Prototipe Sistem Nuclear Magnetic Resonance Logging Dengan Metode Inside-Out Tipe Jackson

Transkripsi

1 Prototipe Sistem Nuclear Magnetic Resonance Logging Dengan Metode Inside-Out Tipe Jackson Ferry Aziz Arifiyanto, Supriyanto, Lingga Hermanto Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Abstrak Prototipe sistem Nuclear Magnetic Resonance Logging (NMR Log) dengan metode Inside-Out tipe Jackson telah dibuat. Pembuatan prototipe sistem ini bertujuan untuk memahami rancangan NMR Log untuk aplikasi eksplorasi di sumur pengeboran minyak bumi. Sistem terdiri dari koil transceiver, dua magnet permanen silinder, penghasil pulsa RF, rangkaian transmiter, duplexer, rangkaian receiver dan osiloskop. Sistem NMR Log ini berhasil mengidentifikasi tiga jenis fluida (air, gliserin, dan bensin) dengan melihat parameter waktu peluruhan dan amplitudo dari sinyal Free Induction Decay (FID) akibat munculnya fenomena NMR pada atom hidrogen (H 1 ) yang terdapat di dalam fluida. Kata kunci: NMR, FID, Inside-Out, eksplorasi, loging sumur, hidrogen Abstract The prototype of Nuclear Magnetic Resonance Logging (NMR Logs) system with Jackson types Inside-Out method has been made. Prototyping system aims to understand the design of NMR Logs for applications in petroleum drilling wells exploration. The system consists of a coil transceiver, two cylindrical permanent magnets, RF pulse resource, transmitter circuit, duplexer, receiver circuit and oscilloscope. NMR Log system is able to identify three types of fluids (water, glycerin, and gasoline) by consider the parameters of decay time and amplitude of Free Induction Decay (FID) signal caused by NMR phenomenon of the hydrogen (H 1 ) atoms in the fluid. Key words: NMR Logging, FID, Inside-Out, exploration, well logging, hydrogen

2 1. PENDAHULUAN Kebutuhan energi di Indonesia maupun di dunia pada umumnya terus mengalami peningkatan seiring dengan kebutuhan ekonomi dan pertumbuhan penduduk. Untuk meningkatkan produksi minyak, perlu dimanfaatkan secara maksimal sumur-sumur tua yang masih bisa produksi maupun mencari sumur minyak yang baru melalui proses eksplorasi. Meskipun penelitian geologi maupun seismik mampu memberikan dugaan adanya potensi hidrokarbon di bawah tanah, akan tetapi sampai saat ini belum ada solusi nyata selain melakukan penggalian lubang sumur serta mengadakan serangkaian pengukuran di dalam sumur dan evaluasi data hasil rekaman untuk memastikan ada tidaknya kandungan hidrokarbon di bawah tanah (Harsono, 1997). Logging sumur pengeboran dilakukan dengan beberapa metode dan berbagai instrumennya. Salah satu metode logging yang dilakukan yaitu menggunakan metode Nuclear Magnetic Resonance Logging (NMR Log). NMR Log mulai diperkenalkan oleh NUMAR (Perusahaan Halliburton) pada tahun 1991 dengan tool yang disebut MRIL (Coates, 1999). Di industri migas, NMR log sudah dipakai oleh Schlumberger dan Halliburton untuk jasa pengukuran dengan biaya yang sangat mahal sehingga menjadi kurang menarik minat perusahaan migas (Munadi, 2011). Penelitian ini bertujuan untuk memahami rancangan NMR Log untuk aplikasi eksplorasi data di sumur pengeboran., memahami cara kerja sistem NMR Log dengan metode inside-out tipe Jackson dan membuat rancangan probe NMR Log dengan metode inside-out tipe Jackson. 2. LANDASAN TEORI a. Teori Nuclear Magnetic Resonance Sebuah atom terdiri dari inti atom dan elekton yang mengelilinginya. Inti atom terdiri dari proton yang bermuatan positif dan neutron yang bermuatan netral, sedangkan elektron bermuatan negatif. Proton dan elektron berputar pada porosnya (spin). Karena kedua partikel elementer itu memiliki muatan listrik, maka timbul momen magnet. Momen magnet yang disebabkan karena berputarnya proton disebut momen magnet inti (Munadi, 2011). Pada keadaan

3 normal, ketika inti atom tidak berada pada suatu medan magnet eksternal, arah momen magnet inti selalu acak. Ketika diberikan medan magnet luar yang berasal dari magnet permanen (B 0 ), maka arah dari momen magnet inti akan terpolarisasi meluruskan dengan arah Bo dan melakukan gerak presesi di sekitar B 0. Gerak presesi mirip seperti gerak gasing yang oleng. Frekuensi dari gerakan presesi disebut dengan frekuensi Larmour, dengan persamaan: (1) Dimana γ adalah rasio giromagnetik, yang diukur dari magnetisasi inti. Untuk inti atom hidrogen, γ/2π = 42,58 MHz/Tesla. Inti atom lain memiliki γ yang berbeda (Coates, 1999). Langkah selanjutnya untuk melakukan pengukuran NMR, yaitu dengan memberikan medan magnet berosilasi (B 1 ) yang arahnya tegak lurus terhadap B 0, medan magnet permanen. Agar efektif, frekuensi osilasi yang diberikan harus sama dengan frekuensi Larmour dari proton (Coates, 1999). Pemberian B 1 menyebabkan proton melakukan presesi sefase satu sama lain, atau dikenal dengan resonansi inti atom terhadap magnet, Nuclear Magnetic Resonance. Pada percobaan NMR Log dengan memberikan sinyal RF berbentuk pulsapulsa, maka energi dari radio frekuensi akan diterima oleh inti atom untuk berpindah tingkat energi. Lalu setelah radio frekuensi tersebut dihilangkan (pulsa berakhir), maka inti atom akan mengemisikan kembali energi tersebut dan menginduksi koil. Koil yang mendapat induksi magnetik tersebut akan menghasilkan sinyal tegangan yang dapat terukur. Sinyal tersebut meluruh dan dikenal dengan istilah Free Induction Decay (FID), seperti ada gambar 1.

4 Gambar 1 Grafik FID (Free Induction Decay) yang dideteksi koil transceiver b. Probe NMR Log Probe NMR Log dengan magnet permanen yang pernah dipatenkan oleh (Jackson, 1982) terdiri dari dua buah magnet permanen berbentuk silinder yang disusun dengan mempertemukan kedua kutub sejenis. Konfigurasi magnet seperti ini akan menciptakan suatu daerah medan magnet yang seragam berbentuk toroida di luar arah radial struktur magnet silinder tersebut, seperti pada gambar 2. Medan magnet pada daerah toroida tersebut memiliki besar medan magnet yang maksimal dan berbeda-beda untuk setiap jarak (d) antar dua kutub magnet yang didekatkan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3. Gambar 2 Pembentukan daerah medan magnet homogen berbentuk toroida (Jackson, 1982)

5 Gambar 3 Nilai medan magnet pada daerah toroida dan sekitarnya (Zhang, 2000) Sebuah solenoida ditempatkan di antara magnet untuk menghasilkan medan magnet osilasi B 1 yang tegak lurus dengan medan B 0. Medan magnet osilasi B 1 dari koil akan mengubah magnetisasi M 0 pada daerah medan magnet homogen berbentuk toroida di lapisan batuan (Luong & et al., 2001). Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 4 Perubahan arah magnetisasi M 0 akibat adanya medan magnet osilasi dari koil (Jackson,1982)

6 3. PERANCANGAN ALAT DAN EKSPERIMEN Prototipe Sistem NMR Log dirancang dengan mendesain sistem mekanik, dan sistem elektrik. Untuk perancangan sistem prototipe NMR Log, penulis membuat blok diagram seperti Gambar 5. Blok diagram tersebebut terdiri atas bagian input, bagian kendali, dan bagian output, dimana masing-masing bagian memerlukan catu daya / power supply yang nilainya berbeda-beda sesuai dengan kebutuhan. Gambar 5 Blok diagram sistem prototipe NMR Log a. Koil Transceiver Desain dari koil harus disesuaikan dengan frekuensi yang akan bekerja pada sistem, yaitu sama dengan frekuensi larmor. Besarnya nilai frekuensi larmor sebanding dengan besarnya medan magnet homogen yang diberikan. Berdasarkan hasil pengujian besarnya medan magnet pada daerah toroida, besarnya medan magnet homogen yang digunakan adalah 12,4 mt. Maka besarnya frekuensi larmor pada sistem ini dapat dihitung dengan persamaan 1.

7 Frekuensi ini juga harus menjadi frekuensi resonansi pada probe NMR Log. Probe NMR Log yang terdiri dari kapasitor tunning dan lilitan yang merupakan sebuah induktor akan membentuk suatu rangkaian resonator. Dengan menentukan nilai frekuensi sebesar 530 khz dan kapasitor C 1nF, maka nilai induktor L dapat dihitung, yaitu mendekati nilai 90uH. b. Penghasil Pulsa RF Untuk menghasilkan pulsa RF, penulis menggunakan Siglent Function/Arbitrary Waveform Generator (AWG Siglent SDG1050). Output CH1 digunakan untuk menghasilkan sinyal RF dengan frekuensi 530 khz. Output CH2 digunakan untuk menghasilkan pulsa dengan periode 1 ms dengan lebar pulsa 400us. Sedangkan Channel Gate In digunakan sebagai jalur gate pulsa menggunakan mode ASK (Amplitude Shift Keying) terhadap sinyal RF sehingga menghasilkan Pulsa RF (gambar 6) Gambar 6 Blok diagram penghasil pulsa RF

8 (a) (b) Gambar 7 Hasil Pulsa RF dengan setting Osiloskop time/div (a) 5 us dan (b) 500 us c. Transmitter Rangkaian transmitter dibuat dengan menggunakan rangkaian penguat kelas C yang terdiri dari dua transistor dan rangkaian resonator LC. Kapasitor pada setiap supply berfungsi sebagai kapasitor bias. Transistor 2N3904 merupakan transistor dengan range frekuensi tinggi, yaitu mencapai 100 MHz (2N3904, 2011). Gambar 8 Rangkaian transmitter

9 Rangkaian transmitter yang digunakan pada sistem dapat dilihat seperti pada gambar 8. Sinyal akan di-drive oleh transistor 2N3904 menuju transistor IRFZ44N, yang merupakan power transistor MOSFET. Transistor IRFZ44N digunakan sebagai transistor switching dan bisa membatasi tegangan hingga 2 kv (IRFZ44N, 1999). Arus dari power supply akan di-drive sesuai dengan sinyal yang masuk dari gate, lalu masuk ke konfigurasi diode 1N4148 yang berfungsi sebagai barrier. d. Receiver Bagian receiver seperti pada gambar 9, didesain dengan menggunakan operational amplifier (op-amp) LF353. Op-amp ini memiliki gain bandwidth yang lebar sehingga cocok untuk aplikasi penguat sinyal dengan frekuensi yang cukup tinggi (LF353, 2013). Penguatan dengan op-amp LF353 dilakukan dengan tiga tingkat agar menghasilkan gain yang cukup besar, mengingat sinyal NMR sebagai inputnya memiliki orde yang kecil (uv-mv). Gambar 9 Rangkaian receiver dan amplifier sinyal NMR Input sinyal NMR yang terdeteksi di koil akan masuk ke dalam kaki noninverting dari op-amp, sedangakan kaki inverting op-amp dihubungkan dengan resistor R1 100 Ω lalu dihubungkan ke ground. Resistor R2 1 kω

10 digunakan sebagai resistor feedback (Rf) dari kaki inverting op-amp. Setiap kaki tegangan sumber positif dan negatif dari op-amp, dipasang sebuah lilitan yang berfungsi sebagai RF choke. Tujuannya agar sinyal dari sumber DC tidak bercampur dengan sinyal input berupa sinyal AC. Selain itu di antara setiap tingkatan penguat, digunakan bandpass filter dengan rangkaian LC. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Medan magnet dari magnet permanen (B 0 ) Karena ketidakhomogenannya, maka disusunlah dua buah magnet permanen berbentuk silinder yang didekatkan dua kutubnya yang sejenis. Sumbu z dari magnet silinder itu disebut sumbu axial, dan arah yang menyebar dari sumbu itu adalah arah radial. Apabila diukur medan magnet di setiap arah radial untuk setiap jarak antarkutub magnet di sumbu axial, maka dihasilkan grafik seperti pada gambar 10. Medan Magnet (mt) Medan Magnet pada jarak antar kutub: 10 cm 9 cm 8 cm 7 cm 6 cm 5 cm Posisi (cm) Gambar 10 Pengukuran nilai medan magnet Dapat dilihat pada grafik gambar 10, bahwa pada daerah titik-titik puncak, terdapat daerah yang memiliki medan magnet homogen, hal inilah yang perlu

11 dicari untuk menghitung berapa medan magnet di daerah tersebut. Kemudian, langkah selanjutnya adalah menghitung berapa frekuensi larmor. Dari grafik gambar 10 juga dapat dilihat bahwa semakin dekat jarak antarkutub magnet sejenis yang didekatkan, akan semakin besar medan magnet homogen yang dihasilkan namun semakin kecil jarak antara sumber dengan daerah homogen tersebut. Artinya jarak yang mampu ditembus oleh medan magnet dari dinding sumur pengeboran semakin dekat. Jarak yang menunjukkan adanya medan magnet homogen yang cukup besar dan jarak axial dari sumbu magnet terjauh adalah pada saat keadaan jarak kedua kutub magnet sebesar 9 cm. Pada saat itu, medan magnet homogen tercipta di daerah pada jarak 3 cm dari sumbu axial. Pada jarak 3 cm itu, terdapat medan magnet homogen sebesar 12,4 mt atai 124 gauss. b. Pengujian sistem pada sumur buatan Ketika setiap bagian pada sistem telah diuji, maka langkah selanjutnya adalah menguji keseluruhan sistem untuk membuktikan adanya fenomena NMR pada sumur pengujian. Pengujian dilakukan di laboratorium elektronika Departemen Fisika UI. Gambar pengujian sistem dapat dilihat pada gambar 11 berikut ini. Gambar 11 Pengambilan data sistem NMR Log pada sumur pengujian buatan

12 Pada gambar 11 dapat dilihat bahwa probe sensor NMR Log yang berisi dua magnet permanen dan koil transceiver dimasukkan ke dalam simulasi sumur pengujian. Bagian display (Digital Storage Oscillopscope) dan penghasil pulsa RF (Arbitrary Waveform Generator) diletakkan pada bagian atas. Rangkaian transmitter, duplexer dan receiver juga diletakkan di bagian atas, di samping catu daya. Gambar 12 Pengambilan data sistem NMR Log pada sumur pengujian buatan alam keadaan kosong Hasil pengujian dalam keadaan sumur kosong tanpa fluida dapat dilihat pada gambar 12. Pada gambar 12 dapat dilihat sinyal berwarna biru merupakan sinyal output dari transmitter. Sinyal ini merupakan sinyal yang dimasukkan ke dalam koil dan membangkitkan medan magnet osilasi (B 1 ) dan menginduksi fluida di dalam sumur pengujian. Sinyal berwana merah merupakan sinyal respon ataupun sinyal yang dideteksi oleh koil. Ketika pulsa berada pada falling edge, maka setelah itu seharusnya muncul fenomena Free Induction Decay (FID) apabila fenomena NMR telah terjadi. Namun karena di dalam sumur tidak ada fluida yang mengandung hydrogen, maka tidak muncul fenomena NMR dan akhirnya sinyal FID tidak akan tampak pada layar osiloskop. Setelah mengetahui respon dari sensor ketika tidak ada fluida yang mengandung hidrogen di dalam sumur pengujian, maka dilakukanlah pengujian dengan memasukkan fluida yang mengandung hidrogen ke dalam sumur

13 pengujian. Fluida itu adalah air (H 2 0), Gliserin (C 3 H 8 O 3 ) dan bensin premium (C 8 H 18 ). Respon dari sistem NMR Log adalah seperti pada gambar-gambar 13. (a) (b) (c) Gambar 13 Sinyal FID pada (a) air aquabides (b) gliserin dan (c) bensin premium Dari gambar 13, kita melihat banyak perbedaan dengan gambar 12 yang merupakan pengujian pada sumur kosong. Pada bagian sinyal receiver atau sinyal yang berwarna merah, setelah pulsa falling edge, maka muncul sinyal yang

14 meluruh, sinyal ini juga diterima oleh receiver dari koil yang berada di dalam sumur berisi fluida pengujian. Sinyal inilah yang disebut dengan sinyal Free Induction Decay (FID). Sinyal FID akan muncul ketika fenomena NMR terjadi pada fluida. Sinyal ini dipancarkan oleh fluida untuk kembali ke keadaan ekuilibrium setelah fluida tidak lagi menerima induksi medan magnet bolak-balik (B 1 ) dari koil. Gambar 14 Perbandingan data waktu peluruhan FID pada air aquabides, gliserin dan bensin premium Pada gambar 14 kita dapat melihat perbandingan waktu peluruhan (decay time) antara ketiga jenis fluida pengujian. Bensin premium yang memiliki rumus kimia C 8 H 18 (oktana) membutuhkan waktu peluruhan yang paling lama dari pada fluida jenis lain. Gliserin dengan rumus kimia C 3 H 8 O 3 membutuhkan waktu peluruhan yang paling cepat di antara yang lain. Sedangkan air dengan rumus kimia H 2 O waktu peluruhannya berada di antara waktu peluruhan bensin dan gliserin. Apabila diperhatikan nilai viskositas antara ketiga fluida tersebut pada saat suhu 30 o, maka gliserin adalah yang paling viskos (6,29 poise) selanjutnya air (0,008 poise) dan yang terakhir adalah bensin (0,0056 poise) (Bird, 1987). Nilai viskositas dari fluida ternyata memiliki hubungan dengan lamanya waktu FID dari NMR. Hal tersebut juga dibuktikan oleh percobaan terdahulu (Kim, 2008). Dan pada penelitian ini terbukti bahwa viskositas fluida berbanding terbalik

15 dengan lamanya waktu peluruhan sinyal FID. Semakin viskos suatu fluida maka semakin cepat waktu peluruhan sinyal FID-nya. Data lain yang didapat adalah besarnya amplitudo maksimal dari sinyal FID. Pada gambar 15 dapat dilihat bahwa bensin (C 8 H 18 ) memiliki amplitudo sinyal FID yang paling tinggi dibandingkan dengan gliserin (C 3 H 8 O 3 ) di urutan kedua dan air (H 2 O) di urutan ketiga. Gambar 15 Perbandingan amplitudo sinyal FID pada air aquabides, gliserin dan bensin premium Banyaknya atom hidrogen yang terkandung di dalam fluida akan sangat mempengaruhi sinyal FID yang terdeteksi oleh koil, mengingat fenomena Nuclear Magnetic Resonance (NMR) yang kita lakukan adalah NMR untuk atom hidrogen. Atom hidrogen yang berada di dalam fluida lebih mudah beresonansi dengan medan magnet osilasi (B 1 ) karena nilai frekuensi dari B 1 sudah disesuaikan dengan frekuensi larmor dari atom hidrogen. Jumlah atom hidrogen pada bensin 18 kali lebih banyak, gliserin 8 kali lebih banyak dan air 2 kali lebih banyak dari jumlah satuan atom hidrogen. Pada penelitian ini sudah terbukti bahwa banyaknya atom hidrogen pada fluida sebanding dengan amplitudo sinyal FID akibat adanya fenomena Nuclear Mgnetic Resonance (NMR) yang dideteksi oleh sistem NMR Log.

16 5. KESIMPULAN DAN SARAN a. Kesimpulan Kesimpulan berikut penulis buat berdasarkan pengambilan data yang diperoleh baik berupa data sensor maupun data hasil pengujian NMR Log: a) Konfigurasi magnet untuk pengukuran inside-out yang diperkenalkan oleh (Jackson, 1982) telah berhasil direkonstruksi sebagai prototipe Sistem NMR Log. Namun ada perbedaan yaitu kuat medan magnet dan jarak injeksi ke arah radial sumur, hal itu disebabkan karena dimensi sumber magnet permanen yang berbeda, tapi memiliki pola yang sama. b) Data amplitudo sinyal FID dari fluida pengujian dapat dibandingkan sesuai dengan banyaknya jumlah atom hidrogen di dalam fluida tersebut. Pada penelitian ini, yang paling banyak mengandung atom hidrogen yaitu bensin c) Data waktu peluruhan sinyal FID dari fluida pengujian dapat dibandingkan sesuai dengan viskositas fluida. Pada penelitian ini yang paling tinggi viskositasnya adalah gliserin. b. Saran Berikut ini beberapa saran dari penulis berdasarkan pengalaman penulis selama pembuatan prototipe sistem NMR Log ini: a) Sumber medan magnet permanen berbentuk silinder harus memiliki kuat medan yang cukup besar dan dimensi yang cukup besar agar mampu menghasilkan medan magnet homogen yang baik pada arah radial sumur yang lebih jauh. b) Untuk penelitian selanjutnya, agar dapat merancang rangkaian RF pulse yang lebih portable. c) Rangkaian transmitter perlu dimaksimalkan dengan rancangan power amplifier yang memiliki gain cukup besar. d) Pengujian terhadap simulasi sumur dengan porositas batuan tertentu perlu dilakukan untuk penelitian lebih lanjut

17 Daftar Acuan 2N3904. (2011). Datasheet 2N3904. Fairchild Semiconductor. Bird, R. (1987). Dynamics of Polymeric. New York: Wiley. Coates, G. R. (1999). NMR Logging Principles and Applications. Houston: Halliburton Energy Services. Harsono, A. (1997). Evaluasi Formasi dan Aplikasi Log (edisi 8). Indonesia: Schlumberger Oil Services. IRFZ44N. (1999). Datasheet IRFZ44N. Phililps Semiconductor. Jackson, e. a. (1982). Patent No. 4,350,955. United States. Kim, T. H. (2008). Pulsed NMR: Relaxation times as function of viscocity and impurities LF353. (2013). LF353 Datasheet. Texas Instruments. Luong, B., & et al. (2001). Optimal Control Technique for Magnet Design in Inside-Out Nuclear Magnetic Resonance. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, Munadi, S. S. (2011). Piranti Pemanfaatan Resonansi Nuklir Magnetik dan Potensi Aplikasinya. Indonesia:. Jakarta: Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Minyak dan Gas, Departemen ESDM. Zhang, Y. e. (2000). Review of Nuclear Magnetic Resonance Magnet for Oil Well Logging. IEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIFITY,