VINPA

Ở phương Tây có câu ngạn ngữ "Không thể lấy máu từ đá" dùng trong các ngữ cảnh không thể xảy ra, giống như gặp phải những con nợ mất khả năng trả nợ. Chắc chắn là không thể vắt máu ra từ trong đá. Thế còn vắt dầu từ đá thì sao?

Trong bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu về đá phiến có chứa dầu, khí. Tiếp theo đây, chúng ta cùng tìm hiểu xem con người đã làm thế nào để chiết xuất dầu từ lớp đá trầm tích nằm sâu dưới lòng đất hàng kilômét.

"Con người ngày càng bẩn hơn" là cụm từ mà tạp chí Time mô tả về điều đáng buồn là thế giới đang sử dụng năng lượng ngày càng kém hiệu quả.

Tuy nhiên, trước khi đi vào chi tiết, chúng ta cũng nên biết thêm về một số thuật ngữ đang trở nên phổ biến hiện nay. Chẳng hạn, "dầu khí phi truyền thống" (Unconventional oil, gas) là dầu khí thông thường nằm trong đá chứa chặt sít, đặc biệt là trong các loại đá rắn chắc, đá phiến sét, đá sét, than đá (CBM) hoặc dưới dạng hydrate. "Dầu/ khí chặt" (tight oil/ gas) - thường nói về dầu khí nhẹ trong đá rắn chắc (đá phiến sét) để phân biệt với "shale oil/ gas" là các loại dầu khí khác nhau chứa trong đá phiến dầu (oil shale).

Theo Wikipedia, đá phiến dầu là một loại đá trầm tích hạt mịn giàu chất hữu cơ và chứa một lượng lớn kerogen (một hỗn hợp các hợp chất hữu cơ rắn) có thể chiết tách các loại hydrocacbon lỏng. Kerogen đòi hỏi cần phải xử lý nhiều hơn để có thể sử dụng được so với dầu thô, các quá trình xử lý tốn nhiều chi phí so với sử dụng dầu thô cả về mặt tài chính và tác động môi trường. Nói cách khác, để biến đổi kerogen trong đá phiến dầu thành dầu thô tổng hợp phải qua quá trình nhiệt phân hóa học ở một nhiệt độ đủ cao, đến 500 độ C trong điều kiện không có oxy.

Quá trình chiết xuất dầu từ đá phiến dầu.

Trữ lượng đá phiến dầu trên thế giới là rất lớn. Ước tính trữ lượng toàn cầu đạt khoảng 2,8 đến 3,3 ngàn tỷ thùng có thể thu hồi. Tuy nhiên, khó khai thác và chi phí khai thác đắt đỏ nên đá phiến dầu không phải là nhân vật chính làm nên cuộc cách mạng dầu, khí đá phiến hiện nay. Thay vào đó là đá phiến sét.

Đá phiến sét là đá trầm tích hạt mịn giàu chất hữu cơ và khí mà các thành nguyên gốc của nó là các khoáng vật sét hay bùn. Nó được đặc trưng bằng các phiến mỏng bị phá vỡ bằng nếp đứt gãy cong không theo quy luật, thường dễ vỡ vụn và nói chung là song song với mặt phẳng đáy khó phân biệt được. Ở trong các lớp chặt sít (tight) đó có chứa dầu và khí. Tuy nhiên, loại dầu khí này không thể tự chảy vào lòng giếng khai thác với lưu lượng có giá trị kinh tế và trữ lượng dầu ở các mỏ là rất khác nhau, kể cả ở khoảng cách rất ngắn trong cùng một mỏ.

Theo đánh giá của Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA) công bố tháng 8/2013, Nga là nước có trữ lượng dầu đá phiến sét lớn nhất thế giới, tiếp đến là Mỹ, Trung Quốc... Người ta cho rằng tổng trữ lượng dầu đá phiến sét thế giới khoảng 13 lần lớn hơn so với dầu mỏ thông thường. Ở mức tiêu thụ hiện tại, các nguồn tài nguyên năng lượng này sẽ là đủ cho 300 năm khai thác liên tục.

Thực tế từ nhiều năm trước đây, việc khai thác dầu khí từ đá phiến sét khó khăn và đắt đỏ hơn nhiều so với việc chọc ống khoan vào các mỏ dầu sẵn có dưới đáy biển. Bởi vì công việc ở đây đúng theo nghĩa đen: phải "vắt đá ra dầu".

Khi đề cập đến khai thác dầu khí từ đá phiến sét, không thể không nói đến công nghệ nứt vỡ thủy lực (hydraulic fracturing hay fracking) và khoan ngang (horizontal drilling).

Công nghệ nứt vỡ thủy lực không phải là mới. Nó đã được các công ty năng lượng Mỹ sử dụng ở quy mô thương mại bắt đầu từ năm 1946 ở Kansas. Mô tả một cách ngắn gọn là người ta trộn nước, cát và hóa chất bơm vào lỗ khoan với áp lực cực mạnh, làm đá nứt gãy ra thành các lỗ hổng để hút dầu, khí trong đá lên. Dầu khí sau đó được tách lọc trên mặt đất bằng những phương pháp tương tự như đã áp dụng với dầu khí truyền thống. Đến năm 2002, công nghệ fracking bắt đầu sang giai đoạn mới khi kết hợp với công nghệ khoan ngang, nứt vỉa thủy lực nhiều giai đoạn và bơm vật chèn đáy bằng các hạt alumisilicat.

Sơ đồ quy trình chiết xuất dầu khí từ đá phiến sét

Theo Livescience, quá trình fracking bắt đầu với một giếng khoan là mũi khoan khoan thẳng xuống độ sâu từ 1,6-3,2 km, hoặc có thể hơn. Sau đó, giếng thẳng đứng này được được bọc bằng thép hoặc xi măng để đảm bảo không có bất kỳ nguy cơ rò rỉ nào vào nước ngầm.

Một khi giếng thẳng đứng đạt độ sâu tới lớp đá có dầu khí tự nhiên, mũi khoan sẽ cua góc khoảng 90 độ và bắt đầu khoan ngang các lớp đá. Khoan ngang có thể kéo dài đến 1,6 km kể từ góc cua từ giếng thẳng đứng.

Sau khi giếng đã được khoan và bọc xong, dung dịch fracking được bơm xuống giếng với áp lực cực cao, trong một số trường hợp vượt 612 atm (áp lực trong môi trường bình thường là 1 atm). Áp lực này đủ mạnh để làm nứt gãy đá xung quanh, tạo ra các vết nứt, kẽ hở để dầu và khí có thể lưu thông.

Dung dịch được bơm vào giếng để làm nứt đá có nước chiếm tỷ lệ chính, phần còn lại là hóa chất và phụ gia. Các phụ gia có thể bao gồm chất tẩy rửa, muối, a-xít, rượu, dầu nhờn và các chất khử trùng.

Ngoài nước và phụ gia hóa chất, người ta còn bơm các "prosppants" như cát, hạt gốm vào giếng khoan. Các prosppants này được bổ sung để giữ/tăng thể tích kẽ nứt liên thông trong đá chứa dầu hoặc khí để dầu khí có thể tiếp tục lưu thông tự do khỏi các khe đá nứt ngay cả khi áp lực bơm đã rút.

Một khi đá dưới lòng đất bị đập gãy và proppants được bơm vào, dầu khí trong đá được giải phóng và được hút trở lại mặt đất cùng với hàng triệu gallon dung dịch "chảy ngược lại".

Dung dịch này chứa nước và một số chất gây ô nhiễm, gồm chất phóng xạ, kim loại nặng, các hydrocarbons và chất độc khác. Chính vì vậy, việc khai thác dầu đá phiến bị các tổ chức bảo vệ môi trường phản đối mạnh mẽ và thậm chí còn gọi đó là "dầu bẩn".

Thông thường, đối với khai thác dầu thì chỉ cần gây đứt gãy thủy lực một lần, còn khai thác khí cần phải gây đứt gãy nhiều lần.

Dưới đây là video mô phỏng quá trình "vắt đá ra dầu":

Trong bài viết tới, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cuộc cách mạng dầu khí đá phiến đã đưa Mỹ trở thành quốc gia sản xuất dầu khí lớn nhất thế giới, vượt cả các "đại gia" dầu khí truyền thống như Ả rập Xê út, Nga, Venezuela... Điều gì khiến cho Mỹ "vắt đá ra dầu" với giá thành rẻ, sản lượng lớn như vậy? Trong khi các chuyên gia Nga tin rằng không thể có cuộc cách mạng dầu đá phiến do chi phí khai thác tương đối cao và tốn kém hơn nhiều so với khai thác dầu truyền thống bất kể tiến bộ công nghệ.