Nuclear Magnetic Resonance

Nuclear Magnetic Resonance
Latar-belakang
Konsep 'Nuclear Magnetic Resonance' dari nukleus atom Hydrogen telah diketemukan sekitar tahun 1946 oleh Purcell dan Bloch. Dan sejak itu konsep tersebut banyak dipergunakan dalam menganalisa karakteristik bahan/material. Dan pada tahun 1970 mulai dikembangkan teknologi 'Magnetic Resonance Imaging' (MRI), yang banyak diaplikasikan di dunia kedokteran sebagai alat diagnosa.
Industri perminyakan tertarik pada konsep ini dan pada tahun 1950, paten telah diberikan kepada California Research Corporation, Schlumberger Well Surveying Corporation, Texaco Incorporated dan Socony Mobil Oil Company.
NMR log (log = istilah untuk data akuisisi dari dalam sumur pengeboran di industri perminyakan) pertama dilakukan pada tahun 1960. Peralatan ini dikembangkan oleh Brown dan Gamson dari Chevron Research Company, peralatan ini memanfaatkan medan magnet bumi untuk meluruskan proton, yang kemudian konsep ini dipergunakan sampai 30 tahun kemudian. Schlumberger mempergunakan peralatan dengan versi di atas pada tahun 1960 dan awal tahun 1970 di bawah lisensi Chevron, dan kemudian mengembangkan peralatan generasi ke-tiga, NML-C (Nuclear Magnetic Logging Tool type C), yang mulai melakukan pekerjaan komersial pada akhir tahun 1970.
Semasa itu, riset yang berkelanjutan tentang NMR interpretasi menghasilkan sumbangan pemikiran yang sangat berarti. Seevers mengembangkan konsep tentang hubungan antara waktu relaksasi (relaxation time) (lihat Fisika Dasar NMR) dengan permeabilitas batuan pasir pada tahun 1965, dan Timur mengembangkan konsep indeks fluida bebad (free-fluid index) dan methode baru untuk mengukur permeabilitas menggunakan prinsip NMR di tahun 1968. Hubungan antara ukuran pori (pore size), fluida dan sifat matriks (matrix properties) disampaikan oleh Loren dan Robinson dari Shell Oil Company di tahun 1969.
Pada tahun 1970-an dan 1980-an pekerjaan ini berkelanjutan dilakukan oleh banyak perusahaan minyak yang bersamaan dengan pengembangan teknik NMR di laboratorium untuk mengetahui karakteristik contoh batuan dari dalam sumur (core samples). Schlumberger juga masih meneruskan riset teknologi NMR yang menghasilkan pekerjaan penting tentang mekanisme relaksasi dan penyebaran ukuran pori (pore-size distribution) di tahun 1980-an. Banyak pekerjaan ini masih berkelanjutan hingga sekarang.
Di akhir tahun 1980-an eksperimen pertama 'pulsed-NMR logging tools' dikembangkan. Kekurangan utama dari peralatan logging NMR pertama adalah harus mencampurkan 'magnetite' ke dalam sistem lumpur untuk mengurangi sinyal NMR yang berasal dari sumur ( yang diinginkan adalah sinyal NMR dari formasi/lapisan tanah yang diukur). Untuk membuat teknologi ini dapat diterima lebih luas maka diperlukan perubahan design secara radikal dengan memanfaatkan kemutakhiran teknologi 'pulsed-NMR technology', yang telah dipergunakan di laboratorium untuk pengukuran 'core samples'.
Paten telah diberikan kepada Jackson di tahun 1978 untuk 'pulse-echo NMR logging tool'. Yang kemudian pada akhir tahun 1980-an dan 1990 diikuti oleh NUMAR dan Schlumberger. Peralatan NMR untuk pekerjaan logging yang ada sekarang adalah 'pulse-echo NMR tool' generasi ke tiga, CMR-200 ('Combinable Magnetic Resonance Tool' dengan 200 us echo spacing) milik Schlumberger, dan MRIL-C (Magnetic Resonance Imager Log type C) milik NUMAR. Kedua peralatan tersebut mempergunakan magnet tetap selain medan magnet bumi untuk meluruskan proton, dan sistem yang memiliki kemampuan untuk mengontrol 'radio-frequency (rf) magnetic pulse' dalam pengukuran waktu relaksasi (T2). Penggunaan magnet tetap membuat volume pengukuran dapat disesuaikan dengan design peralatan, juga mengeliminasi pencampuran 'magnetite' dalam sistem lumpur. Setelah CMR-200, pada saat Schlumberger telah memiliki peralatan NMR generasi berikutnya yaitu CMR-Plus (dengan akusisi data yang lebih cepat) dan yang terkini disebut MR Scanner. MR Scanner memiliki kemampuan untuk merekam data beberapa lapisan (shell) ke dalam formasi, sehingga bisa memberikan data yang lengkap tentang formasi terhadap pengaruh invasi mud filtrate. Juga bisa memberikan identifikasi fluida secara kontinyu, tidak perlu melakukan akusis data secara station seperti di peralatan CMR.
Fisika Dasar NMR
'Nuclear Magnetic Resonance' merujuk pada prinsip fisika : respon nukleus terhadap sebuah medan magnet. Banyak nuklei memiliki momen magnet-mereka berkelakuan seperti magnet batangan yang berputar. Nuklei magnet yang berputar ini dapat berinteraksi dengan medan magnet yang diberikan dari luar, dan menghasilkan sinyal yang terukur. Untuk kebanyakan elemen sinyal yang terdeteksi sangat kecil. Namun Hidrogen memiliki momen magnet yang cukup besar dan jumlahnya cukup banyak dalam air dan hidrokarbon yang berada di antara ruang pori batuan. Dengan penalaan (tuning) peralatan logging NMR terhadap 'magnetic resonant frequency' hidrogen, sinyal diperkuat dan dapat terukur.
Kuantitas yang diukur adalah besaran sinyal (signal amplitude) dan waktu luruh (decay). Besaran sinyal NMR adalah proposional dengan jumlah nuklei hidrogen yang ada dan terkalibrasi untuk memberikan porositas total, tanpa mempergunakan peralatan yang memakai bahan sumber radioaktif dan bebas dari efek lithologi (jenis batuan/formasi yang diukur). Waktu peluruhan sinyal NMR selama setiap siklus pengukuran, disebut waktu relaksasi, merupakan suatu hal yang sangat menarik bagi kalangan petrofisik.
Waktu relaksasi bergantung kepada ukuran pori. Contohnya, pori kecil memperpendek waktu relaksasi, dan waktu yang terpendek korespon terhadap 'clay-bound water' dan 'capillary-bound water'. Pori besar memberikan waktu relaksasi yang panjang dan mengandung fluida yang bisa mengalir. Maka distribusi waktu relaksasi merupakan pengukuran terhadap distribusi ukuran pori, suatu parameter baru dalam petrofisika. Waktu relaksasi dan distribusi waktu relaksasi memberikan kemungkinan untuk menginterpretasikan parameter lain dalam petrofisika seperti permeabilitas, 'producible porosity' dan 'irreducible water saturation'. Dan kemunginan aplikasi lain untuk 'capillary pressure curves', identifikasi hidrokarbon dan sebagai alat bantu 'facies analysis'.