Dầu khí đá phiến và cuộc cách mạng trong kỹ thuật khai thác dầu khí

Dầu khí đá phiến

Dầu khí đá phiến và cuộc cách mạng trong kỹ thuật khai thác dầu khí

Thực tiễn năm năm trở lại đây cho thấy một cuộc cách mạng khai thác dầu khí đá phiến đã đột phát và đang diễn tiến liên tục hàng ngày trên thế giới, làm thay đổi cán cân quyền lực của các cường quốc năng lượng. Đây được xem là biến chuyển cực kỳ quan trọng, có tầm vóc lịch sử, góp phần rất lớn vào việc giảm sâu giá thành dầu, mang đến lợi ích chung cho nhiều quốc gia và dân chúng.

VẬY, DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN LÀ GÌ?

Quá trình hình thành dầu khí bắt nguồn từ hàng trăm triệu năm trước, khi xác các sinh vật chìm dưới đáy biển và bị chôn vùi rất sâu trong lòng đất, hình thành lớp bùn lắng hữu cơ. Năm này qua năm khác, quá trình này tiếp diễn, các lớp bùn lắng hữu cơ trộn lẫn với trầm tích và nhiều vật chất khác tiếp tục bị chôn vùi sâu hơn và hình thành nên những lớp đá phiến hạt mịn.

Càng nhiều trầm tích chồng lên nhau thì càng tạo ra môi trường áp suất lớn và nhiệt độ cao, khiến lớp bùn lắng hữu cơ bị phân giải, hình thành dầu và khí (gọi tắt là dầu khí), len lỏi trong các lớp đá có độ thấm và độ rỗng cao, và dồn về nơi có áp suất thấp hơn tạo thành các túi dầu thô và khí đốt mà con người đã và đang khai thác trong hơn 100 năm qua. Đây được gọi là dầu khí truyền thống (conventional oil & gas)

Nhưng, khi ở độ sâu chưa đủ tạo ra áp suất và nhiệt độ cao và ở những lớp đá có độ thấm và độ rỗng thấp thì dầu khí không thể tập trung vào một chỗ mà tích tụ trong các lỗ hổng nhỏ, không liên thông, nằm xen kẽ giữa các lớp đá phiến. Các lớp đá phiến này thường nằm ở độ sâu chừng hơn 1-6 km trong lòng đất, tùy theo cấu tạo địa chất từng vùng. Dầu khí được hình thành trong trạng thái như vậy được gọi là dầu khí bị “nhốt” trong đá phiến, gọi tắt là dầu khí đá phiến (shale oil & gas) hay dầu khí phi truyền thống (unconventional oil & gas).

Hệ thống máy bơm thủy lực dùng trong kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến
Hệ thống máy bơm thủy lực dùng trong kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến

AI LÀ CHA ĐẺ CỦA KỸ THUẬT KHAI THÁC DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN?

Thực ra, người ta đã biết về dầu khí đá phiến từ rất lâu nhưng lại không biết cách nào để khai thác nó một cách hiệu quả và ít tốn kém nhất. Vào cuối thập niên 70 của thế kỷ XX, một kỹ sư dầu khí sống ở thành phố Houston, tiểu bang Texas, Hoa Kỳ tên George Mitchell tiên phong phát triển kỹ thuật nứt vỡ thủy lực (hydraulic fracturing) kết hợp công nghệ khoan ngang (horizontal drilling).

Quá trình khai thác dầu khí đá phiến gồm các công đoạn chính như sau:

  • Đầu tiên người ta khoan thẳng xuống từ 1-3 km tùy theo độ sâu của các vỉa đá phiến có chứa dầu khí. Thường thì độ sâu này sâu hơn các mạch nước ngầm.
  • Với kỹ thuật khoan ngang, mũi khoan được bẻ cua góc 90 độ và tiếp tục khoan ngang vào các mạch đá phiến từ 1-2 km tùy theo độ rộng vỉa. Công đoạn đặt ống và trám xi măng thành giếng tương tự như khai thác dầu khí thông thường được tiến hành liên tục.
  • Sau khi đã có giếng khoan rồi, người ta dùng một thiết bị đặc biệt để cách ly từng vùng một trong giếng khoan ngang và tạo ra các lỗ nhỏ trên thành giếng lẫn đá phiến bằng việc kích nổ các chất nổ chứa trong thiết bị đó.
  • Một hỗn hợp dung dịch gồm nước, cát và hóa chất (trong đó, nước và cát chiếm đến 99,5%) được bơm thẳng xuống giếng ngang với áp lực cao. Thành phần hóa chất trong hỗn hợp này thường được các công ty cung cấp dịch vụ khoan bảo mật như là bí quyết nghề nghiệp.
  • Dưới áp lực cao, hỗn hợp dung dịch bị đẩy mạnh vào các lỗ nhỏ trên thành giếng, tiếp xúc trực tiếp với đá phiến và khiến cấu trúc đá phiến bị phá vỡ tạo thành nhiều khe nứt li ti về mọi hướng. Có thể hình dung các khe nứt li ti này với hình ảnh các rễ con của một rễ cây tỏa ra mọi hướng trong lòng đất.
  • Khi dừng bơm, hỗn hợp dung dịch sẽ được rút lên, tuy nhiên cát có mặt trong hỗn hợp dung dịch đã được đẩy lọt vào trong những khe nứt li ti của đá phiến và sẽ nằm kẹt lại trong đó khi nước rút. Bề rộng của các khe nứt này cao nhất chỉ vào khoảng vài mm.
  • Dầu và khí sẽ theo những khe nứt này di chuyển ngược lên và được tách lọc trên mặt đất bằng những phương pháp tương tự như đã áp dụng với dầu khí truyền thống.

Chi phí cho một lần khoan phi truyền thống này vào khoảng 6 triệu USD (khoảng 120 tỉ đồng) tại Mỹ tùy theo độ sâu và đặc tính địa chất từng vùng. Chi phí sẽ giảm dần theo thời gian khi các kỹ thuật phụ trợ được phát triển và có hiệu quả cao.

Kỹ thuật khoan nêu trên của kỹ sư George Mitchell được xem là khai phá vĩ đại nhất trong lĩnh vực năng lượng của thế kỷ XXI.

Mô hình khai thác dầu khí đá phiến

Mô hình khai thác dầu khí đá phiến

TẦM QUAN TRỌNG CỦA DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN

Nhờ thành tựu vượt bậc trong kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến nên Mỹ sớm vượt qua các nước khác trong lĩnh vực này. Từ năm 2005-2013, sản lượng khai thác dầu khí đá phiến của Mỹ tăng từ 5% lên đến 35% tổng lượng dầu khí khai thác ở nước này. Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng quốc tế (IEA), trữ lượng dầu khí đá phiến của Mỹ hiện vào khoảng 58 tỉ thùng, chiếm 1/4 tổng trữ lượng dầu mỏ của nước này, trong khi trên thế giới, dầu khí đá phiến chỉ chiếm 1/10 tổng trữ lượng.

Hiện Mỹ đã vượt Nga để trở thành quốc gia sản xuất khí đốt lớn nhất thế giới. Vẫn theo thống kê của tổ chức trên, nếu tính tổng sản lượng dầu thô quy đổi – bao gồm dầu thô và các loại khí thiên nhiên dạng lỏng (natural gas liquids) – thì Mỹ đã đạt mức 11,5 triệu thùng/ngày, hiện vẫn dẫn đầu thế giới.

Viện Nghiên cứu McKinsey dự báo, ngành công nghiệp dầu khí đá phiến sẽ giúp GDP của Mỹ tăng bình quân 4% hàng năm (tương đương 690 tỉ USD Mỹ), đem lại 2,1 triệu việc làm và đóng góp 74 tỉ USD tiền thuế cho ngân sách của Mỹ năm 2012. Dự báo đến năm 2020, ngành công nghiệp này sẽ đem lại cho Mỹ hơn 3 triệu việc làm mới.

Ghê gớm hơn, nhờ những tiến bộ khoa học kỹ thuật nên chi phí sản xuất dầu khí đá phiến của Mỹ ngày một giảm, giúp sản lượng khai thác ngày càng tăng. Cụ thể, chi phí sản xuất dầu khí đá phiến của Mỹ từ 60 USD/thùng năm 2014 được dự báo sẽ hạ không phanh đến mức chỉ còn trên 12 USD/thùng vào cuối năm 2015. Do đó, giá dầu thô dù có giảm xuống tới 30 USD/thùng thì Mỹ vẫn có lãi trong khai thác.

Giá nhiên liệu lại tác động rất lớn đến nền kinh tế của mỗi quốc gia. Một khi giá nhiên liệu giảm, dân chúng sẽ là người được hưởng lợi: cước vận tải giảm, giá lương thực giảm, chi phí sinh hoạt giảm… Mặt khác, quốc gia nào làm chủ công nghệ khai thác dầu khí đá phiến sẽ giữ thế thượng phong trên bản đồ địa chính trị thế giới.

THI CA tổng hợp từ tài liệu của

TRẦN HỮU HIẾU – Nhóm nghiên cứu dầu khí Houston, Hoa Kỳ

và nhà báo NGUYỄN VẠN PHÚ