Nama
: Muhazzib
NRP
: 3713100041
Fisika Batuan Nuclear Magnetic Resonance Measurements and Applications 1. Nuclear Magnetic Resonance
Nuclear Magnetic Resonance adala adalah h suat suatu u tekni teknik k apli aplika kasi si kimi kimiaa anali analiti tik k yang yang digunakan untuk mengontrol kualitas dan penelitian dari suatu konten dan kemurnian dari suatu suatu sampel sampel dengan dengan memanf memanfaatk aatkan an struktu strukturr moleku molekul. l. Prinsi Prinsip p dari dari penggu penggunaan naan nuclear nuclear magneti magneticc resona resonance nce ketika ketika nucle nuclear ar magn magneti eticc berasosiasi dengan nuclear spin di medan magnetik eksternal, perbedaan spin akan memberikan perbedaan energi potensial magnetik. Dengan Dengan adanya adanya medan medan magnet magnetik ik statik statik yang yang mempro memproduk duksik sikan an spin spin polari polarisasi sasi,, sinya sinyall frekuensi radio yang tepat bisa menginduksikan sebuah transisi diantara spin. Spin Flip tersebut tersebut akan menempatkan menempatkan beberapa spin di tingkatan energi yang paling tinggi. Jika radio sinyal dimatikan, akan terjadi relaksasi yang mengembalikan spin ke tingkatan yang rendah dan memproduksikan sejumlah RF sinyal di frekuensi resonansi dengan spin flip. Sehingga dari proses tersebut kita dapat mengetahui dan mengidentifikasi struktur senyawa dan rumus bangun senyawa molekul organik. Sehingga !R ini sudah banyak digunakan dalam dunia medis. "etapi "etapi dengan dengan berkembang berkembangnya nya ilmu pengetahuan pengetahuan dan teknologi, teknologi, !R ini sudah merambah dalam dunia industri khususnya pada minyak dan gas. Pengukuran !R tersebut digu diguna naka kan n untu untuk k meng menget etah ahui ui para parame mete ter# r#pa para rame mete terr petr petrof ofis isik ika, a, sepe sepert rtii poro porosi sita tas, s, permeabilitas, dll untuk kegiatan ekplorasi minyak dan gas. $erikut merupakan prinsip#prinsip yang digunakan untuk pengukuran !R % 1. Nuclear Magnetism
Nuclear magnetic resonance dihasilkan resonance dihasilkan dari respons inti atom ke medan magnet. &nti atom memiliki moment magnetik dan momentum angular yang disebut dengan spin. Dengan adanya adanya medan medan magnet magnet ekstern eksternal, al, maka maka inti atom akan akan berger bergerak ak sesuai sesuai arah dari medan medan magnet magnet ekster eksternal. nal. 'etika 'etika spin spin inti inti magneti magnetik k tersebu tersebutt berinte berinterka rkasi si dengan dengan medan medan magnet magnet eksternal makan akan menghasilkan sinyal yang dapat dihitung. Perhitungan !R dapat menggunakan berbagai inti atom dari masing#masing atom. $agi inti atom yang di ada di bumi, sinyal magnetik nuklir yang di induksikan dengan medan magnet eksternal sangat kecil jika di deteksi dengan !R. "etapi, hidrogen yang hanya memiliki satu proton dan tidak memiliki neutron, mempunyai momen magnetik yang relatif besar dan memproduksi sinyal s inyal yang kuat. Sehingga hampir semua pengukuran !R logging dan !R yang mengidentifikasi fisika batuan bergantung pada respons inti atom hidrogen. (al tersebut dikarenakan inti atom dari hidrogen adalah proton, yang bisa berasosiasi dengan momentum angular atau spin. "etapi, ketika hidrogen atom ada dan tidak adanya eksternal medan magnetik, inti hidrogen akan berputar secara acak. Sehingga dari prinsip
nuclear magnetism dapat disimpulkan bahwa dengan adanya inti magnetik yang berasosiasi dan berinterkasi dengan medan magnet eksternal maka akan menghasilkan sinyal yang dapat dihitung dengan pengukuran !R. 2. Polarization )angkah pertama untuk menghitung !R dengan prinsip polarisasi adalah dengan meluruskan inti atom dengan medan magnetik statis. 'etika medan magnetik atau $o di gunakan pada inti magnetik, maka $o akan mendesak gaya torsi pada inti atom untuk meluruskan sumbu putaran dengan $o. 'etika gaya tori diterapkan untuk memutarkan objek, dan $o diterapkan ke inti atom magnetik, inti atom magnetik tersebut bergerak sejajar sekitar medan magnet $o, dan ini disebut dengan )armor frekuensi %
f
=
γ Bo 2 π
Pada persamaan frekuensi )armor tersebut menunjukkan bahwa frekuensi tersebut berasal dari inti atom proporsional ke magnitude dari medan magnet statik dan ke rasio gyromagnetik. Frekuensi )armor merupakan sebuah fungsi dari medan magnet statik. Jika medan magnet memiliki nilai yang besar pada posisi yang dependen, kemudian frekuensi )armor berasosiasi dengan inti atom maka obeser*asi tersebut merupakan salah satu yang fundamental pada penghitungan pengukuran !R&. Dengan pengukuran !R& dapat diterapkan gradien medan magnetik. 'arena nilai terbesar dari medan magnet adalah position#dependent maka frekuensi )armor dari inti akan menjadi fungsi dari inti suatu atom. $erdasarkan kuantum mekanik, ketika proton di subjeksikan ke medan magnet eksternal, maka proton akan tertekan dari dua energi.
+ambar . Sebelah kiri ketika satu inti atom berada pada medan magnetik eksternal, dan gambar sebelah kanan ketika beberapa inti atom yang berputar mengalami tingkatan energi. Seperti pada gambar di atas, energi pada proton bergantung pada orientasi arah sumbu putar proton dengan arah dari medan magnet eksternal. 'etika arah sumbu putar paralel dengan medan magnet, maka proton akan mengalami energi yang rendah, sedangkan arah sumbu putar tidak paralel dengan medan magnet maka akan mendapatkan energi yang besar.
'etika terdapat banyak proton yang bergerak ke medan magnet eksternal maka akan banyak yang bergerak dengan arah paralel dibandingkan dengan anti paralel. Perbedaan antara jumlah proton yang bergerak secara paralel maupun anti paralel akan mendukung untuk memproduksikan sinyal yang akan ditangkap oleh !R dan !R&. 'etika terdapat banyak proton yang bergerak pada medan magnet eksternal, maka kita dapat menghitung nilai magnet bulk yaitu %
Setelah proton berada pada medan magnet statik, maka proton tersebut akan terpolarisasi. "etapi polarisasi tidak berlangsung begitu saja, polarisasi akan terjadi sejalan dengan perubahan waktu atau waktu relaksasi sesuai dengan persamaan berikut %
Setiap fluida seperti air, minyak,dan gas memiliki masing#masing waktu relaksasi untuk terpolarisasi yang berbeda#beda. 3. Pulse Tipping and Free Induction Decay )angkah kedua dalam proses pengukuran !R adalah menambahkan nilai kemagnetan pada ujung dari arah longitudinal menuju ke arah trans*ersal. Penambahan ini diterapkan pada osilasi medan magnet -$ sejajar dengan -$o medan magnet statik. /gar efektif, frekuensi $ harus sama dengan frekuensi )armor. Sebuah osilasi medan magnet yang berinteraksi seperti gambar dibawah ini. Dari pandangan mekanika kuantum, jika proton berada pada tingkatan energi yang rendah, maka akan menyerap energi pada $ dan berpindah ke tingkatan energi yang tinggi. Penerapan $ juga disebabkan karena proton bergerak dalam satu fase dengan yang lainnya. Sehingga menyebabkan adanya perubahan tingkatan energi dan disebut dengan nuclear magnetic resonance. Pada le*el makroskopik, resonansi hasil dari penambahan nilai kemagnetan juga dapat diketahui besar sudut dari penambahan tersebut, yaitu %
0. Spin#1cho Detection Saat proton tidak koheren lagi dalam fasenya yang disebabkan oleh tidak homogennya medan magnet statik maka proses tersebut akan memiliki tanda#tandanya. Saat itu nilai kemagnetan proton *ektor pada trans*ersal akan kembali pada fase ketika 23. ̊ Fase dari $ akan berubah menjadi 45. /kibatnya, fase dari nilai magnet akan mengecil. Saat itulah free induction decay dapat di deteksi.
+ambar 6. Free Induction Decay dapat di deteksi 7. !R#!easurement "iming Setelah beberapa lama maka waktu pengurangan nilai kemagnetan pun selesai. Pada akhirnya proton akan teracak pada akhir proses 8P!+ dan untuk memulai 8P!+ selanjutnya, proton harus memulai proses polarisasi lagi. Jadi dibutuhkan waktu tunggu ketika proses polarisasi terjadi lagi antara proses 8P!+ berakhir dan memulainya lagi.
+ambar 9. Diagram waktu !R +ambar di atas merupakan penampang diagram waktu pengukuran !R. Pada diagram pertama yang di atas menunjukkan setiap 8P!+ tersebut terdiri dari : 0̊ $ dan diikuti oleh 20̊. Sedangkan pada diagram yang dibawah menunjukkan waktu dari proses terjadinya polarisasi dan echo train. Perhitungan 8P!+ selalu meghasilkan hasil yang berpasangan.
/plikasi penggunaan !R % NMR ore !nalysis for "ncon#entional Reser#oirs Dengan memanfaatkan pengukuran !R, pada penelitian ini mengidentifikasi dan mencari waktu relaksasi distribusi fluida pada kegiatan eksplorasi. Sehingga pada hasilnya dapat menginterpretasi dan mendapatkan informasi tentang distribusi ukuran pori, permeabilitas, porositas, dan kandungan *olume air. Pada penelitian ini setelah mendapatkan hasil pengukuran dari !R kemudia menggunakan instrumen $eospec2 yang berfungsi untuk men*isualisasikan aliran fluida dalam pori#pori dan mendapatkan parameter pengukurannya yang disebut dengan T% & Time to %cho'. Sehingga pada hasilnya akan mendapatkan grafik informasi tentang "6 yang mempresentasikan ukuran pori dari sampel yang digunakan. Semakin kecil dari nilai "6 maka ukuran pori akan semakin mudah untuk diketahui. (al ini sangat penting untuk rese*oir yang uncon#entional seperti, shale oil( gas( dan hea#y oil reser#oirs.
"abel . Data hasil pengukuran Pada hasil pengukuran menunjukkan bahwa semakin kecil dari nilai "1 maka akan menghasilkan pengukuran yang lebih cepat dan mendeteksi banyak sinyal pada sampel yang digunakan. (al ini juga menunjukkan bahwa sampel tersebut mendapatkan banyak sinyal dan memiliki pori#pori yang kecil. Dengan mengolah data lebih lanjut menggunakan $reen Imaging Technologies maka menghasilkan kur*a dari masing#masing sampel yaitu sebagai berikut %
+ambar 0. 'ur*a Sampel #R
+ambar 7. 'ur*a sampel # R
+ambar ;. 'ur*a sampel #0 R $erdasarkan grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin kecil dari nilai echo time maka akan memberikan kemudahan dalam menghitung nilai porositas dan distribusi ukuran pori. (al ini dikarenakan sinyal yang didapatkan sangat mudah di deteksi oleh !R. "etapi jika data hasil pengukuran !R diolah lebih lanjut dengan menggunakan $eo)pec2( maka didapatkan kur*a yang menunjukkan waktu relaksasi yang lebih lengkap sehingga dapat memudahkan dalam mencari nilai porositas dan parameter reser*oir lainnya dengan lebih akurat.
