Giriş

 

2010 yılında ABD’deki kaya gazı üretiminin 4.87 Tcf’ye ulaşarak, ülkedeki toplam gaz üretiminin %23’ünü oluşturması tüm dünyanın dikkatinin bu yeni alternatif enerji kaynağına yönelmesine neden oldu. 2000 yılındaki kaya gazı üretiminin sadece 0.39 Tcf olduğu göz önüne alındığında kaya gazı üretimindeki bu hızlı artışın, ABD için ne kadar önemli olduğu anlaşılır. İthal gaza olan gereksinimin giderek azalması ve gaz fiyatlarının düşmesi sadece ABD’yi değil, tüm dünyayı etkileyecek bir gelişme olarak değerlendirilmektedir. EIA’nın (U.S. Energy Information Administration) 2012 yılı raporunda kaya gazı üretiminin 2035 yılında 13.6 Tcf’e yükseleceği ve bunun ABD’nin toplam gaz üretiminin %46’sını oluşturacağı öngörülmektedir. Aynı kuruluşun bir başka çalışma raporunda kaya gazı olarak adlanan bu alternatif enerji kaynağının ABD ile sınırlı olmadığı, 32 farklı ülkedeki 48 havzada belirli bir potansiyelin (5750 Tcf teknik olarak üretilebilir rezerv) bulunduğu öne sürülmüştür. Dünyadaki konvansiyonel gaz rezervlerinin uzun vadede sadece bazı Ortadoğu ülkeleri ile Rusya’da kalacağı gözetildiğinde, kaya gazının bu dengeyi kökten değiştiren ve sadece ekonomiyi değil uluslararası politikayı da etkileyecek bir yeni enerji kaynağı olduğu anlaşılır.

Bu makale, varlığı çok uzun zamandır bilinmekle birlikte, üretim teknolojisindeki bazı gelişmeler sonucunda ancak 2000’li yıllarda ekonomik bir yer altı zenginliği olarak gündemimize giren kaya gazı konusunu Türkiye’deki ilgili kesimlere ve kamuoyuna kısaca tanıtmak üzere hazırlanmıştır. Makalede; konvansiyonel olmayan yakıtlar arasında bulunan kaya gazının tanımı, nasıl oluştuğu ve nasıl üretildiği, Dünyadaki ve Türkiye’deki durumu özet olarak sunulacaktır. Konunun anlaşılırlığına katkıda bulunmak amacıyla daha önce petrol ve gaz oluşumunun ana hatları ile konvansiyonel petrol ve doğalgaz yataklarına da kısaca değinilecektir.

 

Konvansiyonel Petrol ve Gaz Yatakları

Petrol ve doğalgaz, bünyesinde yeterli miktar ve uygun özelliklere sahip organik madde içeren kayaların ki bunlar ana (kaynak) kaya olarak adlanırlar, derinlere gömülmesi sonucunda artan sıcaklığın etkisiyle organik maddenin kimyasal değişim geçirmesi (olgunlaşması) sonucunda oluşur. Sıcaklığın 60-70 oC’ye ulaştığı derinliklerde önce petrol, gömülmenin devam etmesi durumunda sıcaklığın 100-120 oC’ye çıktığı derinliklerde ise gaz oluşur. Oluşan petrol ve gaz ana kayayı terk ederek göç olarak adlanan hareketine başlar. Göç, petrol ve doğalgazın hareket edebileceği özelliklere (yeterli gözeneklik ve geçirgenliğe) sahip taşıyıcı ve/veya hazne kayalar boyunca yukarıya doğru gerçekleşir. Bunun nedeni petrol ve doğalgazın özgül ağırlığının hazne kayaların gözeneklerini dolduran sudan daha küçük olmasıdır. Göç, petrol ve doğalgazın birikebilmesine olanak veren koşulların bulunduğu yerlere kadar sürer. Bu kesimler “kapan” olarak adlanırlar. Kapan oluşumu için petrol veya gazın birikebileceği bir hazne kayaya, birikme için uygun bir geometriye ve petrol veya gazın yukarıya doğru hareketine izin vermeyen geçirimsiz bir başka kaya türüne (örtü kaya) ihtiyaç vardır. Bu koşulların sağlandığı bölgelerde petrol ve doğalgaz birikmeye başlar ve konvansiyonel petrol-doğalgaz yatakları oluşur (Şekil-1). Bu yatakların oluşabilmesi için Şekil-1’deki unsur (ana-hazne-örtü kaya, kapan) ve süreçlerin (oluşum, göç, birikme) doğru yer ve zamanda petrol sistemi içindeki yerlerinde bulunmaları gereklidir. Petrol ve doğalgaz hazne kayanın gözeneklerinde serbest petrol ve gaz fazı olarak bulunurlar ve açılan kuyulara akarak üretilirler.

 

Şekil 1- Petrol Sisteminin unsur ve süreçleri. Konvansiyonel petrol-doğalgaz yatakları unsur ve süreçlerin doğru zaman ve yerlerde bir araya gelmeleri durumunda oluşurlar.

 

Konvansiyonel Olmayan Petrol ve Gaz Oluşumları

Yukarda tanımlandığı gibi oluşan petrol ve doğalgaz yataklarının yanı sıra yine hidrokarbon (petrol ve doğal gaz) kaynağı olmakla birlikte, oluşum, bulunuş veya üretimlerindeki farklılıklar nedeniyle konvansiyonel bu yataklardan ayrılan bir dizi enerji kaynağı konvensiyonel olmayan (unconventional) enerji kaynakları başlığı altında değerlendirilmektedir. Bunlar; Bitümlü Şeyl (Oil shale), Gaz Hidratlar (Gas hydrates), Sığ Biyojenik Gaz (Shallow biogenic gas), Üretilmesi Güç Petrol ve Gaz (Tight oil and gas), Kömür Gazı (Coalbed Methane) ve Kaya Gazı (Shale gas) olarak tanımlanmaktadırlar. Bu oluşumların her biri oldukça farklı bir şekilde oluşmakta, bulunmakta ve işletilebilmektedir. Ortak olan nokta her birinin alternatif bir fosil yakıt enerji kaynağı olarak kullanılabilmesidir.

 

Kaya Gazı 

Kaya gazı, yeterince derine gömülerek gaz oluşturma aşamasına (olgunluğuna) ulaşmış ana (kaynak) kayaların bünyesinde hapsolmuş gaz olarak tanımlanmaktadır. Metan, etan ve propan gibi hidrokarbon gazlarının bir karışımı söz konusu ise de, çoğunlukla metan ağırlıklı (>%90) bir gaz bileşimi söz konusudur. Bir diğer tanımlama ile konvansiyonel petrol sisteminde ana kayalar içinde oluşan ve ancak bir kısmı göç yoluyla ana kayayı terk eden gazın, ana kayanın bünyesinde kalan kısmıdır. Bir kısım gazın ana kayanın bünyesinde kalmasının nedeni, özellikle organik maddenin yüzeylerinde adsorpsiyon mekanizması yoluyla tutulması ve bunun yanı sıra küçük ve bağlantısız veya kötü bağlantılı gözeneklerde serbest gaz fazı halinde birikmesidir. Ana kayalardaki geçirgenliğin çok küçük oluşu ve adsorpsiyon, birikmeyi kontrol eden iki temel mekanizmadır. Adsorpsiyon bir maddenin iyon, atom veya moleküllerinin bir başka maddenin yüzeyinde tutulması olayı olup, kaya gazı özelinde gazın özellikle organik madde ve bir ölçüde de kayayı oluşturan minerallerin yüzeyinde basınçla doğru orantılı olarak tutulmasıdır. Bu mekanizma ile tutulan gazın miktarı kayadaki organik madde miktarı, yüzey alanının büyüklüğü ve basınçla doğru orantılıdır. Adsorpsiyon maddelerin yüzeyinde gerçekleşen bir süreç olup, maddenin boşluklarının doldurulması olarak tanımlanabilecek absorpsiyondan farklıdır. Önemli farklardan biri de adsorpsiyon olayının geriye döndürülebilmesi, yani yüzeyde tutulan maddenin basıncın azalması sonucu serbest kalabilmesidir. Bu süreç ise desorpsiyon olarak adlanmaktadır. 

Ana kayaların bünyesinde bu şekilde biriken gazın varlığı çok uzun bir süredir bilinmektedir. Hatta 19. Yüzyılın başlarında çok sığ kuyular yardımıyla şeyl türü ince taneli kayaların bünyesindeki bu gazlardan yararlanılmıştır. Büyük ölçekli üretim ise ancak bu tür kayaların bünyesindeki gazın ekonomik olarak üretilmesine imkân sağlayan teknolojilerin 1990’larda geliştirilmesi sonucunda başlamıştır. Söz konusu teknolojiler “yatay sondaj (horizontal drilling)” ile “suyla çatlatmadır (hydrofracturing)”. Bunun için önce düşey olarak açılan sondaj kuyuları vasıtasıyla bünyesinde gaz bulunan kayalara ulaşılır. Daha sonra yatay veya eğik sondaj yardımıyla bu birim içerisinde olabildiğince uzun bir mesafe boyunca ilerlenir (Şekil-2). Yüksek basınçlı su kullanılarak gaz içeren bu kayalarda çatlaklar oluşturulur ve oluşturulan çatlakların temiz ve iyi boylanmış kumla doldurularak tekrar kapanmaları önlenir. Bunun sonucunda, gazın açılan kuyuya doğru hareketlenmesine olanak sağlayan bir ağ yapısı oluşturulmuş olur. Suyla çatlatma operasyonu için özel donanım ve ekiplerden yararlanılır (Şekil-3). Bu operasyonunun başarılı bir şekilde yapılabilmesi için kayanın kırılgan-çatlatılabilir olması gereklidir. Bunun için de kayaların kırılganlığı sağlayan kuvars ve kalsit gibi minerallerce zengin olması zorunludur. Bir diğer tanımla bünyesinde gaz bulunan tüm kayalardan kaya gazı üretimi için yararlanmak mümkün değildir.

 

Şekil 2- Kaya gazı üretiminde kullanılan yatay sondaj ve suyla çatlatma (hydrofracturing) teknolojisinin şematik gösterimi

 

Şekil 3- Suyla çatlatma (hydrofracturing) operasyonu için kullanılan donanım. 

 

Bu işlemin ardından kuyuda basıncın düşürülmesi yoluyla desorpsiyonun başlatılmasıyla da, hem adsorbe olmuş gazın, hem de bağlantısız veya kötü bağlantılı boşluklarda birikmiş olan gazın oluşturulmuş olan geçirimliliği yüksek ağ yapısını kullanarak kuyuya doğru hareketi sağlanır ve üretime geçilir. 

Yukarda özet olarak verilen oluşum ve üretim süreçlerinden anlaşılacağı gibi, kaya gazı potansiyeli sadece belirli özelliklere sahip kayalarda bulunmaktadır. Bu özellikler aşağıda maddeler halinde bir kez daha sıralanmıştır:

· Kayalardaki Toplam Organik Karbon (TOC) miktarı  %2’den büyük olmalıdır.

· Kayalardaki organik madde gaz oluşturacak olgunluğa erişmiş olmalıdır. Örg. Vitrinit Yansıması (Ro) değeri % 1.1’in üzerinde olmalıdır.

· Kayalar, olgunlaşmayı sağlayacak kadar yaşlı olmalı veya yeterince derine gömülmüş olmalıdır.

· Kayalardaki kil oranı mümkün olduğunca düşük, kuvars ve kalsit gibi kırılganlığı arttıran minerallerin oranı ise olabildiğince yüksek olmalıdır.

· Kaya içerisindeki stres dağılımı mümkün olduğunca çift yönlü olmalıdır. Bu yönlere dik olarak oluşturulacak yapay çatlaklar kanatlarda gelişmelidir. 

· Kayaç içerisinde gaz oluşumuna bağlı “normalden yüksek basınç (overpressure)” zonu bulunmalıdır.

Kaya gazı potansiyeli yukardaki özellikleri taşıyan kayaların yeterli kalınlığa ve yayılıma sahip olduğu bölgelerde, jeolojik bağlamda havzalarda, bulunabileceğinden, arama çalışmalarında öncelik havzalarda bu özellikleri taşıyan birimlerin araştırılması, özelliklerinin belirlenmesi, yayılımlarının ortaya konması ve deneme sondajları için en uygun lokasyonların saptanmasını içeren jeolojik ve jeofizik çalışmalara verilmelidir. Bunların olumlu sonuçlanması durumunda üretim amaçlı sondaj ve suyla çatlatma ve ardından test üretimi aşamalarına geçilmelidir.

 

Dünyada Kaya Gazı

Giriş bölümünde de kısaca değinildiği gibi kaya gazından alternatif bir enerji kaynağı olarak ilk kez ABD’de yararlanılmaya başlamıştır. Arama ve üretim çalışmaları ilk olarak Texas’ın orta-kuzeyinde yer alan Ft. Worth havzasındaki Barnett Shale isimli biriminde gerçekleştirilmiştir.  Havzadaki ilk kuyu 1981 yılında konvansiyonel üretime yönelik olarak açılmıştır. 1981-1990 yılları arasında da bu şekilde üretim yapmak üzere yaklaşık 100 adet kuyu daha açılmıştır. 1997’den sonra “suyla çatlatma-hydrofracturing”  teknolojisi kullanılmaya başlanmış ve konvensiyonel olmayan üretime geçilmiştir. 2000’li yıllarda yatay sondaj teknolojisinin de kullanılması sonucunda bu havzadaki arama ve üretim faaliyetleri çok hızlı artmış ve diğer bazı havzalarda da arama çalışmalarına başlanmıştır. Günümüzde ABD’de 17 farklı havzada kaya gazı arama çalışmaları yapılmaktadır. Bu havzalar şunlardır: Appalachian, Black Warrior, Michigan, Williston, Montana, Greater Green River, Uinta-Piceance, Paradox, San Juan, Raton, Permian, Ft. Worth, Palo Dura, Arkoma, East Texas, Forest City, İllinois. ABD kaya gazı arama ve üretiminde öncü ülke olarak başı çekmektedir.

ABD’nin yanı sıra kaya gazı çalışmaları yapılan diğer ülkeler ve ilgili havza veya birimler şunlardır: Kanada/Horn River ve Montney; Polonya/Siluriyen Şeylleri, İsveç/Alum Şeyli, Avusturya/Mikulov Seyli; Çin ve Hindistan’daki çok sayıda havza; Avustralya/Amadeus, Cooper and Georgina havzaları; Yeni Zelanda/East Coast Basin ve North Island Havzaları

 

Türkiye’de Kaya Gazı

Ülkemizdeki Kaya Gazı (Shale Gas) çalışmaları henüz başlangıç aşamasında olmasına karşın, ulusal petrol şirketimiz Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığındaki (TPAO) petrol arama çalışmaları sonucunda oluşturulmuş olan bilgi birikimi sayesinde, 2012’de Shell şirketiyle birlikte Güneydoğu Anadolu Bölgesi’nde sondajlı kaya gazı arama çalışmaları başlatılmıştır. Bu çalışmada hedef bölgedeki ana kayalardan biri olan Dadaş Formasyonudur. Siluryen-Devoniyen yaşlı bu birim organik madde miktarı ve olgunluk açısından uygun özelliklere sahiptir. Suyla çatlatma operasyonunun başarısı açılmakta olan kuyuda test edildikten sonra üretim çalışmalarına başlanabilecektir. Türkiye’de bu amaçla çalışılmakta olan bir diğer bölge Trakya Havzası olup, bu bölgede değerlendirilen birim Oligosen yaşlı Mezardere Formasyonudur. Bu iki bölge dışında da Toroslar, Tuz Gölü ve Batı Karadeniz bölgelerindeki bazı birimler için de kaya gazı potansiyeli söz konusu olabilirse de, bu potansiyelin kesinleştirilmesi için yeni çalışmalara gereksinim vardır. Zonguldak Havzası’nda yapılmış olan Kömür Gazı (CBM) çalışmaları bu yöredeki kaya gazı çalışmalarına da önemli katkılar sağlayabilecek bir veri ve bilgi birikimi sağlamış durumdadır.

 

Sonuç

Henüz sadece, özellikle de ABD’deki çalışmalarla doğrulanmış olsa da kaya gazının konvansiyonel olmayan bir alternatif enerji kaynağı olarak dünyanın gündemine oturduğu kesindir. Uluslararası Enerji Ajansı Baş Ekonomisti Fatih Birol, Atlantik Konseyi Enerji ve Ekonomi Zirvesi’nin “Geleneksel Olmayan Gaz Tartışması” panelinde yaptığı konuşmada, bazı Avrupalı uzmanlarca dile getirilen kaya gazı kaynaklarındaki artışın Avrupa’yı etkilemeyeceği görüşünün tamamen yanlış olduğunu, Avrupa’nın şimdiden etkilenmeye başladığını dile getirmiştir. Buna örnek olarak da, ABD’nin elektrik üretiminde kömür yerine kaya gazı kullanmaya başlaması sonucunda, önemli miktarlardaki kömürün Avrupa pazarında ucuz fiyatlarla kullanıma sunulmasını göstermiştir. Giriş bölümünde de belirtildiği gibi, dünyadaki konvansiyonel gaz rezervlerinin uzun vadede sadece bazı Ortadoğu ülkeleri ile Rusya’da kalacağı paradigması, kaya gazının devreye girmesiyle, geçerliliğini yitirecektir. Bunun da sadece ekonomiyi değil uluslararası politikayı da etkileyecek bir gelişme olduğu açıktır. Bu nedenle tüm ülkelerin enerji ve enerji güvenliği politikalarını bu yeni alternatif enerji kaynağının ışığında gözden geçirmeleri ve yeniden oluşturmaları gerekmektedir.