Điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, phân bố hydrate khí trong tự nhiên
PETROVIETNAM
ĐIỀU KIỆN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH,
PHÂN BỐ HYDRATE KHÍ TRONG TỰ NHIÊN
TS. Lê Văn Bình
Đại học Mỏ - Địa chất
Email: lebinh55@yahoo.com
Tóm tắt
Hydrate khí là nguồn năng lượng tự nhiên sạch rất có tiềm năng trong tương lai. Theo dự báo trữ lượng khí
hydrocarbon chứa trong hydrate khí tự nhiên đạt 7,6 x 1018m3. Do chỉ được thành tạo trong điều kiện nhiệt độ thấp
và áp suất cao nên 98% lượng khí hydrate nằm dưới đáy thềm lục địa và hồ, chỉ 2% ở vùng băng vĩnh cửu trên lục địa.
Trong đó, Canada, Biển Đen, hồ Baikal… là các khu vực có trữ lượng hydrate khí lớn nhất thế giới. Bài báo giới thiệu
các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phân bố hydrate khí trong tự nhiên; trữ lượng và phân bố trữ lượng khí
hydrate trên thế giới.
Từ khóa: Hydrate khí, sự phân bố hydrate khí, trữ lượng khí hydrate trong tự nhiên.
1. Điều kiện và các yếu tổ ảnh hưởng đến sự hình
thành, phân bố hydrate khí
Trong hóa học, liên kết giữa các nguyên tử có 2 thông
số đặc trưng là chiều dài liên kết l và góc α giữa hai liên
kết. Trong liên kết chuẩn, chiều dài liên kết hydro và góc
giữa chúng có giá trị chuẩn: l ≈ 2,7Ao và α ≈ 109,5o phân
tử sẽ bền vững nhất. Độ dài l và góc liên kết α càng khác
với giá trị chuẩn thì càng hao phí năng lượng để tạo nên
cấu trúc và cấu trúc càng kém bền vững. Tuy nhiên, liên
kết hydro là “liên kết mềm” (độ dài và góc liên kết có thể
thay đổi ở mức độ tương đối) nên khi kết tinh các phân tử
nước có thể kết hợp với nhau để tạo thành các tinh thể là
những khối đa diện khác nhau về số mặt, hình dạng mặt,
số cạnh và tương ứng sẽ chứa các khoảng trống khác
nhau về kích thước (Hình 2). Đây là nguyên nhân chính
dẫn đến sự đa dạng về cấu trúc tinh thể nói riêng cũng
như tổ hợp các tinh thể tạo nên cấu trúc hydrate khí nói
chung [9].
1.1. Điều kiện hình thành hydrate khí
1.1.1. Nước chứa khí hòa tan ở mức độ nhất định
Kết quả nghiên cứu lý hóa phân tử cho thấy: các
nguyên tử hydro và oxy trong phân tử nước kết hợp và
phân bố gần như nằm ở đỉnh của tam giác cân. Góc tại
đỉnh có nguyên tử oxy là 109,5o, hai góc còn lại là 37,5o
(Hình 1). Đôi điện tử dùng chung của nguyên tử hydro
và oxy (trong liên kết đồng hóa trị) bị hút lệch về phía
nguyên tử oxy tạo nên tính phân cực cho phân tử. Cực
âm về phía nguyên tử oxy, cực dương về phía nguyên
tử hydro. Hydro trong các phân tử nước có sự “gắn bó”
chặt chẽ với các nguyên tử oxy tạo ra mối liên kết không
chỉ với nguyên tử oxy trong phân tử (liên kết đồng hóa
trị) mà còn tạo mối liên kết tạm thời với các nguyên tử
oxy của các phân tử nước khác, thậm chí nó có thể liên
kết với oxy trong phân tử khoáng chất tạo đá. Do vậy,
các phân tử nước trong tự nhiên luôn“xoay”trong không
gian, sao cho mỗi nguyên tử hydro nằm giữa 2 nguyên
tử oxy. Liên kết giữa 2 nguyên tử oxy của 2 phân tử nước
gần kề, thông qua nguyên tử hydro trung gian tạo ra
mối liên kết hydro giúp cho H2O tồn tại trong trạng thái
lỏng ở điều kiện tiêu chuẩn, tạo ra lớp nước liên kết bao
quanh mặt đá. Do đặc điểm trên, nước có các tính chất
vật lý khác so với hydrua khác nói riêng và các chất lỏng
nói chung như: sức căng mặt ngoài lớn, nhiệt dung cao
nhất ở điều kiện tiêu chuẩn, khả năng truyền nhiệt lớn
nhất, khả năng hòa tan rất lớn, hằng số điện môi lớn,
nhiệt hóa hơi cao.
Công thức chung của hydrate khí là:
M.nH2O
Trong đó:
M: Phân tử khí tham gia tạo hydrate;
n: Chỉ số hydrate khí (số phân tử nước tương ứng với
1 phân tử khí, thường dao động trong khoảng n = 5,75
- 17). Ví dụ: quan sát thực tế chỉ ra các khí hydrocarbon
tạo hydrate khí với tỷ lệ: CH4 x 7H2O; C2H6 x 12H2O; C3H8 x
17H2O [1].
Từ công thức chung có thể nhận thấy để tạo
thành hydrate khí phải cần một lượng lớn nước. Theo
V.I.Ermonkin, khi trong khoang trống của đá không đủ
lượng nước cần thiết, chỉ một phần khí nằm trong cấu trúc
hydrate, phần còn lại vẫn tồn tại trong trạng thái khí “tự
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
67
DẦU KHÍ THẾ GIỚI
do”. Trong khoang trống tồn tại đồng thời 2 pha: pha rắn
là hydrate khí nằm bao quanh, pha khí nằm giữa khoang
trống [5]. Khi lượng nước trong tích tụ vừa đủ, toàn bộ khí
tham gia vào thành phần hydrate khí, khi nước thừa sẽ có
một số ngăn trống không được lấp đầy bởi phân tử khí.
các điều kiện hình thành hydrate khí bền vững là nước
phải có chứa lượng khí hòa tan nhất định.
1.1.2. Nhiệt độ thấp
Nước chỉ kết tinh ở nhiệt độ thấp. Ở điều kiện áp suất
tiêu chuẩn trên mặt đất (P = 1at) nước kết tinh ở nhiệt độ
4oC song trong điều kiện áp suất cao, khi chứa nhiều khí
hòa tan, nước có thể kết tinh ở nhiệt độ cao hơn nữa. Tuy
nhiên, phần lớn khí tự nhiên có nhiệt độ tới hạn (Hình 3).
Nếu các khoang trống trong tinh thể hydrate không
được lấp đầy bởi các phân tử khí thì tinh thể hydrate không
bền về nhiệt động, dễ bị phá hủy. Điều kiện tối thiểu để
cấu trúc ổn định là > 70% tổng số ngăn phải được lấp đầy
(tỷ lệ các ngăn trống được lấp đầy càng cao thì hệ hydrate
khí càng bền vững). Điều này giải thích vì sao một trong
Nhiệt độ tới hạn tạo hydrate của một loại khí - là nhiệt
độ cao nhất còn có thể tạo ra hydrate của khí đó. Nếu nhiệt
độ môi trường vượt quá giá trị tới hạn thì dù có tăng áp suất
lên mức rất cao cũng không thể tạo ra hydrate khí.
Hydro
Điện tử
Các khí có kích thước phân tử nhỏ CH4, O2, N2, Ar, Kr, Xe
(d < 0,4n.m) thường không có nhiệt độ tới hạn và gần như
chỉ tham gia lấp đầy các khoảng trống nhỏ tạo hydrate
khí hệ cấu trúc CS-I (bền vững nhất là hệ cấu trúc chứa
khoảng trống có kích thước tương đồng với kích thước
phân tử khí nằm trong đó). Trong tự nhiên, khí chứa trong
hydrate khí hệ cấu trúc CS-I chủ yếu là khí methane.
Oxy
Các khí có kích thước lớn tham gia tạo hydrate khí các
hệ cấu trúc CS-II; TS và HS đều có nhiệt độ tới hạn:
- С3Н8 - Tt.h = 8,8oC dưới áp suất P ≈ 4аt;
- C2H6 - Tt.h =14,8oC dưới áp suất P = 80аt,
- Н2S - Tt.h = 29,5oC dưới áp suất P = 21аt.
+H+
+H+
109,50
1000
O
9,9 - 10Ao
N2
Hình 1. Cấu trúc phân tử nước
H2S
Phân tử methane
100
Liên kết
hydro
CH4
C4H10
C3H8
10
Nguyên tử
hydro
C2H6
iC4H10
1
Nguyên tử
oxy
-10 -5
0
5
10 15 20 25 30
Nhiệt độ ToC
Hình 2. Tinh thể hydrate methane
Hình 3. Đồ thị nhiệt áp tạo hydrate một số loại khí
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
68
PETROVIETNAM
Từ đồ thị nhiệt áp tạo hydrate khí (Hình 3) có thể thấy
vai trò của nhiệt độ là quan trọng nhất, khi nhiệt độ tăng
lên theo tuyến tính thì áp suất tăng theo tỷ lệ logarite
(hàm số mũ).
Ở cùng điều kiện áp suất, khi kích thước phân tử khí
tăng nhiệt độ tạo hydrate khí cũng tăng, ví dụ: dưới áp
suất P = 0,1аt nhiệt độ tạo hydrate của СН4 là T = -78,6oC,
С2Н6 là T = -31,4oC, С3Н8 là T = -11,5oC.
Trong số các khí hydrocarbon, do độ đàn hồi của khí
methane cao (khả năng và xu hướng quay trở lại tồn tại
ở trạng thái khí khi bị hòa tan hay hóa lỏng dưới áp suất
cao) nên khi tỷ phần khí methane trong hỗn hợp khí càng
cao, điều kiện hình thành hydrate khí yêu cầu nhiệt độ
càng thấp và áp suất càng cao.
1.1.3. Áp suất cao
Độ bền vững của tinh thể hydrate khí quyết định bởi
lực tương tác Van der Waals giữa các phân tử nước “chủ”
và các phân tử khí“khách”nằm bên trong khuôn tinh thể.
Ở điều kiện nhiệt độ thấp, nước đóng băng tạo tinh thể
có chứa ngăn trống, song rất “xốp” và ngăn trống không
chứa phân tử khí, không tạo hydrate khí. Khi áp suất tăng
cao ép các phân tử lại gần nhau, với khoảng cách nhỏ
hơn bán kính Van der Waals của một nguyên tử hay phân
tử (bán kính của một hình cầu tưởng tượng, được dùng
để mô hình hóa cho nguyên tử hay phân tử đó, là khoảng
cách giữa các cặp nguyên tử hay phân tử khi giữa chúng
không còn tương tác) - lực tương tác Van der Waals giữa
các phân tử nước và các phân tử khí gia tăng đáng kể,
“nhốt” các phân tử khí vào trong ngăn trống dẫn đến
hình thành hydrate khí. Trước đây, khi nghiên cứu sự hình
thành hydrate khí trong điều kiện áp suất không cao (P
< 2kbar) người ta nhận thấy: trong một ngăn trống chỉ
chứa không quá một phân tử khí và các khí có bán kính
Van der Waals nhỏ như hydro, helium, neon không thể
tạo hydrate khí. Hiện nay, khi nghiên cứu sự hình thành
hydrate khí trong điều kiện áp suất cao thì thấy không
những các khí có bán kính Van der Waals nhỏ có thể
tham gia tạo hydrate khí mà trong một ngăn trống có
thể“nhốt”2 phân tử khí với kích thước không lớn. Những
điểm trên chứng tỏ vai trò quan trọng của áp suất trong
hình thành hydrate khí.
Nghiên cứu thực tế cho thấy khí hydrocarbon tham gia
vào quá trình tạo hydrate khí chủ yếu là khí methane sinh
hóa do: (i) các tích tụ hydrate khí chỉ có thể hình thành và
tồn tại trong điều kiện nhiệt độ và áp suất ở nửa phần trên
của đới biến đổi sinh hóa của vật chất hữu cơ (H < 1.500m; T
< 55 - 60oC), nơi hình thành chủ yếu khí methane sinh hóa và
dioxide carbon từ phân hủy vật chất hữu cơ do tác động của
vi khuẩn và men vi sinh; (ii) khí nhiệt (chủ yếu là methane,
hình thành do cracking kerogen trong đới biến đổi địa hóa
vật chất hữu cơ) chỉ có thể di chuyển từ dưới lên trên với
lượng hạn chế, tập trung trong các đới đứt gãy, khe nứt).
1.2.2. Độ khoáng hóa và thành phần hóa học của nước vỉa
Nước tinh khiết có thể kết tinh ở nhiệt độ T = 4oC dưới
áp suất khí quyển, song khi nước có chứa các chất hóa học
nói chung và các muối vô cơ (độ khoáng hóa) nói riêng thì
nhiệt độ kết tinh của nước đòi hỏi thấp hơn. Điều này dẫn
đến: trong điều kiện tương tự, độ khoáng hóa của nước
tăng thì nhiệt độ tạo thành hydrate khí cần giảm hơn nữa.
1.2.3. Yếu tố địa chất
Trong tự nhiên, dưới lớp trầm tích hydrate khí chỉ tồn
tại bền vững ở khoảng độ sâu nhất định. Trạng thái tồn tại
ổn định (trạng thái pha) của hydrate khí phụ thuộc nhiệt
độ và áp suất. Đới trầm tích có nhiệt độ, áp suất thuận tiện
cho thành tạo hydrate khí bền vững trong vỏ trái đất được
gọi là “đới hydrate khí ổn định”.
1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phân bố
hydrate khí
1.2.1. Thành phần khí
Có nhiều loại tinh thể hydrate khí và tương ứng có
nhiều loại khoang trống chứa trong các tinh thể, các tinh
thể khác nhau kết hợp tạo nên các hệ cấu trúc tinh thể cơ
bản CS-I; CS-II; HS và TS [10]. Trong mỗi hệ cấu trúc có từ
2 - 3 loại tinh thể có chứa các ngăn trống với kích thước
khác nhau. Các hệ cấu trúc chỉ thực sự bền vững khi các
ngăn trống phải được lấp đầy bởi các phân tử khí (> 70%).
Như vậy, để tạo hệ cấu trúc hydrate khí bền vững nhất, khí
phải đa dạng về thành phần.
Đới hydrate khí ổn định thường được xác định trong
mặt cắt bằng phương pháp phân tích đồ hình (chồng đồ
thị đường cong thành tạo hydrate lên đường cong phân
bố nhiệt độ và áp suất theo độ sâu (Hình 4).
Do đới hydrate khí ổn định chỉ tồn tại trong khoảng
nhiệt độ và áp suất tương thích nên chiều dày của đới này
trong tự nhiên phụ thuộc vào các đặc điểm địa chất:
Phần lớn khí tự nhiên (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S,
iC4H10...) tạo được hydrate khí, song chủ yếu là hydrate
methane và dioxide carbon.
- Do đặc điểm hình thành hydrate khí của methane,
nên khi hàm lượng methane tăng sẽ làm giảm độ dày của
đới ổn định hydrate khí.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
69
DẦU KHÍ THẾ GIỚI
- Gradient địa nhiệt tăng cao dẫn đến “sự nâng” lên
của đáy đới ổn định hydrate khí và làm giảm chiều dày
đới ổn định hydrate khí. Ngược lại, khi gradient địa nhiệt
giảm, đáy đới ổn định hydrate khí“hạ”xuống và chiều dày
đới ổn định hydrate khí tăng lên.
nguyên, song nhiều nhà khoa học khác lại cho rằng quan
điểm trên chỉ có tính lý thuyết còn kinh nghiệm quan
sát thực tế lại nhận thấy hàm lượng vật chất hữu cơ tỷ lệ
thuận với tốc độ trầm tích và “hiệu ứng làm loãng” chỉ có
tác dụng khi tốc độ trầm tích quá cao [6]. Khi trầm tích lục
nguyên giàu vật chất hữu cơ nằm trong đới biến đổi sinh
hóa (Sedimentogenes và Diagenes), dưới tác động của vi
khuẩn và men vi sinh tạo ra lượng lớn khí hydrocarbon,
chủ yếu là methane, nguồn vật liệu thiết yếu để tạo
hydrate methane.
- Trên đất liền, khi nhiệt độ bề mặt tăng, độ dày đới
tạo băng vĩnh cửu trên bề mặt giảm (nhiệt độ tăng và áp
suất giảm trong đới đất đá bề mặt) làm giảm chiều dày đới
ổn định hydrate khí.
- Khi gradient nhiệt trong nước biển và gradient địa
nhiệt không thay đổi, độ sâu đáy nước tăng, sẽ làm giảm
nhiệt độ đáy nước, gia tăng áp suất trong đới đất đá bề
mặt dẫn đến sự “nâng” cao của nóc đới ổn định hydrate
khí, làm tăng chiều dày của đới này và ngược lại. Điều này
có ý nghĩa lớn khi đới ổn định hydrate khí hoàn toàn nằm
trong phạm vi trầm tích dưới đáy nước có chứa nhiều khí
hòa tan.
- Có ý kiến cho rằng tích tụ hydrate khí tự nhiên
có thể hình thành khi không có tầng chắn và bản thân
hydrate khí là tầng chắn rất tốt. Song, theo tác giả tầng
chắn là điều kiện không thể thiếu cho hình thành tích
tụ hydrate khí trong tự nhiên vì để tạo hydrate khí ngoài
nhiệt độ thấp đòi hỏi nước chứa lượng khí hòa tan nhất
định, trong điều kiện nhiệt độ thấp khí chỉ có thể hòa tan
nhiều vào trong nước chỉ khi áp suất đạt giá trị cao nhất
định, trong điều kiện đó nếu không có tầng chắn khí sẽ di
thoát hết mà không hòa tan nhiều vào nước. Tầng chắn
tạo điều kiện cho khí và nước tích tụ, là những nguồn vật
liệu thiết yếu ban đầu cho thành tạo tích tụ hydrate khí
tự nhiên.
- Độ khoáng hóa tăng đòi hỏi nhiệt độ đóng băng
của nước giảm, làm giảm độ dày đới ổn định hydrate khí.
- Khi đi sâu vào lòng đất nhiệt độ tăng lên, vượt quá
giá trị tới hạn về nhiệt độ làm cho hydrate khí không thể
tồn tại.
Khoáng thể hydrate khí tạo ra trong phần mặt cắt
trầm tích có thể tiếp xúc: phía trên với tích tụ khí hoặc
tầng đá chắn, bên dưới với nước vỉa, dầu, khí hoặc khí
condensate.
- Nghiên cứu thực tế cho thấy phần lớn các tích tụ
hydrate khí tự nhiên nằm trong khu vực trầm tích được
lắng đọng với tốc độ cao. Điều này hoàn toàn hợp lý. Mặc
dù theo Simcus và Trimonis, do ảnh hưởng của “hiệu ứng
làm loãng” của nguồn vật liệu trầm tích hàm lượng vật
chất hữu cơ cũng như hàm lượng carbonate trong trầm
tích tỷ lệ nghịch với tốc độ lắng đọng các trầm tích lục
1.2.4. Yếu tố địa lý
Trong tự nhiên nhiệt độ trên bề mặt trái đất phụ thuộc
vào vĩ độ, những điều kiện phù hợp cho sự hình thành và
bảo tồn hydrate khí thường tồn tại trong các tập trầm tích
nông hoặc nằm ngay bên dưới lớp băng vĩnh cửu thuộc
các vùng cực, ở đáy hồ hoặc biển (Hình 5) có độ sâu đáy
nước hơn 500m ở các vùng có vĩ độ trung bình hoặc thấp
và ở chiều sâu từ 150 - 200m tại các vùng vĩ độ cao.
0
10
20
30
40
T (oC)
Nhiệt độ
nước biển
Nóc đới ổn định hydrate khí
500
Ranh giới pha
hydrate khí
Vùng biển Bắc Cực tồn tại 2 đới thành tạo hydrate khí:
(i) vùng nước nông gần bờ, nơi phân bố các trầm tích dưới
lớp băng vĩnh cửu chứa ít hydrate khí; (ii) vùng nước sâu
(trên sườn dốc lục địa) là nơi có điều kiện lý tưởng cho sự
hình thành hydrate.
1.000
1.500
Nhiệt độ trầm
tích đáy biển
2. Trữ lượng và phân bố trữ lượng khí hydrate trên
thế giới
Đáy đới ổn định hydrate khí
Theo đánh giá của các nhà khoa học, lượng khí
hydrocarbon (chủ yếu là khí methane) chứa trong hydrate
khí tự nhiên đạt 1,8 x 1014 - 7,6 x 1018m³ [11]. Theo Iu.A Diain
và A.L Gusin - Đại học Tổng hợp Novoxibirxk, trữ lượng
Trầm tích bão hòa nước
và khí hòa tan
H
(m)
Hình 4. Sơ đồ biểu diễn đới tồn tại ổn định của hydrate khí trong trầm tích biển
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
70
PETROVIETNAM
hydrocarbon này tạo năng lượng lớn gấp 2 lần
năng lượng được tạo ra từ tổng trữ lượng nhiên
liệu hóa thạch có trên hành tinh [4]. Nếu khai thác
được, chỉ 10% lượng khí trên cũng đã gấp 2 lần
lượng khí khai thác từ các nguồn truyền thống.
Cơ quan tài nguyên thiên nhiên Canada cho rằng
trữ lượng hydrate khí có thể đáp ứng 100% nhu
cầu năng lượng của thế giới trong 2.000 năm.
Trữ lượng của hydrate khí ở Canada được xem
là nhiều nhất thế giới, tiếp theo là Liên bang Nga,
Mỹ, Ấn Độ, Nhật Bản, Trung Quốc [2, 4]. Tinh thể
khí hydrate tích tụ tại biển châu Á được đánh giá
có chất lượng tốt nhất với hàm lượng khí methane
tới 99%.
Giám đốc Viện băng quyển (Criosfera)
Triumen Vladimir Menhicov tổng hợp kết quả
nghiên cứu hydrate khí của các nhà khoa học thế
giới đã nêu: có 98% lượng khí hydrate nằm dưới
đáy hồ sâu và biển, chỉ 2% nằm trong trầm tích
bên dưới băng vĩnh cửu trên lục địa.
Hình 5. Các phát hiện hydrate khí trên thế giới [7]
Theo dự báo của các nhà khoa học, các tích
tụ hydrate khí phân bố hầu như khắp nơi dọc
theo bờ các biển sâu, đại dương (Hình 5). Những
nơi hydrate khí phong phú nhất trên thế giới là
Siberia, các vùng biển Đông Bắc Á, biển Trung
Quốc, thềm lục địa Nhật Bản (đặc biệt là phía
Đông), Bắc biển Đông, vùng lục địa phía Bắc Mỹ,
Bắc Alaska, New Zealand... [2, 4].
Dựa vào điều kiện thành tạo và bảo tồn của
hydrate khí, phân tích chế độ nhiệt động khu vực
và tổng hợp các phát hiện trên thế giới, các nhà
khoa học cho rằng trong mặt cắt địa chất các mỏ
hydrate khí tự nhiên chỉ có thể tồn tại ở phần trên
của vỏ trái đất.
Hình 6. Hydrate khí trên đáy hồ Baikal - Nga [4]
- Khu vực băng giá vĩnh cửu ở độ sâu 100 -
1.100m dưới mức nước biển (130 - 2.000m tính từ
bề mặt), thường là h > 300m
- Đáy thềm và sườn lục địa với Tđáy nước ≈ 2 -
4oC vĩ độ Bắc, độ sâu đáy biển h > 300m, vĩ độ
Nam h > 600m, thậm chí có thể tồn tại ở đáy đại
dương thế giới
Đến nay, các nhà khoa học đã phát hiện 3
điểm phát lộ của hydrate khí trên đáy nước ở: vịnh
Mexico; ven biển Vancover và tại điểm núi lửa
phun bùn Saint-Petersburg dưới đáy hồ Baikal.
Tại hồ Baikal với độ sâu đáy nước tới 1.640m
Hình 7. Hydrate khí trong trầm tích đáy hồ Baikal - Nga [3]
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
71
DẦU KHÍ THẾ GIỚI
và nhiệt độ tương ứng khoảng 3,3oC, hydrate khí nằm ở độ
sâu 350m, đôi chỗ phát lộ trên đáy hồ (Hình 6, 7) [4]. Theo
dự báo hydrate khí có thể chiếm 70% diện tích đáy hồ. Năm
2009, tàu lặn “mir” phát hiện cả hydrate khí trên mặt trầm
tích đáy hồ và đã lấy được mẫu hydrate khí từ độ sâu 150m.
Theo cisoilgas.com ngày 8/4/2012, bằng các phương
pháp thăm dò địa chấn và khoan tìm kiếm trên các vùng
băng vĩnh cửu và ven rìa lục địa đã phát hiện trên 200 điểm
có phát hiện hydrate khí. Tuy nhiên, phần lớn các phát hiện
chỉ căn cứ vào dấu hiệu trên mặt cắt địa chấn, tài liệu đo địa
vật lý giếng khoan hoặc mẫu lõi được bảo tồn nhiệt áp. Các
phát hiện quan trọng (xác định số lượng, diện tích phân bố
cũng như chiều dày vỉa chứa hydrate khí; đã khai thác thử
hoặc khai thác công nghiệp) không nhiều: mỏ Mallik trên
đồng bằng Mackenzie ở Tây Bắc Canada; mỏ PrudoBei trên
sườn Bắc Alaska, Mỹ; mỏ Nankai ở sườn Đông Nam Nhật
Bản; mỏ Messhoyakha ở Tây Bắc Siberia và đáy hồ Baikal
của Liên bang Nga.
Hình 8. Mỏ hydrate khí Mallik trên đồng bằng Mackenzie, Canada [3]
Giếng 7
Giếng 121
Giếng 150
Giếng 109
Giếng 142
Canada là quốc gia có trữ lượng hydrate khí lớn nhất
thế giới. Các chuyên gia dầu khí đánh giá miền đồng bằng
sông Mackenzie (Tây Bắc Canada) là khu vực được đầu tư
nhiều nhất để tìm kiếm, thăm dò hydrate khí. Trong giai
đoạn 1998 - 2002, Tập đoàn khoa học sản xuất Canada
khoan giếng khoan khảo sát Mallik và 3 giếng khoan thăm
dò ở đồng bằng sông Mackenzie (Hình 8) đã phát hiện đới
phân bố hydrate khí. Trên cơ sở nghiên cứu địa vật lý giếng
khoan và mẫu lõi đã phân định 3 vỉa chứa hydrate khí A, B
và C với tổng chiều dày 130m trong khoảng độ sâu 890 -
1.108m. Chương trình hợp tác quốc tế lớn nhất trên thế giới
về hydrate khí được thực hiện theo các giai đoạn tại đồng
bằng sông Mackenzie - Bắc Canada [3].
Khí
Ranh giới BSR
Nước vỉa
Hydrate khí
Sét
Cát kết
Hình 9. Hydrate khí nằm phủ trên tích tụ khí trong khu vực mỏ Messhoyakha [2]
Liên bang Nga có tiềm năng lớn về dầu mỏ và đặc biệt
là khí. Viện Nghiên cứu Khoa học về khí Liên bang Nga đánh
giá ít nhất có 30% diện tích lãnh thổ Liên bang Nga có điều
kiện thuận lợi cho việc hình thành hydrate khí. Tổng trữ
lượng khí chứa trong hydrate trên lục địa và thềm lục địa
thuộc chủ quyền của Liên bang Nga đạt 1015m3, riêng vùng
thềm lục địa Siberia có khoảng 540 tỷ m3. Trữ lượng khí đốt
tự nhiên của Liên bang Nga còn đủ dùng trong 200 - 250
năm nữa.
Biển Nhật Bản
Theo thông tin của RIA Novosti, khi khảo sát đáy biển
Okhot và biển Nhật Bản các nhà khoa học quốc tế Nga, Nhật
Bản và Hàn Quốc đã phát hiện 2 mỏ hydrate khí mới: 1 mỏ
nằm trên sườn trũng Kurin, miền Nam biển Okhot; 1 mỏ
nằm trên sườn dốc đảo Sakhalin, eo Tatar của biển Nhật Bản.
Bể Nankai
Mỏ hydrate khí Messhoyakha nằm ở vùng phía Bắc của
Tây Siberia (Hình 9) được phát hiện năm 1968 và bắt đầu
Hình 10. Bể Nankai Đông Nam Nhật Bản, nơi tìm thấy hydrate khí
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
72
PETROVIETNAM
và dự kiến đưa vào khai thác công
nghiệp từ năm 2017 [12; 13]. Tháng
2/2007, Nhật Bản công bố đã phát
hiện hydrate khí trong trầm tích đáy
biển vùng Nigata. Khảo sát dò tìm
bằng siêu âm cho thấy có khoảng
7.000 tỷ m3 methane hydrate dưới
lòng biển quanh Nhật Bản [8].
Lượng methane hydrate này có thể
đủ để cung cấp một lượng khí đốt
cho Nhật Bản dùng trong 100 năm.
TRUNG QUỐC
VIỆT NAM
THAILAND
PHILIPPINES
MALAYSIA
Trữ lượng hydrate khí ở vùng
biển phía Đông Hàn Quốc được ước
INDONESIA
tính khoảng 600 triệu tấn, có thể
đáp ứng nhu cầu khí đốt tự nhiên
của nước này trong khoảng 30 năm.
Hàn Quốc đã phát hiện và chiết tách
được hydrate khí ở vùng lãnh thổ đại dương phía Đông,
phía Đông Bắc Tp. Pohang. Seoul hy vọng nguồn nhiên
liệu thay thế này sẽ giúp làm giảm được sự phụ thuộc của
nước này vào dầu mỏ nhập khẩu.
Hình 11. Các điểm đã phát hiện có tiềm năng hydrate khí ở Biển Đông [8, 9]
khai thác từ năm 1969. Đây là mỏ đầu tiên trên thế giới
khai thác khí từ hydrate mang tính thương mại. Theo ước
tính ban đầu mỏ chứa xấp xỉ 109m3 khí, nhưng đến nay
lượng khí khai thác từ hydrate đã đạt trên 5 x 109m3 khí
(36% tổng lượng khí khai thác từ mỏ). Trong khu vực trên
đã phát hiện hơn 60 mỏ khí hydrate, chứa khoảng 22 x
1012m3 khí.
Năm 2007, Trung Quốc lần đầu tiên phát hiện hydrate
khí ở Nam bồn trũng Châu Giang, nơi độ sâu nước biển
1.500m, trong trầm tích dưới đáy biển 200 - 250m tồn
tại đới hydrate dày đến 25m. Cuối tháng 9/2009, Trung
Quốc đã phát hiện trữ lượng lớn băng cháy (methane
hydrate) trong lòng đất tỉnh Thanh Hải và cao nguyên
Tây Tạng, có thể cung cấp năng lượng cho Trung Quốc
trong vòng 90 năm.
Bộ Năng lượng Mỹ đã phối hợp với Chevron Texaco
Corp. đã tìm ra nhiều mỏ khí methane hydrate ở vịnh
Mexico và Alaska. Theo đánh giá của các nhà địa chất Mỹ,
trữ lượng khí trong hydrate tại vùng Alaska là 66,6 x 1012m3;
vịnh Mexico 1,03 x 1012m3. Trên vùng Prudo Bei - Kyparuc
River sườn Bắc Alaska đã có 50 giếng khoan phát hiện 6 vỉa
cát chứa hydrate khí ở độ sâu từ 210 - 950m [2].
Philippines đã phát hiện được dấu hiệu hydrate khí
trong trũng sâu nằm dọc đới hút chìm Tây Manila [8, 9].
Indonesia xác định diện tích rộng lớn có triển vọng về
hydrate khí dọc các đới hút chìm Sumatra và Borneo [8, 9].
Malaysia phát hiện được hai khu vực rất có tiềm năng về
hydrate khí là Andeman và Sabah [8, 9].
Biển Đen được xem là“mỏ”hydrate lớn nhất hành tinh
với trữ lượng CH4 tới 20.000 - 25.000 tỷ m3. Tại đây đã xác
định được tọa độ của hơn 150“ngọn đuốc khí”ở độ sâu 60
- 650m, trường phun khí ở một số nơi cao tới 2km, phân
bố ở vùng biển của Romania, Gruzia, Bulgaria, Ukraine và
Liên bang Nga. Có nơi ở đáy biển Gruzia lượng khí phun
ra đo được 170.000m3/m2/ngày đêm. Biển Đen là nguồn
năng lượng gần như không cạn, đủ dùng cho 64.000 năm.
Vì vậy các quốc gia ở gần Biển Đen (Liên bang Nga, Đức,
Pháp và Hy Lạp) rất quan tâm tới đối tượng này.
3. Kết luận
Hydrate khí chỉ được hình thành khi nước có chứa khí
hòa tan ở mức độ nhất định trong điều kiện nhiệt độ thấp
và áp suất cao. Ngoài ra, sự hình thành và phân bố hydrate
khí trong tự nhiên còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
như: thành phần cấu tử khí hòa tan, đặc điểm lý hóa phân
tử, nguồn cung cấp khí, đặc điểm địa chất, đặc điểm địa lý,
độ khoáng hóa của nước, độ sâu đáy nước…
Trong giai đoạn 1999 - 2004, Nhật Bản khoan 38
giếng khoan tìm kiếm - thăm dò trên phạm vi bể trầm
tích Nankai trong khoảng độ sâu đáy biển 720 - 2.033m
(290m dưới đáy biển) và khẳng định sự tồn tại của 3 lớp
hydrate khí với tổng chiều dày 16m trong cát đáy biển
(Hình 10). Giai đoạn tiếp theo là nghiên cứu, khai thác thử
Theo đánh giá của các nhà khoa học trong và ngoài
nước, biển Đông Á nói chung và Biển Đông nói riêng có
tiềm năng hydrate khí rất lớn. Đặc biệt, hydrate khí ở Biển
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
73
DẦU KHÍ THẾ GIỚI
Đông có chất lượng tốt do hàm lượng methane cao. Điều
này đã được chứng minh bằng các phát hiện hydrate
khí trong các trũng ven biển Philippines, Indonesia và
Malaysia…
7. Keith A.Kvenvolden. Gas hydrates - Geological
perspective and global change. Reviews of Geophysics.
1993; 31(2): p. 173 - 187.
8. Nguyễn Thành Vạn, Trần Văn Trị. Một số thông tin
về điều tra địa chất hydrate khí. Tạp chí Địa chất. 2007; 301.
Tài liệu tham khảo
9. Nguyễn Đức Thắng, Đỗ Tử Chung, Cao Thị Mai.
Tiềm năng hydrate khí trên Biển Đông. Hội thảo chuyên
đề “Hydrate khí - Nguồn năng lượng của tương lai và các
phương pháp nghiên cứu”. 2009.
1. В.А.Чахмахчев. Геохимические исследования
и методы при поисках и разведке нефти и газа.
Издательство Нефти и газ РГУ нефти и газа им И.М
Губкина. Москва. 2002.
10. Lê Văn Bình. Cấu trúc hydrate khí. Tạp chí Dầu khí.
2012; 8: trang 31 - 35.
2. С.Коллет, Р.Льюис, Т.Учида. Растущий интерес к
газовым гидратам. Журнал Нефтегазовое Обозрение.
Москва. 2001; 2.
11. B.A.Соловьев. Природные газовые гидраты как
потенциальное полезное ископаемое. Росссийский
химический журнал. 2003; 3.
3. S.R.Dallimore, T.S.Collett, T.Uchida. Scientific results
from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 gas hydrate research
well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada.
Geological Survey of Canada. 1999; 544.
12. Hideaki Takahashi, Yoshihiro Tsuji. Japan explores
for hydrates in the Nankai trough. Oil and Gas Journal.
9/5/2005.
4. Ю.А.Дядин, А.Л.Гущин. Газовые гидраты.
Соросовский образовательный журнал. 1998; 3.
13. Hideaki Takahashi, Yoshihiro Tsuji. Japan drills,
logs gas hydrate wells in the Nankai trough. Oil and Gas
Journal. 9/12/2005.
5. A.A.Бакиров и друтие. Геология и геохимия
нефти и газа. Издательство Недра. Москва. 1993.
6. Хант Дж. Геология и геохимия нефти и газа.
Издательство Мир. Москва. 1982
Conditions and other factors affecting gas hydrate
generation and distribution in nature
Le Van Binh
Hanoi University of Mining and Geology
Summary
Gas hydrate is a greatly promising source of clean natural energy in the future. According to the statistics, the hydro-
carbon reserve in gas hydrate reaches 7,6 × 1018m3. Since gas hydrate forms only in low temperature and high pres-
sure environments, 98% of gas hydrate reserves lie on the bottom of continental shelves and lakes. Canada, Black
Sea and Lake Baikal are considered the largest hydrate reserve regions in the world. The article presents the factors
affecting the formation and distribution of gas hydrate in nature as well as the reserves and distribution of gas hy-
drate in the world.
Key words: Gas hydrate, gas hydrate distribution, reserves of gas hydrate in nature.
DẦU KHÍ - SỐ 3/2015
74
8 trang
16/04/2022
3360
Bạn đang xem tài liệu "Điều kiện và các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành, phân bố hydrate khí trong tự nhiên", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- dieu_kien_va_cac_yeu_to_anh_huong_den_su_hinh_thanh_phan_bo.pdf
