Tarihçe
İnsanlığın petrolü kullanması yazılı tarih kadar eskidir.
Eski kültürler petrolün yapıştırma ve su geçirmez özelliklerini keşfetmişler ve
bundan yararlanmışlardır. Beş bin yıl önce Sümerler, duvar ve döşemelerde
kullandıkları mozaiklerin içine asfaltla kakmalar yapmışlardır. Mısırlılar,
cenk ve yarış arabalarını ziftle yağlamışlar ve mumyaları asfaltla
tahnitleşmişler ve piramitlerin yapımında zift kullanmışlardır. Roman hatip
Cicero bir hampetrol lambası yapmıştır. Güney Amerika yerlileri vücutlarını
boyamada ve seremonilerinde yaktıkları ateşlerde petrol kullanmışlardır.
M. Ö. 1500 yıllarında buhurdanlarda çok yavaş yanan,
tehlikeli patlamalara yol açmayan sıvı yağlar kullanıldı. Sonra bunun yerini,
bugün kullandığımız gazyağlı fenerlerine benzeyen, kapiler etkisiyle
alevlenebilen sıvının fitile çekilerek yandığı fitilli yağ lambaları aldı Yeraltındaki
yağ kalıntılarını tuz kuyularında ilk keşfeden Çinlilerdir. M. Ö. 600’de
Confucius, Tiberya sınırları boyunca 100 feet derinlikte su ve doğal gaz
bulunduğunu yazmıştır; petrol ve gaz, kuyulardan bambudan yapılmış boru
hatlarıyla taşınmıştır.
İlk petrol kuyusunun 4. yüzyılda (veya daha önce) Çin’de
açıldığı, derinliğinin 800 feet kadar olduğu ve sondajın bambulara bağlanmış
kazıcı bazı uçlarla yapıldığına dair yazıtlar vardır.
8. Yüzyılda yeni kurulmakta olan Bağdat sokakları, bölgedeki
doğal yataklardan kolaylıkla çıkarılabilen katranla kaplandı. 9. Yüzyılda
Azerbaycan Baku’de hampetrol işlemesine başlandı ve nafta denilen hafif
fraksiyon elde edildi. Bu bölgeler 10. yüzyılda coğrafyası Masudi, 13. yüzyılda
Marco Polo tarafından tanımlandı. Romalılar, savaşlarda silah olarak
alevlenebilen kaplar kullandılar. M. S. 1500’lü yıllarda Leonardo da Vinci
hayali bir sondaj makinesi çizdi, Çinliler 2000 feetten daha derine inen
kuyular kazdılar. Rus Çarı Büyük Petro, 1723 yılında İran’ın Baku Hanlığını ele
geçirdikten sonra petrol önemli bir ticari mal oldu; özel kuruluşlara petrol
arama, rafinasyon ve satış izni verdi.
1800’lü Yılların başında Amerika’da özel sektör kurdukları
barajlar yoluyla petrolü su üstünde yüzdürerek batı Pensilvanya'da Oil Creek
(Petrol Körfezi) diye adlandırılan bir alana taşıdılar. Su yüzeyinde toplanan
petrol, suya daldırılan battaniyelere emdirilip alınarak galonu 2 dolara
satıldı.
Nafta, ilk su geçirmez yağmurlukların yapımda kullanılan
temel madde oldu; 1823’de Britanya’da, naftada çözünmüş lastikle kaplanarak
normal pamuklu kumaşlardan su geçirmez kumaşlar imal edildi.
Modern petrol tarihçesi 1853 yılında petrolün distilasyon
prosesinin keşfiyle başlar; hampetrol, Polonyalı bilim adamı Ignacy Lukasiewicz tarafından distillenerek
gazyağı elde edildi. Ertesi yıl güney Polonya’da Krosno
yakınındaki Bobrka’da ilk "rock oil" ("petr-oleum")
madeni çıkarıldı ve bir distilasyon sisteminden oluşan ilk rafineriyi yine Ignacy Lukasiewicz Ulaszowice’de kurdu. Bu keşif dünyada hızla yayıldı ve Meerzoeff ilk Rus rafinerisini Baku’de 1861’de kurdu.
İlk ticari petrol kuyusunu ise 1858 yılında Kanada
Ontario’da James Miller Williams açtı. Amerikan petrol endüstrisi Edwin Drake'in
Titusville, Pennsylvania yakınında
1859’daki petrol yatağı keşfiyle başlar.
Gazyağı lambalarının keşfi (1854), İlk Amerikan petrol şirketi,
Pennsylvania Rock Oil Company’nin oluşumuna yolaçtı. Beş yıl sonra demiryolu
kondüktörü Edwin Drake Titusville’de (Pennsylvania) bir kuyu açtı ve 70 feet
derinlikte petrol buldu. Modern petrol endüstrisinin ‘doğumu’ olarak
nitelendirilen çıkarılan ‘siyah altın’ın varili 20 dolara satıldı. Drake’in tek
kuyusundan elde edilen petrol, Romanya’nın 1650’de açtığı ve Avrupa’nın ana
petrol kaynağı olan sığ rezervuarlardan sağlanan, tüm ticari üretimini aştı.
1910 Yılına kadar dünyanın çeşitli bilgelerinde endüstriyel
üretime elverişli petrol sahaları keşfedildi; Kanada, Hollanda Doğu Hint
Adaları (Sumatra, 1885), İran (1901), Peru, Venezüella ve Meksika.
İç yanmalı motorların keşfi petrol ürünlerine olan
gereksinimi artırdı. 1900’lerin ilk yıllarında otomobillerde benzinli
motorların kullanılmasına kadar benzin, hampetrolden distilasyonla gazyağı elde
edilirken çıkan bir atık maddeydi. Daha sonra benzin ve dizel yakıtlarıyla
çalışan çiftlik araçları yapımına yönelindi ve bunların kullanımı yaygınlaşarak
ziraatta yüksek verimlere ulaşıldı.
Petrolün keşfi ve hızla gelişen rafinasyon yöntemleriyle
üretilen yakıtlar, 1950 yıllarına kadar dünyadaki en önemli yakıt olan kömürün
yerini almaya başladı.
Bilim adamları daha ileri rafinasyon yöntemleriyle petrolden
sentetik kimyasal maddelerin (petrokimyasallar) elde edilebilmesi için
araştırmalara başladılar; zirai ürün verimini artıran suni gübre maddeleri ve
ilaç sanayii için sulfa ilaçların üretiminde kullanılacak maddeler elde edildi,
ipeğin yerini alan ilk sentetik madde, naylon üretilerek çorap yapımında
kullanıldı.
1. ARZIN JEOLOJİK
YAŞI VE YAPISI
Hampetrollerin özellikleri bulundukları yatakların jeolojik
geçmişleriyle belirlenir. Örneğin,
·
Louisiana ve Nijerya hampetrolleri birbirine
benzer; her ikisi de benzer deniz kalıntılarından oluşmuşlardır.
·
Uzak Doğu petrolleri genellikle vakslıdır, siyah
veya kahve renklidir, düşük sülfürlüdür ve Merkezi Afrika petrollerine benzer;
bunlar karasal depozitler esaslıdır.
·
Orta Doğu petrollerinin vaks miktarı düşüktür,
fakat sülfürü fazladır.
·
Batı Avustralya petrolü hafif ve bal-renklidir.
·
Kuzey Denizi petrolü vakslı, yeşil-siyah
renklidir.
·
USA’daki petrollerin özellikleri ise, bölgelerin
çok değişik jeolojik tarihleri nedeniyle çok çeşitlidir.
En eski petrol-yatağı kayaçlarının yaşı 600 milyon yıldan
daha fazla, en genç olanların ise 1 milyon yıl dolayındadır. Keşfedilen ve
bulunan petrol yataklarının çoğu 10-270 milyon yaşındadır.
Petrol ve gaz yataklarının oluşmasındaki en kritik faktör,
derinlikle artan yüzey altı sıcaklığıdır. Petrol hidrokarbonların oluşumu 150 0F’dan
daha düşük sıcaklıklarda nadiren gerçekleşebildiği gibi, 500 0F dan
yüksek sıcaklıklarda da oluşan hidrokarbonlar bozunarak karbonlaşır; ideal
sıcaklık aralığı 225-350 dereceler arasıdır.
Ön kambriyum,
4500-550 Milyon Yıl Önce
Taban (Basement) Kayaçlar: Yeryüzünün oluşumundan (~4
milyar yıl önce), bilinen ilk çok hücreli organizmaların başladığı zamana ( 550
milyon yıl önce) kadar olan tabakalardır.
Petrolün organik orijinli olduğu kabul edildiğinden bu
tabakalara kadar sondaj yapılmaz.
b. Birinci Zaman,
Paleozoik Devir, 550-248 Milyon Yıl Önce
Devonik
Periyot sırasında ekvatorun, güney batıdan kuzey doğuya doğru, gerilmesiyle
kıta kütleleri konumlandı ve Devonik Deniz oluştu.
Devonik
Periyoda “Balıkların Yaşı” da denir. Oluşan bu denizler sıcak ve tropikaldi,
yaşama olanak verecek kadar verimliydi ve geniş kayalıklar bulunuyordu. Hayvanlardan
bazıları arasında, mercanlar, deniz kabukluları, kafadan bacaklılar sınıfından
yumuşakçalar, sedefli deniz minareleri hayvancıkları, üç loplu deniz böcekleri,
akreplere benzeyen böcekler, deniz kestanesi türleri, keseliler ve tomurcuklular,
yaprak ve bitki saplarına benzeyen deniz lalesi ve zambak şeklindeki deniz
hayvanları, kıkırdak iskeletli çenesiz balıklar (daha sonra kemikli ve çeneli
köpek balığı, tırpana ve vatoz türü balıklara dönüşeceklerdir) bulunuyordu. Yer
altından çıkarılan petrol, metamorfoza (kimyasal olarak başkalaşma) uğramış
mikroskobik bitkiler ve hayvancıkların kalıntılarıdır. Bir balık kepçesi veya
bir kova deniz suyunda bu tip pek çok organizma olduğunu görmek mümkündür.
Devonik denizdeki periyodik geri
çekilmesiyle, alçı taşı ve potas (potasyum hidrat) gibi buharlaşma kalıntıları
ve halitler (kaya tuzları) meydana geldi. Kaya tuzları kalıntılarının bazıları,
üstleri çökelti tabakalarıyla kaplanmış doğal kapanlar içindeki sularda
çözündüler.
c. İkinci Zaman, Mezozoik
Devir, 250-65 Milyon Yıl Önce
Bu zaman süresinde Devonik deniz kuzeye doğru ilerledi.
Ekvator, güneyde kalırken kıta alanı yavaşça kuzeye doğru kaydı. Deniz, Devonik
periyottakinden daha fazla alan kapladı.
Bu periyodun hayvanları genel bir evrim geçirdi, bazı
balıklar bulundukları ortamdan rahatsız oldular. Teoriye göre bazı balıklar
anaerobik (oksijensiz) çevreden göç ettiler ve başka yerlere doğru kaydılar;
birbiri peşisıra olan bu yer değiştirmelerde yaşam olanağı olmayan havuzlara
rastladıkça başka havuzlara yöneldiler. Bu dolaşım süresince değişime uğrayarak
etsi bir yapıya dönüştüler; dönüşüm, hem suda ve hem de karada yaşayabilen
amfibians form oluşuncaya kadar devam etti.
Devonik kayaçlar milyonlarca yıl çok sığ seviyelerde kaldı,
sonra hem bunlar ve hem de kresate kayaçları yeterli derinliğe ulaştıklarında
hızla petrol oluşumu gerçekleşti. Bundan sonraki ağır erozyon ve diğer
nedenlerle gömülme derecesi yavaşladı.
Kresate periyodunda kıtaların
gelişmesi, adalar ve küçük alanların katılarak dağ silsileleri oluşuncaya kadar
devam etti. Bu katılımlar denizi batıya doğru itti, ancak bazı alanlar kuzey ve
güneyden tekrar deniz tarafından işgal edildi. Bu periyot süresinde birkaç kez
deniz işgali ve deniz geri çekilmesi çevrimi oluştu. Bu çevrimler, dağ
silsilelerinin hızla erozyonuyla beraber gerçekleşti ve sonuçta muazzam kum
taşları mil/çamur taşları ve tabakalı bir taş türü olan shale oluşumları
meydana geldi. Bazı karalar önemli derecede kuzeye kaydı, fakat iklimi tropikal
olarak kaldı.
Yaşamda evrim oldukça yavaş
ilerledi. Kretase periyodu dinozorların bulunduğu son büyük dönemdir ve bir
bakıma onların yaşını tanımlar. Timsah ve kertenkele türü bazı yaratıkların
yerini, derece derece kuşlar ve denizlerde dolaşan büyük korkunç sürüngenler
aldı. Kretase döneminin zengin sedimentleri (tortuları) arz içinde yeteri kadar
derinlere gömülmedi, dolayısıyla yeterli tektonik basınçlara maruz
kalmadığından petrolün oluşması için gereken ısı oluşmadı. Yine de bu
kayaçlardan, Devonik ve Mississipyan kalıntılarından göçen petrolün yerleşebildiği
kapanlar oluştu.
d. Üçüncü (65 Milyon Yıl) ve
1.8 milyon yıl öncesinde başlayan ve devam etmekte olan Dördüncü Zamanlar
Paleozoik ve Mezozoik zamanda
(550-65 milyon yıl öncesi) yoğun ormanlar ve denizler, bitkiler ve hayvanlarla
doldu. Zamanla ölenler veya yaşayanların bazıları kumla veya çamurla kaplanarak
bozunmadan korundular ve böylece petrolün oluşum süreci başladı. Proses bazen
çamurların kaymasıyla, kum tepeciklerinin yer değiştirmesiyle, bazen volkan
infilaklarıyla, bazen meteorların yeryüzüyle çarpışarak büyük bulutlar ve
tozlar fırlatmasıyla gerçekleşti. Çökelen bu tabakalar, üzerlerine eklenen yeni
tabakalarla gittikçe artan basınçlar ve dolayısıyla yükselen sıcaklıklara maruz
kaldı.
Yer kabuğu kayarken, oluşmaya başlayan bu tabakalar derine,
daha derine itildi. Arzın merkezi, bilindiği gibi çok sıcaktır ve kayaçlar sıvılaşmış
haldedir. Bütün bu koşullarda aktif halde olan bakterilerle binlerce yıl
boyunca meydana gelen kimyasal reaksiyonlar, doğal gaz ve hampetrol
bileşenlerini oluşturdu:
Organik maddeler kum ve çamur altına gömüldü, basınç
artarken petrol yakınlarındaki kayaçlara doğru aktı. Kayaçlar katı birer kütle
gibi görünmesine karşın çok sayıda gözenekler (pore) içerir ve bazı kayaçların
gözenekleri diğerlerinden daha çok ve daha büyüktür. Üç temel kayaç tipi
vardır; volkanik, metamorfik (başkalaşım) ve çökelti (veya tortul) kayaçlar.
Petrol daha çok çökelti kayaçları etrafında bulunur, ancak her çökelti kayacı
petrol içermez. Organik maddenin sadece %2 si petrole dönüşür, ve sadece %0.5
kadarı elde geçirilebilir. Hidrokarbonlar sudan daha hafiftir ve bulunduğu
poröz kayaçlardan, poröz olmayan (non-poröz) tabakalar (kapanlar) tarafından
tutuluncaya kadar yukarıya doğru göçerler.
2. GLOBAL
HİDROKARBON YATAKLARI
Konvensiyonal petrol ve gaz yatakları hem bulundukları yerler
ve hem de zaman bakımından düzenli dağılım göstermezler. Büyük petrol ve gaz
yatakları az sayıdaki basenlerde veya 20000 ft (6.1 km)’den daha az derin
klasik petrol bölgelerinde yeralırlar. Bu düzenli olmayan dağılım tabakaların
oluşma veya kırılma özellikleriyle bağıntılıdır.
Dünyada 600’den fazla basen ve alt-basen bulunduğu ve
bunların büyük bir kısmının birkaç jeolojik bölgede toplandığı; olası
hesaplamaları, orijinal petrol rezervlerinin %80 kadarının 10 bölgede
toplandığını göstermektedir. Arabistan Platformu ve Zagros Kuşağı (Suudi
Arabistan-İran-Irak) bilinen be keşfedilmiş olan en büyük rezervlere sahiptir.
Tüm jeolojik periyotlarda oluşmasına karşın, bilinen
hidrokarbon yataklarına göre dünyadaki tüm rezervuarların %95’i altı jeolojik
zaman aralığında oluşmuştur (Tablo-1).
Kaynak kayaçlar (hidrokarbonlar üreten, organik maddelerce
zengin tabakalar), herhangi bir önemli petrol sisteminin ilk anahtarıdır.
Kaynak kayaçlar çeşitli denizsel ve karasal jeolojik çökeltilerde birikir ve
korunur.
Prekambriyan zamanından başlayarak oluşmuş olan bu
çökellerin dünyadaki dağılımı incelendiğinde %90’ının altı jeolojik evreye ait
olduğu görülür. İki Mezozoik evrenin (Üst Jurasik ve Orta Kretase), tanımlanmış
tüm hidrokarbon rezervlerinin yarısından daha fazlasını içerdiği tahmin
edilmektedir.
Bu yaştaki kaynak kayaçlar dünyanın önemli petrol
yataklarının bulunduğu Orta Doğu, Sibirya, Birleşik Devletler, Kuzey Denizi,
Venezüella ve Meksika’da bulunmaktadır (Tablo-2).
Tablo-1:
Dünyadaki Büyük Rezervuar Kayaçların
Stratigrafik Dağılımı
Tablo-2: Dünyadaki Büyük Kaynak Kayaçların
Stratigrafik Dağılımı
Stratigrafik Dağılımı
Tablo-2: Dünyadaki Büyük Kaynak Kayaçların
Stratigrafik Dağılımı
3. PETROLÜN KÖKENİ
VE OLUŞUMU
Petrol, yeryüzündeki çatlaklar ve kırıklardan yer altına sızarak,
çeşitli hafif hidrokarbonlar, katran, asfalt veya bitüm olarak kayaçlar
arasındaki boşluklarda toplanır.
Bu oluşum özelliğinden dolayı, Latince “petra (kaya)” ve
“oleum (yağ)” sözcüklerinden türetilen “petroleum (petrol)” adı verilmiştir.
(EK-2. KAYAÇLAR VE KAYAÇ YAPILARI)
3.1. Petrolün
Kökeni
Petrolün inorganik mi yoksa organik esaslı mı olduğu,
kökeninin ne tür maddeler veya bileşiklere dayandığıyla ilgili olarak 1800’lü
yıllardan buyana çeşitli görüşler ileri sürülmüş, araştırmalar ve deneyler
yapılmış, teoriler üretilmiştir. Geçmişten günümüze kadar gelen bu tartışmalar,
hala az sayıda da olsa karşıt görüşlerde olanlar bulunmasına rağmen, organik
köken teorisinin kabul edilmesiyle sonlanmıştır. Aşağıda bu teorilerin kısa bir
özeti verilmiştir.
İnorganik
Köken Teorileri
İlk olarak Berthelot
(1866) tarafından ortaya atılan ve Mendeleyev (1877 ve 1902) tarafından
desteklenen bir teoriye göre petrol inorganik kökenlidir. Laboratuarda metan,
asetilen ve benzol gibi maddeleri elde eden kimyagerler doğadaki petrolün de
yeraltında kimyasal reaksiyonlar ve volkanik olaylarla oluştuğunu ileri sürmüşlerdir.
20. Yüzyılın başında
bazı bilim adamları petrolün magmatik kökenli olduğunu ileri sürdüler.
Mendeleyev’in teorisine göre mantodaki demir karbür yeraltına sızan sularla
etkileşerek metan ve hidrokarbonları oluşturmaktadır.
Peyve (1956) ve
Subbottin (1966) büyük ve derin faylardan çıkan hidrokarbon gazlarına dayanarak
bu gazların mantodan çıkıp kabuk içerisinde depolandıklarını ve sıvı petrole
dönüştüklerini ileri sürdüler. Bu durumda son derece derin sondajlar açarak
sonsuz petrol kaynaklarına ulaşmak mümkün olacaktır; ancak petrol çoğunlukla
çökel havzalarda bulunmaktadır.
Ancak bazı bilimsel
veriler inorganik köken teorisini geçersiz kılmaktadır; örneğin, petroldeki
porfirin, piridin ve klorofil gibi maddeler inorganik yolla elde edilemez,
büyük molekül ağırlıklı hidrokarbonlar inorganik reaksiyonlarla oluşamaz,
petrol bileşiklerinin polarize ışığı
saptırma özelliği kuvars ve zinober dışında hiçbir inorganik maddede yoktur.
Petrol yataklarının çoğu
magmatik faaliyet alanlarından uzakta ve çökel kayalar içerisinde
bulunmaktadır. Yerkabuğunun derinliklerine doğru petrol artmamakta, aksine
petrol genç örtü kayaları içerisinde daha yaygın olarak bulunmaktadır: Sonuç
olarak petrolün inorganik kökenli olduğu söylenemez.
Organik Köken Teorileri
Bazı araştırıcılar
petrolün hem hayvansal hem de bitkisel kökenli (biyomas kökenli) olduğunu kabul
etmektedirler; örneğin, balık ve diğer hayvan etlerinin distilasyonuyla petrol
bileşenlerine benzer maddeler elde edilmektedir.
Kömürden petrol elde
edilmesi ve bataklıklardaki metan gazı nedeniyle petrolün karasal bitki kökenli
olabileceği ileri sürülmüştür. Ancak petrol sahalarında genellikle kömür
olmaması, kireçtaşlarında karasal bitkilerden türemiş petrol bulunmaması,
linyitten türeyen zift ile petrol arasında kimyasal farklılıkların olması
petrolün oluşumunda karasal bitkilerin önemli bir etkisi olmadığını
göstermektedir.
Denizsel bitkiler ile
denizsel çökeller arasında kökensel bir ilişki kurulabilir. Bunların en
önemlileri yosun ve diyatomlardır. Diyatomlar okyanuslar ve göllerin yüzeyinde
(derinliği birkaç metre) yüzerler ve zamanla bazı hidrokarbon türleri
üretirler. Bu süre boyunca, iskelet yapıları kuma benzeyen (silisyum
bileşikleri içeren) çeşitli deniz canlılarının yiyeceği de olurlar. Her iki
oluşum da fotosentezle kimyasal enerji depolar ve yüzme yeteneklerini
artırırlar.
Ham petrol içerisinde
bol miktarda mikro organik madde vardır. Yosun küllerinin I, Br, P ve amonyum
tuzu miktarları ile hampetrolün eser elementleri arasında benzerlikler vardır.
Bu bulgular petrolün organik kökenli olduğunu kanıtlar.
Okyanus kökenli
mikroskobik canlıların (diatomlar ve foraminifera) petrol oluşumunu, kara
kökenli bitkilerin ise daha çok doğal gaz oluşumunu sağladığı görülmüştür.
(EK-3: HAMPETROL KAYNAKLARI)
3.2. Petrolün
Oluşumu
Bir petrol havuzu peşpeşe gerçekleşen olaylar sonucu oluşan
hidrokarbonlar topluluğudur. İlk eleman hammaddeler denilebilecek birincil
kaynak maddeleridir. Yer altı tabakalarında tortu veya birikintilerle karışık
halde toplanan bu hammaddeler basınç, sıcaklık ve zaman parametrelerine bağlı
olarak çok çeşitli ve karmaşık fiziksel, biyokimyasal ve kimyasal reaksiyonlarla
transformasyona uğrarlar. Bundan sonra oluşan hidrokarbonların kapanlarda
yakalanmasıyla sonuçlanacak göç olayı başlar. Bütün bu aşamalar aşağıdaki
kısımlarda anlatılmış olan ‘Petrol Sistemi’ düzeni içinde gerçekleşir. Burada
kısaca hammaddenin gömülme derinliği ile sıcaklık, basınç ve zaman ilişkisine
değinilecektir.
Sıcaklık
Gömülme derinliği arttıkça oluşan en önemli olay sıcaklığın
da artmasıdır. Sıcaklığın derinlikle artması “jeotermal gradient
(yükselme)" olarak tanımlanır. Dünya jeotermal gradient ortalaması 1
kilometre için 23.5 0C’dir. Bu değer litolojideki maddelerin ısıl
iletkenlikleri ve yer altı sularının miktarları gibi etkenlere bağlı olarak
bölgesel olarak farklılıklar gösterir. Herhangi bir derinlikteki sıcaklık
aşağıdaki eşitlikle bulunur.
Tf = Ts +
(D x G)
Tf = oluşum sıcaklığı, 0C, Ts
= ortalama yıllık “yüzey” sıcaklığı, 0C (“yüzey”, 3 metre derinliği
tanımlar), G = jeotermal gradient, D = derinlik, metre
Basınç
Oluşan petrolün yer değiştirmesinde, yani göç etmesinde basıncın
önemi çok fazladır, ancak petrolün oluşumunda da basınç önemli bir
parametredir. Derinlik arttıkça basınç da artar; örneğin, 580 m derinlikte
basınç 40.4 kg/cm2 dir.
Zaman
Hidrokarbonlar yeryüzüne yakın derinliklerde kısmen
kararlıdırlar, oysa moleküler dönüşümlerin tetiklenebilmesi için yeterli
derecede yüksek sıcaklıklara ve zamana gereksinim vardı. Kabaca 100 milyon yıl
boyunca organik maddelerdeki dönüşüm çok düşük seviyelerde kalır. Sıcaklığın 50
0C ye ulaştığı, yaklaşık 2200 metre derinliklerde kerojendeki atomik
bağların kırılmaya başlama sıyla oksijen çıkışları, CO2 ve H2O
meydana gelerek sülfür, nitrojen ve oksijen içeren yüksek molekül ağırlıklı,
özellikle asfaltenler ve reçinelerden oluşan ilk petrol ürünleri ve organik
maddelerin yapısına bağlı olarak gaz ürünler oluşmaya başlar.
3.3. Petrol Sistemi
Toplam petrol sistemi keşfedilmiş ve keşfedilmemiş petrol
yataklarından olan her tür hidrokarbon sızıntıları ve birikintilerinin (bunlar
aktif kaynak kayaçla ilişkilidir) incelemesini kapsar, birbirinden bağımsız
temel elementler (kaynak kayaç, rezervuar kayaç, seal kayaç ve overburden
kayaç) ve temel prosesleri (jenerasyon, göç, birikme ve kapan oluşumu) inceler.
Şekil-1: Bir petrol sisteminin profili; kaynak ve rezervuar
kayaçlar, kapanlar ve göç yolları
Sistem ile hidrokarbon birikintilerinin kaynakla olan ilişkileri incelenerek halen veya gelecekte izleyecekleri göç yolları saptanır (Şekil-1)
Petrol sistemi, en basit şekliyle tanımlanırsa, bir
jeneratif petrol kaynak kayacı ve bunun kapanlarda tutulması arasındaki genetik
ilişkiyi tanımlar. Petrol sistemi aşağıda belirtilen dört temel proses ve dört
temel element içinde gerçekleşir.
Petrol sistemi temel prosesleri,
·
Jenerasyon: Kaynak kayaçların, organik
maddelerin hidrokarbonlara dönüşmesi için yeterli olan sıcaklık ve basınç
rejimine kadar gömülmesi,
·
Göç (migrasyon): Hidrokarbonların kaynak
kayaçtan bir kapana doğru göçü,
·
Birikme (akümülasyon): Bir kapan içine giren
hidrokarbonlar hacminin, kapan sızıntısından daha büyük miktarlarda olmasıyla
birikmesi,
·
Kapanlanma (veya korunma ve zamanlama): Korunma,
hidrokarbonların rezervuarda kalması, biyodegredasyona uğramaması ve suyla
çekilerek kapandan kaçmaması; zamanlama ise hidrokarbonların göçünden önce ve
göçü sırasında kapanın şekillenmiş olmasıdır.
Petrol sistemi temel elementleri,
·
Kaynak kayaç,
·
Rezervuar kayaç,
·
Örtü (seal) kayaç,
·
Örtü tabakasıdır (overburden).
Şekil-2: Jenerasyon prosesinde, (a) derinlik-sıcaklık
ilişkisi, (b) organik maddenin olgunlaşması (maturasyon)
a. Petrol Sistemi Temel Prosesleri
1. Jenerasyon
Organik madde yeraltında gömülmeye başladığında dönüşüm
reaksiyonları da başlar (Şekil-2); genel reaksiyon ilerleyişi aşağıdaki gibi
gösterilebilir.
transformasyon
Organik madde ¾¾¾¾® Kerojen
+ Bitum (yan ürün)
transformasyon
Kerojen +
Bitum ¾¾¾¾® Petrol
Kerojen
Kerojen, çökel kayaçlar
içerisinde bulunan büyük molekül ağırlıklı ve karmaşık yapılı organik
bileşiklerdir. Kimyasal
olarak kerojen karbon, hidrojen ve oksijenden oluşur; çok az miktarlarda da
nitrojen ve sülfür bulunur. Çeşitli kerojen türleri vardır; farklılıkları, içerdikleri orijinal organik maddeler nedeniyle,
kimyasal yapılarından kaynaklanır.
I. Tip Kerojen: Alg (Alginite) kökenlidir; hidrojen
karbon oranı 1.25’den daha yüksek, oksijen karbon oranı 0.15’den daha düşüktür.
Bileşiminde siklik ve aromatik yapılar çok azdır, esas olarak protein ve lipit
yapılar içerir. Bu tip kerojenler daha çok sıvı hidrokarbonlar üretme
eğilimindedirler, ancak oluşumları çok sınırlıdır; göllerdeki alglerden
çıkarlar, sadece oksijensiz göller ve az sayıdaki özel denizsel ortamlarda
şekillenirler.
II. Tip Kerojen: Bu
gruba giren kerojenler birkaç türdür; eksinit (polen ve spor lardan), katinit
(karasal bitki parçacıklarından), resinit (karasal bitki reçineleri ve
hayvansal parçalanma reçinelerinden) ve liptinit (karasal bitkilerin
yağlarından ve deniz alglerinden) kökenli olabilirler. H/C oranı 1.25’den daha
düşük, oksijen karbon oranı 0.03-0.18 aralığında değişir; petrol ve gaz
hidrokarbonlar üretirler.
III. Tip Kerojen: Hümik
kerojen adı ile de bilinen bu tipteki kerojenler yağlar (lipidler) veya mumsu
maddelerden yoksun karasal bitkiler kökenlidir; selüloz (karasal bitkilerin
sert yapısını oluşturan karbonhidrat polimerleri) ve lignin (selüloz liflerinin
birarada tutan diğer bir karbonhidrat polimer grubu) ile bitkilerdeki terpenler
ve fenolik bileşiklerden oluşurlar. Hidrojen karbon oranı 1’den daha düşük,
oksijen karbon oranı 0.03-0.3 arasındadır. Bileşiminde çok miktarda halkalı ve
aromatik yapılar bulunur. Bu gruba giren kerojenler kalındır, odun veya kömüre
benzer bir görünümdedir.
Biyokütlenin petrole dönüşmesi, bunların bakteriler ve
protistler (tek hücreli hayvanlar veya bitkiler) tarafından parçalanmasıyla
gerçekleşir. Ancak bu tip kerojende bulunan lignin parçalanarak bakteriler ve
protistleri zehirleyen fenolik bileşikler verirler. Bu ekstra durum dikkate
alınmadığında, 3. grup kerojenlerden sadece metan ve kömür üretilir.
Kerojen türlerinin
dışında kalan diğer bazı kerojen denilebilecek ‘kalıntı’ oluşumlar da vardır.
Bunlar organik maddelerin bozunmalarından sonra geriye kalan kısımlardır ve
hidrojen karbon oranı 0.5’den daha düşük olan polisiklik aromatik hidrokarbon
yapılar içerirler. Bu maddelerin herhangi bir hidrokarbon bileşiği üretme
potansiyeli yoktur.
Organik maddelerden hidrokarbonların jenerasyonu üç aşamalı
olgunlaşmayla (maturasyon) gerçekleşir; diyajenez, katajenez ve metajenez.
Diyajenez
Diyajenez (yaratılış) fazı yeryüzüne yakın derinliklerde,
yaklaşık olarak normal sıcaklıklar ve basınçlarda gerçekleşir. Bu fazda,
organik maddeler bakteriler yardımıyla olan biyojenik parçalanmaya ve biyojenik
olmayan reaksiyonlara uğrar; organik maddelerden metan, karbon dioksit ve su
çıkarak geriye “kerojen” denilen karmaşık bir hidrokarbon yapı kalır. Proseste
sıcaklık önemli bir rol oynar; gömülme arttıkça yükselen sıcaklıklar
bakterilerin ölmelerine neden olduklarından biyojenik reaksiyonlardaki
etkilerini azaltır, buna karşın yüksek sıcaklıklarda organik reaksiyonlar
hızlanacağından petrol oluşumu artar.
Bu evredeki kimyasal
reaksiyonlardan bazıları aşağıda verilmiştir. Ortama ve bakteri türüne göre
ortamda bulunan sülfat iyonlarından sülfür ve oksijen meydana gelirken oluşan
kükürt Fe(OH2) ile birleşerek FeS2.haline geçer.
SO-24 « S + 2O2 +
2e-
Fe (OH)2 +2S « FeS2 + H2O
Sülfat iyonları ayrıca
organik maddeyle de reaksiyona girerek hidrojen sülfür oluşturabilir.
SO-24 +
2CH2O ®
2HCO-3 + H2S
Diyajenez esnasında gelişen biyolojik bozunmanın ilk evresi
oksidasyondur. Oksidasyon sonucu su, karbondioksit, nitrat ve fosfat oluşur.
Basitleştirilmiş reaksiyonlar aşağıdaki gibi yazılabilir.
(CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 138 O2 ®
106 CO2 + 16
NHO3 + H3PO4 +122 H2O
İkinci evrede nitrat indirgenir.
(CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 94.4 NHO3 ®
106 CO2 +
55.2 N2 +177.2 H2O +H3PO4
Bu işlevi sülfatın indirgenmesi takip eder ve bunun
sonucunda hidrojen sülfür ve amonyak meydana gelir
(CH2O)106 (NH3)16 H3PO4 + 52 SO4-2 ®
106 HCO3- +
53 H2S + 16 NH3 +H3PO4
Organik madde protein,
karbonhidrat, lipit ve ligninden oluşmaktadır. Bu sıralamada protein en
dengesiz, lignin ise en dengeli ve duyarlı bileşendir. Diyajenez esnasında
bunlar mikropların enzimleri ile başka maddelere dönüştürülürler. Örneğin
Karbonhidratlar (selüloz) bozunarak metan ve karbondioksit verir.
(C6H10O5)n
®
CO2 + CH4
Benzer şekillerde diğer
organik maddelerin bozunması ile de metan üretilir. Benzer reaksiyonlarla
proteinlerden aminoasit ve peptidler, lipitlerden gliserol ve diğer yağ
asitleri, ligninden fenol ve aromatik asitler üretilir.
Yukarıda belirtilen
değişiklikler çökel birikiminin birkaç metrelik üst kesiminde meydana gelir.
Ancak üstte çökel birikip gömülme arttıkça fiziksel ve kimyasal ortam koşulları
da değişmeye başlar. Derinlik arttıkça sıkılaşma (kompaksiyon) da artar. 300 m
derinlikte killerin porozitesi %80 den %30-40 a düşer. İçerisindeki gözenek
suyu ve biyojenik su atılır. Bu sular içerisinde karbondioksit, metan, hidrojen
sülfür ve diğer bozunmuş organik madde artıkları vardır.
Bunların yanısıra inorganik reaksiyonlar sonucunda pirit,
siderit vb gibi diyajenetik mineraller gelişir. Karbonat çimentolanması
gözlenir. Derinlik daha da arttıkça sıcaklık önem kazanır. Biyojenik
reaksiyonlar durur, inorganik reaksiyonlar hızlanır. Bu reaksiyonlarla kalan
su, karbondioksit ve metan da atılarak sonuçta kerojen meydana gelir.
Katajenez (Parçalanma)
Katajenez fazı oluşan kerojenin daha derinlere (1000-6000 m)
gömülmesiyle artan sıcaklık (60-177 0C) ve basınç ortamında organik
kerojenlerin hidrokarbonlara dönüştüğü ‘parçalanma’ proseslerini içerir.
Sıcaklık arttıkça (ki bu zamanın ve derinliğin artmasıyla orantılıdır) atomlar
arasındaki bağların kopması da fazlalaşır. Önceden çıkan S, N, O ve kerojenden
(özellikle asfaltik zincirler de dahil) hidrokarbon molekülleri meydana gelir.
İlk oluşan hidrokarbonlar C15-C30 karbonlu biyojenik
moleküllerdir. Derinlik arttıkça, yani gömülme ilerledikçe sıcaklık da yükseldiğinden
karbon-karbon bağlarının kırılması hızlanır. Bağların kırılmasıyla hafif
hidrokarbonlar oluşmaya başlar ve bu proses kaynak kayaçtaki hidrokarbonların
miktarıyla orantılı olarak hızla ilerleyerek hampetrol depozitlerini meydana
gelir.
Bu aşmada gerçekleşen transformasyon (katajenesis), bir
disproporsinasyon (orantısız sonlanma) prosesine eşdeğerdir. Bir taraftan
hidrojen içeriği fazla hidrokarbonlar (Hc) meydana gelirken, diğer yandan
kalıntı kerojenin hidrojeni sürekli olarak azalır.
200 0C sıcaklığın üstünde tüm hidrokarbonlar
kararsız hale gelir, parçalanarak metan ve karbon oluşur. Bu nedenle sıcaklık
kritik faktörlerden biridir. Diğer kritik faktör zamandır; kerojenin
olgunlaşması için uzun zaman kararlı koşullarda kalması gerekir.
Araştırmacılar, bu fazda oluşan kimyasal reaksiyonların zaman, sıcaklık ve
basınca bağımlı olduğunu ve prosesin aşağıdaki reaksiyonla özetlenebileceğini
ileri sürmektedirler.
X0 ® Hc + X(t)
X0 başlangıçtaki kerojen konsantrasyonu, X(t) t
zamandaki kerojen konsantrasyonudur. Basınca bağlılık ihmal edilir düzeyde
olduğundan katajenez prosesi birinci dereceden diferensiyal bir eşitlikle
verilir.
dX
¾ = - k X
dt
X = kerojen miktarı, k = reaksiyon hız sabitidir.
Metajenez
Metajenez fazı, yüksek sıcaklıklar ve basınçlarda meydana
gelen bir başkalaşım (metamorfizm) aşamasıdır. Metamorfizm, katı haldeki bir
kayaçtaki mineralojik, kimyasal ve kristalografik değişiklikler olarak
tanımlanabilir; örneğin, erimeksizin kayacın yeni koşullara (basınç, sıcaklık,
akışkanların girmesi) göre değişmesi.
Diyajenez ve katajenez fazlarının açıklamalarından
anlaşıldığı gibi, petrol ve gaz kaynak kayaçtaki kerojenden peşpeşe kimyasal
reaksiyonlar sonucu oluşmaktadır. Reaksiyonlar kimyasal reaksiyonlar
kinetiğince yönlendirilir, dolayısıyla bu transformasyon, doğrudan sıcaklık ve
zamana bağlıdır. Basınç, gerekli sıcaklığa erişebilmek için zorunludur, ancak
petrolün oluşumundan ziyade, bir yerden başka bir yere göç etmesinde etkilidir.
Örneğin, petrol üretilen bir bölgenin sıcaklığı 22 0C’den
azsa, rezervuarın yer yüzeyinden derinliği 550-650 metredir, ve elde edilen
petrol “ağır”dır. Ağır petrol moleküllerindeki karmaşık karbon-karbon
bağlarının parçalanarak “hafif” ürünlere dönüşebilmesi için sıcaklığın en az 20
0C daha yüksek olması gerekir ki bu sıcaklığa 1100 metre daha
derinde erişilebilir. Halen yeryüzünün çökelme hızı 1 cm/100 yıl olduğuna göre
örnekteki petrol rezervuarı 1100 metre daha derine ancak 11 milyon yılda
çökebilir. Dünyanın bazı bölgelerine 115°C’den yüksek petrol bölgeleri vardır.
2. Göç (Migrasyon)
Olgunlaşmayla (maturasyon) oluşan petrol ve gaz yer yüzeyine
doğru göç etmeye başlar. Göçün iki önemli nedeni, basınç ve yoğunluktur.
Maturasyon bölgesinin basıncı yüksektir, yukarı doğru çıkıldıkça basınç
azaldığından, engellerle karşılaşmaması halinde hidrokarbonlar daha düşük
basınçlı katmanlara doğru akarlar; petrol ve doğal gazın yoğunluğu, kayaçlar ve
suyla kıyaslandığında daha düşük olduğundan göçü kolaylaştırır.
Hidrokarbonlar
gözenekli ve geçirimli
kaynak kayaçtan (ana kayaç) rezervuar kayaca (hazne kayaç) göç ederler; buna
‘birincil göç’ denir. Hazne kayaca gelen petrol burada da göçe devam eder;
‘ikincil göç’ denilen bu evrede hidrokarbonların rezervuar kayaç içindeki
gözenekler ve kırıklar arasından hareketliliği başlar ve akışkanlar yoğunluk farklılıkları
nedeniyle tabakalaşırlar (Şekil-3).
İkincil göç çeşitli fiziksel ve kimyasal parametrelere göre
değişik şekillerde yönlenebilir. Fiziksel parametreler arasında basınç
farklılığına bağlı yüzdürme kuvveti, rezervuarın petrofiziksel özellikleri, ve
geçirgenliği sayılabilir. Ayrıca taşıyıcı
tabakanın eğimi, sürekliliği, fay ve çatlaklar göçü etkileyen başlıca
faktörlerdir. Kimyasal parametreler petrolün yapısal değişime uğramasına neden
olur; bileşimi, taşıyıcı tabakaya ulaştığı halden sapar, örneğin daha ağır veya
daha hafif bileşenlerce zenginleşerek göç yolunu değiştirir.
Şekil-3: Birincil ve ikincil göç yolları
Hidrokarbonların göç türleri kısaca aşağıdaki şekilde tanımlanabilir.
·
Yatay Göç
(Lateral Migrasyon): Yatay göç devamlı ve geçirgen seviyelerde taşıyıcı kaya
ile örtü kaya dokanağı boyunca meydana gelir ve 10 ile 100 km arasında bir
mesafede gerçekleşir
·
Düşey Göç: Gözenek
içerisindeki hidrokarbon basıncı kendisini gözenek içerisinde tutmak isteyen
basınç ve örtü tabaka içerisinde oluşan basınçtan daha fazla olduğu zaman düşey
göç görülür
·
Aşağı Doğru Göç: Özellikle transgresif istiflerde görülen bu göçte alttaki daha iyi
nitelikli rezervuar kayalar ve stratigrafik kapanlar doldurulur
·
Yukarı Doğru Göç: Örtü içerisindeki çatlak ve boşluklardan petrolün yukarı doğru göçmesidir
·
Petrol Sızıntısı: Sızıntı eğer kuyuda görülüyorsa bu orada göç olduğunu ve geçmekte olan
bir petrolü ifade eder. Sızıntı yüzeyde görülüyorsa o bölgede kapanlanma koşullarının
iyi olmadığını belirtir
·
Kapanda Göç: Kapana
yeni petrol gelmesi ikinci bir göçe neden olur
·
Petrol
kapanlarının deformasyona uğraması yeni bir göçe neden olur. Yükselme ve
aşınma sonucunda tabaka basıncı azalırsa gaz şapkası hacmi artar ve sonuçta
petrol kaçabilir
3. Birikme
(Akümülasyon)
Hidrokarbonların birikmesi (accumulation) için üç elementin biraraya
gelmesi gerekir; bunlar, rezervuar kayaç (porozitesi ve geçirgenliği yüksek,
genellikle kumtaşı, kireç taşı ve mermer gibi), üst, alt ve yanal sızıntıları
önleyen seal kayaç (porozitesi ve geçirgenliği düşük, genellikle shale
tabakaları, kireç taşı, gibs, tuz gibi) ve overburden kayaçtır (ilave bir
kapanlama etkisi yapar).
4. Kapanlanma
Geçirgen rezervuar kayaçları (karbonatlar, kumtaşları),
hidrokarbonların göçmesine engel olan geçirgenlikleri az kayaçlarla (örtü
kayaçları) sarıldığı zaman kapanlar meydana gelir. Tipik örtü (seal, cap)
kayaçlar sıkı dokulu şeyller, evaporitler, betonlaşmış sert kumtaşları ve
karbonat kayaçlarıdır.
Şekil-4: Rezervuar kayaç, seal kayaç ve overburden tabakalar
arasında petrol birikmesi
Kapanlar stratigrafik ve yapısal oluşumlardır. Yeryüzü ani
veya kademe kademe jeolojik hareketler yaratır; depremler, volkanik patlamalar,
rüzgar ve suyun neden olduğu erozyonlar gibi. Bu hareketler sonucu bazı yapısal
oluşumlar doğar. Örneğin, yukarı doğru itilen kayaçlar dome-şeklini alır veya
kemer gibi kıvrılır; buna antiklinal oluşum (kapan) denir. Bunlar çoğu kez
hidrokarbonları yakalayıcı oluşumlardır ve bir kaynak kayaç yakınında yer
alması halinde o alanda petrol ve gaz bulma olasılığı yükselir.
Şekil-5: Bir antiklinal kapanın şematik görünümü
Şekil-6: Hidrokarbon havuzların bulundukları zamanlar
Kapanlar petrolün göçerek son olarak yerleştiği ve hareket edemeyecek şekilde sıkıştığı yerlerdir. En basit kapan Şekil-5‘de görüldüğü gibi bir antiklinaldir. Kapalı bir sistem petrol biriktirir. Alt kısmı konkav bir örtü kolayca bariyer oluşturur ve petrolün akıntı yönünde daha ileri gitmesini önler.
Böylece sistemin en üst
kısmında petrol birikerek bir havuz meydana getirir. Kapanın alt kısmı
genellikle düzlemseldir ve petrol-su dokanağı ile sınırlanır.
Çökeltiler içindeki hidrokarbonların büyük bir kısmı uygun
bir kapan bulamazlar ve su içeren oluşumlar boyunca hareket ederek yüzeye doğru
akarlar.
Tahminlere göre yeraltında gömülü tüm organik maddelerin
%0.1’inden daha azı bir yağ havuzunda tutulmuş haldedir. Hidrokarbon havuzların
çökelti hacmine oranı en yüksek olan kayaçlar 2.5 milyon yıldan daha yaşlı
değildir ve bunun da %60 kadarı Senozik Devir tabakalarında bulunur
(Şekil-6).
b. Petrol Sistemi
Temel Elementleri
1. Kaynak Kayaç
Bu tabakalara bazı bölgelerde Devonik periyotta (~410-360
milyon yıl önce) rastlanır. Sedimentler çökelip yeterli derinliklere kadar
gömüldükçe ısınır, sıcaklığın etkisiyle oluşan kimyasal reaksiyonlarla petrol
oluşur. Organik kalıntıların çökelmeleriyle
meydana gelen kayaçların yeterli derinliklere kadar gömülebilmeleri için 300
milyon yıldan fazla zaman geçmesi gerekti.
Kaynak kayaç, organik maddeler içeren. bir çökel kayaçtır
(shale gibi). Organik maddeler milyonlarca yıl önce bataklıklar, göller ve sığ
denizlerde yaşayan bitki ve hayvancıkların parçalanmış kalıntılarıdır; bunlar
yeraltında ısıya maruz kaldığında petrol ve gaz ürünler çıkarırlar. Yeraltına
gömülme sürecinde kaynak kayaçtaki bitki ve hayvancıkların kalıntıları
(kerojen) artan ısı altında pişerek su, petrol ve gaz üretir; pişme prosesine
olgunlaşma (maturasyon) denir.
2. Rezervuar Kayaç
Rezervuar Kayacı (Pay Zone), 136-65 milyon yıl önce Kresata
periyodunda oluşan kayaç tabakalarıdır, yeryüzünden 500-700 metre derinliklerde
bulunur; bu tabakalar kum, shale, kum, tuzlu su, kum, ağır yağ sıralamasında
bulunur. Bu sığ derinliklerde petrol, katı halden sıvı hale geçişini tamamlayacak
yeterli sıcaklıklara ulaşamamıştır, dolayısıyla bu bölgedeki petrol “ağır
petrol” karakterindedir.
Kaynak kayaçtan yaratılan hidrokarbonlar bir yakalayıcı
oluşum tarafından depolanmadıkça kullanıma alınamaz. Bir rezervuar kayaç, göç
eden hidrokarbonları yakalayarak tıpkı bir sünger gibi emen bir oluşumdur;
kaynak kayaçtan oluşan hidrokarbonların ancak bir rezervuarda toplanan
miktarından yararlanılabilir.
Şekil-7: (I) Deniz/göl yüzeyindeki çökeltilerin mikroskobik
görünümü; (II) Kaynak kayaç jenerasyonunun mikroskobik görünüm; (III) Kapan:
Rezervuar+ örtü (seal) kayacın mikroskobik görünümü
Rezervuar kayaç hidrokarbonların tanecikleri arasındaki
boşluklarda (pore) birikmesine ve bu boşluklar arasındaki geçirgenlik (permeabilite)
yollarıyla hareketine olanak verir. (Şekil-7)
Prensip olarak gözenek,
boşluk ve çatlak içeren her kaya rezervuar olabilir. Ancak pratikte rezervuar
genellikle kumtaşı ve kireçtaşı veya mermerdir; kalındır ve fazla miktarlarda petrol
tutabilecek derecede poroziteye sahiptir.
Oldukça sığ bir derinlikte ve diğer petrol sahalarının yakınında olması
halinde birkaç feet kalınlığındaki bir rezervuar kayacı ticari anlamda yeterli
olabilir. Yine de ekonomik üretim için rezervuarın birkaç yüz feet kalınlıkta
olması gerekir.
Bir
rezervuar kayacının önemli iki özelliği “porozite” ve “geçirgenlik”tir Porozite kayaçtaki açıklıkların veya
boşlukların bir ölçüsüdür; bir
kayacın toplam boşluk hacminin toplam katı hacmine oranı olarak tanımlanır.
Porozite (%) = (boşluk hacmi /
toplam kayaç hacmi)X 100
Çıplak
gözle bakıldığında bir rezervuar kayacı sıkı, homojen bir katı gibi görünürse
de mikroskobik incelemelerle ince açıklıkları görmek mümkündür. Bu açıklıklara
pore (gözenek), kayaca da poröz kayaç denir.
Porozite, efektif ve efektif olmayan porozite olmak üzere
ikiye ayrılır. Petrol açısından efektif porozite önemlidir.
Rezervuar kayacının geçirgenliği, kayaçtaki gözeneklerin
birbirlerine bağlanarak petrolün bir gözenekten diğerine geçişini sağlayan
kanalları tanımlar; yani, kapandan alınabilecek hidrokarbonların hacmini
kontrol eder Hidrokarbonlar gözenekten gözeneğe geçemedikçe bulundukları
yerlerde sıkışıp kalırlar ve bir petrol kuyusuna akamazlar (Şekil-8).
Şekil-8: A: Porozite, B: Geçirgenlik (Permeabilite)
Geçirgenlik Darcy formülüne göre aşağıdaki eşitlikle
verilir:
Q = akış oranı, K = geçirgenlik, P1 - P2 = geçiş boyunca olan basınç farkı, A = örneğin
enine kesit alanı, L = örnek boyu, µ = akışkanın viskozitesidir.
Permeabilite birimi Darcy’dir; 1 cm/sn hızla 1 atm/cm basınç
farkı altında geçen 1 sentipoiz (cP) viskozitedeki akışkan miktarı 1 Darcy’dir.
Rezervuarların çoğunda geçirgenlik 1 Darcy’den az olduğu için milidarcy (md)
kullanılır. Ortalama rezervuar geçirgenliği 5 ile 500 md arasında değişir.
Darcy kanununun geçerli olması için formasyon içerisindeki
sıvı ile kaya arasında kimyasal bir reaksiyon olmaması, akışkanın tek bir fazda
olması gerekir ki bu doğada çoğu zaman gerçekleşmez. Yani olaylar çok daha
kompleks olarak gelişmektedir.
Geçirgenlik ikiye
ayrılı: Spesifik geçirgenlik; kayacın bütün gözenekleri akışkan ile doygundur. Etkin
geçirgenlik; kayacın tüm gözenekleri akışkan ile doldurulmamıştır.
Relatif Geçirgenlik = Etkin geçirgenlik / Spesifik geçirgenlik
Rezervuarların çoğu sürekli ve sabit özellikler
göstermezler. Rezervuarın litolojik sürekliliği, geçirgenlik ve
porozitesinin sürekliliği ve dağılımı
rezervuardan üretilecek petrol miktarının tahmini açısından son derece
önemlidir. Bu özellikler gözetilerek rezervuarlarda toplam ve net verim zonları
ayrılır; Toplam verim zonu: petrol-su dokanağından itibaren rezervuarın tüm
kalınlığını içine alan zondur. Net verim zonu: ise petrolün bizzat üretildiği
zonların toplam kalınlığıdır.
Petrolün rezervuardan sondaj kuyusuna akması için doğal üç
mekanizma vardır; bunlar su gücü, gaz şapkası gücü ve erimiş gaz gücüdür. Doğal
güç bakımından zayıf olan rezervuarlara yapay güç uygulanır. Eğer petrol
yeryüzüne gelmiyorsa kuyu dibi pompaları ya da at kafası pompaları kullanılır.
Yapay üretimi zenginleştirme tekniklerinde önemli olan rezervuarın basıncını
sürekli kılmak ya da bunu artırmaktır. Bunun için rezervuara,
·
Gaz injekte edilir; bu doğal gaz veya CO2,
N gibi yapay gazlar olabilir
·
Deniz suyu veya formasyon suyu injekte edilir
·
Bazı özel deterjanlar kuyuya injekte edilebilir
3. Örtü (Seal) Kayaç
Shale, kireç taşı, kumtaşı, tuz tabakaları veya kil taşı
gibi hidrokarbonların geçişine olanak vermeyen kayaç türüdür. Seal kayaçlar,
tüm potansiyel petrol havzalarında ve aşırı basınç altındaki alanlarda
(overburden) çok yaygındırlar. Bunların çoğu deniz çamur taşlarının
çökeltilerinden oluşmuşlardır. Oligosen ve Erken Miyosen kireçtaşları en çok
rastlanan seal kayaçlardır.
Şekil-9: (a) Bir rezervuar kayaç; (b) bit örtü kayaç,
örnekleri
Kapan kayaç petrolü yüzey altında tutabilecek şekilde
oluşmuştur, su ve hava geçirmez, rezervuar kayacının üstünü, altını ve
yanlarını kaplayarak petrol ve/veya gazın hareketine engel olur.
Seal kayaç-örtü (cap) kayaç da denir, bariyer şeklinde de
olabilir ve bir hidrokarbon havuzu oluşması için gerekli koşulları yaratır.
Kapan malzemesinin geçirgenliği, hidrokarbonların içinden aktığı kayaç
malzemesinden daha düşük olmalıdır.
Şekil-8’de bir rezervuar ve örtü (seal) kayaç görülmektedir.
Örtü kayaçtaki koyu renkli tanecikler kildir, bunlar birbirlerine çok yakın
paketlenmiş haldedirler ve aralarındaki boşluk çok azdır.
4. Örtü Tabakası
(Overburden)
Örtü tabakası, pay zone ile yer yüzeyi arasında kalan ve
örtü (seal veya cap) kayaçlar ve rezervuar oluşumlar üzerine aşırı yük
uygulayan tabakalar bölgesidir. Oluşumları zamanımızdan ~65 yıl öncesine
aittir; bunlar, toprak, klay (kil), kum, susuz kalıntılar, kaya parçaları,
shale, tatlı su gölleri ve nehirleri, tuzlu su havuzlarıdır.
Yeraltında herhangi bir derinlikteki basınç, hidrostatik
basınca kıyasla anormal derecede yüksektir. Akışkanla dolu tortuların gömülü
olduğu alanlarda süratle bu çok yüksek ‘gözenek basıncı’ oluşarak akışkanın
kaçmasının engeller; derinlik arttıkça veya örtü tabakası (overburden)
yükseldikçe, gözenek akışkanlarının basıncı da yükselir. Aşırı basınçların
olduğu katmanlarda sondaj çalışmaları yapılırken yüksek basınçlı akışkan
çıkışının tehlikeleri bilinerek gerekli önlemlerin alınmalıdır.
Oluşum (formasyon) basıncı, suyun hidrostatik basınç
gradientine (0.433 psi/ft) uygun olarak, derinlikle artar. Bu gradientten sapma
durumundaki anormal basınç ‘aşırı basınç (overpressure) olarak tanımlanır.
Alt basınç (underpressure), normal veya hidrostatik
basınçtan daha düşük basınçlardır, alt basınç zonu (bölgesi) hidrokarbonların
çoğunlukla bulunduğu alanlar veya oluşumlardır (Şekil-10).
Şekil-10: Basınç-derinlik eğrisi:
A: Hidrostatik basınç
gradienti, B: kırık (fracture) gradienti,
C: litostatik basınç gradienti, D:
aşırı basınç (overpressure),
E: alt basınç (under pressure)
4. KAPANLAR VE
KAPAN ÇEŞİTLERİ
Kapanlar çok çeşitlidir ve değişik şekillerde ana ve alt gruplandırmalar
yapılabilir. Burada geniş jeolojik sınıflandırmalara girilmeyerek, özet bir
sınıflama sistemi ile kapanlarla ilgili bazı bilgiler ve örnekler verilmiştir.
Kapanlar dört sınıf altında toplanabilir:
Yapısal Kapanlar
·
Kemer (Antiklinal ve Dom kapanlar)
·
Fay (Fault) Kapanlar
·
Kombinasyon Kapanlar
Stratigrafik Kapanlar
·
Primer
Stratigrafik Kapanlar
·
Sekonder
Stratigrafik Kapanlar
Diğer Kapan Çeşitleri
·
Kırık
(Fractured) Rezervuarlar
·
Hidrodinamik Kapanlar
4.1. Yapısal Kapanlar
a. Antiklinal (Kemer)
ve Dome Kapanlar
Yatay hareketler; iç kısımlara basınç yaparak poröz olmayan
kayaç tabakalarını yukarı doğru hareketlendirir, tabakalar bir kemer şeklinde
yukarı doğru kıvrıldığında (folding) oluşan geometriye antiklin denir (aşağı
doğru kıvrılırsa sinklin). Petrol su üzerinde yüzeceğinden suyun dolayısıyla
kemerin üstüne çıkmaya çalışır ve kemerin üstünde bulunan shale yatakları gibi
geçirimsiz kayaçlar nedeniyle, tepede bir hampetrol havuzu meydana gelir. Bu
tip alanlar doğal gazın tutulmasına da olanak sağlar (Şekil-11).
Tepe kısmı yayvanlaşmış çok kısa antiklin oluşumlara da dome
(kubbe) denir. Domeler dağların neden olduğu yan basınçların etkisiyle, veya
derin tuz yataklarının kayması ve katlanmasıyla meydana gelir; bu kapanlara
Karboniferros ve Kretase kayaçlarında rastlanır.
Şekil-11: Antiklin kapanlar
Şekil-12: Tuz dome kapanlar
Tuz dome kapanlar bu tür kapanlara iyi bir örnektir. Tuz
özel bir maddedir, yeterli derecede ısı ve basınçla karşılaştığında aşağı doğru
yavaş yavaş hareket eden bir kütleye dönüşür. Yer yüzeyinden kilometrelerce
aşağıdaki bu akışkan kütle yukarı doğru çıkarken yolu üzerindeki bazı
tabakalara çarparak kırılır ve kapanlar oluşmasına neden olur (Şekil-12).
b. Fay (Fault)
Kapanlar
Yer kabuğu tabakalarının hareketi sonucu oluşan kuvvetlerin
etkisiyle kabuğun bir kısmı kırılır, parçalanır ve bir fay meydana gelir.
Faylar, çoğu kez tabakaların karşılıklı olarak (birbirine doğru) hızla
hareketlerinin neden olduğu depremlerde teşekkül eder. Faylar kapanlara
dönüşebildiğinden doğal gaz rezervleri yönünden önemlidir. Faylar genellikle
dört tür olabilir:
·
Normal faylar, genellikle graben (rift,
çöküntü) yapılarla ilişkilidir; kayaların gerilme kuvvetlerine maruz kalmaları
halinde meydana gelir
·
Ters faylar, kayaların beraberce sıkıştırılmaları
sonucu oluşur
·
Doğrultu atımlı (strike-slip, wrench) faylarda,
fay boyunca olan hareket fay yüzeyinin çarpmasına paraleldir. Bu tür faylarda
yer değiştirme daha çok yatay doğrultudadır, fay boyunca dikey hareket çok
azdır
·
İtme (thrust) faylar sıkıştırılmış tektoniklerle
ilgili faylardır, kayalara uygulanan sıkıştırma kuvvetleri sonucu kenarlardan
biri diğerine göre yukarı doğru hareket eder
Şekil-13: Fay (fault) kapanlar
Şekil-14: Fay tipleri
Fayın iki tarafındaki oluşumların petrolün göç etmesini engelleyecek şekilde hareket etmeleri halinde oluşan kapan şeklidir. Örneğin, fayın bir tarafındaki geçirimsiz ve sızdırmaz bir oluşum (shale veya tuz gibi), diğer tarafındaki petrol-yatağı oluşumuna zıt yönde hareket edebilir; bu durumda geçirimsiz tabaka petrolün akışını engeller ve faya karşı bir petrol havuzu oluşur (Şekil-13).
4.2. Kombinasyon
Kapanlar
Bu tip kapanların geometrisi, litolojideki değişiklikler ve
tektonik proseslerin birleşmesiyle şekillenir; tipik örnek bir tuz domu kapanıdır (Şekil-15). Tuz domu genellikle
bir sodyum klorür kütlesidir, silindir şeklindedir, ve yüzeye yakın yerlerde
çapı 2 km dolayındadır. Bu kütle etrafını saran kayaçlar ve çökeltiler
tarafından alttan yukarı doğru itilir. Tuz bir evaporittir, tuz yatakları doğal
deniz suyunun buharlaşmasıyla meydana gelir. Daha sonra çökelmiş tuz yatakları
aşama aşama derinlere gömülür ve gerekli koşullar oluştuğunda kapan şekilleri
oluşur. Bu tip kapanlara Permian or Jurassic devir kayaçlarında rastlanır.
Şekil-15: Salt dome kombinasyon kapan
Şekil-16: Bazı stratigrafik kapan tipleri
4.3. Stratigrafik Kapanlar
“Stratigrafi” terimi, kayaçlar ve kayaç değişimleri anlamı
taşır. Rezervuar yataklarının oluşması sırasında litoloji veya kayaç tiplerinde
olabilecek değişmeler bazı bariyerler veya örtü kayaçları oluşmasına yolaçar;
bu gibi koşullar stratigrafik kapanların meydana gelmesini sağlar. Litolojik
değişimler resifler (reef), oluklar (channel) ve kum barları gibi birikinti
oluşumları yaratabilir (Şekil-16). Stratigrafik
kapanlar iki temel sınıfa ayrılır:
·
Birincil (Primer) Stratigrafik Kapanlar
·
İkincil (Sekonder) Stratigrafik Kapanlar
a. Birincil (Primer)
Stratigrafik Kapanlar
Birincil stratigrafik kapanlar kayaçların ilk şekillenişi
veya yaratılışı sırasında rezervuar
yatağının diğer geçirimsiz yataklar tarafından kapatılmasıyla meydana
gelen kapanlardır. Bunlar arasında lensler, resifler, pinch out (kıstırma), up-dip,
kumtaşı kanalları sayılabilir.
Resifler (Reef) veya karbonat birikintileri uzun
zamandan buyana bilinen en önemli stratigrafik kapan tipleridir. Bu tip
kayaçlar içindeki kireç taşları dolayısıyla çok fazla miktarlarda petrol ve gaz
tutarlar, geçirimsiz kayaçlarla (tuz veya anhidrit cap kayaçlar olabilir)
sarılarak rezervuar şeklini almışlardır. Resifler domal (pinnacle) ve şekilsiz
uzantılar (bariyer) halinde oluşur ve yüksek poroziteli sert taş yapısına
dönüşerek çoğalırlar. Bu tip kayaçlarda karşılaşılan iki sorun vardır; 1. Bütün
resiflerin hidrokarbon içermemesi, 2. Birikinti fasiyeslerine uymayan rezervuar
özellikleri göstermesidir (Şekil-17).
Şekil-17: Kum merceği ve resifi
Pinchout:
(Kıstırma):
Bir rezervuar kayaç tabakası (gözeneklidir) aniden sonlanarak shale veya tuz
kayacı gibi, hiçbir akıma izin vermeyen sızdırmaz bir tabaka tarafından
kaplandığında rezervuarın üst kısımlarına yakın yerlerde oluşan kapandır;
tepede rezervuar kalınlığı sıfıra düşer (Şekil-18).
Pinchoutlar ikinci
zamanın (Mezozoik) son kısmı olan ve arzın 500 metre kadarki derinliklerinde
yeralan Kretase kayaçlarda çok görülür; buralardaki kumtaşı tabakaları
çökelmelerini tamamlamış ve yoğun deniz şeyllerine dönüşmüştür.
Şekil-18: Kıstırma (pincout) rezervuar oluşumları
Şekil-19: Bir kumtaşı kanal oluşumu (Sandstone channel)
Up-Dip Plug: Bu tip bir kapan petrolün yukarı doğru akışını engelleyerek diğer çok elverişli bir rezervuar kayacına akmasını önler; kanallarda biriken geçirimsiz kalıntılar rezervuarın alt kısımlarıyla teması kesen bir tapa veya set oluşturur. Rezervuarın porozitesi ve geçirgenliğinin değişmesiyle alt kısımları geçirgen ve poröz, dolayısıyla hidrokarbonlar içerirken, üst kısımları geçirimsiz ve nonporöz olur. Bunun sonucunda rezervuarın bir kısmı sadece su tutar, petrol veya gaz yakalayamaz. Karmaşık yapılı bu yapıdaki kapanlara Kresate dönemi kayaçlar arasında rastlanır (Şekil-19).
b. Sekonder
Stratigrafik Kapanlar
İkincil stratigrafik kapanlar ilk şekillenen rezervuar
kayaçların daha sonra çeşitli nedenlerle (özellikle de diyajenez nedeniyle)
değişime uğramasıyla, orijinal
porozitesi veya geçirgenliğinin değişmesiyle, yani kayaç karakterinin
değişmesiyle oluşurlar; unconformity (tabakaların birbirine uymaz halde
bulunması), çözünme ve betonlaşma gibi. Bunlardan unconformity çok önemli bir
kapan tipidir; örneğin, eğilen yaşlı kumtaşı tabakaları, birbirleriyle uyumsuz
halde bloke olur ve yatakların üstüne yerleşir. Unconformite altındaki
kayaçlar, genellikle yüksek derecede hava boşluğu içerirler, çok poröz ve
geçirgendirler, dolayısıyla iyi birer rezervuar oluşumlardır.
Unconformite (Benzeyişsizlik): Benzeyişsizlik,
birbirine uymayan tabakaları tanımlar
Eğilen bir petrol-yatağı kayacı, yatay ve sızdırmaz bir kayaç tabakası
tarafından kesilir (Şekil-20).
Unconformite, kayaçların çökelme sürecinde oluşan bir
kırıktır. Temel tabakaların eğilmesi, erozyona uğraması (aşınması) ve sonra
yatay sızdırmaz kayaçlarla kaplanması sonucu petrol ve gazın toplanacağı bir
kapan oluşur. Karboniferros (315-345 milyon yıl önce) dönemi kayaçlarındaki
unconformite kapanlar çok önemli petrol yataklarıdır.
Şekil-20: Unconformite kapan oluşumlar
4.4. Diğer Kapan Çeşitleri
a. Kırık (Fractured)
Rezervuarlar
Kırık taban kayaçları, üstünü kaplayan şeyl tabakasını
iterek yukarı doğru çıkıntı yaparlar ve bir kapan meydana getirirler. Diğer iyi
bir kapan türü de, faylar boyunca uzanan betonla kaplanmış kırıkların (kireç
taşları ve çakmak taşları) yanal uzanımla boyunca oluşturduğu kapanlardır
(Şekil-21).
b. Hidrodinamik
Kapanlar
Hidrodinamik Kapanlar Göçmekte olan petrolün hidrodinamik
olarak engellenmesi ile oluşan kapanlardır. Bir rezervuar içerisinde akan su
yukarı doğru çıkmakta olan hidrokarbonlarla karşılaştığında, eğer su kuvveti hidrokarbonu
yüzdürmeye sebep olan kuvvetten fazla ise petrolün yukarıya doğru olan hareketi
durur ve burada petrol birikir.
Şekil-21: Kırık rezervuarlar; (a) Diskonformite altındaki
kırık porozitede kapanlanan petrol, (b) Fay tabakalara bitişik kırık porozitede
kapanlanan petrol
