masing-masing nilai  0,009994  meter di ujung tubing dan 691,47 MPa terjadi di sekitar patch kedua.  Karena  tegangan  dari polyacrylamide sebesar  665,8  MPa,  maka  temperatur inlet lebih  dari  sama dengan 673 K tidak dianjurkan.
Dari hasil kedua analisis dengan modul fluent dan transient analysis ini,  temperatur  optimum  yang  dapat  dioperasikan sekitar  323  K  hingga  523  K.  Hal  ini  dapat  didukung  dengan studi  sebelumnya milik Hidayat, et. al 2016 [10]. Hasil simulasi menunjukkan  bahwa  kemampuan casing untuk  menahan tekanan  formasi  diturunkan  seiring  dengan  banyaknya  siklus thermal  yang  meluas,  sehingga  menyebabkan  degradasi kekuatan casing pada  aplikasi  thermal.  Sebagai  rekomendasi dalam  operasi  secara praktik, disarankan agar temperatur kerja maksimum  dari  injeksi  uap  lebih  baik  berada  di  bawah 360°C, misalnya 300°C atau setara dengan 573 K. Pada temperatur ini, ditunjukkan  bahwa casing memiliki  tegangan  thermal  yang lebih  rendah  serta  kemampuan  yang  lebih  baik  pada  tekanan yang menurun.

## III. KESIMPULAN
Temperatur tubing dapat  mempengaruhi  daya  lekat patch repair  polyacrylamide karena  semakin  tinggi  temperatur tubing hingga  melebihi  titik  leleh polyacrylamide ,  maka semakin  berkurang  daya  lekat  dan  menurunnya  kemampuan patch repair.
Temperatur  optimum tubing yang  paling  tepat  untuk dilakukan patch  repair menggunakan polyacrylamide adalah di bawah titik leleh polyacrylamide yaitu 323 K hingga 523 K, namun temperatur paling optimum adalah temperatur di bawah 323  K  ditinjau  dari  nilai perpindahan dan tegangan von mises yang semakin kecil.

## LAMPIRAN

## A. Perhitungan Kecepatan Alir Fluida
Diketahui cross  sectional  area dari  geometri tubing dalam simulasi sebesar 12,304 in 2 . Untuk flow rate proses pengeboran minyak  mentah  memiliki  rentang  nilai  sebesar  1.000  hingga 1.200  barel/hari.  Dalam  simulasi  ini, flow rate yang digunakan sebesar 1.050 barel/hari dengan konversi sebagai berikut:
Lalu konversi area sebesar:
Maka, diperoleh kecepatan alir fluida, sebesar:
B. Perhitungan Wak tu Alir Fluida

## C. Perhitungan Tegangan Polyacrylamide
Diketahui daya kohesi polyacrylamide sebesar 39.800 J/mol, memiliki  densitas  sebesar  1189  kg/m3  dan  volume  sebesar 0,0047881 in 3 (7,8311x10-8 m 3 ). Berat molekul dari polyacrylamide yaitu 71,08 gr/mol.
T emperatur Inlet (K)
T egangan Von Mises Maksimal (MPa) 323 42,983 373 134,27 423 230,74 473 323,12 523 416,8 573 507,18 623 596,75 673 691,47

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kas ih  kepada  Direktorat Pendidikan  Tinggi,  Departemen  Pendidikan  dan  Kebudayaan Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui Beasiswa Bidik Misi tahun 2014-2018”.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
R.  K.  Khandka, Leakage  Behind  Casing .  Norway:  NT NU, 2007. [2] J.  R.  Styler,  J.  W.,  Al-Suwailem,  S.  S.,  Akhnoukh,  R.  L.  & Leighton, A  Unique  Rigless  Casing  Leak  Repair,  Ghawar Field,  Saudi  Arabia .  Saudi  Arabia:  Society  of  Petroleum Engineers, 2001. [3] S.  Ibrahim,  M.  A.  b.  &  Irawan, Absorption  Properties  of Superabsorbent  Polym ers  for  Sealing  Tubing  Leaks .  Bandar Seri Iskandar: Universiti T eknologi Petronas, 2016. [4] API, Specification  for  Casing  and  Tubing .  Washington: American Petroleum Institute, 2005. [5] C. Book, “ Polyacrylamide,” 2017. . [6] H.  Devold, Oil  and  Gas  Produsction  Handbook:  An
Introduction  to  Oil  and  Gas  Production,  Transport,  Refining, and Petrochem ical Industry. ABB Oil and Gas, 2013. [7] C.  J.  Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations , 3rd editio. New Delhi, 1997.
[8] W.  D.  Callister, Material  Science  and  Engineering  an Introduction . USA: John Wiley & Sons, Inc, 2009.
[9] M.  Z. Hidayat, M. I. P., Irawan, S. & Abdullah, Effect of Casing Im perfection  on  the  Casing  Strength  in   Steam   Injection  Wells . Surabaya: IOP Publishing, 2017.
[10] M. Z. Hidayat, M. I. P., Irawan, S. & Abdullah, Casing Strength Degradation in Therm al Environm ent of Steam  Injection Wells . Surabaya: IOP Publishing, 2016.