Geri Dön

Karadeniz'de gaz hidrat barındıran sedimanlarda sıcaklık ve akışkan akışının modellenmesi

Numerical modeling of fluid flow and heat flow in gas hydrate bearing sediments in black sea

PDF İndir

  1. Tez No: 916698
  2. Yazar: BAHAR GÜVEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. DOĞA DOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Jeofizik Mühendisliği, Geophysics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Jeofizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Jeofizik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 79

Özet

Gaz hidratlar, suyun (veya buzun) belirli sıcaklık ve basınç koşullarında küçük moleküllerle etkileşime girdiğinde oluşan kristal bileşiklerdir. Birim hacim başına gaz hidratlar yüksek oranda gaz içermektedirler. 1 m3 hidrat, atmosfer basınç ve sıcaklığında, ayrışarak 164 m3 serbest gaz (metan) ve 0.8 m3 su oluşturmaktadır. Gaz hidratların kararlılığını, davranışını ve çevresel etkilerini anlamak bu rezervlerin gelecekteki potansiyel enerji kaynakları olarak değerlendirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Yapılan birçok çalışma, Karadeniz'in gaz hidrat oluşumu için uygun basınç ve sıcaklık koşullarına sahip olduğunu ortaya koymuş ve deniz sedimanlarında gaz hidrat varlığını işaret eden bulgular tespit edilmiştir Bu çalışmada, sonlu hacimler yöntemiyle çalışan ve gaz hidrat alanlarında kullanılabilirliği önceki çalışmalarla kanıtlanmış, bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) programı olan ANSYS Fluent tercih edilmiştir. Sayısal modelleme, Batı Karadeniz'deki Tuna Derin Deniz Yelpazesi'nden alınan sismik yansıma kesidi ve bölgeye ait jeolojik veriler temel alınarak gerçekleştirilmiştir. Referans alınan sismik yansıma kesidi, gaz hidratların olası bir göstergesi olan Tabana Benzeyen Yansıtıcıyı (Bottom Simulating Reflector (BSR)) sismik izi ve akış üzerindeki etkisinin incelenebilmesi amacıyla bir fay zonu içermektedir. Bu tez kapsamında referans sismik kesit modeli kullanılarak, iki farklı senaryo üzerinden gaz hidratların deniz sedimanlarındaki davranışları incelenmiştir. Gaz hidratların serbest gaz (özellikle metan (CH4)) ve yeraltı suyu ile kimyasal etkileşiminin incelendiği ilk modelde, metan gazının yeraltı suyu (H2O) ile reaksiyona girerek CO2 ve H2 üretmesine neden olan kimyasal süreçler ve zamana bağlı bu tepkime elemanlarının kütle oranlarındaki değişimleri simüle edilmiştir. Elde edilen bulgular, tepkime elemanlarının çözünme ve üretim sürelerinin; fay varlığı, deniz tabanı batimetrisi ve deniz sedimanlarındaki başlangıçtaki metan oranı gibi faktörlerden büyük ölçüde etkilendiğini ortaya koymuştur. Gaz hidratların rezerv sedimanlarda çimentolaşmasının çevre sedimanlara etkisini anlamaya yönelik gelişitirilen ikinci modelde, gaz hidratların gözeneklilik değerlerinin ve sedimanların geçirimlilik özelliklerinin, akışkan akışının ve sıcaklık akışının zamana bağlı nasıl değiştirdiği detaylı bir şekilde incelenmiştir. Elde edilen bulgular, akışkan akışı ve sıcaklık akışının; fay varlığına ve sedimanlar arası gözeneklilik ve geçirimlilik farkına bağlı olarak değiştiğini ortaya koymuştur. Her iki modelin sonuçları değerlendirildiğinde, gaz hidratların davranışının hem kimyasal reaksiyon süreçleri hem de fiziksel ortam özellikleri tarafından şekillendiği görülmektedir. Fayların varlığı, deniz tabanı morfolojisi, sedimanların geçirgenlik ve gözeneklilik özellikleri gibi faktörler, gaz hidrat kaynaklı süreçlerin zamansal dağılımını doğrudan etilemektedir. Bu sonuçlar, gaz hidratların potansiyel enerji kaynağı olarak değerlendirilmesi ve çevresel etkilerinin anlaşılması için kritik öneme sahiptir.

Özet (Çeviri)

Gas hydrates, primarily methane hydrates, are crystalline compounds formed under specific high-pressure and low-temperature conditions where water molecules encase gas molecules. These hydrates are predominantly found in marine sediments and permafrost regions, offering significant potential as an energy resource. Notably, 1 cubic meter of gas hydrate can contain approximately 164 cubic meters of gas, underscoring the high energy density of these compounds. However, the stability of gas hydrates is highly sensitive to variations in temperature and pressure. Their dissociation could lead to the release of large quantities of methane, a potent greenhouse gas, which raises environmental concerns. Thus, understanding the formation, stability, and behavior of gas hydrate is essential, not only for their energy potential but also due to their implications for greenhouse gas emissions and marine sediment destabilization. The Black Sea has garnered considerable interest in gas hydrate research owing to its suitable pressure-temperature regime for hydrate stability. Numerous studies have confirmed the presence of Bottom Simulating Reflectors (BSRs) in seismic data, which are indicative of gas hydrates, and have identified significant methane reserves within marine sediments. This research aims to investigate the dynamic behavior of gas hydrates in the Black Sea by applying advanced numerical modeling methodology. Specifically, this study focuses on the chemical and physical processes governing gas hydrates within marine sediments, emphasizing the influence of geological discontinuities, such as faults. The study utilized ANSYS Fluent, a Computational Fluid Dynamics (CFD) program that applies the finite volume method to solve complex fluid flow and chemical interaction problems. The program has been validated for its reliability in modeling gas hydrate systems. The modeling approach was based on seismic and geological data obtained from the Tuna Deep-Sea Fan region in the western Black Sea, where significant gas hydrate indicators have been identified. The Tuna Deep-Sea Fan region is a depositional area rich in organic matter, which acts as the source of methane production through microbial processes. The interaction between gas hydrates and this organic-rich sediment is central to understanding methane migration and hydrate formation. A depth-converted seismic reflection profile containing a clear BSR was used as the reference model. This profile also incorporated a fault-like irregularity to simulate the impact of structural discontinuities on the gas hydrate system. Two scenarios were developed to analyze different aspects of hydrate behavior. The first model, the chemical interaction model, focused on the reaction between methane (CH4) and groundwater (H2O), resulting in the formation of carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2). The temporal changes in the mass ratios of these components were examined. The second model, the physical properties model, investigated how gas hydrates influence sediment porosity and permeability, as well as their effects on the fluid flow and heat flow within the sedimentary layers over time. The chemical interaction model explored the dynamics of methane dissolution and the subsequent production of CO2, and the displacement of both CO2 and H2O. Key findings from the model include the significant impact of faults, which revealed that they affect the spatial distribution of methane and its reaction products. Faults acted as conduits facilitating fluid migration. Additionally, variations in the seafloor's topography influenced pressure, affecting the rate and extent of chemical reactions. The model demonstrated that the chemical interactions within hydrate-bearing sediments are highly sensitive to geological and geochemical conditions. These findings highlight the importance of incorporating detailed geological features into numerical simulations to fully capture the complexity of these systems. The physical properties model designed to investigate the effects of gas hydrate cementation in reservoir sediments on the surrounding sediments, provides a detailed analysis of how the porosity characteristics of gas hydrates and the permeability properties of sediments influence the temporal evolution of fluid flow and heat flow. Hydrate cementation has resulted in a substantial reduction in the porosity of the sediment-containing gas hydrate, inducing localized variations in both fluid flow and heat flow. The presence of faults further introduced heterogeneity in fluid and heat flow patterns, creating zones of enhanced fluid migration and altering temperature patterns. This highlighted the complex interplay between structural and hydrological processes within hydrate-bearing systems. The combined results of both models provide valuable insights into the behavior of gas hydrates under varying geological and chemical conditions, highlighting the critical role of geological discontinuities, such as faults, in shaping the dynamics of hydrate systems. Faults facilitate gas migration, significantly influencing the spatial distribution of methane and its reaction products. Similarly, sediment properties such as porosity and permeability play a vital role in governing fluid flow and heat flow within hydrate-bearing layers. Understanding the factors that influence methane dissolution and migrations is essential for evaluating the potential of extracting energy from gas hydrates. Additionally, the release of greenhouse gases, such as CO2 and CH4 during hydrate dissociation could have significant environmental consequences. Methane is one of the most potent greenhouse gases, with a much higher warming potential and climate change. Since hydrate dissociation can release large amounts of these greenhouse gases, it may result in long-term effects on marine ecosystems, coastal areas, and the atmosphere. This situation could accelerate climate change and lead to increased environmental problems. This study underscores the complexity of gas hydrate systems in the Black Sea, emphasizing the importance of incorporating both chemical and physical processes into numerical models. The findings highlight the influence of faults, seafloor morphology, and sediment properties on the dynamics of hydrates and their associated reactions. The results obtained from both models offer significant insights that can support the development of more accurate simulations for predicting the energy potential and assessing the environmental risks associated with gas hydrates. These findings have facilitated the identification and upward migration of gas in these regions have provided a foundation for a more detailed analysis of methane gas production and release processes. Furthermore, in the context of global challenges such as climate change and greenhouse gas emissions, these models enable a more comprehensive investigation of the long-term effects of gas hydrate chemical reactions and physical parameters. These results are crucial for evaluating the potential of gas hydrates as an energy source and for understanding their environmental impacts.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    154656

    Bartın -Amasra açıklarında deniz sismiği verilerinin derinlik ortamında göç uygulamaları ve bölge jeolojisi ile ilişkilendirilmesi

    Depth migration of seismic reflection data from offshore Bartın-Amasra and their geological interpretation

    EMRE DAMCI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. EMİN DEMİRBAĞ

  2. Tez No

    310439

    Batı Karadeniz'de gaz hidrat anomalilerinin AVO analizi ile incelenmesi

    Examination of the gas hydrate anomalies by AVO analysis at western Black Sea, Turkey

    SİNEM YAVUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİN DEMİRBAĞ

  3. Tez No

    821166

    Batı Karadeniz'in Tuna Deltası'ndaki gaz hidratlardan farklı kuyu konfigürasyonlarında gaz üretimi

    Gas production from the gas hydrates in the danube delta of the Western Black Sea with different wellbore configurations

    İBRAHİM MUHAMMED UBEYD

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Petrol ve Doğal Gaz MühendisliğiBatman Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞÜKRÜ MEREY

  4. Tez No

    328436

    Doğu Karadeniz ve Gwangyang Körfezi'ndeki sığ gaz birikimleri ile fiziksel ve akustik özellikler

    Physical and acoustic properties of shallow gas accumalations in the Eastern Black Sea and Gwanyang Bay

    SEVİNÇ ÖZEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Deniz BilimleriDokuz Eylül Üniversitesi

    Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNAY ÇİFCİ

  5. Tez No

    169154

    Doğu Karadeniz'de gaza doygun tortullar ve bunların sismik ve sonar verileri ile araştırılması

    Gas saturated sediments in the Eastern Black Sea and their investigations by seismic and sonar data

    DERMAN DONDURUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Jeofizik MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNAY ÇİFCİ

Geri Dön