Nano Curcumin

Khí hydrat – nguồn năng lượng tương lai

Hydrat là kết cấu hỗn hợp giữa nước và khí đốt, dưới điều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp tồn tại dưới dạng giống như băng. Chúng đang được xem là nguồn khí đốt tiềm năng và là nguồn năng lượng có vai trò lớn trong những thế kỷ tương lai.

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

>> Việt Nam có lượng khí hydrat đứng thứ 5 Châu Á

>> Nghiên cứu tiềm năng khí hydrate ở thềm lục địa Việt Nam

Văn minh nhân loại phụ thuộc vào năng lượng và mức độ tiêu thụ năng lượng tính theo đầu người của một quốc gia là chỉ số nói lên trình độ phát triển của quốc gia đó. Thế kỷ 20 được đánh dấu như bước chuyển từ nguồn năng lượng than đá, củi gỗ sang nguồn dầu khí và chúng ta đã chứng kiến những tiến bộ vĩ đại trong mọi mặt của xã hội với nền kinh tế – kỹ thuật dựa trên cơ sở dầu khí. Tuy nhiên đây là loại tài nguyên không tái tạo, với mức tiêu thụ mỗi ngày khoảng 90 triệu thùng dầu thô như hiện nay, thế kỷ 21 sẽ đánh dấu bằng sự cạn kiệt của dầu khí truyền thống.

Nguy cơ cạn kiệt nói trên được báo động bằng hiện tượng suy giảm liên tục sản lượng khai thác dầu thô xảy ra vào giữa thập kỷ 1970 ở Mỹ, nước có vị trí hàng đầu trong công nghiệp dầu khí toàn cầu suốt thế kỷ 20. Hiện tượng đó nói lên thời điểm khai thác đỉnh nguồn trữ lượng dầu khí xác minh của Mỹ được nhà khoa học Hubert dự báo qua một công thức toán học rút ra từ những nghiên cứu thống kê dữ liệu dầu khí lịch sử trước đó trên 10 năm đã được thực tiễn xác minh. Từ thời điểm đó, trong lĩnh vực năng lượng bùng nổ các nghiên cứu, hội thảo, phản biện về an ninh năng lượng, những hệ quả đối với toàn bộ đời sống kinh tế, xã hội, quốc phòng một khi thế giới thiếu xăng dầu cũng như đề xuất các giải pháp đối phó với tình huống đen tối đó.

Trung tâm quốc tế đầu tiên nghiên cứu trạng thái cạn kiệt dầu mỏ thế giới ra đời ở London. Cũng từ đó sự chuyển dịch của nền kinh tế dựa trên dầu khí sang nền kinh tế dựa trên nguồn năng lượng khác đang trở thành mối quan tâm của mọi quốc gia. Tuy nhiên việc tìm kiếm một nguồn năng lượng lớn thay thế cho dầu khí trong điều kiện đòi hỏi nghiêm ngặt của nhu cầu bảo vệ môi trường đang còn rất khó khăn cũng như việc thay đổi toàn bộ thiết bị, công cụ kỹ thuật sử dụng xăng dầu làm nhiên liệu đòi hỏi nhiều trí tuệ, thời gian, tiền bạc. Vì vậy các nước vẫn đang tập trung nỗ lực tìm kiếm các nguồn dầu khí còn lại, đặc biệt là nguồn khí đốt có nguồn gốc hóa thạch, tồn tại dưới các dạng khác với khí đốt truyền thống mà ta đã biết. Trước mắt, đó là nguồn khí ở những vùng xa xôi, khắc nghiệt như vùng địa cực, vùng nước sâu, hoặc khí than và đặc biệt là khí hydrocacbon chứa trong các thành tạo hydrat mà theo các thông tin ban đầu nó có khả năng đảm bảo đủ cho nhu cầu năng lượng của vài thế kỷ tiếp theo.

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

Phân bố hydrat khí trên thế giới

Hydrat khí SO2 được nhà hóa học Joseph Priesley biết đến trong phòng thí nghiệm từ năm 1778 nhưng hydrat hydrocacbon thì mãi đến 1888 Paul Villard mới tổng hợp được. Việc nghiên cứu mang tính ứng dụng đối với hydrat khí chỉ mới bắt đầu trong vòng vài thập kỷ gần đây. Tuy nhiên các nghiên cứu này chủ yếu là để giải quyết các sự cố do hydrat gây ra trong giếng khai thác và trong các đường ống dẫn dầu khí, nên thành tựu đạt được chưa nhiều. Với tầm quan trọng được phát hiện bởi những người đi đầu trong lĩnh vực này trong việc ngăn chặn khủng hoảng nhiên liệu đang hiển hiện dần rõ nét ở chân trời của thiên niên kỷ mới, chúng ta cần tìm hiểu về hydrat, một lĩnh vực ở nước ta mới bắt đầu sơ bộ đề cập đến và chắc rằng trong một tương lai không xa chúng ta bắt buộc phải tiếp cận để giải quyết nhu cầu năng lượng của mình.

I. Hydrat – nguồn khí đốt của tương lai

Việc phát hiện ra nhiều tích tụ hydrat khí đốt to lớn trên thế giới đã khơi dậy niềm hy vọng và kích thích sự ra đời của ý niệm xem chúng như nguồn năng lượng có thể của thế kỷ 21. Để nhận thức được vấn đề này chúng ta tìm hiểu các điểm sau:

1. Hydrat methane là gì?

Như chúng ta biết, các loại khí có thể biến đổi thành chất lỏng và sau đó thành chất rắn dưới các điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao. Nếu khí lại kết hợp với các chất khác thì các quá trình đó có thể xảy ra dưới các điều kiện ít khắt khe hơn so với yêu cầu của lý thuyết. Một trong các dạng đó được gọi là hydrat khí (gas hydrate) hoặc băng nổ (explosive ice), một vài người còn gọi là băng cháy. Nói chung tất cả các chất khí trừ hydro, helium và neon đều có thể tạo ra hydrat. Tuy nhiên loại thường gặp trong tự nhiên là hydrat của khí methane và ethane. Như vậy khi nói đến hydrat khí trong ngành dầu khí ta hiểu đó là dạng tồn tại của khí hydrocacbon dưới dạng rắn.

Về hình thức hydrat trông giống với băng bình thường, có thể trong suốt hay mờ đục, tinh thể màu trắng, xám hoặc vàng, dạng tinh thể thường không hoàn chỉnh.

Xem xét cấu trúc cho thấy hydrat có hình dạng như những mạng lồng, được hình thành bởi các phân tử nước, các phân tử này liên kết với nhau tạo thành một mạng các khung bẫy chứa các khoảng trống (hình 2) trong đó các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn trên đường di cư được giữ lại và cùng được kết tinh thành các tinh thể .

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

Cấu trúc tinh thể hydrat

Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất thích hợp, hydrat tạo thành một trong hai cấu trúc tinh thể cơ bản gọi là cấu trúc I và cấu trúc II. Mỗi một tế bào đơn vị (unit cell) của cấu trúc I của hydrat khí chứa 46 phân tử nước, chúng tạo thành hai khoảng trống nhỏ dạng 12 mặt (dodecahedral) và 6 khoảng trống lớn dạng 24 mặt (tetradecahedral). Cấu trúc I của hydrat khí có thể chỉ chứa một số phân tử khí kích thước nhỏ như methane, ethane với đường kính phân tử khoảng 5,2 A°.

Tế bào đơn vị của cấu trúc II gồm 16 khoảng trống nhỏ 12 mặt và 8 khoảng trống rộng 36 mặt hợp bởi 136 phân tử nước. Cấu trúc II có thể chứa khí với kích thước phân tử khoảng 5,9-6,9 A° như propane, isobutan. Ở nhiệt độ và áp suất chuẩn (trên mặt biển) một thể tích của hydrat bão hoà (cấu trúc I) có thể chứa 164 thể tích methane, nói cách khác 1m3 khí hydrat methane có thể chứa 164m3 methane (CH4) và 0,87m3 nước. Sự thành tạo hydrat tạo ra sức ép các phân tử methane gắn chặt vào nhau làm cho hàm lượng methane nằm trong tinh thể tăng rất cao. Khí chứa trong một thể tích hydrat có thể trương nở thành lượng khí lớn đến 150-180 thể tích ban đầu trong điều kiện áp suất và nhiệt độ chuẩn. Một thể tích hydrat chứa khí methane có mật độ năng lượng 84.000 BTU trên một feet khối , thấp hơn mật độ năng lượng của khí methane thông thường (115.000 BTU /feet khối) cũng như của khí hoá lỏng LNG (470.000 BTU/feet khối) hoặc của dầu hoả (900.000 BTU/feet khối). Hydrat có thể làm chức năng xi măng gắn kết các hạt trầm tích trong đó chứa chúng nhưng cũng có thể tồn tại trong không gian rỗng giữa các hạt thành phần của trầm tích.

Hydrat khí methane bền vững về mặt nhiệt động học trong điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao, do đó thường gặp ở các vùng băng giá vĩnh cửu hoặc ở các vùng đáy biển sâu. Cho đến nay các kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực này đã cho phép đưa ra các nguyên lý để dự báo sự hình thành và phân rã hydat ở các môi trường khác nhau. Chế độ nhiệt/áp suất chi phối sự thay đổi pha của hydrat, cũng tức là chi phối hiện tượng tách hydrat. Khi hiện tượng này xảy ra thì phản ứng thu nhiệt- tiêu thụ nhiệt tại chỗ làm cho quá trình tách xảy ra từ từ, vì vậy khi bỏ một miếng hydrat vào nước nóng thì sẽ thấy các bong bóng khí xuất hiện.

2. Hydrat hình thành như thế nào và ở đâu trong tự nhiên?

Khí hydrocacbon có thể có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ, hoặc cả hai. Khí có nguồn gốc ở sâu tạo ra bởi craking nhiệt dầu mỏ, khí từ các mỏ khí đốt tự nhiên, khí có nguồn gốc sinh vật tạo từ sự phân huỷ vật chất hữu cơ và hoạt động của vi sinh ở ngay đáy biển hoặc trong các lớp trầm tích nông, trầm tích đệ tứ. Nói tóm lại là khí có nguồn gốc rất đa dạng tích tụ trong các lớp trầm tích gần đáy biển sâu hay ở các vùng cực, nơi có điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao đều có thể trở thành hydrat.

Những người đầu tiên biết đến hydrat methane trong tự nhiên là những nhà dầu khí Soviet làm việc ở Kazakhstan năm 1929 khi họ phát hiện khí trong ống dẫn biến đổi thành hydrat làm tắc đường ống. Để ngăn ngừa hiện tượng này người ta phải đun nóng đường ống hoặc xử lý khí trước khi bơm ép để loại bỏ các phân tử nước trong dòng khí.

Năm 1946,các nhà khoa học Nga công bố các điều kiện để hydrat methane hình thành và tồn tại ổn định ở các vùng băng giá vĩnh cửu, dựa vào đó để lập chương trình xác định khu vực thăm dò hydrat vùng bắc cực thuộc Liên Xô cũ. Trong tự nhiên, lớp băng này đóng vai trò của một lớp chắn tốt, tạo thành bẫy chứa các tích tụ khí. Khí ở các lớp sâu di chuyển dần lên các lớp trên mặt cũng được chặn lại. Vì nhiệt độ ở đây rất thấp nên các tinh thể hydrat bắt đầu hình thành. Bề dày của tầng hydrat này bị chi phối bởi gradient địa nhiệt và ở vùng địa cực có thể lên đến hàng nghìn mét. Do đó người ta ước tính địa cực bắc có thể chứa đến hàng ngàn tỷ mét khối khí methane và đây là một dự trữ khí đốt khổng lồ mà loài người có thể hy vọng sử dụng trong tương lai.

Năm 1968 các mẫu băng có chứa hydrat được lấy lên từ các giếng khoan nghiên cứu khoa học ở trạm Byrd, phía tây Nam cực (hình 4). Trong các năm thuộc thập kỷ 1970,các nhà khoa học đã phát hiện hydrat methane tồn tại tự nhiên, khối lượng lớn trong các trầm tích biển sâu ở ngoài khơi các rìa lục địa trên khắp thế giới. Gần đây nhất, một số tầu đánh cá đã bắt gặp các khối hydrat ở đáy đại dương. Các tích tụ hydrat nông này thường đi kèm với hiện tượng xuất lộ bong bóng khí và vùng có cột nước biển lạnh như đã gặp ở vịnh Mexico và ngoài khơi Thái Bình Dương. Nói chung các hydrat tồn tại ổn định ở phần nông của trầm tích vùng biển sâu trong khoảng 100 đến 500 m dưới đáy biển. Các tích tụ hydrat lớn đã được phát hiện ở lòng chảo Bắc Alaska (Mỹ), ở vùng tây bắc Canada, ở vịnh Mexico và ngoài khơi biển Nhật bản, Ấn độ, Hàn quốc.Theo một nguồn tin của Trung quốc chưa được kiểm chứng thì nước này cũng đã phát hiện hydrat ở Biển Đông. Tuy nhiên các thông tin về tồn tại hydrat biển sâu do kết quả khoan cung cấp trực tiếp không nhiều, phần lớn là từ kết quả phân tích tài liệu thăm dò địa chấn và từ tài liệu đo địa vật lý giếng khoan hoặc kết quả phân tích các mẫu nước mặn lấy ở đáy biển hoặc hút ra từ các lỗ hổng của đá trầm tích đáy biển. Trong một số lõi khoan chứa sét hoặc cát kết cũng đã bắt gặp các mảnh hydrat xâm tán, nằm xen kẻ với trầm tích.

Một kết luận rất quan trọng đối với các quốc gia có biển là đáy biển sâu rất thuận lợi cho việc hình thành hydrat.Ta biết rằng gradient áp suất ở biển tăng khoảng 1atm/10 mét nước, tức là với độ sâu 500 mét nước biển, áp suất ở đáy biển là 50atm. Nhiệt độ đáy biển ở đây thường thấp dưới 4-5°C. Do vật chất hữu cơ (thực vật và động vật chết) bị phân huỷ nên trầm tích ở đáy biển được bão hoà khí C02, methane, ethane, hydrosunfua… Dưới tác dụng của áp suất trong điều kiện nhiệt độ thấp, hydrat được hình thành trong trầm tích đáy và trầm tích gần đáy biển. Các lớp này lại được phủ bởi lớp trầm tích mới cũng chứa vật chất hữu cơ, đáy biển lại bị lún chìm và chu kỳ hình thành hydrat lại tiếp tục. Ngoài ra một lượng khí đốt ở sâu có thể di cư lên lớp trên mặt gần đáy biển với một khối lượng lớn trên một quy mô không gian rộng do thời gian di cư kéo dài hàng nhiều chục triệu năm và trong tự nhiên không hề có các lớp chắn đặc sít theo nghĩa tuyệt đối. Lượng khí đốt này khi gặp điều kiện thích hợp cũng tạo thành hydrate (hình 3a,b).

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

Hình 3a. Điều kiện tồn tại hydrate methane ở đáy biển

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

Hình 3b. Lát cắt địa chấn tầng chứa hydrat khí

Khí hydrat - nguồn năng lượng tương lai

Mẫu hydrat khí lấy từ ống khoan

Tầng chứa mà trong đó hydrat tồn tại ổn định gọi là HSZ (hydrat stability zone). Hydrat có thể tồn tại dưới lớp HSZ hoặc sâu hơn nữa tuỳ thuộc vào điều kiện vật lý của môi trường. Trong vùng xa địa cực với điều kiện đại dương, khu vực HSZ kéo dài từ đáy biển (trung bình 400-500m nước sâu) tới tầng trầm tích nông nơi mà điều kiện địa nhiệt không thích ứng cho việc hình thành hydrat. Ở vùng băng vĩnh cửu, bề dày HSZ có thể từ 200m tới 1km, nơi nhiệt độ không vượt quá 12°C (hình 3b). Bề dày này gần như ổn định theo phương nằm ngang và áp suất càng cao thì HSZ càng lớn. Hydrat chiếm tỷ lệ phần trăm rất cao trong toàn bộ thể tích không gian rỗng của lớp trầm tích. Vì khối lượng trầm tích ở đại dương rất lớn nên lượng methane cũng rất lớn. Hydrat không phải chỉ tồn tại ở vùng nước rất sâu mà ngay cả trong vùng nước sâu vừa phải.

Minh chứng cho kết luận này là trong vịnh Mexico trong vùng nước ấm (20°C) hydrat đã gặp ở vùng nước sâu trung bình cho đến nước sâu 2.200m. Điều này được giải thích là vì thành phần hoá học của hydrat cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính ổn định của hydrat. Qua kết quả nghiên cứu người ta thấy rằng nếu trộn ethane vào methane thì hydrat khí hỗn hợp này có thể tồn tại trong điều kiện áp suất thấp hơn và nhiệt độ cao hơn so với hydrat thuần methane. Khi có 10% ethane trong khí hỗn hợp thì hydrat ổn định trong điều kiện áp suất 6atm (tương đương mực nước biển sâu 60m) và nhiệt độ 6°C trong khi hydrat thuần methane chỉ ổn định ở mức nước sâu 400m trở xuống (P≥ 40atm). Như đã nói, hydrat phụ thuộc rất nhiều vào áp suất, nhiệt độ nên người ta gọi sự ổn định này là ổn định nửa vời (quasistable). Nếu áp suất không đổi nhưng nhiệt độ tăng hoặc nhiệt độ không đổi còn áp suất giảm, hoặc cả hai thông số này đều biến thiên thì hydrat không còn ổn định.

Số liệu điều tra địa chất biển cho thấy trên sườn thềm lục địa thường gặp các vùng đất lở lớn hướng về phía vùng sâu của đại dương. Điều này làm cho áp suất của thành tạo hydrat thay đổi và khí bị phân ly từ hydrat thoát ra ví dụ như ở vùng bờ Nam Carolia. Trong khu vực có hiện tượng lở đất, tài liệu địa chấn cho thấy không có hydrat trong lát cắt, nhưng trong vùng cạnh đó thì lại có nhiều khối hydrat. Khí hydrat thoát ra hoà tan trong tầng nước phủ làm cho tỷ trọng nước giảm. Hiệu ứng nổi (còn gọi là hiệu ứng phao) của hydrat trong trầm tích bở rời cũng hết sức đáng chú ý. Tỷ trọng của hydrat khoảng 0,8-0,9g/cm3. Nếu tỉ số thể tích của hỗn hợp hydrat đạt đến 70% trong trầm tích thì hiệu ứng nổi sẽ xảy ra. Ginsburg thông báo đã tìm thấy những tinh thể hydrat có kích thước 5×2 x 0,3cm3 trên đáy đại dương có độ sâu 500m nước.

Vì các tinh thể hydrat có thể nổi được nên có thể nói có một lực hydrat khi trầm tích chịu áp suất vượt quá 10atm. Khi trầm tích bị xáo trộn do dòng bùn, các vụ lở đất v.v. thì lực này bị biến thiên, khả năng nổi được của hydrat sẽ giúp các tinh thể hydrat nổi lên xuyên qua lớp nước phủ. Khi lên đến mặt độ sâu có áp suất tới hạn thì tinh thể hydrat bị phân ly, nhả các bọt khí methane, ethane. Các bọt khí tiếp tục đi lên phía trên cho tới mặt biển, tạo ra hiện tượng “sôi”, tức là các bong bóng khí nổi lên tập trung và vỡ ra trong cả một vùng mặt biển. Tỷ trọng nước biển trong vùng này giảm kéo theo khả năng nổi của tàu biển ở đây cũng giảm vì sức đẩy Archimède giảm. Khí thoát ra vào không trung cũng làm giảm tỷ trọng không khí làm cho máy bay bay thấp mất khả năng nâng bổng của nó. Theo McEiver thì điều bí ẩn về các máy bay mất tích ở tam giác Bermuda có thể giải thích bằng hiện tượng này. Hydrat có thể phân ly dưới dạng bùng nổ khi áp suất giảm nhanh hoặc nhiệt độ tăng nhanh. Sự phân ly kiểu này tạo ra những vụ nổ với áp suất đủ mạnh để đào khoét các hố ở đáy đại dương. Điều này cũng giải thích cơ chế hình thành các phễu rộng trên mặt đáy biển (Barent) mà gần đây đã quan sát được cũng như các núi bùn, ống khí, các đám cháy trên biển v.v. ở nhiều nơi khác.

3. Phân bố hydrat trên thế giới

Dự báo trữ lượng hydrat khí trên toàn thế giới nằm trong khoảng 5.102-1,2.106Tcf cho vùng băng vĩnh cửu và 1,1.105-2,7.108Tcf cho trầm tích đáy đại dương (Kven Volden). Một Tcf bằng 28,317 tỷ m3. Như vậy trữ lượng trong trầm tích đại dương chiếm vị trí lớn nhất và cũng có nhiều sai số nhất trong dự báo này. Dự báo trữ lượng trung bình của khí methane trong hydrat toàn thế giới mà nhiều người chấp nhận là 7.105Tcf và chỉ mới được nghiên cứu ở một số nơi. Trên đất liền hydrat ở vùng băng vĩnh cửu chiếm khoảng 2% tổng trữ lượng nhưng lại dễ tiếp cận hơn. Chúng tồn tại như hỗn hợp băng và hydrat băng ở Alaska, Canada, Nga, Đông Siberia. Methane đã được khai thác từ hydrat ở mỏ Messoyakha ở Tây Siberia và khai thác thử từ hydrat ở mỏ Prudhoe Bay (Alaska). Các giếng khoan hydrat ở tam giác châu Mackenzie ở Bắc Canada vào tháng 3/1998, kết quả thử giếng Mallik đạt 150 bcf/km2 khí methane. Một giải hydrat khí được biết rất rõ ở Bhake Outer Ridgen dọc bờ Đông Nam nước Mỹ ở độ sâu nước biển 2,5- 3,5km, chứa hơn một nghìn Tcf methane (trong lúc mức tiêu thụ của Mỹ hiện nay là 20 Tcf/năm).

II. Các vấn đề về thăm dò và khai thác Hydrat

1. Công nghệ

Thăm dò trực tiếp hydrat được tiến hành qua phân tích mẫu nước, mẫu trầm tích đáy biển hoặc mẫu các giếng khoan nông ở các vùng băng vĩnh cửu để phát hiện sự tồn tại của các tinh thể và các túi, các lớp hydrat. Hydrat được thu hồi từ mẫu trầm tích nằm trong khoảng 10 m dưới đáy biển trong trầm tích vịnh Mexico, phần ngoài khơi vịnh California, ở Hắc Hải và biển Okhotsk. Hydrat cũng được thu hồi từ mẫu ở độ sâu dưới đáy biển khá lớn ở dọc bờ Đông Nam của nước Mỹ trên vùng nâng Blake, ở vịnh Mexico, ở bồn trũng Cascadia gần Oregon, ở địa hào Trung Mỹ, ở ngoài khơi Peru và sườn Đông, sườn Tây của Nhật Bản.

Thăm dò gián tiếp được tiến hành nhờ sử dụng phương pháp địa chấn phân giải cao và địa vật lí giếng khoan (carota). Sự có mặt của hydrat khí ở sườn thềm lục địa đã được biết đến qua các dị thường địa chấn phản xạ. Dị thường này trùng với giới hạn pha phản xạ đáy khu vực ổn định của hydrat khí, vì vậy phản xạ này được gọi là BSR (bottom simulating reflection) hay “phản xạ mô phỏng đáy”. BSR thường bắt gặp trên các lát cắt địa chấn biển sâu ở các độ sâu tính từ đáy biển khoảng 10-1000m. Trên các biểu đồ địa vật lí giếng khoan có thể nhận ra hydrat nằm thành lớp trong các mỏ dầu ở vịnh Prudhoe và ở cửa sông Kuparuk cũng như trong 1/5 số giếng khoan ở châu thổ Mackenzie, Bắc Canada và ở các đảo Bắc cực.

Các phương pháp nghiên cứu đánh giá trực tiếp lượng hydrat cũng giống như các phương pháp đang được dùng trong công nghiệp dầu khí. Số liệu thẩm định dựa trên phương pháp phân tích play (phân tích khu vực/ đối tượng/ tập triển vọng) thông qua so sánh một bồn trũng cần nghiên cứu với một bồn trũng cơ sở (bồn trũng đã biết các đặc trưng). Trữ lượng tiềm năng hydrat tại chỗ là tổng trữ lượng địa chất, tức là không tính đến có thu hồi được hay không. Các tích tụ tiềm năng (prospect) được nhóm theo các đặc trưng địa chất của từng play. Tập hợp các tích tụ hydrocacbon sau đó được mô hình hoá.

Các xác suất được gán cho các thuộc tính địa chất (geologic attributes) trong mô hình phản ánh độ tin tưởng về khả năng sinh thành và tích tụ hydrocacbon. Qua đánh giá các play và các kết quả khoan hydrat (khoan tìm kiếm và khoan kiểm tra/thăm dò) người ta chọn vùng triển vọng nhất để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo.

Để khai thác khí từ hydrat ,các nhà khoa học đã đề xuất các phương pháp giải thoát các phân tử khí hydrocacbon ra khỏi các phân tử hydrat, bao gồm:

a. Phương pháp gia nhiệt để tăng nhiệt độ của thành tạo hydrat.

b. Phương pháp giảm áp, đưa áp suất lớp hydrat xuống dưới mức cân bằng để cho hydrat bị phân li.

c. Bơm chất ức chế, ví dụ methanol hay glycol vào lớp chứa để làm giảm độ ổn định của hydrat. Bảng dưới đây trình bày các phương pháp cùng các nhận xét theo các hiểu biết đã đạt được cho đến thời điểm hiện nay:

Các phương pháp khai thác khác nhau
Phương pháp khai thác Quá trình Thách thức và nhận xét
Giảm áp (depressurization)
  • Hydrat phân ly theo áp suất
  • Quá trình thu nhiệt hút năng lượng, giảm nhiệt độ tầng chứa, quá trình đòi hỏi dòng nhiệt từ đá vây quanh chảy vào lớp chứa.
  • Trong điều kiện bình thường quá trinh giảm áp bị hạn chế.
  • Có thể thực thi khi hydrat tạo thành mũ trên lớp chứa hoặc lớp chắn trên lớp khí tự do thông thường.
Gia nhiệt (hơi nước, nước nóng)
  • Hydrat phân ly theo nhiệt độ.
  • Trong hệ kín, lớp chứa chất lượng cao thì cán cân năng lượng có giá trị dương.
  • Mất mát nhiệt cao xảy ra trong lớp chứa và đá vây quanh.Tổn thất nhiệt lớn.
  • Cần quỹ đạo dòng nhiệt có độ dẫn nhiệt cao giữa các giếng cho việc bơm nước nóng/ hơi nước vào giếng.
Bơm chất ức chế – Phân ly hydrat trên các mặt tiếp xúc giữa chất ức chế và hydrat.. -Đắt tiền nhưng nguyên liệu dễ tìm.
– Nhiều khó khăn tạo mặt tiếp xúc dung môi/ hydrat.
Các phương pháp mới
  • Hệ thống khai thác thuỷ lực.
  • Kích thích điện từ.
– Mới ở dạng nghiên cứu lý thuyết.

Các phương pháp kích thích nhiệt sơ cấp đã được phát triển nhiều bằng cách bơm hơi nước hoặc nước nóng vào khu vực chứa hydrat và cho thấy có thể khai thác được lượng methane đủ để được xem là có giá trị công nghiệp nhưng vẫn còn nhiều khó khăn về công nghệ xác định và giữ đường đi của dòng nhiệt khai thác.

Phương pháp giảm áp thử nghiệm năm 2008 tại vùng Mallik (Canada) bằng cách hút nước trong thành tạo chứa hydrat. Quá trình giảm áp được chia thành một số giai đoạn: giai đoạn đầu trong khi hút nước vẫn giữ cho áp suất vỉa chứa hydrat cao hơn áp suất lòng giếng nhằm giữ cho hydrat được ổn định, chưa tách thành khí đốt và nước, phục vụ cho quản lý quá trình giảm áp. Trong các giai đoạn tiếp theo, nước được hút nhanh và nhiều hơn, làm cho áp suất vỉa chứa giảm mạnh, đạt mức thấp hơn áp suất vỉa chứa hydrat. Dưới tác dụng của áp suất giảm mạnh và nhiệt độ tăng, hydrat bị phân rã thành khí methane và nước. Nước được thu gom riêng về mặt đất để xử lý rồi bơm trở lại vào lòng đất qua một giếng bơm ép. Giữa các chu kỳ nước rút và khí phun người ta cho bơm ngưng hoạt động để áp suất tăng và dể đo áp suất, nhiệt độ giúp giám sát và điều chỉnh chế độ khai thác đồng thời để thu gom mẫu khí và mẫu nước. Tóm lại công nghệ khai thác hydrat gần giống với nguyên lý dùng trong công nghệ khai thác khí than hoặc dầu nặng và hiện nay đang được tiếp tục nghiên cứu cải tiến , nâng cấp để hiệu quả kinh tế-kỹ thuật đạt cao hơn.

Phương pháp dùng chất ức chế để phân ly hydrat cũng đang được thử nghiệm, cho thấy thực thi về công nghệ tại thời điểm hiện tại nhưng rất đắt tiền, khó chấp nhận về mặt kinh tế khi phải dùng một lượng lớn methanol, glycol v.v. Hiện nay phương pháp giảm áp được coi là có triển vọng nhất để khai thác khí từ hydrat. Các phương pháp tiến bộ khác chỉ mới đang nghiên cứu lý thuyết.

2. Tình hình nghiên cứu hydrat hiện nay

Tính hấp dẫn của nguồn khí CH4 từ hydrat càng ngày càng tăng do bối cảnh các nguồn năng lượng hoá thạch thông thường sớm muộn cũng đi vào giai đoạn cạn kiệt và các nguồn năng lượng mới lại chưa đáp ứng được nhu cầu. Về mặt khoa học thuần tuý người ta còn cho rằng nghiên cứu hydrat còn có tầm quan trọng trong việc nghiên cứu khí hậu, độ ổn định đáy biển, an toàn trên biển và hàng không.

Mỹ là nước tiến hành nghiên cứu sớm nhất về hydrat khí, họ đã tổ chức được một hội thảo quốc gia đầu tiên về chủ đề này vào đầu năm 1991 do Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), Cục Địa chất Mỹ (USGS) và phòng nghiên cứu hàng hải Washington chủ trì. Từ đó đến nay các nghiên cứu của họ tập trung vào các vấn đề địa chất và các phương pháp khai thác. Ở Mỹ, Hội đồng cố vấn về khoa học và công nghệ của Tổng thống đã đề nghị quốc hội thông qua một dự luật về nghiên cứu và phát triển hydrat methane, mang ký hiệu S330 và đã được chính thức ban hành vào năm 1999 sau khi được Thượng viện Mỹ thông qua ngày 28/1/1999. Từ 1997, Bộ Năng lượng Mỹ đẩy nhanh chương trình nghiên cứu thử nghiệm hydrat khí tại Trung tâm Công nghệ năng lượng liên bang (Federal energy Technology center) ở Morganstown, bang Tây Virginia. Hiện nay chương trình này còn có hai thành viên nữa tham gia là Cục Địa chất Mỹ (USGS) và Bộ Hải quân Mỹ.

Trong các năm qua, các cơ quan nghiên cứu thuộc chính phủ Nhật và Ấn Độ cũng đã đưa ra các chương trình nghiên cứu nhằm thu hồi khí đốt từ hydrat ở đáy đại dương và vùng biển nước sâu. Tổng công ty Dầu khí quốc gia Nhật (JNOC) với sự cấp vốn của Bộ Công thương Nhật (METI) đã đưa ra chương trình nghiên cứu 5 năm để đánh giá tiềm năng hydrat khí trên lãnh thổ và lãnh hải Nhật. JNOC từ năm 1996 đã tiến hành khảo sát từ, trọng lực, địa chấn ở sườn lục địa phía Bắc và phía Đông Nam Nhật Bản. Họ cũng đã khoan một số giếng thử nghiệm hydrat ở trũng NamKai gần Tokyo năm 1999 và các năm sau đó. Khu vực này ước tính chứa 1800Tcf khí methane từ hydrat, do đó METI cho rằng “hydrat methane có thể là nguồn năng lượng nội địa sản xuất trong những thập kỷ tới”. JNOC cũng đã ký hợp đồng hợp tác với Tổng cục địa chất Canada và Tổng cục địa chất Mỹ để khoan thử nghiệm hydrat ở vùng băng vĩnh cửu Mackenzie, Bắc Canada, kết hợp với nghiên cứu địa chất, địa hoá, đo sâu địa chấn thẳng đứng (VSP) và liên kết giếng khoan. Thành viên tham gia chương trình nghiên cứu hydrat do công tỵ thăm dò dầu mỏ Nhật JAPEC chủ trì gồm nhiều công ty Nhật, UGS (Mỹ), Tổng cục Địa chất Canada, Bộ năng lượng Mỹ và một số trường đại học.

Ấn Độ cũng đưa ra một đề án gọi là đề án hydrat khí quốc gia (National gas hydrate Project). Chính phủ Ấn Độ đã thông báo luật đấu thầu thăm dò dầu khí vùng nước sâu trong đó có điều khoản quy định về điều kiện cấp các lô nước sâu hơn 400m dọc bờ đông biển Ấn Độ, từ Madras đến Calcutta. Các minh giải tài liệu địa chấn mới đây cho thấy sự có mặt của hydrat khí trong các lô này. Một vùng được xem là có triển vọng hydrat nằm giữa biển Ấn Độ và Myanmar đã được công bố với trữ lượng địa chất dự báo vượt 200 Tcf. Trong đề án quốc gia nói trên, Ấn Độ dự định sẽ khoan các giếng thử nghiệm hydrat trên các vùng biển Ấn Độ và tuyên bố “Hydrat khí có vai trò tối quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong thế kỷ 21”.

Trung Quốc và khối thị trường chung châu Âu cũng có chương trình nghiên cứu hydrat nhưng cho đến nay không công bố kết quả.

Nước ta có một vùng biển nước sâu rất rộng lớn. Các dấu hiệu nhận biết trên các lớp cắt địa chấn như núi bùn, cột khí, mặt phản xạ mạnh nằm ngay dưới mặt đáy biển sâu có thể liên quan đến sự hiện diện của hydrat khí. Trong nhiệm vụ giải quyết nhu cầu năng lượng cho tương lai dài hạn, đề nghị các cấp quản lý nhà nước nên khởi động một chương trình nghiên cứu nghiêm túc về hydrat để rút ngắn khoảng cách với các nước trong khu vực. Các vấn đề chủ yếu trước mắt mà Nhà nước phải làm song song với việc triển khai các chương trình nghiên cứu hydrat đang tiến hành là công bố bản đồ quyền chủ quyền ở Biển Đông để khẳng định chủ quyền pháp lý các vùng nước sâu; chọn gửi ít nhất vài chục sinh viên, cán bộ dầu khí trẻ đi học, đi thực tập dài hạn về công nghiệp hydrat ở các nước như Mỹ, Nhật, Nga,Canada v.v… thì 5-10 năm nữa mới có chuyên gia làm việc trong lĩnh vực này. Đồng thời với các công việc nói trên cần soạn thảo các văn bản pháp lý và đưa vấn đề nghiên cứu hydrat vào chương trình điều tra tài nguyên cơ bản dài hạn, lồng ghép với các nhiệm vụ cụ thể trong các chương trình thăm dò dầu khí, khoáng sản biển tự lực và hợp tác quốc tế của các đơn vị địa chất, hải dương học và các viện nghiên cứu có liên quan, trang bị cho họ những thiết bị tối cần thiết để có thể thực thi các nhiệm vụ mới mẻ này.

Tương lai của ngành công nghiệp hydrat khí methane của thế giới là rất sáng sủa. Với công nghệ chuyển hóa methane thành nhiên liệu lỏng hiện có cũng như sẽ được nâng cấp, hoàn thiện trong thời gian tới, các nhà khoa học tin rằng hydrat sẽ là nguồn năng lượng khả thi để thay thế dầu khí truyền thống khi loại năng lượng này cạn kiệt, giúp nhân loại có đủ thời gian để tìm ra các nguồn năng lượng mới,tiếp tục đưa nền văn minh của loài người đến những bước phát triển cao hơn.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: Petrotimes

Chia sẻ:

Tin liên quan:

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

1 × 2 =