Có rất nhiều giả thiết về nguồn gốc của các nhiên liệu hoá thạch. Theo giả thiết được chấp nhận nhiều nhất thì các nhiên liệu hoá thạch được thành tạo từ các vật chất hữu cơ (phần còn lại của cây cối hoặc động vật) nén ép trong lòng đất tại áp suất cao trong thời gian dài. Quá trình này được gọi là quá trình thành tạo metan do nhiệt. Tương tự với sự thành tạo dầu, metan sinh ra do nhiệt được tạo thành từ các mảnh vật chất hữu cơ bị bao phủ trong bùn và các trầm tích khác.
Theo thời gian, ngày càng nhiều trầm tích, bùn và các mảnh vụn đá chồng chất trên đỉnh của vật chất hữu cơ. Chúng tạo ra một áp suất rất lớn tác dụng lên vật chất hữu cơ, và nén chặt vật chất hữu cơ lại. Sự nén ép này, kết hợp với nhiệt độ cao tại độ sâu phát hiện dưới lòng đất, đã phá huỷ các cấu trúc cacbon trong vật chất hữu cơ. Càng xuống sâu dưới lớp vỏ Trái đất thì nhiệt độ càng cao. Tại các vị trí có nhiệt độ thấp (các trầm tích nằm nông), thì dầu được sinh ra nhiều hơn so với khí thiên nhiên. Tuy nhiên, tại nơi có nhiệt độ cao hơn thì khí thiên nhiên được sinh ra nhiều hơn, trái ngược với dầu. Đó là lý do tại sao khí mỏ thường đi đồng hành với dầu trong các trầm tích nằm sâu 1 ÷ 2 dặm trong vỏ trái đất. Các trầm tích nằm càng sâu, rất sâu dưới lòng đất, về cơ bản có chứa khí mỏ và trong nhiều trường hợp thì chứa metan nguyên chất.
Khí mỏ cũng có thể được thành tạo qua quá trình vận chuyển các vật chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật. Loại metan này được gọi là metan sinh học. Metanogen, các vi sinh vật sản sinh ra metan, biến đổi hoá học vật chất hữu cơ tạo thành metan. Chúng thường được tìm thấy tại các khu vục gần bề mặt trái đất tại đó có rất ít oxy. Các vi sinh vật này cũng tồn tại trong ruột của hầu hết các loài động vật, trong đó có cả ở con người. Sự thành tạo metan theo phương thức này thường xảy ra gần bề mặt trái đất, và metan sinh ra thường bay vào trong khí quyển. Tuy nhiên, trong những trường hợp nhất định nó có thể bị giữ lại trong lòng đất, và có thể thu hồi được dưới dạng khí mỏ. Một ví dụ về metan sinh học là khí gas từ các bãi đất đắp. Các bãi đất chứa chất thải sinh ra một lượng tương đối lớn khí mỏ nhờ sự phân huỷ các chất thải trong chứa trong đó. Các công nghệ hiện đại cho phép lấy được loại khí này và đưa thêm nó vào danh mục các nguồn cung cấp khí mỏ.
Cách thứ ba trong đó metan (và khí thiên nhiên) được cho là hình thành qua các quá trình tự sinh. Tại độ sâu rất lớn trong vỏ Trái Đất, có chứa các phân tử cacbon và khí gas tự nhiên giàu hydro. Khi các khí này chuyển động hướng lên trên bề mặt trái đất, chúng có thể tương tác với các khoáng vật có trong lòng đất, trong điều kiện không có oxy. Sự tương tác này có thể dẫn đến xảy ra phản ứng hoá học tạo thành các đơn chất và hợp chất gặp nhiều trong khí quyển như N2, O2, CO2, Ar, và hơi nước. Nếu các chất khí này tồn tại dưới áp suất lớn khi di chuyển lên trên bề mặt, chúng có xu hướng tạo thành các tích tụ khí metan, tương tự như metan thành tạo dưới tác dụng nhiệt.
Cũng có nhiều nhà khoa học và chuyên gia bảo lưu lý thuyết “tổng hợp nguồn gốc phi sinh học” của trường phái D.I. Mendeleev. Ông cho rằng, trong thời gian xày ra quá trình tạo đá của nước trượt xuống dưới theo các nứt nẻ, chèn vỏ quả đất. Gặp trong lòng đất với cacbid sắt, nước liên kết với chúng trong phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Từ đó các nhà địa chất giải thích rằng các mỏ khí thường hình thành ở vùng đứt gãy sâu – điều đó tuân theo giả thuyết của Mendeleev.
đề nguồn gốc khí thiên ở đây không phải là vấn đề khoa học trừu tượng, nó có ý nghĩa đối với mọi người. Nguồn gốc khí thiên nhiên đến nay vẫn gây ra nhiều tranh cãi. Nhiều nhà khoa học đã bảo vệ lý thuyết khí mỏ có nguồn gốc sinh học, căn cứ vào đó dầu và khí được hình thành từ các tàn tích của các sinh vật.
Việc phát hiện tầng chứa dầu khí năm 1988 tại mỏ “Bạch Hổ”
không nằm trong các tầng đá trầm tích mà là trong móng granit nhờ sự hình thành các hệ thống khe nứt đã tạo thuận lợi cho các hoạt động biến đổi nhiệt dịch gây nên bởi nhân tổ chính là nước vỉa tồn trữ trong các khe nứt. Lần nữa, dầu và khí có thể tích tụ trong đá, trong đó không có các tàn tích hữu cơ, và từ đó lý thuyết không sinh vật là hoàn toàn có căn cứ.
Đặc tính địa chất-vật lý các mỏ khí thiên nhiên
Khí thiên nhiên và dầu mỏ trong vỏ quả đất tích tụ trong tầng trầm tích và trong đá-collecto, có nghĩa là trong đá rỗng và thấm, có khả năng chứa và thu hồi các chất lưu này khi khai thác.
Thông thường có hai loại đá-collecto: bở rời và nứt nẻ. Phổ biến nhất là collecto bở rời, độ rỗng của chúng là độ rỗng giữa các hạt bé. Collecto bở rời gồm có đá sa thạch-alevrolit, và đá vôi và đolomit.
Collecto bở rời gồm có đá trầm tích cũng như đá phun trào và biến chất. Chúng khác nhau bởi mật độ cao và các khe nứt phát triển theo hệ thống kéo dài khác nhau, sự định hướng và kích thước khác nhau. Độ nứt nẻ có thể liên quan đến đá vôi, đolomit, diệp thạch và sa thạch.
Các thông số quan trọng nhất của đá-collecto là độ rỗng, độ thấm và độ bão hòa của chất lưu. Các thông số này phụ thuộc vào thành phần hạt và bề mặt đơn vị, cũng như các tính chất cơ học và nhiệt của đá. Nghiên cứu các tính chất và thông số collecto nhờ có phương pháp vật lý vỉa (nghiên cứu mẫu lõi), khí động lực ngầm (nghiên cứu giếng khoan) và địa vật lý công trường (minh giải các số liệu địa vật lý).
Phụ thuộc vào các điều kiện thế nằm, các vỉa khí có thể chia ra thành dạng vỉa, khối, trầm tích và lớp chắn kiến tạo. Thân dạng vỉa phổ biến nhất là hình vòm nằm ở phần vòm của cấu tạo nếp lồi. Vỉa dạng khối được tạo thành trong collecto độ dày lớn (đôi khi tuổi và thành phần) và trải bởi nước đáy. Vỉa che phủ trầm tích được tạo thành thông thường trong lớp dày của đá ít thấm, khi trong chúng có các thấu kính rỗng và thấm cục bộ, vùng hang hốc, vv.
Thân vỉa khí vòm được giới hạn bên trên và bên dưới bởi nóc tầng và đáy tầng không thấm. Điểm cao nhất của của vỉa khí gọi là đỉnh, còn bề mặt trực tiếp tiếp xúc với đỉnh – vòm (cung). Chiều dày vỉa – khoảng cách ngắn nhất giữa nóc và đáy. Tầng chứa khí – khoảng cách từ vị trí tiếp xúc khí-nước đến điểm cao nhất của tầng khí. Chia ra đường bao ngoài và đường bao trong của chứa khí, là giao điểm tương ứng với vị trí tiếp xúc khí-nước với nóc và đáy vỉa.
Phụ thuộc vào tính chất của chất lưu bão hòa vỉa, các mỏ khí thiên nhiên được chia ra: mỏ khí, mỏ khí-condensat, mỏ khí-dầu và mỏ khí-condensat-dầu.
Mỏ khí được bão hòa hydrocacbon nhẹ, dãy parafin, không ngưng tụ khi áp suất vỉa giảm. Tất nhiên, hàm lượng metan trong khí của những mỏ này chiếm 94 ÷ 98% về thể tích.
khí-condensat được bão hòa hydrocacbon dãy parafin, trong đó có số lượng khá lớn hydrocacbon từ pentan đến thành phần nặng nhất, được ngưng tụ khi áp suất vỉa thay đổi. Thành phần khí trong những mỏ này thường chứa từ 70 ÷ 90% metan.
Các mỏ khí-dầu có mũ khí lớn và viền dầu. Hàm lượng metan trong khí của các mỏ khí-dầu chiếm 30÷50%.
Các mỏ hidrat-khí trong vỉa sản phẩm thường chứa khí ở trạng thái hidrat rắn.
Mỏ khí-condensat-dầu có lớp dầu. Loại mỏ này lại chia ra mỏ bão hòa một pha và không bão hòa, mỏ hai pha và mỏ «quá nhiệt».
Trong các mỏ bão hòa một pha thì áp suất vỉa ban đầu bằng áp suất bắt đầu ngưng tụ. Khi khai thác những mỏ này các hydrocacbon nặng bắt đầu tách khỏi khí khi đạt đến áp suất bắt đầu ngưng tụ. Đối với những mỏ bảo hòa trong những vỉa như thế khi giảm áp suất đẳng nhiệt thì các hydrocacbon nặng được ngưng tụ.
Trong các mỏ một pha không bão hòa áp suất vỉa ban đầu cao hơn áp suất bắt đầu ngưng tụ. Khi khai thác những mỏ như thế thì các hydrocacbon nặng bắt đầu tách ra khỏi khí chỉ khi đạt đến áp suất ban đầu ngưng tụ. Đối với mỏ một pha không bão hòa còn có những mỏ mà nhiệt độ vỉa trong đó cao hơn nhiệt độ giới hạn ngưng tụ. Do đó khi áp suất thay đổi đằng nhiệt trong mọi giới hạn không xảy ra ngưng tụ.
Mỏ hai pha có áp suất vỉa ban đầu thấp hơn áp suất ban đầu ngưng tụ và một phần hydrocacbon nặng chứa trong vỉa dưới dạng chất lỏng. Khi áp suất giảm đẳng nhiệt các hydrocacbon nặng sẽ tiếp tục ngưng tụ và sau đó bốc hơi ngược. Khi tăng áp suất vỉa đến áp suất bắt đầu ngưng tụ và cao hơn thì những mỏ này có thể sẽ quay lại thành một pha bão hòa hoặc không bão hòa.
Mỏ “quá nhiệt” là những mỏ khí-condensat mà nhiệt độ trong vỉa cao hơn điểm giới hạn. Trong những mỏ như thế không xảy ra sự ngưng tụ hydrocacbon nặng khi không có sự thay đổi áp suất nào. Loại mỏ này rất hiềm khi gặp chúng.
Các chế độ vỉa chứa khí
Sự xuất hiện hình thức chiếm ưu thế năng lượng vỉa trong quá trình khai thác gọi là chế độ vỉa chứa dầu-khí-nước.
Những yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến chế độ là đặc điểm cấu tạo địa chất vỉa và hệ thống áp suất cũng như các tính chất của đá chứa khí và chất lưu chứa trong đó, các điều kiện khai thác mỏ.
Hai chế độ đặc trưng sử dụng cho các mỏ khí và khí-condensat: chế độ khí và chế độ áp lực nước.
Trong chế độ khí , dòng khí chảy vào giếng khoan xảy ra do thế năng giãn nở khí khi giảm áp suất trong vỉa. Do đó nước bao quanh hoặc nước đáy không xâm nhập vào ranh giới vỉa khí, vì thế, có thể cho rằng thể tích khoảng rỗng của vỉa khí thực tế cũng không thay đổi theo thời gian.
Trong chế độ áp lực nước, dòng khí chảy vào giếng khoan xảy ra do sự dịch chuyển nước vỉa trong ranh giới vỉa khí cũng như nhờ năng lượng giãn nở của khí khi áp suất vỉa giảm. Do sự xâm nhập của nước vỉa trong chế độ áp lực nước sẽ làm giảm thể tích khoảng rỗng theo thời gian. Khi thu hồi một lượng khí như thế thì áp suất vỉa trong chế độ áp lực nước sẽ cao hơn so với trong chế độ khí. Cần chú ý rằng khi xem xét chế độ áp lực nước phụ thuộc vào các điều kiện biên vùng cung cấp xung quanh của hệ thống áp lực nước người ta phân chia ra chế độ nước áp lực đàn hồi và chế độ áp lực nước.
Chế độ nước áp lực đàn hồi là khi vỉa khí nằm trong bể áp lực nước kín.
Chế độ nước áp lực là trên vùng bao quanh bể chứa nước duy trì áp suất không đổi, nghĩa là dòng nước trong giới hạn vỉa khí điều hòa bởi sự xâm nhập trong vùng chứa nước.
Mặc dù metan có thể được thành tạo theo nhiều cách khác nhau, nghĩa là cũng có nhiều con đường thành tạo khí thiên nhiên, thì nó vẫn thường được phát hiện bên dưới lớp bề mặt của trái đất. Vì khí thiên nhiên có tỉ trọng thấp nên khi được thành tạo nó sẽ đi lên trên bề mặt trái đất qua những loại đá bở rời rạc, đá phiến sét và các vật chất khác. Hầu hết metan được sinh ra dễ dàng nổi lên trên bề mặt và phân tán vào trong bầu khí quyển.
Tuy nhiên, một lượng lớn metan sẽ đi vào các cấu tạo địa chất có bẫy khí trong lòng đất. Các cấu tạo này được hình thành từ các lớp đá trầm tích rỗng (tương tự như bọt biển, đá này hút khí), với một lớp đá không thấm, chặt hơn ở trên đỉnh. Đá không thấm này lưu giữ khí thiên nhiên dưới lòng đất. Nếu các cấu tạo này đủ lớn, lưu giữ một lượng lớn khí thiên nhiên trong lòng đất, đó được gọi là bể chứa. Kiểu cấu tạo này có một số loại khác nhau, nhưng loại thường gặp nhất được cấu tạo khi đá trầm tích không thấm tạo thành một dạng hình vòm không một chiếc ô giữ tất cả khí thiên nhiên trong đó khi nó trôi nổi đi lên trên bề mặt. Loại cấu này có thể được tạo thành từ nhiều con đường khác nhau. Có thể ví dụ một trường hợp đó là các đứt gãy. Các nứt vỡ luôn là vị trí để cho các lắng đọng dầu và khí cư ngụ. Đứt gãy hình thành khi các lớp đá trầm tích thông thường bị nứt ra theo phương thẳng đứng, nhờ thế, đá trầm tích không thấm di chuyển xuống dưới bẫy khí thiên nhiên trong các lớp cát kết và đá vôi có độ thấm lớn hơn.
Về cơ bản, thành tạo địa chất mà ở đó lớp đá không thấm bao phủ các trầm tích giàu dầu và khí, rỗng hơn thì có khả năng tạo thành một bể chứa. Để đưa được các nhiên liệu hoá thạnh này lên trên bề mặt thành công thì phải khoan một lỗ khoan xuyên qua lớp đá không thấm để giải phóng năng lượng hoá thạch dưới tác dụng của áp suât. Chú ý rằng trong các bể chứa chứa dầu và khí, khí là chất linh động nhất, sẽ được tìm thấy gần bề mặt nhất, với dầu nằm ngay bên dưới, thường có một lượng nước nhất định đi kèm.
Với loại khí thiên nhiên trong lòng đất theo kiểu cấu tạo này, thì có thể khai thác được bằng cách khoan một giếng khoan qua đá không thấm. Khí trong các bể chứa này thường có áp, điều này cho phép nó có thể tự phun lên mặt đất.
Hoahocngaynay.com
Nguồn: Trương Quang/Hải Yến-Viện Công nghệ Khoan
