ولی مهدی پور[SUP]1[/SUP]، خدیجه هاشمیان[SUP]2[/SUP]
1- کارشناس ارشد زمين شناسي نفت، شركت حفاری دانا كيش، v.mehdipour@yahoo.com
2- کارشناس ارشد فیزیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان
چكيدههيدرات گازی ماده ای يخ مانند است که از تماس آب يا يخ با گاز در فشار بالا و دمای پائين بوجود می آيد. هیدرات های گازی می توانند تحت شرايط مناسب دمايي و فشاري به یکی از دو ساختار مکعبی I و II کریستالیزه شوند. هيدرات هاي گازي به خاطر دارا بودن پتانسيل سوخت انرژی و مشکلات حفاری مورد توجه محققان قرار گرفته است. آنها بيشتر در نواحي قطبي و زير دريا در لايه هاي رسوبي وجود دارند. تشخیص هیدراتهای گازی عمدتاً با استفاده از نتيجه بازتاب لرزه اي ناهنجار انجام می گیرد. دریای خزر از جمله مناطق مهم جهان از نظر وجود ذخایر هیدرات گازی می باشد. شرایط بخش جنوبی دریای خزر جهت تشکیل هیدارت گازی مساعد می باشد. این شرایط شامل عمق زیاد آب، دمای آب پایین در بستر دریا، گاز طبیعی و گرادیان زمین گرمایی پایین می باشد. براساس مطالعات صورت گرفته توسط محققان مختلف، تجمعات هیدرات گازی در ارتباط با گل فشانها هستند که در بستر این دریا مورد شناسایی قرار گرفته اند. ترکیب گاز هیدراتهای گازی در بخش جنوبی دریای خزر بسیار متنوع بوده و گازهای هیدروکربنی آزاد شده از این هیدرات گازی نشان داده است که درصد بالای گاز متان و مخصوصاً اتان حاکی از غلبه منشاء ترموژنیک این گازها است.
واژه‌هاي كليدي: هيدرات گازي، دریای خزر، گل فشان، متان
1- مقدمه
طی دهه های اخير مقدار زيادي هيدرات گاز در نواحي قطبي شمال آلاسكا و ايالت هاي شمالي آمريكا کشف شد و به دلیل نقش آنها در تامين انرژي آینده مورد توجه خاصی قرار گرفت. هيدرات هاي گاز بيشتر در نواحي قطبي و زير دريا در لايه هاي رسوبي وجود دارند. هيدراتهاي گاز همچنین در لايه هاي رسوبي خليج مكزيك، بخش دريايي حوزه رودخانه Eel در كاليفرنيا، درياي سياه، درياي خزر، خليج مكزيك، حوزه كاسكاديا نزديك اوريگان،كانال امريكاي مركزي، درياي پرو و در نواحي شرقي و غربي ژاپن كشف شده اند (شکل-1). در حال حاضر، هيدرات هاي گازي به خاطر دارا بودن پتانسيل هاي متعدد، مورد توجه محققان و مجامع علمي قرار گرفته است.
موارد اهميت هيدرات هاي گازي شامل وجود ذخایر قابل توجه هیدرکربنی، نقش آنها در مسدودكردن خطوط انتقال گاز و چاه ها، خطرات حفاري، ناپايداري بستر دريا، اثر گلخانه اي گاز موجود در ساختار هيدرات و تغییرات آب وهوای كره زمين می باشد. روش هاي لرزه اي اهميت ويژه اي در اکتشاف و پي جويي هيدرات هاي گازي دارند. وجود هيدراتهاي گاز در نواحي دريايي، عمدتاً با استفاده از نتيجه بازتاب غيرعادي لرزه اي كه از محدوده منطقه ويژه مرزي هيدراتهاي گاز مي آيد به اثبات می رسد. اين بازتابها عمدتاً به نام بازتاب تحريكي انتهايي يا BSR خوانده مي شوند. وجود شرايط ترموديناميكي مناسب، حضور گاز و آب به ميزان كافي و وجود مسيرهاي مهاجرت گاز از اعماق به رسوب هاي سطحي براي تشكيل هيدرات هاي گازي ضروري است. حضور هيدرات هاي گازي و گاز آزاد محبوس شده در زير آن باعث ايجاد تغيير در خصوصيات كشسان رسوبات ميزبان مي شود و رد و نشان هايي را بر داده هاي لرزه اي باقي مي گذارد كه شناسايي و پي بردن به حضور آنها را با روش هاي لرزه اي ممكن ساخته است. از مهم ترين نشانه هاي لرزه اي هيدرات هاي گازي مي توان به بازتاب كننده شبيه ساز بستر، لكه تخت و لكه روشن اشاره كرد.
شکل-1 نقاط دارای پتانسیل هیدرات گازی در جهان [1]
هيدرات گازی ماده ای يخ مانند است که از تماس آب يا يخ با گاز در فشار بالا و دمای پائين بوجود می آيد. پيوند هيدروژنی مولکولهای آب باعث بوجود آمدن حفره هايی می شود که مولکولهای کوچک گاز می توانند وارد اين حفره ها شوند و باعث پايداری آن گردند. اين حفره ها در غياب مولکول گاز ميهمان، ناپايدارند اما وجود مولکولهای گاز و پيوند فيزيکی آن با مولکولهای آب باعث پايداری حفره ها می گردد. بنابراين نيروی نگهدارنده حفره ها نيروی واندروالسی است. هنگامی که حفره ها به ميزان کافی توسط گاز پر شدند و حفره به اندازه بحرانی خود برای رشد رسيد، رشد کريستالها شروع می شود [2]. هیدرات های گازی می توانند تحت شرايط مناسب دمايي و فشاري به یکی از دو ساختار مکعبی I و II کریستالیزه شوند (شکل-2). هر دو نوع شبکه هیدرات شامل تعدادی حفره های کوچک و بزرگ است. در یک هیدرات پایدار، تعدادی از حفره های میزبان (آب) توسط ترکیبات گازی که مولکولهای مهمان نامیده می شوند اشغال می گردند. تنها گازهایی که دارای قطر مولکولی کوچکتر از حفره ها و شکل هندسی مناسب هستند می توانند وارد حفره ها شوند.
در شرايط دما و فشار استاندارد (STP)، يك حجم از هيدرات اشباع شده متان (ساختار I) داراي بيش از 164 حجم از گاز متان است. به علت اين ظرفيت عظيم ذخيره سازي گاز، اين هيدرات ها، منابع مهمي از گاز طبيعي محسوب مي شوند. در سطح ماكروسكوپي، بسياري از خواص مكانيكي هيدرات گاز مثل يخ است. چون هيدراتها داراي حداقل 85 درصد آب بر يك پايه ملكولي هستند. برای شناسايي نوع ساختار هيدرات تشکيل شده، از روشهای H-NMR ، C13- NMR، Raman Spectrum و X-Ray Diffraction استفاده می شود [3].
شکل-2 ساختارهای مکعبی I و II
هيدرات هاي گازي شبكه جامد و بلوري از مولكول هاي آب اند كه با پيوند هيدروژني به يكديگرمتصل شده اند و مولكول هاي گازي با وزن مولكولي كم را در خود حبس كرده اند. نوع اين گازها بستگي به تركيب گازي محيط تشكيل دارد متان با منشا ترموژنيك و بيوژنيك معمولترين گازي است كه در هيدراتهاي گازي ذخيره شده است و بیشترین حجم گازهاي تشكيل دهنده هيدرات هاي گازي را تشكيل مي دهد. آنها برخلاف يخ تحت شرايط فشار زياد، در دماي بالاي صفر درجه سلسيوس نيز تشكيل مي شوند [4]. هيدرات هاي گازي نسبت به شرايط محيط بسيار حساس می باشند و تغيير در پارامترهای فشار، دما، شوري آب، نوع و ميزان اشباع گاز تشكيل دهنده هيدرات در داخل خلل و فرج رسوب، باعث رشد و ايجاد شرايط پايداري يا تلاشي هيدرات هاي گازي مي شود. به طور كلي شرايط ترموديناميكي مناسب، وجود مقدار كافي از گازهاي هيدروكربوري با قابلیت مهاجرت و وجود آب براي تشكيل و پايداري هيدرات ها در رسوبات لازم است [5]. [7]. بطور کلی هيدرات هاي گازي در محيط هاي دريايي دور از ساحل در زون پايدار هيدرات كه لايه موازي با كف دريا است تشكيل مي شوند (شکل-3).
حضور هيدرات هاي گازي در داخل رسوبات و گاز آزاد موجود در زير آن خصوصيات لرزه اي رسوب ميزبان را تحت تاثير قرار مي دهد و شناسايي آنها را با روش هاي لرزه اي ممكن مي سازد. براي مثال، حضور هيدرات هاي گازي در داخل رسوبات باعث افزايش سرعت و ميزان ميرايي امواج لرزه اي در رسوبات ميزبان مي شود. از مهمترين نشانه هايي كه در بررسي وجود هيدرات هاي گازي در يك منطقه مورد استفاده قرار مي گيرد، مي توان به بازتاب كننده شبيه ساز بستر، لكه تخت و لكه روشن اشاره كرد. نشانگرهاي لرزه اي نيز در پي جويي ها و در شناسايي بي هنجاري هاي مرتبط با هيدرات هاي گازي و گازهاي آزاد كه به سادگي روي مقاطع لرزه اي قابل شناسايي نيستند و همچنين بررسي خصوصيات نشانه هاي لرزه اي نقش مهمي را ايفا مي كند.
شكل-3 زون پايدار هيدرات گازي در زير بستراقيانوس (Max et al, 2006)
بخش جنوبی دریای خزر با عمق 1020 متر عمیق ترین بخش آن محسوب می شود. تاریخچه تکتونیکی و تکامل زمین شناسی حوضه دریای خزر جنوبی با توجه به منابع عظیم هیدروکربنی ناشناخته است. این منطقه در بخش زون برخوردی آلپ- هیمالیا قرار گرفته و ناحیه تصادم قاره ای جوان قفقاز در غرب را از گسلهای امتدادلغز بزرگ مقیاس منطقه کپه داغ ترکمنستان و ایران در شرق جدا می کند [8]. در واقع بخش های مياني و جنوبي دریای خزر، با يك برجستگي زيرآبي به نام برجستگي سرت (Syrt) در حد فاصل دماغة باكو و خليج قره بغاز، با امتداد شمال باختر – جنوب خاور از يكديگر جدا ميشوند. اين برجستگي، ادامة بلنديهاي قفقاز است و ژرفاي آب روي آن از 200 متر تجاوز نميكند. اين برجستگي، مانع جريان آب در سطح درياچه نيست. در بخش جنوبي درياي خزر به ويژه در جمهوري آذربايجان و تركمنستان محدودة آبي شمال باختري بندرانزلي و در شمال بندرتركمن (منطقة داشليبرون و قزلتپه)، به ويژه از ديدگاههاي نشانههاي مثبت وجود نفت و گاز درخور توجهاند. اين گلفشانها حدود 70 درصد گلفشانهاي دنيا را تشكيل ميدهند و ابزاري خوب در پيجوييهاي نفتي به شمار ميآيند.
در هر حال، بايد گفت كه به دليل فورانهاي ناخواستة هنگام حفاري، ميتوانند مخاطرهآميز باشند. با توجه به حضور گل فشانهای مرتبط با هیدرات گازی و چشمه های فعال نفت و گاز به نظر می رسد تولید و مهاجرت هیدروکربنها در شرایط فعلی این حوضه انجام می گردد. همچنین لرزه خیزی فعال این ناحیه حاکی از تشکیل ساختارها و نفتگیرهای مرتبط با آن در شرایط امروزی است. ضخامت رسوبات این حوضه با توجه به پروفیل لرزه ای انعکاسی و انکساری 20 تا 25 کیلومتر می باشد[9]. براساس حفاریهای انجام شده در بخش خشکی کشورهای آذربایجان و ترکمنستان سن رسوبات آبهای کم عمق از ژوراسیک فوقانی تا پلیوسن زیرین است [9].
پروفیلهای لرزه ای انعکاسی کم عمق نشان داده است که این رسوبات در بخشهای عمیق بخش جنوبی دریای خزر نیز وجود دارند و دچار چین خوردگی های شدید شده اند. شرایط بخش جنوبی دریای خزر جهت تشکیل هیدارت گازی مساعد می باشد. این شرایط شامل عمق زیاد آب (تا 1100 متر)، دمای آب پایین در بستر دریا (5.8 تا 6.2 درجه سانتیگراد)، گاز طبیعی و گرادیان زمین گرمایی پایین (11-15 درجه سانتیگراد در هر کیلومتر) می باشد [10]. حضور گاز آزاد در درياي خزر با استفاده از نشانه هاي گوناگوني همچون گازهاي همراه گِل فشان ها مورد بررسي قرارگرفته است. نشانه ها بر اين امر دلالت دارند كه اين منطقه پتانسيل توليد گاز را دارد و گاز آزاد در اين منطقه موجود است. بیش از 50 گل فشان در آبهای عمیق دریای خزر وجود دارد. خواص فیزیکی و مکانیکی رسوبات بستر دریا در محل گل فشانها باعث شده است که این رسوبات دارای اشکال حبابی(bubble) با وزن کم باشند.
براساس مطالعات صورت گرفته تجمعات هیدرات گازی در ارتباط با گل فشانها هستند که در بستر این دریا مورد شناسایی قرار گرفته اند [11]. ساختارهای دیاپیری و گل فشانها بر روی پروفیل های لرزه ای شناسایی شده اند. هیدرات گازی در دو میدان واقع در دهانه گل فشانهای واقع بر روی بستر دریا شناسایی شده است. نمونه های هیدرات گازی از دو منطقه گل فشانی علم و بوزداگ برداشته شده است [12].
3- هیدرات گازی در دریای خزر
وجود هیدراتهای گازی در دریای خزر اولین بار در اواخر دهه 70 قرن اخیر طی بررسی های زمین شناسی دریایی توسط موسسه زمین شناسی و توسعه سوختهای فسیلی کشف شد (شکل-4). همراهی هیدراتهای گازی با گل فشانهای موجود در حوضه ی بخش جنوبی دریای خزر احتمال فوران های انفجاری دریایی و شکست شیب قاره ای را افزایش می دهد که مبین تهدید مهم در اکتشافات نفتی و عملیات بازیافت در این منطقه است. دو پروفیل انعکاس لرزه ای در سواحل عمیق جنوب دریای خزر توسط ChevronTexaco Corp (USA) وSOCAR (Azerbaijan) و TotalElfFIna (France) جهت بررسی ذخایر هیدرات گازی انجام گرفته است. این مطالعه اولین بررسی ژئوفیزیکی عیدرات گازی در بخشهای عمیق جنوب دریای خزر محسوب می شود. در مطالعات قبلی گل فشانهای مرتبط با هیدرات گازی مورد بررسی قرار گرفته بود. (برای مثال Ginsburg و Soloviev).
شکل-4 نقاط تجمع هیدرات گازی در بخش جنوبی دریای خزر[14]
آنالیز آبهای آزاد شده از هیدراتهای گازی این منطقه نشان دهنده شوری آب 13.7 تا 23.2 گرم در لیتر میزان کلر 7.08-13.41 گرم در لیتر می باشد. بنابراین هیدرات گازی موجود در برشهای گلی همراه با شورابه های بسیار شور می باشند. از اینرو هیدرات گازی توسط شورابه های گل فشانها ساخته شده است و تجمعات هیدرات گازی مربوط به گل فشانها بوده و وابسته به حرکات سیالات می باشد. ضخامت ادخال های هیدرات گازی در برش ها تا 5 سانتیمتر بوده و دارای اشکال متعددد می باشند. هیدرات گازی موجود در برش 35% حجم آنها را تشکیل می دهند. این مقدار بالا ممکن است ناشی از اختلاف نرخ صعود سیالات و مواد سازنده باشد. سرعت صعود سیالات بیشتر از گل فشانها می باشد. این عامل منجر به تشکیل هیدرات گازی در بستر دریا شده است [13].
جدول -1 ترکیب شیمیایی و چگالی نسبی گازهای حاصل از هیدرات گازی Buzdag [13]
طی برنامه ی اکتشاف شورون در بخش جنوبی دریای خزر دو پروفیل لرزه ای انعکاسی به طول 70 کیلومتر در مجاورت پشته آبشرون به منظور تشخیص هیدراتهای گازی و مخاطرات بالقوه ی آنها تهیه شد (شکل-5) [14]. این عملیات در آبهای عمیق از عمق 200 تا 715 متر انجام گرفت. زونهای مستعد از نظر هیدرات گازی بر روی این پروفیلها با آنومالی سرعت بالا تشخیص داده شده اند. ضخامت این زونها به سمت غرب دریا با کاهش عمق آب و در نتیجه کاهش فشار کم می گردد [15].
شکل-5 پروفیل لرزه ای انعکاسی دو بعدی و سه بعدی در منطقه آبشرون [16و15].
از دیدگاه ساختاری هیدراتهای گازی آبشرون منطقه ای به وسعت 200 متر مربع باعث تغییر شکل شیب قاره در این بخش شده است و از نظر مخاطرات زمین شناسی حایز اهمیت است، بطوریکه آزاد شدن بدون کنترل گازهای آزاد به دام افتاده در زیر پوشش های هیدرات گازی یا کاهش پایداری هیدرات های گازی می تواند منجر به فوران هیدرات های گازی، کاهش مقاومت رسوبات، عدم پایداری شیب قاره و انتقال حجم عظیم رسوبات بستر دریا شود. همراهی هیدراتهای گازی با گل فشانهای فعال در بخش جنوب دریای خزر باعث افزایش پتانسیل آتش سوزی ها دریایی می شود [16].
نتيجهگيري
دریای خزر از جمله مناطق مهم جهان از نظر وجود ذخایر هیدرات گازی می باشد. هیدرات های گازی موجود در بستر دریای خزر مرتبط با گل فشان هستند. ترکیب گاز هیدراتهای گازی در بخش جنوبی دریای خزر بسیار متنوع بوده و درصد گازهای هیدروکربنی اتان و متان آزاد شده از هیدرات گازی دریای خزرحاکی از منشاء حاکی از غلبه منشاء ترموژنیک این گازها است. پروفیلهای لرزه ای انعکاسی کم عمق نشان داده است که این رسوبات در بخشهای عمیق بخش جنوبی دریای خزر نیز وجود دارند و دچار چین خوردگی های شدید شده اند. هیدرات های گازی به دليل فورانهاي ناخواستة هنگام حفاري، ميتوانند مخاطرهآميز باشند. بطور کلی آنها از نظر وجود ذخایر قابل توجه هیدرکربنی و خطرات حفاري، حایز اهمیت می باشند.
مراجع:
[1] Ruppel: MITEI Natural Gas Report, Supplementary Paper on Methane Hydrates, 2011
[2] A. Vysniaukas, P. R. Bishnoi, ״ Kinetic of Ethane Hydrate Formation ״, Chem. Eng. Sci., 40, 299-303, 1985.
[3] E. D. Sloan, ״ Clathrate Hydrate of Natural Gases 2) ״ nd ed.), New York, Marcel Dekker
Inc.,1997.
[4] Kvenvolden, K.A., 1995, A review of the geochemistry of methane in natural gas hydrate: Org. of Geochem., 23, 997-1000.
[5] Max, M.D., Johnson, A.H., and Dillon, W.P., 2006, Economic geology of natural gas hydrate: Springer, Dordrecht.
[6] Ruppel, C., 2007, Tapping methane hydrates for unconventional natural gas: Elements, 3 (3), 193-199.
[7] Kumar, D., Sen, M.K., and Bangs, N.L., 2006, Seismic characteristics of gas hydrates at Hydrate Ridge, offshore Oregon: The Leading Edge, 25, 610-614.
[8] Zonenshain, L.P., and Le Pichon, X, 1986, Deep basins of the Black Sea and Caspian Sea as remnants of Mesozoic back-arc basins, Tectonophysics, 123, 181.
[9] Zonenshain, L.P., Kuzmin, M.I., and Natapov, L.M., “Geology of the USSR: A Plate Tectonic ynthesis”, edited by B. M. Page, Geodynamic Series, American Geophysical Union, Washington, D. C., 1990, 21, 169.
[10] Bagirov, E. and Lerche, I., “Hydrates represent gas source, drilling hazard”, Oil & Gas Journal, 1997, 95, 99.
[11] Efremova, A. G., Gritchina, N. D., Kulakova, L. S., Rateev, M. A. & Turovsky, D. S. 1979. About discovery of the gas hydrates on the bottom of Southern Caspian Sea. EI VNIIEGasprom, seria: Geologia, burenie i razrabotka gasovykh mestorozhdeniy, 21, Moskwa: 12-13 (in Russian).
[12] Ginsburg, G.D. Guseynov, R.A., Dadashev, A.A., Ivanova, G.A., Kazantsev, S.A., Solov'yev, V.A., Telepnev, E.V., Askeri-Nasirov, R.Ye., Yesikov, A.D., Mal'tseva, V.I., Mashirov, Yu.G., Shabayeva, I.Yu., “Gas Hydrates of the Southern Caspian”, International Geology Review, 1992, 35, 765.
[13] Muradov Ch.S. The area of formation of the South Caspian gas hydrates. South Caspian Basin:Geology, Geophysics, Oil and Gas Content, Baku. Nafta Press. 322-332, 2004.
[14] Soloviev, V., and Ginsburg, G.D., 1994. Formation of submarine gas hydrates. Bulletin of the Geological Society of Denmark, 41, 86-94.
[15] Camelia C. Knapp, J. H. Knapp, and John A. Connor, Crustal-Scale Structure of the South Caspian Basin Revealed by Deep Seismic Reflection Profiling, Marine and Petroleum
Geology, 21, 1073–1081, 2004.
[16] Diaconescu, C. C., and J. H. Knapp. 2002. Gas Hydrates of the South Caspian Sea, Azerbaijan: Drilling Hazards and Sea Floor Destabilizers. Paper presented at the 2002 Offshore Technology Conference, May 6-9, in Houston, Texas.
