Petrol Jeolojisi (JFM- 435) Petrolün Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Prof. Dr. Levent Gülen lgulen@sakarya.edu.tr Ofis: 1303 Tel: 0264 295-5711 Ders - 2

HİDROKARBONLAR Petrol aramaları esas olarak petrol ve doğal gaz aramaya yönelik olarak yapılır ve bu enerji kaynakları birlikte hidrokarbonlar olarak tanımlanır. Çünkü Hidrojen ve Karbon ana kimyasal içeriklerini oluşturur. Fiziksel olarak hidrokarbonlar gaz, sıvı, plastik ve katı madde özelliklerine sahip olabilirler. Örneğin hidrokarbon gazları arasında kuru gaz (Metan gazı) ve yaş gazlar (etan, propan ve bütan gazlarını) sayabiliriz. Yer altında gaz, ancak yeryüzüne çıktıklarında sıvılaşan hidrokarbonlar ise kondanseler (condensates) olarak adlandırılırlar. Sıvı hidrokarbonlar ise petrol veya ham petrol olarak adlandırılırlar. Ham petrol denmesinin nedeni rafine edilmiş, işlenmiş petrolden ayırt etmek içindir. Plastik hidrokarbonlar asfalt ve benzeri maddeleri içerir. Katı hidrokarbonlar arasında ise petrolü oluşturan ana madde olan Kerojeni sayabiliriz

DOĞAL GAZ Amerikan Petrol Enstitüsü (API), Amerikan Petrol Jeologları Birliği (AAPG) ve Petrol Mühendisliği Birliği (SPE)’nin ortak resmi tanımlamalarına göre doğal gaz: gaz fazı halinde veya ham petrol içinde çözünmüş halde, doğal yeraltı reservuarlarında bulunan hidrokarbon ve hidrokarbon olmayan tüm gazların karışımına verilen isimdir. Hidrokarbon olmayan gazlar arasında H, He, N, Ar, Rn, CO2 (Karbon Dioksit) ve H2S (Hidrojen Sülfit)’i sayabiliriz. Doğal gazların ana bileşenleri Parafin serisi hidrokarbonlardır. Metan en yaygın olarak bulunur. Metanın yanısıra etan, bütan ve propan da yaygın olarak bulunan gaz türleridir. Parafin serisi hidrokarbon gazlarının moleküler ağırlığı artıkça, doğal gaz içindeki miktarları azalır.

Hidrokarbon Molekülleri

Parafin Serisinin Özellikleri

Doğal Gazların Moleküler Yapısı

METAN Metan gazı (CH4) Parafin serisinin ilk üyesi olup, renksiz, kolaylıkla alev alan, kimyasal olarak reaktif olmayan, suda az çözünen ve özgül ağırlığı havadan daha az olan bir hidrokarbon gazıdır. Metan gazının doğada oluşumu üç ana yoldan gerçekleşebilir. 1- Mantodan itibaren oluşur. 2- Derinlere gömülen organik maddelerin termal olgunlaşması sonucu oluşur. 3- Sığ derinliklerde organik maddelerin bakteriler tarafından bozunması sonucu oluşur ki, buna “Bataklık Gazı” adı da verilir. Bataklıkların yanısıra çöplüklerde, kanalizasyonlarda ve hayvan gübresi depo alanlarında bakteri faaliyetleri (biyojenik aktivite) sonucu metan gazı oluşabilir.

Metan gazının aksine Parafin serisinin diğer üyeleri etan, propan, bütan ve pentan biyojenik aktivite sonucu oluşamaz, sadece organik maddelerin termal olgunlaşması sonucu oluşurlar. Bu nedenle sondaj sırasında bu gazların gaz detektörleri tarafından saptanması petrol veya gaz rezervuarını veya petrol kaynak kayasının varlığını gösterir. Bu üç yolla oluşabilen Metan gazının orijini kimyasal analiz ve Karbon izotopları analizleriyle saptanabilir.

Karbon İzotoplarının Kompozisyonu 14C Yaş Tayini Metanın doğal gaza mı, bataklık gazına mı ait olduğunu nasıl saptarsınız?

13C Maddelerin δ13C İçerikleri Manto ve biyojenik kökenli metan gazını nasıl ayırt edebilirsiniz?

HAM PETROL Doğal yeraltı rezervuarlarında sıvı olarak bulunan ve yeryüzüne çıkarıldığında ayrıştırma ünitelerinden geçtikten sonra, normal atmosferik basınç altında da sıvı olarak kalan hidrokarbonlar karışımı ham petrol olarak tanımlanır (API, AAPG ve SPE ortak tanımlaması). Ham petrolün rengi saman sarısı, yeşil, kahverengi, koyu kahverengi ve hatta siyah bile olabilir. Ham petrol yağlı bir özelliğe sahip olup, viskozitesi oldukça değişken olabilir. Petrolün yeryüzündeki viskozitesi, yerin derinliklerinde bulunan sıcak rezervuarlardaki viskozitesinden daha fazladır. Yeryüzündeki viskozite değerleri 1.4 ile 19400 sentistokes arasında değişebilir. Ham petrollerin çoğunluğunun özgül ağırlığı sudan daha azdır. Ancak sudan daha yoğun ham petroller mevcut olup, bunlar ağır petrol (heavy oil) olarak adlandırılırlar.

Petrolün yoğunluğu Amerikan Petrol Enstitüsü (API) tarafından tanımlanmış olan API gravite derecesiyle ifade edilir ve aşağıda verilen formülle hesaplanır. Burada 60/60°F ham petrolün 60°F daki özgül ağırlığının, suyun 60°F daki özgül ağırlığına oranıdır. API gravite dereceleri yoğunlukla ters orantılıdır. Bunun için hafif petrollerin API gravite dereceleri 40 tan büyük (0.83 g/cm3 özgül ağırlık), ağır petrollerin gravite dereceleri ise 10 dan küçüktür (1.0 g/cm3 özgül ağırlık).

HAM PETROLÜN KİMYASI Petrolün kimyasal kompozisyonu esas olarak Karbon ve Hidrojendir. Bu iki elementin yanısıra eser miktarlarda Vanadyum, Nikel ve bunun gibi ağır metaller de içerebilir. Bu kadar basit bir kimyasal kompozisyona karşılık Petrolün moleküler kompozisyonu oldukça karmaşıktır. Hatta diyebiliz ki, moleküler kompozisyon açısından her petrol farklıdır ve birbirine benzeyen iki petrol yoktur. Örneğin Amerika’nın Oklahoma Eyaletinde bulunan ve Conoco tarafından üretilen Ponca City ham petrolünde en az 234 çeşit molekül tipi bulunmuştur.

Ham Petrolün Kimyasal Kompozisyonu

Kabaca petrolde bulunan moleküller iki ana guruba ayrılabilirler Kabaca petrolde bulunan moleküller iki ana guruba ayrılabilirler. Bunlar: 1- Hidrokarbonlar 2- Hetero-bileşikler. Petrolü oluşturan hidrokarbonlar da üç ana gurup altında toplanırlar. Bunlar: 1- Parafinler, 2- Naftenler, 3- Aromatikler.

Hidrokarbon Molekülleri

PARAFİNLER Parafinler doygun hidrokarbonlar olup, bunlara alkenler ismi de verilir. Genel kimyasal formülleri CnH2n+2 dir. n<5 için parafinler normal oda sıcaklık ve basıncında gaz halindedirler. Bu gazlar (metan, etan, propan ve bütan) daha önce bahsettiğimiz üzere doğal gazlardır. n = 5-15 arasında (pentan’dan pentadekan’a kadar) parafinler sıvı özelliğine sahiptirler. n>15 için vizkoz sıvılardan, katı mumlara geçiş gösterirler. Aynı kimyasal formüle sahip iki parafin farklı iki moleküler yapı gösterebilir ki, bunlara izomerler ismi verilir. Örneğin bir parafin düzgün zincir moleküllerden ibaret iken, aynı kimyasal formüle sahip bir diğeri dallanmış zincir yapısı gösterebilir.Petrolde düzgün zincir yapısı gösteren parafinler daha çok bulunur ve bunların kaynama noktaları izomerlerine oranla daha yüksektir. Bu güne kadar saptanan en büyük parafinin kimyasal formülü C78H158 dir.

Parafin Serisinin Özellikleri

Doğal Gazların Moleküler Yapısı

NAFTENLER Petrolde bulunan ikinci major gurup hidrokarbonlar Naftenler veya Sikloalkenler olarak bilinirler. Genel kimyasal formülleri CnH2n dir. Bunlarda parafinler gibi homolog seriler oluşturup, beş veya altı üyeli karbon halkalarından oluşanlara sırasıyla Siklopentan veya Sikloheksan ismi verilir. Tüm naftenler oda sıcaklığı ve basıncı altında sıvı haldedir.

Hidrokarbon Molekülleri

AROMATİKLER Petrolde bulunan üçüncü major gurup hidrokarbonlar aromatiklerdir. Bunların genel formülleri CnHn dir. Moleküler yapıları esas olarak altı karbondan oluşan bir halkaya dayanır. En basit aromatik hidrokarbon benzen (C6H6) dir. Etil benzen, toluen, naftalin, antrasen ve asfalt aromatikler serisine ait hidrokarbonlardır. Asfaltlar da iki guruba ayrılırlar. Rezinler n-pentanda çözünebilen, asfaltenler ise çözünemeyen asfaltlardır. Aromatik hidrokarbonlar oda sıcaklığında sıvı halde bulunurlar. Benzenin kaynama noktası 80.5°C dir. Aromatikler hafif petrolde az miktarda ( 10%) bulunurlar, fakat petrol ağırlaştıkça petrolün 30% sini oluşturabilirler. Toluen (C6H5CH3) ham petrolde en yaygın olarak bulunan aromatiktir ve bunu zaylin (C6H4(CH3)2) ve benzen izler.

Hidrokarbon Molekülleri

Ham Petrolde Bulunan Aromatik Hidrokarbonların Moleküler Yapısı

HETERO-BİLEŞİKLER Ham petrol hidrokarbonların dışında diğer elementleri de içeren birçok hetero-bileşikleri de içerir. Bunların başlıcaları Oksijen,Nitrojen, Sülfür, Nikel ve Vanadyumdur. Oksijenli bileşikler ağırlık yüzdesi olarak ham petrolde % 0.06-0.4 oranında bulunurlar. Bu bileşikler asit, ester, keton, fenol, ve alkolleri içerebilir. Nitrojen bileşikleri ağırlık yüzdesi olarak %0.01-0.9 arasında değişir. Bunlar amid, piridin, indol ve pirolleri ıçerirler. Sülfür bileşikleri ise ham petrolde ağırlık yüzdesi olarak % 0.1-7.0 arasında bulunabilir.Alkan thioller, thio alkanlar, thio-sikloalkanlar, dithio alkanlar ve siklik sülfidler bunlar arasında sayılabilir. Nikel ve Vanadyum organometalik bileşikler ve özellikle de porfirin molekülu yapısı içinde yer alıp, ham petrolde yaygın olarak bulunurlar.Ham petrolün ortalama Vanadyum ve Nikel içeriği sırasıyla 63 ve 18 ppm dir.

Ham Petrolün Sınıflaması

Ham Petrolün Üçgen Diyagram Sınıflaması