Petrol ve doğalgazın oluĢumu ve özellikleri

Petrolü meydana getiren tüm doğal hidrokarbonlar organik maddelerin bozunmasından oluşmuşlardır. Kum, çakıl, çamur ve çeşitli canlı kalıntıları akarsu, rüzgar vb. dış etkenlerle havzalara taşınarak su diplerinde tabakalar halinde kalınlaşan çökelekleri oluşturmuşlardır. Taşınan maddelerle beraber bu ortamda yaşayan ve ölen canlılar da (başlıca alg ve bakteriler) bu malzemeye karışmaktadır.

Çökelen yeni tabakaların etkisi ile altta kalan tabakalar sertleşerek kaya haline dönüşmüşlerdir. Bu arada çamurlara karışan canlı kalıntılarının içerdiği karmaşık hidrojen ve karbon molekülleri jeolojik zaman içerisinde, ısı ve basınç etkisiyle parçalanıp hidrokarbonları oluşturmuştur. Bu sebeple ham petrol ve doğal gaz, kömürle birlikte ―fosil yakıtlar‖ olarak bilinmektedir (URL-2).

Doğalgaz da petrol gibi doğada kendiliğinden oluşmaktadır. Doğalgaz, milyonlarca yıl önce yaşamış bitki ve hayvan artıklarının zamanla yeryüzü kabuğunun derinliklerine gömülüp kimyasal ayrıma uğraması sonucu ortaya çıkmaktadır.

Organik madde olarak bilinen bu bitki ve hayvan artıkları doğal süreçler sonucu göl ve okyanuslarla taşınıp, dibe çökerek çamur ve kumla kaplanarak kayalaşmıştır.

Giderek daha derine gömülen bu organik maddeler, basınç, sıcaklık, bakteri ve radyoaktivitenin etkisiyle ayrışarak doğalgazı oluşturmuştur.

Petrol yer altında rezervuar denilen kumtaşları veya kireçtaşları içerisinde bulunur.

Şekil 2.2‘de tipik bir petrol rezervuarı görülmektedir (Url-3).

5

ġekil 2.2: Klasik bir petrol rezervuarı (Url-3).

Ana kaya içerisinde meydana gelen petrol, zamanla üstüne yığılan yeni tabakaların basıncı ve yer kabuğunda meydana gelen çeşitli hareketlerin etkisi altında, sıkışmakta ve daha bol gözeneği bulunan tabakalara doğru geçmektedir. Pek çok fiziksel ve kimyasal olayların da rol oynadığı bu harekete ―göç etme‖ veya

―migrasyon‖ denmektedir. Petrolün migrasyonu, petrolün daha ileriye gidemeyip de toplandığı yere kadar devam eder. Petrol için son durak yeri, petrolün sondaj yapılarak çıkarıldığı yerdir ve buraya ―haznekaya‖ denmektedir (Url-4). Ekonomik değeri olan petrol ancak haznekayadan elde edilmektedir.

ġekil 2.3: Petrol ve doğalgaz oluşum adımları (Url-4).

En iyi haznekaya (rezervuar kaya) kum, kumtaşı ve kalkerler olarak bilinmektedir.

Bu kayalarda fazla miktarda gözenek mevcuttur. Gözenek hacmi bütün taş hacminin

% 45‘i kadar olabilmektedir. Bu da porozitesi en fazla olan taşlar içerisinde petrolün toplanması durumunda, kayaç hacminin en fazla %45‘i kadar petrol toplanabileceğini göstermektedir. Gerçekte bu oran çok daha düşüktür. Örneğin;

%10-15 oranında porozitesi bulunan kireçtaşları ve kumtaşları içinden petrol çıkarılmaktadır. Porozitesi yüksek olan her kaya veya kayaç her zaman iyi bir

6

rezervuar kayayı teşkil etmemektedir. Örneğin, sünger taşının porozitesi yüksek olmasına rağmen boşluklar arasında geçirgenlik olmadığı için iyi bir rezervuar kaya değildir (Url-3).

Bir petrol rezervuarı üç kısımdan oluşmaktadır:

Rezervuar kaya

Rezervuar boşlukları veya porozitesi Rezervuar kapanı veya petrol strüktürü

Petrolü toplu halde içinde tutan ve aynı zamanda koruyan özel yapılara ―strüktür‖ adı verilmektedir. Petrolün içinde toplandığı strüktür yapıları (petrol kapanları) şu şekillerde oluşmaktadır:

Tektonik olaylar neticesinde

Stratigrafik (tabakalaşma) olayları sonucunda

En önemli kapanlar, tektonik kaynaklı olanlardır. Bu kapanlar tektonik olaylar sonucu oluşmakta ve bu olaylar yer kabuğunu kıvrımlı (fay, horst, graben) hale sokarak, petrolün toplanması için bol gözenekli yapılar meydana getirmektedir.

Stratigrafik kapanların meydana gelişi ise denizlerin karalara hücum etmesi (transgresyon) veya geri çekilmesi (regresyon) olaylarıyla yakından ilgilidir. Pek çok çeşidi bulunan strüktür yapılarından en önemli olanları Şekil 2.4‘te görülmektedir.

a)

b)

ġekil 2.4: Petrol strüktür yapıları (petrol kapanları): a) Antiklinal kapanı, b) Fay Kapanı, c)Tuz Domu Kapanı (Url-3).

7 c)

ġekil 2.4:Petrol strüktür yapıları (petrol kapanları): a) Antiklinal kapanı, b) Fay Kapanı, c)Tuz Domu Kapanı (Url-3) (devamı).

Farklı yerlerden çıkarılan petrollerin elementel analizlerinin birbirinden farklı olmamasına karşın değişik hidrokarbon grupları içermeleri ve petrolün çoğu zaman doğal gazla birlikte bulunması, tek bir kuram ile petrolün oluşumunun kolayca açıklanamayacağını göstermiştir. Engler Kuramı‘na göre petrol dört ana bölümde incelenebilecek bir süreç sonunda oluşmaktadır.

Birinci Basamak: Denizlerde yaşayan balık, yosun, plankton vb. canlıların ölüp gömülmeleri. Bu basamak biyolojik oluşum (biyogenesis) olarak tanımlanmaktadır.

İkinci Basamak: Katı organik maddelerin katalitik yollarla protopetrol ya da mikropetrol olarak adlandırılan sıvıya dönüşmesi. Bu basamak katalitik oluşum (katagenesis) olarak tanımlanmaktadır.

Üçüncü Basamak: Oluşan sıvının ilk oluştuğu yatak ya da rezervuardan hareket edip son rezervuarına ulaşması. Bu basamağa hareket basmağı da denmektedir.

Dördüncü Basamak: Protopetrolün bileşiminin son rezervuarında değişmesi ve petrol haline gelmesi.

Bu kuramın yanında, magmadaki erimiş demirin katalizlediği buhar ve benzeri tepkimeler sonucunda CO ve H₂ oluştuğu, bunların da yine yerkabuğunda nikel ve kobalt içeren minerallerin katalizlenmesi sonucunda Fischer-Tropsch türü sentezleri oluşturarak petrolü meydana getirdiğini ileri süren önemli bir tez daha Rus bilim adamları tarafından öne sürülmüştür (Kuleli, 1981). Şekil 2.5‘te petrol oluşumu şematik olarak gösterilmektedir.

8

ġekil 2.5: Petrol oluşumu (TPAO Araştırma Merkezi Eğitim Yayınları, 1993).

Petrol üretimi ise arama, sondaj, kuyu tamamlama, üretim ve ayrıştırma süreçlerinden oluşmaktadır.

Denizlerin ve göllerin dibine çökelen tortularda önce yoğun bir bakteri etkinliği gerçekleşmekte ve buradaki organik maddelerden metan, karbondioksit, azot ve azotoksit gazları oluşmaktadır. Çökeltilerin altındaki tortuların gömülmesiyle bakteri etkinliği sona ermekte ve organik maddeler kerojene, kerojen de ısıl ayrışmayla petrole ve doğalgaza dönüşmektedir. 1.000 – 3.000 metre arasındaki derinliklerde ilk aşamada metan ve karbondioksit ile birlikte ham petrol oluşmaktadır. Daha derinlerde, tortulun kalınlığı ve sıcaklığı arttıkça petrolün yerini, hafif ve gaz halindeki hidrokarbonların oluşumu almaktadır. 5.000 metrenin altındaki derinliklerde molekül parçalanması kerojen artıkları ve kuru metan oluşumuna yol açmaktadır. Oluşan gaz içerdiği sıvıların ve katıların ayrıştırılması amacıyla çeşitli işlemlerden geçirilmektedir. Ayırma işlemi tamamlanınca ticari özelliklere uygun gaz elde edilmiş olmaktadır. Doğalgaz, genelde, yüzeyden binlerce metre derinde, kumtaşı gibi gözenekli kayaç katmanınca tutulmuş olarak bulunmaktadır.

Doğal gaz yer kürede dört halde bulunmaktadır:

Serbest gaz olarak petrol rezervuarındaki ham petrolün üzerinde Petrol yatağında ham petrolün içinde erimiş gaz halinde

Petrol yatağında ham petrol yoksa kapanda biriken suyun içinde 2.000 m‘den daha derin rezervuarlarda basınç altında sıvılaşmış halde

9

Pik tüketim dönemlerinde kullanmak, stratejik miktarları elde bulundurmak ve boru hatlarıyla ulaşılmayan noktalarda kullanım sağlamak amacıyla doğalgaz yeraltı depolama sistemi geliştirilmiştir. Boşalmış petrol ve gaz hazneleri doğalgaz depoları olarak kullanılabilmektedir.

Doğalgaz, boru hatlarıyla ve yüksek basınç altında taşınabilir olması özelliğiyle ekonomik bir enerji alternatifi olarak dikkat çekmektedir. Bugünkü teknoloji ile, doğalgazın atmosferik basıncın 80 katı basınçta 140 cm çaplı borularla 6.000 km uzaklıklara taşınması mümkündür. 6.500 km‘nin üzerindeki taşımalar için sıvılaştırma yolu kullanılmaktadır.

Petrolün özellikleri

Ham petrol başlıca sıvı hidrokarbonlarla, değişen oranlarda çözünmüş gazlardan, katranlardan ve katkı maddelerinden oluşmaktadır. Petrol genel olarak sudan hafiftir.

Ham petrolün fiziksel özellikleri geniş aralıkta değişebilmektedir. Petrol suda çözünmemekte; fakat benzen, alkol, eter, aseton gibi kimyasal maddeler içerisinde erimektedir. Petrol yataklarında, petrol ile suyun temas halinde bulunduğu yerlerde su ile petrol, belirli oranda karışmış bir emülsiyon halinde bulunmaktadır (-2).

Petrolün yoğunluğu, kimyasal bileşimine ve viskozitesine göre değişmektedir. En hafif olarak bilinen Rus petrolünün özgül ağırlığı 0,650 g/cm³ ve en ağır olarak bilinen Meksika petrolünün özgül ağırlığı ise 1,080 g/cm³‘tür. Petrolün viskozite değeri çok önemlidir. Çünkü bu değer petrolün özellikle boru hattı içerisindeki akışkanlığını göstermektedir. Viskozite değeri yüksek olan petrol boru içerisinden zor akarken, viskozite değeri düşük olan ise daha kolay akmaktadır (-3).

Organik maddelerin milyonlarca yıl önce bakteriler ve doğal katalizörler etkisiyle parçalanmaları sonucu oluştuğu kabul edilen petrol çok sayıda hidrokarbon karışımından ibarettir. Tipik bir ham petrol örneği, 18 farklı hidrokarbon ailesine ait kimyasal maddeler içermektedir. Petrolün içerdiği bileşenlerin tamamının detaylı analizi oldukça zordur. Petrolün yapısının bu derece karmaşık olması, basitleştirilmiş sınıflama tekniklerinin kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Petrolde bulunduğu ileri sürülen 3.000 kadar hidrokarbonun şu sınıflarda gruplanabileceği kabul edilmektedir: CnH2n+2, CnH2n, CnH2n-2, CnH2n-4, CnH2n-6, CnH2n-8, CnH2n-10, CnH2n-14, CnH2n-20.

10

Petrolde bulunan hidrokarbonların çoğu doymuş hidrokarbonlardır. Yerel koşullara bağlı olarak petrolde karbon ve hidrojenin yanında değişik miktarlarda kükürt, azot ve oksijen ile çok az miktarda nikel, vanadyum, kurşun, arsenik vb. metallerinin tuzları da vardır. Petrolün tipik elementel analiz sonuçları aşağıda gösterilmiştir:

C : % 82 – 87 H : % 12 – 18 O: % 0,1 – 7,4 N : % 0,1 – 2,4 S : % 0,1 – 5,5

Çeşitli mineraller: % 0,1 – 1,2

Petroldeki önemli hidrokarbon grupları parafinler, naftenler, aromatikler ve asfaltlardır. Asfaltlar bu sayılan grupların yüksek sıcaklıkta kaynayan ve kısmen polimerleşmiş bir karışımı olduğundan temel bir hidrokarbon grubu olarak nitelendirilmemektedir (Url-3).

Doğalgazın özellikleri

Doğalgazın büyük bölümünü %90 – 96 CH4 (metan) gazı oluşturmaktadır. Geri kalan kısmını ise %2,411 C₂H₆ (etan), %0,736 C₃H₆ (propan), %0,371 C₄H₁₀ (bütan),

%0,776 N2 (azot), %0,164 C5H12 (pentan) ve % 0,085 CO2 (karbondioksit) oluşturmaktadır.

Doğalgazın korozif özelliği yoktur. İçten yanmalı motorlarda, yakıt olarak doğalgazın kullanılması durumunda yanma sonu sıcaklığında düşme ve NOx

emisyonlarında azalma olmaktadır. Doğalgazın kimyasal yapısının basit olması nedeniyle yanma işlemi kolaydır ve tam yanma gerçekleşmektedir. Dolayısıyla duman, is, kurum ve kül oluşturmamaktadır. Yanması en kolay, ayarlanabilen ve yanma verimliliği en yüksek olan yakıttır. Bu özelliği kullanım kolaylığı ve maliyette azalma sağlamaktadır. Karbon içeriğinin düşük olması nedeniyle atmosferde sera etkisi oluşturan ve insan sağlığı bakımından zehirleyici olan karbondioksit gazı emisyonu, katı yakıtlara göre 1/3 ve sıvı yakıtlara göre 1/2 oranındadır (-5).

Doğalgaza ait özellikler Çizelge 2.1‘de verilmektedir.

11

Çizelge 2.1: Doğalgazın Özellikleri

Parametre Birim Değer

Kimyasal Formülü - CH4

2.1.3 Petrol ve doğalgaz üretimleri sırasında oluĢan atıklar