Gaz Hidrat
 
Gaz Hidrat Nedir?

Gaz hidratlar, su molekülleri ile düşük moleküler ağırlıklı gazların bir kafes içerisine hapsolmasıyla oluşan ve buza benzeyen kristalin katılar olup, gaz yoğunluğu çözeltide tutulabilen miktarı aştığında yüksek basınç ve düşük sıcaklık koşulları altında oluşurlar. Gaz hidrat yapısında su molekülleri kafes görevi yapmakta ve farklı bileşimdeki gazlar (genellikle metan) bu kafese hapsolmaktadır.

 
 
 
 
En genel halde, 8 metan molekülü 46 su molekülü tarafından tutulur. Gaz hidrat bileşiminde etan, propan, bütan gibi hidrokarbon gazları veya CO2, H2S gibi hidrokarbon kökenli olmayan gazlar bulunabilmesine rağmen, en yaygın hidrat oluşturan gaz metandır. Katı gaz hidrat fazında büyük miktarlarda gaz depolanabilmesi nedeniyle, gaz hidratlara geleceğin enerji kaynağı gözüyle bakılmaktadır. Dünyadaki en büyük doğal gaz birikimleri gaz hidrat formunda olup, bunlar hem karada donmuş (permafrost) bölgelerde hem de deniz tabanı tortullarında geniş çapta bulunurlar. Gaz hidratlar pasif ve aktif kıtasal marjinlerde, marjinal denizlerin derin sularında, kutupsal alanlarda ve yaklaşan marjinlerin yığışım kamalarında geniş çapta bulunmaktadır. Gaz hidratlar okyanus çukurluklarında derin basenlerde yaygın değildir, iç ve marjinal denizlerde, kıtasal yamaç ve şelflerde oluşurlar.
 
 
Gaz Hidratların Oluşum ve Durağanlık Koşulları

Denizel veya karasal ortamlarda gaz hidrat oluşumu, yüksek oranda metan gazı üretimi ve uygun termobarik koşulların sağlanması durumunda gerçekleşir. Gaz hidratın bileşiminde termojenik gazların bulunabilmesi için, derinlerdeki petrol ve doğal gaz üreten kaynak kayanın aktivitesi sonucu üretilen bu ağır hidrokarbon gazlarını, gaz hidratların durağan olabildiği uygun sıcaklık koşullarının bulunduğu sığ kısımlara taşıyacak fay sistemlerinin mevcut olması gerekmektedir. Biyojenik gaz üretimi durumunda ise, yüksek tortullaşma oranı (>30 m/My) ve en az %0.5 Toplam Organik Karbon (TOC) gereklidir.

Gaz hidratlar sadece, uygun termobarik koşullar altında oluşmakta ve durağan kalmaktadır. Termobarik gaz hidrat durağanlık zonu terimi, üstü deniz tabanı ile sınırlı olan ve gaz hidratın denizaltı koşullarında mevcut bulunduğu jeolojik alana verilen isimdir. Gaz bileşimi, su tuzluluğu, taban sıcaklığı ve jeotermal/hidrobarik gradyente bağlı olan gaz hidrat oluşum koşulları oldukça değişken olduğundan, gerçekte bu zonun kalınlığını doğru olarak kestirebilmek güçtür. Diğer koşullar eşit ise, gaz hidrat zonu kalınlığı su derinliği ile artar. Gaz hidrat oluşumunda hidrat zonu içerisine akışkan (gaz ve su) göçü kritik rol oynamaktadır. Gaz hidratın kristallendiği geçirgen tortullarda gazın yoğunlaşabilmesi için hızlı bir gaz taşınımı gerekmektedir ve bu taşınım, çözünmüş metanın gözenek suyunda taşınması şeklinde de olabilir. Gaz hidratların durağanlık koşulu temelde yüksek basınç ve düşük sıcaklık ile ifade edilir ve bu koşullara “termobarik koşullar” adı verilir. Gaz hidrat oluşumu için gereken basınç değerinde bir düşüş ve/veya sıcaklıkta bir yükselme olduğunda, gaz hidrat yapısı ayrışarak su ve metan gazı olarak iki faz durumuna geçer. Gaz hidratların kimyasal bileşimi durağanlık koşullarının belirlenmesinde büyük önem taşımaktadır. Gaz hidratlar genellikle metan gazından oluşmakla birlikte, gaz hidratı oluşturan metanın içerisine belirli miktarlarda etan, propan gibi ağır hidrokarbon gazları veya CO2 ya da H2S eklenmesiyle denge eğrisi sağa (yüksek sıcaklık/düşük basınç), gaz hidrat oluşturan suyun tuzluluğu arttığında ise sola (düşük sıcaklık/yüksek basınç) kayacaktır. Saf metan hidratlar, metan-etan, metan-propan, metan-CO2 ya da metan-H2S karışımından oluşan hidratlara göre daha yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda duraylıdırlar. Gaz hidrat durağanlık zonunun taban derinliği, jeotermal gradyent tarafından belirlenir ve bu zonun tabanından itibaren sıcaklık koşullarının gaz hidrat durağanlık koşullarını aşması nedeniyle, daha derinlerde gaz hidrat oluşmaz.

 
 
Gaz Hidratların Önemi

Gaz hidratlar, içerdikleri büyük metan hacmi nedeniyle geleceğin enerji kaynağı olabilirler. Standart basınç ve sıcaklık koşullarında, 1 m3 gaz hidrat, 164 m3 gaz ve 0.8 m3 su içermektedir. Denizel gaz hidratlarda depolanan gaz miktarının küresel kestirimleri 0.2x1015 m3’ den 7600x1015 m3’ e değişim göstermektedir (Milkov ve Sassen, 2002).

Kvenvolden (1999)’ a göre denizel gaz hidratlarda depolanan gaz hacmi için, 21x1015 m3 değeri bir konsensüs olarak dikkate alınabilir. Bu değer, tüm dünyada fosil kaynaklardan üretilen gaz hacminin yaklaşık 50 katıdır (0.436x1015 m3) ve büyük miktarlardaki bu gaz, gaz hidratlar içerisinde güvenli şekilde kapanlanmış durumda olup, bu denli yüksek oranda metan içeren gaz hidratlardaki organik karbon miktarı, dünyadaki tüm fosil kaynaklarda bulunan organik karbonun 2 katıdır.

Rusya’ daki Messoyakha gaz hidrat alanından 1970’ den beri 9.35x109 m3 gaz üretilmiştir. Gaz hidratların kesin varlığının bilindiği en geniş alan Blake Sırtı olup, 20200 km2 genişliğindeki bu alan 7.8x1013 m3 metan gazı içermektedir (Max ve Dillon, 1998) ve bu sırttaki sadece 3000 km2’ lik küçük bir alandaki gaz hidrat birikiminde, Amerika Birleşik Devletleri’ nin yıllık gaz tüketiminin 30 katına eşit metan depolanmış bulunmaktadır (Dillon, 1995). Ancak, gaz hidrat üretiminde, gaz hidratın oluştuğu ortamda çözünmesini sağlayacak termal enerji kritik olup henüz çözüme kavuşturulamadığından, karasal gaz hidratlardan gaz üretimi 2010-2015 yılından önce olası görülmemektedir (Grauls, 2001). Teknik ve jeolojik belirsizlikler nedeniyle, denizel gaz hidratlardan gaz üretiminin de 2030 yılından önce olamayacağı öngörülmekte, bu nedenle günümüzde ilgi daha çok gaz hidrat zonunun altında biriken serbest gaza yönelmektedir (Grauls, 2001).

 

 
Gaz hidratların denizel yamaç kaymaları üzerinde potansiyel etkileri olabilir. Gaz hidratlar tortullarda çimento görevi yaptığı için, oluşumu ve ayrışması tortulların duraylılığı üzerinde önemli etkiye sahiptir. Büyük hacimdeki bir gaz hidrat çözünmesi meydana gelmesi durumunda, boşalan gaz ve sıvı hacmi, gaz hidrat tarafından işgal edilen hacmi aşar ve içsel boşluk basıncı aşırı derecede artar. Gaz hidratlar, kayma düzlemleri ile aynı derinliklerde oluştuklarında, tortullardaki gaz hidrat çözünmesi yamaç kaymalarını tetikleyebilir. Ayrıca metan gazı sera etkisi özelliğine sahip olduğundan, gaz hidratlarda depolanan büyük miktarlardaki metan gazı ani olarak boşaldığında, büyük çaplı bir sera etkisi oluşturarak, uzun dönem küresel iklim değişiklikleri üzerinde önemli rol oynayabilir.

Gaz hidratların tortul gözeneklerindeki çimentolama etkisi, gaz hidratları, altlarında metanın birikmesine izin veren iyi örtü kayaç haline getirir. Birçok gaz hidrat zonunun altında serbest gaz birikimi gözlenmektedir ve bu gaz sütunu 200-300 m kalınlığa ulaşabilir. Bu anlamda gaz hidrat oluşumu, derinlerde hidrokarbon varlığının bir belirtisi olabilir. Hidrat zonunun altındaki gaz sütununun kalınlığı, derinlerdeki petrol sisteminin güncel aktivitesine bağlı olabilir. Bu nedenle büyük gaz hidrat yoğunlaşmalarının varlığı, derin hidrokarbon aramaları için bir rehber niteliğindedir.

Gaz hidratın çözünmesi durumunda açığa çıkan metan gazı su kolonunda çözünerek suyun yoğunluğunu düşürür. Bu ise yüzebilirliği ve dolayısıyla gemilerin yüzme yeteneklerini azaltır. Basınç çok hızlı düştüğünde veya sıcaklık hızla arttığında gaz hidratlar patlama göstererek de ayrışabilir. Ayrıca gaz hidratlar, denizaltı doğalgaz iletim boru hatlarında engeller meydana getirebilmekte ve denizel sondaj çalışmalarında potansiyel tehlike oluşturmaktadırlar. Bunlara ek olarak, hidratlar, gaz üretim sahalarından tüketim alanlarına uzun mesafeler boyunca büyük miktarlarda gaz taşınmasında, gelecekte alternatif bir yaklaşım olarak dikkate alınabilir.

 
Gaz Hidratların Jeofizik Belirtileri ve Araştırılması

Gaz hidratlar, ilk kez 1800’ lerin başlarında, Humphrey Davy ve Michael Faraday’ ın klorin-su karışımı ile yaptıkları deneyler sırasında keşfedildi. Daha sonra birçok araştırmacı, özellikle gaz hidratların durağanlığı üzerine çalışmalar yaptı, ancak bunların doğal olarak oluşabildiği henüz bilinmediğinden, çalışmalar genelde akademik çevrelerce sınırlı kaldı. Hidrat araştırmaları, 1930’ larda Hammerschmidt’ in, özellikle soğuk bölgelerde gaz hidratların doğal gaz boru hatlarını tıkadığını belirlemesinin ardından ikinci evresine girmiştir.

 
 

İzleyen 40 yıl boyunca, farklı bileşimdeki gaz hidratların oluşumu ve durağanlığı, özellikle oluşumunun engellenmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. 1960’ lı yılların sonunda, Batı Sibirya baseninde geniş gaz alanı tortulları içerisinde doğal olarak oluşmuş katı doğal gaz veya metan hidratların gözlenmesiyle, dünyanın hidratlara bakış açısı büyük ölçüde değişmeye başlamıştır. Kısa süre sonra, Alaska’ nın kuzey yamaçlarında donmuş bölgenin altında sığ hidrat bulunmuştur. Ardından, özellikle Sovyet bilim adamları, hidrat oluşumunun sadece donmuş alanlarda değil, düşük sıcaklık/yüksek basıncın hakim olduğu tüm denizel ortamlarda var olabileceğini ileri sürmüşler ve küresel hidrat araştırmaları böylece başlamıştır.

1970’ lerin başında, Blake Sırtı üzerinde deniz tabanının topoğrafyasını takip eden güçlü yansıtıcıların (BSR) altına ilk denizel sondaj yapılmış ve bu yansımanın gaz hidrat durağanlık zonunun tabanına karşılık geldiği anlaşılmıştır. Ayrıca bu zonun hemen altında serbest gaz birikiminin olduğu görülmüş, ardından tüm dünyada kıtasal yamaçlar üzerinde BSR varlığı, gaz hidrat oluşumunun kanıtı olarak değerlendirilmeye başlanmıştır. Gaz hidratlar oluştukları ortamdan çıkarıldıklarında hızla ayrıştıkları için, 1974’ de Sovyet bilim adamları Karadeniz’ de büyük hidrat yumruları bulana kadar, hiç kimse doğal gaz hidratları görememişti. Ardından Glomar Challenger’ ın 1980’ lerin başında Guatemala açıklarında yaptığı bir sondajda 1 m uzunluğunda metan hidrat örneklendi. 1990’ ların ortasında, sınırlı enerji kaynaklarına sahip iki ülke, Japonya ve Hindistan, gaz hidrattan enerji üretimine yönelik proje hazırlıklarına başlamış, artan gaz ihtiyacı nedeniyle ABD’ de bu yönelime katılmıştır. 1998 ve 1999’ da, metan hidrat içeren ortamların araştırılması amacıyla, McKenzie Nehri deltasında (kuzeybatı Kanada) ve Nankai Çukurunda (Japon Denizi) uluslararası çapta iki sondaj yapılmış ve her iki sondaj da geniş çapta gaz hidrat oluşumunu ortaya koymuştur.

 

Parametre

Suya Doygun
Hidrat İçeren
Saf Hidrat
Gaz İçeren

P Dalga Hızı (m/sn)

1600-2500
2000-4500
3250-3600
≤1450
S Dalga Hızı (m/sn)
380-400
700-1560
1650
---
  Yoğunluk (gr/cm3)
1.26-2.42
1.15-2.4
0.912
---
           
 
 
           
 

Gaz hidrat içeren yapılar, içerisinde bulundukları tortulların akustik özelliklerini geniş çapta değiştirdiklerinden, sismik yöntemlerle belirlenebilirler. Saf hidratın P dalga hızı, su veya gaz saturasyonlu tortullara göre oldukça yüksektir. Gaz hidrat birikimlerinin tabanlarını hem tek hem de çok kanallı sismik kesitler üzerinde takip etmek mümkündür. Bu arayüzeyler deniz tabanı topoğrafyasını takip ettikleri için “Tabana Benzeyen Yansıtıcı (Bottom Simulating Reflector, BSR)” olarak adlandırılırlar. BSR, üstte gaz hidrat içeren tortullar ve altta genellikle serbest gaz içeren sıkışmamış tortul zonu arasındaki arayüzeyden alınan yansımadır. Gaz hidrat içeren ortamların P dalga hızı, gaz hidrat zonu derinliklerinde bulunan ve gaz hidrat içermeyen tortul birimlerin hızından yüksek olup, bu zon içerisindeki gözenek boşluklarının gaz hidrat tarafından çimentolanması, dalga hızını, gaz hidrat yoğunluğu ile artan oranlarda artırmaktadır. BSR’ ın altında uzanan tortullarda bulunan çok az miktarda gaz ise, bu ortamın hızını oldukça düşürmekte, dolayısıyla BSR’ lar, sismik yansıma kesitleri üzerinde yüksek genlikli ve negatif polariteli yansımalar olarak gözlenmektedirler.

Su-tortul arayüzeyinin yüksek genlikli yansıması ile karşılaştırıldığında, BSR yansımasının genliği, deniz tabanı yansımasının %30’ u hatta %50’ si kadar olabilir. BSR yansıma katsayısı, yansıtıcı arayüzeyde %20-30 oranında bir akustik empedans azalmasına neden olabilir. BSR’ ın alt ve üstündeki tortullar arasındaki akustik fark, genel olarak, bu tortullar içerisinde gaz bulunması veya bulunmaması durumu ile değişmektedir. BSR yansıması stratigrafik bir arayüzeyden çok, termobarik koşulların uygun olduğu seviyeyi (genellikle eş-basınç seviyesi) takip ettiğinden, normal stratigrafik birimlerin eğimli olması durumunda BSR bu birimleri keser. Ayrıca BSR’ lar belirgin AVO etkisi gösterirler ve CDP’ ler üzerinde BSR yansımasının genliği ofsetle artar. Birçok durumda da, sismik kesitte görülen BSR’ ın altındaki tortul tabakalar, BSR yansımasına kadar uzanmakta ve BSR’ da sona ermektedir.

Ülkemizdeki Gaz Hidrat Araştırmaları

Gaz hidratlar, tüm dünyada birçok disiplinden araştırmacının ve çalışma gruplarının ilgisini çekmesine ve gaz hidratlar üzerine jeolojik, jeofizik, kimyasal, ekonomik ve hatta çevresel anlamda çok sayıda çalışmalar yapılıyor olmasına karşın, ülkemizde gaz hidratlar üzerine çalışan araştırmacı sayısı son derece azdır. Ülkemizde bu anlamda ilk ciddi çalışma, Ergün ve diğ. (2000) tarafından yapılmış olan ve Karadeniz’ deki gaz hidrat oluşumları üzerine bir çalışmayı içeren bir TUBITAK projesidir. Parlaktuna ve Erdoğmuş (2001), yine Karadeniz’ deki bir alanda gaz hidrat miktarının kestirimi üzerine bazı çalışmalar öne sürmüşler, 2000-2005 yılları arasında Dokuz Eylül Üniversitesi, Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Enstitüsü’ nden Prof.Dr. Günay ÇİFÇİ ve ekibi Karadeniz’ deki gaz hidrat birikimleri üzerine çeşitli çalışmalar sunmuşlardır.

Bununla birlikte, ülkemizdeki gaz hidrat çalışmaları için en somut adım, Prof.Dr. Günay ÇİFÇİ ve ekibinin TPAO ile ortaklaşa yürüttüğü ve DTP tarafından 2003 yılından bu yana maddi olarak desteklenen araştırma projesidir (Çifçi ve diğer., 2003). Proje kapsamında, öncelikle (doğu) Karadeniz olmak üzere, ülkemizi çevreleyen tüm denizlerimizdeki doğal gaz hidrat birikimlerinin varlığının saptanması ve dağılımının haritalanması amacıyla, K. Piri Reis araştırma gemisine çok kanallı sismik yansıma sistemi alınmış ve Sismik Laboratuvarı (SeisLab) kurulmuştur. Proje TPAO Arama ve Araştırma gruplarının da katılımı ile sürdürülmektedir. Proje kapsamında gaz hidratlardan enerji elde edilmesine ilişkin yeni teknoloji ve stratejiler üretilmesi de hedefler arasındadır.

 
           
 

KAYNAKLAR

Grauls, D. (2001). Gas hydrates: importance and applications in petroleum exploration. Marine and Petroleum Geology, 18, 519-523.

Max, M.D., & Dillon, W.P. (1998). Oceanic methane hydrate: the character of the Blake Ridge hydrate stability zone and the potential for methane extraction. Journal of Petroleum Geology, 21, 343-357.

Dillon, W.P. (1995). Distribution and controls on gas hydrate in the ocean floor environment. Am. Assoc. for the Advanc. of Sci. Annual Meeting, p. 32.

Milkov, A.V., & Sassen, R. (2002). Economic geology of offshore gas hydrate accumulations and provinces. Marine and Petroleum Geology, 19, 1-11

Kvenvolden K.A. (1999). Potential effects of gas hydrate on human welfare. Proceedings of the National Academy of Science, 96, 3420-3426.

Ergün, M., Çifçi, G., Dondurur, D. ve Limonov, A., 2000. Karadeniz Sedimentlerinde Gaz Hidrat Oluşumu ve Etkilerinin Araştırılması, TUBİTAK Projesi, Proje Kodu: 100Y078.

Parlaktuna, M., & Erdoğmuş, T. (2001). Natural Gas Hydrate Potential of the Black Sea. Energy Sources, 23, 203-211.

Çifçi, G., Özel, E., Dondurur, D., 2003. Doğu Karadeniz Türkiye Şelf Ve Yamacında Gaza Doygun Tortullar ve Gaz Hidratların Sismik Yöntemlerle Araştırılması, DPT Projesi, Proje Kodu: 2003K120360.

 
YUKARI