GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN MỚI CỦA NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH

1. Khí than - nguồn khí đốt đang phát triển

Khí than là khí đốt có thành phần chính là methane được khai thác từ các vỉa than đá. Khí than hình thành trong quá trình than hóa và tồn tại trong vỉa than đá ở dạng khí tự do, hòa tan trong nước vỉa hay hấp thụ trên bề mặt của than matrix. Do đó vỉa than đá có thể được coi vừa là nguồn sinh và vừa là vỉa chứa khí than. Điều này rất khác với các vỉa khí đốt thông thường vì khí đốt trong các vỉa thông thường di chuyển đến từ nguồn sinh ở sâu hơn và có thể ở xa nơi vỉa chứa. Vỉa khí than có độ rỗng và độ thấm rất thấp. Tuy nhiên do phần lớn khí than hấp thụ trên bề mặt của than matrix nên độ rỗng không mang tính quyết định dung lượng khí than tồn tại trong vỉa. Để khai thác khí than, khu vực quanh giếng khoan được gia tăng độ thấm bằng kích vỉa thủy lực để khí than có thể chảy vào giếng dễ dàng hơn. Nước vỉa được khai thác trước để giảm áp suất vỉa. Khi đó, do áp suất vỉa giảm, khí than hấp thụ trên than matrix sẽ được giải phóng, chảy vào giếng khai thác và lên mặt đất.

13.1.1. Lịch sử khai thác và tiềm năng của khí than

Vào giữa thế kỷ 16, người ta nhận biết sự hiện diện của khí methane trong các hoạt động khai thác than đá. Năm 1810, vụ nổ hầm than đá đầu tiên ở Hoa Kỳ được báo cáo là do khí methane. Mãi tới năm 1973, các giếng thử nghiệm được khoan vào vỉa khí than ở tiểu bang PennsylvaniaAlabama. Năm 1977, khí than được sản xuất thương mại từ bể San Juan, Hoa Kỳ. Tiếp theo sau, các quốc gia nhiều tiềm năng than đá như Úc và Canada cũng đã sản xuất khí than thương mại. Hiện nay đã có khoảng 36 nước trên thế giới đang có các hoạt động nghiên cứu, thử nghiệm hoặc khai thác khí than.

Riêng tại Hoa Kỳ, vào năm 2003 có khoảng 20000 giếng đang sản xuất 1600 tỉ bộ khối khí than mỗi năm. Trữ lượng khai thác được của khí than được ước tính chiếm khoảng 6-14% tổng trữ lượng khí đốt có thể khai thác được tại nước này. Tiềm năng khí than dự đoán của một số quốc gia khác trên thế giới như Trung Quốc là 1060-2800 nghìn tỉ bộ khối, ở Nga là 600-2800 nghìn tỉ bộ khối và tại Canada là 1287 nghìn tỉ bộ khối[i]. Để hình dung sự to lớn của con số này, ta có thể so sánh với khoảng 200 tỉ bộ khối khí mà tập đòan BP cung cấp cho dự án Phú Mỹ vào năm 2005[ii] .

13.1.2. Một vài đặc tính của vỉa khí than

Vỉa khí than hay nói cách khác vỉa than đá là vỉa nứt nẻ tự nhiên. Điều này có nghĩa là ngoài độ rỗng và thấm của các matrix, các cấu tạo nứt nẻ cũng có độ rỗng và thấm riêng. Do đó vỉa khí than có tính độ rỗng kép và độ thấm kép.

Matrix của than có cấu tạo chủ yếu là thành phần hữu cơ và có hệ thống các micropore tạo thành độ rỗng cho matrix. Đường kính của các micropore thường nhỏ hơn 100 Angstroms nên matrix có độ rỗng và thấm rất kém. Tuy nhiên do khí than hấp thụ trên bề mặt của micropore, thành phần rỗng khá nhỏ của matrix không chỉ là nơi duy nhất chứa khí than. Người ta tính rằng diện tích bề mặt của micropore có thể vào khoảng 100-400 m2/gram matrix[iii]. Do đó matrix có khả năng hấp thụ khí than rất lớn. Trong thực tế, vào khoảng 80-90% khí than trong vỉa được hấp thụ bởi matrix[iv]. Khí than được hấp thụ vật lý trên bề mặt của micropore bởi những lực hấp dẫn (Van der Waals) khá yếu. Khả năng hấp thụ khí than phụ thuộc vào điều kiện áp suất, nhiệt độ và thành phần cấu tạo hữu cơ của matrix. Thể tích của khí than có trong vỉa thường gia tăng với độ sâu của vỉa (Hình 13.3) và phụ thuộc vào các yếu tố như thể tích khí hình thành lúc ban đầu và sự di chuyển của khí vào hay ra khỏi vỉa than trong suốt quá trình thay đổi địa chất trong quá khứ.

Hệ thống nứt nẻ tự nhiên của vỉa khí than liên kết với nhau tạo ra đường chảy cho khí than từ matrix tới giếng trong quá trình khai thác. Các nứt nẻ này có độ thấm cao nhưng thường có khả năng chứa đựng khí than thấp. Nguyên nhân là độ rỗng do các nứt nẻ tạo ra vào khoảng 2% và thường lấp đầy bởi nước vỉa và khí than bão hòa.

13.1.3. Cơ chế vận chuyển của khí trong vỉa và một vài công đoạn liên quan trong khai thác

Để khai thác số khí than hấp thụ trong matrix, áp suất vỉa cần phải được giảm tới mức thấp nhất có thể đạt được. Khi áp suất của vỉa giảm, khí than hấp thụ trên bề mặt của micropore sẽ được giải phóng thành khí tự do. Khí than tự do sẽ khuyếch tán từ micropore sang hệ thống các nứt nẻ và chảy vào giếng khai thác (Hình 13.4).



Áp suất của vỉa được hạ thấp bằng cách trước tiên khai thác nước có trong vỉa. Nước vỉa thông thường bão hòa bởi khí than, do đó khí than bão hòa sẽ được tách khỏi nước vỉa trên mặt đất trước khi nước vỉa được xử lý và thải ra môi trường. Ở các quốc gia phát triển, nước vỉa được xử lý kỹ lưỡng để đảm bảo không gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống. Sau giai đoạn khai thác nước vỉa, lượng khí than khai thác sẽ đạt được mức ổn định và tối đa trong một thời gian trước khi bước vào thời kỳ giảm sút sản lượng (Hình 13.5).

Do độ thấm tương đối thấp của các vỉa khí than, một vài kỹ thuật hoàn thiện giếng được áp dụng cho các giếng khai thác nhằm gia tăng sản lượng và tỷ lệ thu hồi khí. Tùy vào từng trường hợp cụ thể, một vài kỹ thuật như open hole, cavitation, kích vỉa thủy lực và khoan ngang có thể làm tăng độ thấm xung quanh giếng hay diện tiếp xúc của vỉa với giếng.

13.1.4. Tương lai phát triển của ngành khí than

Với xu hướng gia tăng sử dụng khí đốt, khí than sẽ đóng góp rất lớn vào lượng khí đốt ở các quốc gia có tiềm năng than đá. Những vấn đề kỹ thuật đang được phát triển như phương pháp xác định lượng khí trong mỏ và lượng khí có thể thu hồi cho mục đích đánh giá kinh tế, các kỹ thuật hoàn thiện giếng, thử giếng sẽ giúp ngành khí than có khả năng cạnh tranh cao. Kỹ thuật khai thác khí than ở các vỉa khí than sâu cũng đang được nghiên cứu và thử nghiệm vì tiềm năng khí than ở các vỉa than sâu là rất lớn. Kết hợp kỹ thuật bơm khí CO2 vào vỉa nhằm tăng sản lượng khí than thu hồi đồng thời giúp giải quyết vấn đề hiệu ứng nhà kính do khí thải công nghiệp CO2 gây ra.

13.2. Công nghệ cô lập địa chất khí thải công nghiệp CO2

Các khí nhà kính được công nhận rộng rãi là các khí cacbon đioxit (CO2), metan (CH4), nitơ oxit (NOx), hơi nước, ozon (O3), halo cacbon (CFCs, HFCs, PFCs) và hexa florit (SF6). Khí nhà kính tồn tại trong bầu khí quyển có thể từ một trong hai nguồn gốc: tự nhiên và nhân tạo. Ví dụ, trong tự nhiên CO2 có thể được tạo ra bởi quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và hơi nước là do sự bốc hơi tự nhiên của nước. Trong khi đó các hoạt động của con người như đốt nhiên liệu hóa thạch, phá rừng, thay đổi việc sử dụng đất và một số hoạt động nông nghiệp gây ra sự hình thành nhân tạo của một số các khí này. Các khí nhà kính cản trở các tia hồng ngoại phản xạ từ bề mặt trái đất ra không gian. Do đó chúng đóng vai trò lưu giữ nhiệt trên mặt đất. Ở mức độ tự nhiên, các khí nhà kính giữ trái đất đủ ấm cho cuộc sống của con người và động thực vật. Tuy nhiên, nếu mức tập trung của chúng trong bầu khí quyển tăng cao do các hoạt động của con người thì trái đất sẽ nóng lên. Sự nóng lên của trái đất dẫn đến thay đổi khí hậu toàn cầu lâu dài. Một số hậu quả của sự thay đổi này là:

§ Mực nước biển trung bình dâng cao gây lục lội và có thể xóa sổ các vùng đất thấp.

§ Giảm lượng sản xuất lương thực trong một số khu vực.

§ Tàn phá hệ sinh thái.

§ Tạo điều kiện lan truyền các mầm mống bệnh.

Trong số các khí nhà kính, khí CO2 có trên 60% ảnh hưởng trên hiện tượng nóng lên của trái đất. Trong tổng số khí CO2 tạo ra bởi hoạt động của con người thì khoảng một phần ba tạo thành từ nhà máy nhiệt điện, lọc dầu, khí đốt, xi măng và luyện kim. Những nhà máy này sử dụng nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng hay nhiên liệu thô. Khí thải CO2 công nghiệp từ chúng là mục tiêu chính của các nghiên cứu cô lập địa chất khí CO2.

13.2.1. Kỹ thuật cô lập địa chất khí thải công nghiệp CO2

Bao gồm 3 công đoạn chính: tách CO2 từ hỗn hợp khí thải công nghiệp, vận chuyển CO2 đến khu vực có các cấu trúc địa chất thích hợp và bơm CO2 vào các cấu trúc ấy (Hình 13.6).

Trước tiên CO2 phải được tách từ hỗn hợp khí thải công nghiệp bằng các công nghệ như hấp thu hóa học, hấp thu vật lý, làm đông dưới áp suất cao hay màng lọc. Sau giai đoạn này thông thường vẫn còn có một phần hơi nước trong khí CO2. Do hỗn hợp CO2 và hơi nước mang tính axit và ăn mòn các thiết bị bằng thép, hơi nước được tách ra để chỉ còn khí CO2 khô và một phần nhỏ các tạp chất khí khác. Khí CO2 khô sẳn sàng cho vận chuyển và bơm vào các cấu trúc địa chất.

Để thuận lợi cho quá trình vận chuyển bằng đường ống thép, khí CO2 thường được nén thành dạng lỏng. Do đó khí CO2 có thể được nén đến 80-170 áp suất khí quuyển trước khi đi vào đường ống dẫn. Tùy thuộc vào chiều dài của đường ống và địa hình, có thể cần một số trạm tăng áp trên đường ống. Với lưu lượng 26.000 tấn CO2/ngày thì có thể cần một đường ống có đường kính khoảng 0,5m.

Đầu cuối của đường ống là nơi có các giếng bơm tương tự như giếng bơm khí hay nước trong ngành dầu khí. Các giếng này được khoan xuống các cấu trúc địa chất sâu khoảng trên 800 m. Các cấu trúc địa chất có thể là vỉa dầu khí đã ngưng khai thác và không còn giá trị kinh tế, vỉa nước ngầm mặn không sử dụng được hay vỉa than đá sâu không khai thác được. CO2 sẽ theo các giếng bơm vào các cấu trúc địa chất này và ở lại đấy đến hàng triệu năm. Cấu trúc địa chất được khảo sát kỹ lưỡng về khả năng chứa đựng và những phản ứng hóa học nếu có của CO2 trong vỉa. Vỉa dầu khí đã ngưng khai thác là thích hợp nhất vì áp suất vỉa thấp, kiến thức địa chất của vỉa được nắm vững và CO2 có thể đã từng tồn tại trong vỉa trước đây nên không phải quan tâm nhiều đến phản ứng hóa học của CO2 trong vỉa. Vỉa nước ngầm mặn có nhiều nhất trong lòng đất nên là đề tài nghiên cứu chính ở các quốc gia công nghiệp. Vỉa than sâu có khả năng hấp thụ CO2 khá cao tuy nhiên do độ thấm thấp nên cần phải khoan nhiều giếng và tốn kém. Tốc độ bơm CO2 vào vỉa dầu khí cạn kiệt hay nước mặn có thể khoảng trên 3.000 tấn CO2/giếng/ngày. Trong khi đó tốc độ bơm vào các vỉa than đá sâu có thể dưới 50 tấn CO2/giếng/ngày. Chương trình nghiên cứu và phát triển công nghệ khí nhà kính thuộc cơ quan năng lượng quốc tế (IEA Greenhouse Gas R&D Programme) ước tính khả năng chứa đựng CO2 trên thế giới của các vỉa nước ngầm mặn là khoảng 400-10.000 x 109 tấn CO2, của các mỏ dầu khí đã cạn kiệt là 900 x 109 tấn CO2, của các vỉa than sâu không khai thác được là trên 15 x 109 tấn CO2.

Về mặt kỹ thuật, công nghệ này có thể thực hiện được vì:

§ Kỹ thuật tách CO2 từ khí thải công nghiệp hay khí đốt đã được sử dụng rộng rãi.

§ Các công ty khai thác dầu khí đã tiến hành dẫn khí CO2 đến các mỏ dầu và bơm xuống các vỉa dầu nhằm tăng cường sản lượng dầu khai thác từ hơn 40 năm.

§ Khí CO2 tồn tại tự nhiên dưới các cấu trúc địa chất hàng triệu năm nay do đó chứa CO2 dưới các cấu trúc địa chất được cho là an toàn.

§ Các dự án nghiên cứu đang tiến hành thử nghiệm chứa CO2 trong các vỉa nước ngầm mặn ở sâu dưới lòng đất với các kết quả khả quan.

13.2.2. Kinh tế dự án cô lập địa chất khí thải công nghiệp CO2

Đối với các nhà máy nêu trên đang thải khí CO2 công nghiệp thì cô lập địa chất khí CO2 đồng nghĩa với việc thay đổi một số công đoạn trong nhà máy, đầu tư thêm trang thiết bị tách khí CO2, nén khí CO2, xây dựng đường ống dẫn, khảo sát địa chất và khoan giếng bơm. Chi phí cho việc tách khí CO2 vào khoảng 20-70 USD/tấn CO2. Số lượng khí càng lớn hay phần trăm CO2 trong hỗn hợp khí thải càng lớn thì chi phí trên mỗi tấn CO2 càng thấp. Chi phí cho phần còn lại vào khoảng 5-25 USD/tấn CO2. Số lượng khí càng lớn, chiều dài đường ống càng ngắn hay vỉa có áp suất thấp độ thấm cao thì chi phí càng thấp. Nhìn chung, các nhà nghiên cứu cho rằng chi phí hiện nay cho công nghệ cô lập địa chất là vào khoảng 40-60 USD/tấn CO2 (Hình 13.7). Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu giảm chi phí bằng cách tối ưu hóa công nghệ tách CO2, tìm tòi công nghệ mới, thiết kế các nhà máy nhiệt điện mới cho phù hợp với việc tách CO2 hay tối ưu hóa địa điểm xây nhà máy nhiệt điện mới dựa trên yếu tố nguồn nhiên liệu, thị trường điện và địa điểm chứa khí CO2 trong lòng đất.



Riêng đối với các dự án phát triển khí đốt trong ngành dầu khí thì chi phí có thể rất thấp. Lý do là CO2 mặc nhiên phải được tách khỏi khí đốt trước khi khí đốt đến nơi tiêu thụ nên chi phi tách CO2 đã được tính vào giá sản xuất khí đốt rồi. Hơn nữa nơi tách khí CO2 có thể rất gần các cấu trúc địa chất. Nếu mỏ khí đốt có 25% CO2 thì chi phí cô lập địa chất CO2 có thể tăng giá thành khí đốt lên khoảng 3-10%.

13.2.3. Cô lập địa chất khí thải công nghiệp CO2 là một giải pháp hữu ích

Nghị định thư Kyoto đã có hiệu lực và các quốc gia có nền công nghiệp phát triển phải giảm mức thải CO2 chung của họ vào giai đoạn 2008-2012 xuống khoảng 5,2% dưới mức của năm 1990. Đây là một thách thức lớn vì từ năm 1990 đến 2010 thì có thể các quốc gia này đã tăng lượng thải CO2 đáng kể. Ví dụ tại Úc, mặc dù được đặc cách ở mức 8% trên mức của năm 1990, nhưng theo ước tính thì năm 2010 thì họ phải giảm 25% mức thải CO2 của năm đó để có thể đạt được mục tiêu đề ra. Đây là một trong những lý do khiến Úc, một nước xuất khẩu quặng mỏ và có công nghiệp điện phụ thuộc vào than đá, rất do dự trong việc tham gia nghị định thư Kyoto. Tuy nhiên với công nghệ cô lập địa chất khí CO2 các nhà nghiên cứu đang cố gắng thuyết phục chính phủ này khả năng thực thi mục tiêu nghị định thư Kyoto đề ra mà vẫn có thể duy trì việc sử dụng nguồn than đá dồi dào cũng như sản xuất và suất khẩu quặng mỏ.

Theo ước tính của các nhà nghiên cứu thì với việc áp dụng công nghệ thu hồi CO2 giá thành sản xuất điện từ các nhà máy nhiệt điện vẫn còn thấp hơn một số nguồn năng lượng khác nếu giá than đá và khí đốt dưới 3 USD/Gj (Hình 13.8). Đó là chưa nói tới những yếu điểm hiện nay của các nguồn năng lượng khác này như quy mô cung cấp điện nhỏ hơn và bất ổn định.


Vậy, trong tương lai gần vài chục năm hay xa hơn trước mắt, cô lập địa chất khí CO2 là giải pháp hữu ích vì những lý do sau:

§ Khả năng giảm được khí CO2 với khối lượng lớn và đạt được mục tiêu nghị định thư Kyoto đề ra.

§ Tiếp tục khai thác nguồn nhiên liệu hóa thạch rẻ tiền và dồi dào so với các nguồn năng lượng khác đang có trên thị trường.

§ Tạo một bước đệm thời gian và tài chính cho các nghiên cứu phát minh nhằm giảm giá thành cho các loại năng lượng khác hay tìm ra nguồn năng lượng mới.



Chú thích

[i] Charles M. Boyer II, Coalbed methane – a developing source of natural gas, Schlumberger, 2003

[ii] http://www.bp.com.vn/

[iii] Ertekin, T., Sung W., and Schwerer, F.C.: “Production Performance Analysis of Horizontal Drainage Wells for the Degasification of Coalbeds,” SPE 15453,1986.

[iv] Meng et al, Why low permeability and and how does it affect coalbed methane supply in coal seam in China, SPE 37382, 1996.


Tài liệu tham khảo

1. Andy Rigg and John Bradshaw. The GEODISC Program Research into Geological Sequestration of CO2 in Australia. Proceeding of the Fifth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, CSIRO Publishing, 2001.

2. BP Exploration Vietnam Website: http://www.bp.com.vn/

3. David G. Hill, Changing perception of coalbed methane reservoirs, SPE distinguished lecturer series.

4. Duy Nghia Nguyen. Carbon Dioxide Geological Sequestration: Technical and Economic Reviews. SPE81199, SPE/EPA/DOE Exploration and Production Environmental Conference, San Antonio, Texas, U.S.A., 10–12 March 2003.

5. Duy Nghia Nguyen and Guy Allinson. CO2 Geological Storage Economics. The Sixth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Kyoto, Japan, 2002.

6. IEA Greenhouse Gas R&D Programme web site: http://www.ieagreen.org.uk

7. Charles M. Boyer II, Coalbed methane – a developing source of natural gas, Schlumberger, 2003

8. Ertekin, T., Sung W., and Schwerer, F.C.: “Production Performance Analysis of Horizontal Drainage Wells for the Degasification of Coalbeds,” SPE 15453,1986.

9. Meng et al, Why low permeability and and how does it affect coalbed methane supply in coal seam in China, SPE 37382, 1996.

10. United Nation Environment Programme (UNEP) and United Nation Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). Climate Change Information Kit. July 2002.Nguyễn Duy Nghĩa

No comments:

Post a Comment