PIRANTI PEMANFAATAN RESONANSI NUKLIR - MAGNETIK DAN POTENSI APLIKASINYA. Suprajitno Munadi, Rosie Andi Saputra, Dharma Setyabudi dan Yudi Kuntoro

(1)

Topik Utama

PIRANTI PEMANFAATAN RESONANSI NUKLIR - MAGNETIK

DAN POTENSI APLIKASINYA

Suprajitno Munadi, Rosie Andi Saputra, Dharma Setyabudi dan Yudi Kuntoro

Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas Bumi “LEMIGAS”

suprajitnom@lemigas.esdm.go.id

1. PENDAHULUAN

Fenomena resonansi antara inti atom (nuklir, proton) dengan medan magnet yang dikenal dengan nama NMR (Nuclear Magnetic

Resonance) sudah menjadi bahan penelitian

banyak ahli sejak 1946. Walaupun demikian pemanfaatan fenomena tersebut dalam kehidupan modern masih terus dikembangkan sampai sekarang. Salah satu contohnya adalah pemakaian NMR pada alat untuk logging sumur pengeboran migas (Harsono,1996; Sandors dan Ditzhuijzen,1996). Diperkirakan log NMR ini dapat memberikan beberapa besaran petrofisika yang penting dengan sekali logging.

Besaran-S A R I

Fenomena resonansi inti atom (nuklir) dengan medan magnet dimanfaatkan untuk kepentingan industri migas dilakukan dengan jalan merekayasa suatu piranti khusus yang memungkinkan diukurnya beberapa parameter penting yang berhubungan dengan keberadaan migas. Parameter tersebut adalah waktu polarisasi proton (T₁) dan waktu relaksasi proton (T₂) yang berhubungan dengan porositas, permeabilitas, saturasi air dan jenis fluida yang ada di dalam reservoir migas seperti minyak, air atau gas. Rekayasa telah berhasil membuat sebuah prototipe dari peralatan jenis ini dengan cara sendiri dan diuji dalam sumur bor tiruan. Hasilnya menunjukkan bahwa parameter T₁ dan T₂ dapat diukur dengan ketelitian yang tinggi sampai order beberapa puluh mikrodetik, suatu pencapaian yang dapat dijadikan titik tolak untuk pengembangan selanjutnya. Kredit poin rekayasa ini adalah kemampuannya dalam mencari jalan untuk mengendalikan partikel-partikel elementer yang diameternya sebesar sepersejuta nanometer atau satu meter dibagi satu milyar kemudian mendeteksi dan mengamati perilakunya. Sebuah medan magnet bolak-balik dengan frekuensi mendekati satu juta MHz dan voltage ratusan Volt dikombinasikan dengan medan magnet permanen dari Somarium Cobalt sebesar lebih dari 10.000 Gauss adalah suatu hal yang menjadi kunci dalam keberhasilan rekayasa log NMR ini.

Kata kunci : NMR, probe, waktu polarisasi longitudinal proton, waktu relaksasi proton, well logging

besaran petrofisika tersebut adalah porositas, permeabilitas, saturasi air, viskositas fluida dan jenis fluida, bahkan tipe minyak yang ada di dalam reservoir migas (Kenyon dkk., 1995). Di industri alat jenis ini sudah dipakai oleh Schlumberger/Halliburton untuk jasa pengukuran dengan biaya yang sangat mahal sehingga menjadi kurang menarik minat perusahaan migas (Coates dan Prammer, 1999). Bila dibandingkan dengan produk Schlumberger/ Halliburton, rekayasa ini berbeda dalam hal desain akan tetapi diharapkan dapat berfungsi sama dengan biaya yang jauh lebih rendah walaupun presisinya tidak sebaik mereka.

(2)

Topik Utama

Di dunia kedokteran peralatan-peralatan pendiagnosa yang berprinsip pada fenomena NMR ini disebut Magnetic Resonance Imaging disingkat MRI (Bronskill dan Sprawl, 1993). Fenomena NMR juga banyak dipakai untuk analisis di bidang Geokimia Anorganik yang dikenal dengan nama Spektroskopi NMR. Spektroskopi NMR juga banyak dipakai untuk analisis senyawa kimia organik (Tarigan, 1984). Kertas kerja ini membahas usaha melakukan rekayasa khusus untuk menghasilkan suatu piranti dalam rangka memanfaatkan fenomena resonansi antara inti atom (nuklir) hidrogen dengan medan magnet. Artinya ini adalah suatu usaha untuk menarik manfaat dari perilaku benda-benda berukuran sangat kecil (proton) yang jari-jarinya hanya sekitar satu meter dibagi satu milyar. Untuk dapat memanfaatkan benda-benda yang sangat kecil tersebut, kita harus mengetahui perilakunya yang khas. Perilaku yang khas ini baru muncul dan dapat diamati bila kita mengganggu mereka dari tingkah laku normalnya. Kemudian dengan peralatan elektromagnetik yang khusus pula kita mengamati perubahan perilaku itu untuk kita daya gunakan bagi kepentingan kita.

Berurusan dengan benda-benda sangat kecil (proton) memerlukan keahlian tersendiri. Pro-ton sebagai partikel elementer bentuknya menyerupai bola dengan jari-jari sebesar 0,000001 nm (sepersejuta nanometer). Satu nanometer (nm) adalah ukuran panjang setara dengan 10-9_{m atau satu meter dibagi satu}

milyar. Untuk dapat membayangkan betapa kecilnya ukuran ini bandingkan dengan sehelai rambut. Sehelai rambut mempunyai diameter kira-kira 50.000 nm dan bakteri berukuran beberapa ratus nm, jadi bakteri besarnya sepadan dengan sehelai rambut dibagi 500. kalau jari-jari inti kira sebesar 0,000001 nm, maka jari-jari atom adalah sebesar 0,1-0,2 nm. Artinya jari-jari atom adalah kira-kira 5000 sampai 10.000 kali jari-jari inti.

Jadi, rekayasa piranti ini adalah suatu usaha untuk mengiteraksikan partikel-partikel elementer yang ukurannya sepersejuta nano

meter atau satu meter dibagi satu trilyun tersebut. Kesukaran-kesukaran yang dihadapi diharapkan dapat menjadi pengalaman dan pelajaran yang amat berguna untuk bagi generasi penerus untuk memasuki dunia nano ini.

2. TEORI DASAR

Material terdiri atas milyaran atom dan masing-masing atom mempunyai inti yang dikelilingi oleh elektron. Inti atom terdiri atas proton dan netron. Proton ini melakukan gerak rotasi pada sumbunya (spinning) demikian juga elektron. Karena kedua partikel elementer ini mempunyai muatan listrik maka timbul momen magnet. Momen magnet yang disebabkan karena berputarnya proton disebut momen magnet inti. Pada keadaan biasa, arah momen magnet inti ini tak beraturan (acak) sehingga magnetisasi total dari material itu lemah dan tak punya pola. Apabila sebuah medan magnet yang berasal dari magnet permanen (B₀) kita kenakan kepada material tadi, maka arah momen magnet inti dari proton-proton yang ada di dalamnya akan menjadi teratur, dan sebagai akibatnya magnetisasi akan meningkat sampai dicapai keadaan jenuh. Waktu untuk membawa proton-proton yang momen magnet intinya semula berarah acak menjadi teratur disebut

longitudinal polarization time (waktu polarisasi

proton) dan disingkat dengan simbol T₁.

Medan magnet yang kedua adalah medan mag-net khusus (B₁). Medan magnet ini harus mampu menembus konfigurasi atom-atom material dan langsung "menggoyang" proton yang sedang berotasi dengan tenang. Untuk ini diperlukan medan magnet bolak balik dengan frekuensi 60 juta Hertz dan tegangan 500 Volt. Akibat goyangan ini proton akan melakukan gerak presesi (gerak gasing yang oleng) disamping masih mempertahankan gerak rotasi pada sumbunya (Gambar 1). Gerak presesi inilah yang merupakan gerakan yang paling efektif untuk magnetisasi karena muatan yang berputar akan menimbulkan medan magnet. Gerak presesi ini adalah akibat dari adanya resonansi antara

(3)

Topik Utama

proton dengan medan magnet. Frekuensi gerak presesi ini yang dikenal dengan nama frekuensi Larmor adalah :





2 0 B f  

dengan

ã

adalah rasio giromagnetik dari proton yang besarnya = 267,54 MHz/tesla. B_o = medan magnet yang mempengaruhi proton.

Gerak presesi ini menyebabkan pemutaran fasa moment magnet inti dari 90° menjadi 180°. Di dekat material yang proton-protonnya melakukan gerak presesi inilah ditempatkan antenna untuk merekam tegangan akibat magnetisasi.

Keadaan ini dibiarkan sesaat, kemudian medan magnet B₁ dihentikan. Karena ketiadaan medan penyebab resonansi ini akibatnya proton akan kehilangan energi untuk melakukan gerak presisi sehingga dia akhirnya melakukan gerak relaksasi. Waktu untuk menyelesaikan gerak relaksasi ini dinamakan transversal relaxation time (waktu relaksasi proton) disingkat T₂ nilainya berbeda antara satu material dengan material yang lain. Bahkan lamanya waktu relaksasi berhubungan langsung dengan porositas batuan reservoir. Selain itu kombinasi nilai-nilai T₁ dan T₂ dapat dipakai untuk membedakan minyak, air dan gas.

N S Z Y X f0 B₀

Gambar 1. (a) Simulasi gerak rotasi proton pada sumbunya (spinning). (b) Simulasi gerak presesi proton (precession).

Proses polarisasi dan relaksasi proton tadi dapat digambarkan dalam bentuk diagram Gambar 3. Selain T₁ dan T₂ada lagi satu parameter yang menarik yakni koefisien difusi. Koefisien difusi disebabkan oleh mekanisme pergeseran molekul hidrokarbon saat proton melakukan relaksasi dan ini mempengaruhi nilai T₂. Koefisien difusi ini dirumuskan sebagai :

T₁fast T₂fast Diff n/a T₁med T₂med Diff med T1slow T2slow Diff low T1slow T2fast Diff high Gas Oil Water Bound Free

Gambar 2. Kombinasi antara T₁dan T₂ untuk air, gas dan minyak. Diff adalah koefisien difusi. 2 2

(

)

12

e diffusion

G

T

Diff





. . . (1) . . . (2) Perhatikanlah diagram berikut ini (Gambar 2).

(4)

Topik Utama

Dengan ketentuan :

Diff =

koefisien difusi molekuler

ã

=

gyromagnetik rasio proton

G =

gradient kuat medan magnet (Gauss/cm)

T

_e

=

spasi antar echo (lihat gambar 3).

T1 T2

Gambar 3. Visualisasi longitudinal polarization time (T₁) dan transversal relaxation time (T₂). T_e adalah interval antar echo signal (Menger dan Prammer, 2002). Data logger DAQ I/O Signal Conditioning Database Battery PC / Laptop Trafo 500 V 0,732 MHz Timer 1, Timer 2 Microcontroller Waveform Generator NMR Probe 3. REKAYASA SISTEM

Sistem yang dimaksud akan merupakan sebuah kombinasi dari komponen-komponen elektro-mekanik yang digabung menjadi suatu piranti khusus yang diharapkan mampu memanfaatkan fenomena resonansi nuklir-magnetik untuk keperluan industri. Alat (probe) yang menggunakan prinsip NMR dapat dimasukkan ke dalam lubang sumur untuk menentukan nilai dari beberapa parameter petrofisika batuan maupun fluida yang ada di sekeliling lubang bor seperti porositas, permeabilitas, saturasi air, kekentalan minyak, indeks hidrokarbon, dan lainnya (Kenyon, 1992). Sementara ini rekayasa baru diarahkan untuk membuat prototipe dari log NMR yang mampu menampilkan nilai-nilai T₁dan T₂.

Piranti Log NMR yang direkayasa itu terdiri dari komponen-komponen seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.

(5)

Topik Utama

4. HASIL REKAYASA DAN UNJUK KERJA

Hasil rekayasa ini masih berupa prototipe akan tetapi sudah mampu mengukur T₁ dan T₂ dengan cermat dalam orde nano detik.

Baterai

NMR Probe

Centralizer

Gambar 5. Desain umum NMR probe (berwarna kuning) dan centralizernya. Saat logging centralizer diletakkan di atas dan di bawah probe

5. PEMBAHASAN

Prototipe Log NMR (Gambar 6) beserta

centralizer nya (Gambar 7) telah dicoba untuk

berfungsi pada sumur tiruan. Sumur tiruan ini adalah sebuah sumur pengeboran sangat dangkal dan rekaman waktu T₁ dan T₂ dilakukan

pada 120 level (kedalaman) dengan interval 12 cm (Gambar 8).

Pebedaan nilai T₁ dari kedua kedalaman adalah 0,000002 mili detik, sementara perbedaan nilai T₂ adalah 0,00005 mili detik. Hal ini mewakili perbedaan sifat petrofisika di kedua level tersebut. Hasil pengukuran pada kedalaman 4,1 m diperlihatkan pada Gambar 9 atas, sedang hasil pengukuran pada kedalaman 11,6 m diperlihatkan pada Gambar 9 bawah. Terlihat pola waktu polarisasi (T₁) dari kedua kurva tersebut agak mirip, sementara pola waktu relaksasi (T₂) berbeda. Pada level 11,6 m kurva T₂lebih curam mencerminkan porositas yang lebih kecil. Nilai porositas perlu dihitung memakai software yang dapat menginversi rekaman T₂. Keterbatasan bit dari data logger yang dipakai saat ini (16 bit) belum memungkinkan perekaman digital dengan sampling interval dalam order milli detik. Alat yang direkayasa baru mampu merekam nilai awal dan nilai akhir dari T₁dan T₂. Nilai antara dari kurva-kurva tersebut didapat secara interpolasi eksponensial.

6. KESIMPULAN

Berfungsinya piranti hasil rekayasa ini membuktikan bahwa telah dicapai kemampuan memasuki teknologi yang memanfaatkan perilaku partikel elementer (proton) atau partikel-partikel sub-atomik yang ukurannya jauh lebih kecil dari pada bakteri. Proton ini dipercaya berbentuk bola dengan diameter 0,000001 nm (sepersejuta nanometer) atau satu meter dibagi satu triliun yang bergerak dengan kecepatan 0,7 kali kecepatan cahaya. Pencapaian ini di negeri ini, kemungkinan besar adalah yang pertama untuk instansi yang bergerak di bidang litbang teknologi. Dibanding teknologi di luar negeri, rekayasa ini membuat alat pemanfaatan fenomena NMR yang berbeda dalam desain tapi sama dalam fungsi.

Inovasi yang dapat dicatat dalam kegiatan ini adalah bahwa piranti pemanfaatan fenomena NMR yang saat ini termasuk dalam kategori "the

(6)

Topik Utama

Gambar 6. Desain NMR Probe

Gambar 7. Desain mekanik Centralizer

1. Quick Coupling

2. Magnet (Samarium Cobalt 1.32 T) 3. Receiver

4. Transmiter 1. Quick Coupling

2. Lengan Centralizer 3. Roda dan As Pendorong 4. Pegas

Gambar 8. (a). Litologi yang ditembus oleh sumur tiruan (kedalaman dalam meter) (b). Logging NMR di sumur tiruan

(7)

Topik Utama

Gambar 9. Hasil pengukuran T₁ dan T₂ pada dua kedalaman yang berbeda di dalam sumur tiruan

leading edge technology" sudah dapat

direkayasa dengan cara-cara sendiri yang relatif murah, walaupun harus diakui hal ini adalah baru merupakan langkah pertama, akan tetapi kalau mau dikembangkan lebih lanjut, potensi aplikasinya begitu beragam, bukan hanya untuk well logging tetapi dapat juga untuk pemeriksaan sampel batuan reservoir dari core dan sampel untuk analisis geokimia organik di laboratorium, spektrometri unsur-unsur kimia, diagnosa dalam dunia medis, dan lainnya.

DAFTAR PUSTAKA

Bronskill, M.J., Sprawl, P., 1993, The Physics

of MRI, American Association of Physicsists in Medicine Summer School Proceedings,

American Institute of Physics.

Coates, G.R.,Xiao, L. dan Prammer G, M.G., 1999, NMR Logging and Applications,

Halliburton Energy Services, Halliburton.

Harsono, A., 1996, NMR Teknologi Logging Abad ke 21, Jurnal Teknologi Minyak dan Gas

Bumi No.05, hal.43-60.

Kenyon, B., Kleinberg, R., Straley, C., Gubelin, G, Morriss, C., 1995, Nuclear Magnetic Resonance Imaging, Technology for the 21st Century, Oilfield Review, p.19-33, Autumn. Kenyon,W.E., 1992, Nuclear magnetic

Resonance as a Petrophysical Measurement, Nuclear Geophys., Vol.6,2 p.153-177.

Menger , S. D an Prammer, M., 2002, Development in NMR Logging, dalam Covell, M. dan Parkinson, M., 2002, Geological Application of Well Logs, AAPG

Method in Exploration Series, No. 13.

Musu, J.,T., 2000, Relationship between

Reservoir Properties and NMR Measurements: Examples from Tirrawarra Sandstone, Copper Basin, South Australia, National Centre of Petroleum Geology and Geophysics, University of Adelaide.

Sandors,R.K.J dan Ditzhuijzen, P.J.D., 1995,

NMR Logging The New Measurement, Shell

International Petroleum Maatschappij. Tarigan, P., 1984, Spektrometri Resonansi