DẦU ĐÁ PHIẾN LÀ GÌ?

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.

Vậy dầu đá phiến là gì? Nó được khai thác như thế nào? Công nghệ nào đã tạo ra cuộc cách mạng dầu đá phiến?… Chúng tôi sẽ lần lượt giải đáp ngay dưới đây.

Dầu đá phiến là gì?

Do quá phụ thuộc vào công nghệ dựa trên các thành phẩm từ dầu mỏ (như xăng, gas, dầu nhớt, dầu hỏa, nhựa tổng hợp…) nên các nguồn khai thác phi truyền thống đã được xem xét và tìm kiếm. Một trong số những nguồn năng lượng dự trữ chưa được khai thác thương mại chính là đá hóa dầu dùng để tinh chế dầu đá phiến. Nguồn tài nguyên này chủ yếu là lượng dầu mỏ bị kẹt lại ở thể rắn trong hình dạng các khối đá.

Theo Science/HowStuffWorks, hơn một trăm triệu năm trước, một khu vực rộng lớn của vùng biển đã cắt ngang lục địa Bắc Mỹ về hướng đông và hướng tây. Tại đây, sau khi mực nước biển hạ xuống, vùng biển này đã biến mất và để lại một mảnh đất phì nhiêu mênh mông với những đồng cỏ xanh tươi mơn mởn. Các vi sinh vật thời kỳ Kỷ đệ tam (Tertiary-period) sinh sôi nảy nở, sống và chết tại đây đã bị hóa thạch. Hàng triệu năm trôi qua, những tàn tích này dưới áp lực của nhiệt độ cao và áp suất của lực hấp dẫn trong lòng đất đã chuyển hóa thành dầu.

Ảnh minh họa: Lớp địa tầng chứa dầu đá phiến (khu vực đánh dấu màu nâu đậm) gồm 3 lớp, nằm sâu dưới lòng đất.

Tuy nhiên, điều kiện lý tưởng tạo ra dầu hóa lỏng ở các khu vực khác nhau trên thế giới không giống nhau và cũng không tồn tại lâu dài. Một trong số những điều kiện khác biệt đó đã tạo ra dầu đá phiến. Hãy coi dầu đá phiến như là một dạng dầu thô lỏng (liquid crude oil) được tạo ra ở mỗi một giai đoạn phát triển, thay vì tiến tới công đoạn cuối cùng là chuyển sang dạng lỏng thì nó được giữ ở dạng rắn, lưu giữ nguồn năng lượng hấp dẫn dưới dạng những viên đá hóa dầu. Sẽ cần đến sự tham gia của các nhà khoa học về năng lượng để kết thúc tiến trình này, thay tự nhiên hoàn tất quá trình chuyển đổi thành dầu thô hóa lỏng từ hóa thạch của tự nhiên.

Như vậy, đến đây chúng ta có thể hiểu đơn giản, dầu đá phiến là một loại dầu thô chứa trong lớp đá phiến trầm tích dạng hạt mịn. Tuy nhiên, có hai loại đá phiến đang được khai thác để tạo ra năng lượng là: đá phiến sét và đá phiến dầu.

Đá phiến dầu là loại đá trầm tích hạt mịn giàu chất hữu cơ có thể chiết tách thành các loại hydro-cacbon lỏng. Từ đây, thông qua quá trình nhiệt phân hóa học sẽ tạo ra dầu thô tổng hợp. Ngoài ra, nung đá phiến dầu ở nhiệt độ đủ cao sẽ tạo ra hơi rồi chưng cất có thể tạo ra sản phẩm giống dầu mỏ hoặc khí đốt.

Đá phiến sét đen hoặc nâu vốn là đá trầm tích giàu chất hữu cơ (là loại đá phiến làm nên cuộc cách mạng dầu đá phiến ở Mỹ hiện nay). Các công nghệ khoan ngang sẽ giúp giải phóng khí đốt tích tụ bên trong loại đá này. Sau đó, thông qua một số kỹ thuật xử lý, loại khí đốt được giải phóng sẽ trở thành năng lượng thành phẩm. Trữ lượng dầu đá phiến sét rất lớn và tại Mỹ tập trung nhiều ở vùng Bắc Mỹ (Bắc Dakota) và Texas.

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 trườngbình 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.