ĐÁ PHIẾN DẦU VÀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CHẾ BIẾN

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 tron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

Môn học: Nhiên liệu sinh học &

Năng lượng thay thế

BÁO CÁO ĐỀ TÀI:

DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN

GVHD: Cô Phạm Hồ Mỹ Phương

Danh sách thành viên:

STT HỌ VÀ TÊN MSSV

2 Hồ Thị Nghi

Dung

1410533

MỤC LỤC

I TỔNG QUÁT CHUNG: 3

1 Khái niệm: 3

2 Thành phần: 3

3 Trữ lượng: 4

4 Quá trình hình thành: 4

a) Dầu khí: 4

b) Đá phiến dầu: 4

II CÔNG NGHỆ KHAI THÁC, CHẾ BIẾN: 5

1 Lịch sử công nghiệp khai thác dầu đá phiến: 5

2 Quá trình tìm ra công nghệ khai thác: 6

3 Quá trình công nghệ khai thác đá phiến dầu hiện nay: 8

a) Công nghệ nứt vỡ thủy lực: 8

b) Kỹ thuật khoan ngang: 9

4 Công nghệ chế biến - Chiết tách dầu: 10

a) Lịch sử hình thành và phát triển: 10

b) Quy trình chiết tách: 11

III MẶT TÍCH CỰC CỦA NGÀNH CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN : 12

1 Ứng dụng: 12

2 Hiện trạng: 12

3 Tiềm năng kinh tế: 13

a) Ổn định năng lượng: 13

b) Tầm quan trọng của dầu khí đá phiến đối với Mỹ: 14

IV MẶT TIÊU CỰC CỦA NGÀNH CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ ĐÁ PHIẾN: 15

1 Sản lượng khai thác so với than đá: 15

2 Tác động môi trường: 15

a) Ô nhiễm nước: 16

b) Ô nhiễm không khí: 18

c) Động đất: 18

V TÀI LIỆU THAM KHẢO: 19

I TỔNG QUÁT CHUNG:

1 Khái niệm:

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 chất hữu cơ rắn) có thể chiết tách các loại hydrocacbon lỏng

Các nhà địa chất phân loại đá phiến dầu thành đá phiến giàu cacbonat và loại giàu silica

2 Thành phần:

Trong đá phiến dầu kerogen chưa chuyển đổi thành dầu mỏ do yếu tố nhiệt và áp suất Nhiệt phân có thể biến đổi kerogen trong đá phiến dầu thành khí và dầu thô tổng hợp

Dầu chiết tách từ đá phiến dầu tốt nhất là để chưng cất ra các sản phẩm trung bình như kerosene (dầu hỏa), nhiên liệu động cơ và diesel Nhu cầu thế giới hiện nay về nhiên liệu diesel tăng nhanh Tuy nhiên, các quá trình chưng cất thích hợp tương tự như cracking hydro có thể chuyển

đá phiến dầu thành các hydrocacbon nhẹ như xăng

Dầu chiết tách từ đá phiến dầu chứa hàm lượng olefin, oxy và nitơ cao hơn dầu thô truyền thống Một vài loại có hàm lượng lưu huỳnh hoặc asen cao

- Lưu huỳnh: trong đá phiến dầu sông Green Mỹ trung bình 0,76%, của Jordan có thể lên tới 9,5%

- Asen cao sẽ là trở ngại lớn vì dầu phải trải ra các công đoạn xử lý hydro trước khi đưa vào nhà máy lọc dầu

Đá phiến dầu chứa hàm lượng hữu cơ thấp hơn than đá Trong đá phiến dầu thương mại, tỷ lệ vật chất hữu cơ so với các khoáng vật khác nằm trong khoảng 0,75 : 5 và 1,5 : 5, vật chất hữu cơ trong đá phiến dầu có tỉ lệ hydro/cacbon (H/C) thấp hơn trong dầu thô khoảng 1,2 đến 1,8 lần và cao hơn trong than đá khoảng 1,5 đến 3 lần

3 Trữ lượng:

Sự tích tụ đá phiến dầu diễn ra trên khắp thế giới, ban đầu nhận định đa số là ở Hoa Kỳ Ước tính lượng tích tụ này trên toàn cầu đạt khoảng 2,8 đến 3,3 ngàn tỷ thùng (450×109 đến

520×109 m3) có thể thu hồi

Mặc dù tài nguyên đá phiến dầu có mặt ở một số nước nhưng chỉ có 33 nước có thể khai thác mang lại giá trị kinh tế Các mỏ được thăm dò tốt, có khả năng xếp vào trữ lượng như các mỏ sông Green miền tây Hoa Kỳ, ở Queensland Úc, Thụy Điển, Estonia, Jordan, Pháp, Đức, Brazil, Trung Quốc, nam Mông Cổ và Nga Các mỏ này được đánh giá có khả năng sản xuất ít nhất 40 lít dầu từ 1 tấn đá phiến dầu

Theo Bộ Năng lượng Mỹ công bố 10/6/2014 thì trữ lượng dầu đá phiến quy đổi theo tỷ thùng như sau: Nga 75, Mỹ 58, Trung Quốc 32, Argentina 27, Libya 26, Venezuela 13, Mexico 13, Paskistan 9, Canada 9, Indonesia 8 tỷ thùng

4 Quá trình hình thành:

a) Dầu khí:

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)

b) Đá phiến dầu:

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)

II CÔNG NGHỆ KHAI THÁC, CHẾ BIẾN:

1 Lịch sử công nghiệp khai thác dầu đá phiến:

Thực tế, con người đã phát hiện và sử dụng đá phiến dầu làm nhiên liệu đốt từ thời tiền sử Tuy nhiên, tới giữa thế kỷ 19, việc khai khoáng dầu đá phiến với quy mô công nghiệp mới được tiến hành

Dầu đá phiến đã được con người biết tới từ lâu.

Trong một thời gian dài, việc khai thác dầu đá phiến gắn liền với khai thác mỏ theo phương pháp hầm lò Các sản phẩm từ quá trình này được vận chuyển đi đốt phát điện hoặc trải qua quá trình

xử lý để tạo ra các thành phẩm Tuy nhiên, do đặc điểm các túi dầu phân tán và nằm sâu dưới lòng đất nên việc khai thác dầu đá phiến gặp khá nhiều trở ngại, sản lượng thấp và chi phí rất cao Chính vì vậy, vào khoảng thập niên 50-60 của thế kỷ trước, hầu hết các quốc gia đều đã dừng các dự án khai thác dầu đá phiến do dầu mỏ rẻ hơn trong khi chi phí xử lý dầu đá phiến lại quá cao

Sau cuộc khủng hoảng dầu năm 1973, sản lượng dầu đá phiến trên thế giới đạt đến đỉnh là 46 triệu tấn trong năm 1980 và sau đó giảm xuống còn 16 triệu tấn năm 2000, do sự cạnh tranh của chương trình dầu mỏ truyền thống giá rẻ thập niên 1980

Công nghiệp dầu đá phiến “phục sinh” trở lại vào những năm đầu thế kỷ 21 Với công nghệ nứt

vỡ thủy lực (hydraulic fracturing hay fracking), nước Mỹ đã tạo nên một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp dầu đá phiến khi việc khai thác loại dầu này trở nên dễ dàng với chi phí và thời gian ngắn hơn

Bất chấp những hoài nghi của “đối thủ” Nga, việc hoàn thiện kỹ thuật nứt vỡ thủy lực trong khai thác dầu khí đá phiến đã khiến sản lượng dầu và khí của Mỹ tăng vọt trong gần một thập kỷ qua

Từ năm 2005-2013, sản lượng khai thác dầu và khí đá phiến ở Mỹ tăng từ 5% lên đến 35% tổng lượng dầu khí khai thác ở nước này Hiện Mỹ đã vượt Nga, trở thành nước sản xuất khí đốt lớn nhất thế giới Còn dầu thì từ năm 2008 đến nay, sản lượng Mỹ khai thác đã tăng đến 70%, lên mức 8,7 triệu thùng/ngày Thậm chí, Mỹ nhiều lần tuyên bố trở thành nước sản xuất dầu lớn nhất thế giới trong năm 2014

Nói cách khác, về bản chất, chính công nghệ nứt vỡ thủy lực đã tạo nên cuộc cách mạng dầu khí

đá phiến tại Mỹ và là nguyên nhân đẩy giá dầu mỏ xuống đáy trong những ngày qua, chứ không phải là bản thân dầu đá phiến Vậy, bí mật của công nghệ nứt vỡ thủy lực là gì?

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

2 Quá trình tìm ra công nghệ khai thác:

 Khởi đầu phá đá:

Từ những năm 1860, người ta cho nổ nitơ lỏng trong giếng đá cứng để khai thác dầu dễ dàng hơn Việc dùng nitơ gây nổ nguy hiểm và bị xem là bất hợp pháp, nhưng nó khá hiệu quả với các giếng nước và khí đốt Đến thập niên 1930 người ta nghĩ ra cách dùng chất lỏng không nổ để phá

đá, dùng axit tạo các khe hở để luồng dầu chảy vào giếng nhiều hơn và khai thác hiệu quả hơn Tuy không phải là giải pháp tốt nhất nhưng những công nghệ này mở đường cho một công nghệ

có tính thương mại phát triển trong thập niên tiếp theo

Những mũi khoan thí nghiệm theo công nghệ nứt vỡ thủy lực đã được thực hiện vào năm 1947

và tới năm 1949 thì nó mới được áp dụng thương mại lần đầu tiên

Năm 1947, Công ty Stanolind Oil tiên phong thử nghiệm công nghệ HF tại vùng khí đốt

Hugoton ở Kansas, sử dụng 1.000 galông (3.785 lít) xăng đậm đặc cùng chất khử nhờn kích thích vỉa đá vôi sâu 0,7 km bên dưới lớp khí Tuy việc này không cải thiện sản lượng giếng được bao nhiêu nhưng nó là bước đi đúng hướng Nhiều thập niên sau công nghệ HF đã được sử dụng

để sản xuất hàng chục nghìn tỷ mét khối khí đốt tự nhiên Năm 1949, Halliburton được cấp bằng sáng chế độc quyền sử dụng công nghệ HF, trở thành công ty đầu tiên thương mại hóa hoạt động khai thác khí đốt tự nhiên dùng công nghệ này Trong năm đầu tiên có 332 giếng được áp dụng công nghệ HF, kết quả rất ấn tượng: sản lượng các giếng tăng trung bình 75% Trong thập niên

1950, việc thương mại hóa công nghệ HF cất cánh Có thời điểm, mỗi tháng có đến 3.000 giếng được vỡ vỉa thủy lực Khi bằng sáng chế của Halliburton hết hạn vào năm 1968, các công ty dầu khí khác lập tức nhảy vào cuộc chơi

 Khai vỉa đá phiến:

Năm 1975, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) bắt đầu tài trợ cho nghiên cứu fracking và khoan ngang,

và tập trung nghiên cứu các vỉa đá phiến được cho là có chứa dầu và khí đốt nhưng chưa có phương thức khai thác hiệu quả về mặt kinh tế George Mitchell, người sau này được mệnh danh

là “cha đẻ kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến”, bất chấp những nghi ngờ, thậm chí chế giễu, Mitchell vẫn cần mẫn phát triển công nghệ nút vỡ thủy lực dùng cho khai thác dầu khí đá phiến Mitchell tin rằng, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, việc khai thác dầu khí đá phiến bằng phương pháp này là hoàn toàn có thể Mitchell đã theo đuổi điều đó trong suốt 17 năm, với vô số thử nghiệm và điều chỉnh công nghệ fracking Chất lỏng sử dụng rất thành công trong thập kỷ trước với các vỉa đá vôi không thích hợp để sử dụng với vỉa đá phiến, đội ngũ của Mitchell đã phải thử rất nhiều tổ hợp hóa chất, gel và chất lỏng khác nhau Và rồi một bước đột phá xảy ra vào giữa thập niên 1990 tạo cú hích quan trọng cho sự phát triển của fracking Một thành viên trong nhóm nghiên cứu của Mitchell đề nghị sử dụng cách thức tiết kiệm cho chất lỏng dùng trong fracking với nước là thành phần chủ yếu Cách này hiệu quả và dầu khí khai thác từ đá phiến tăng vọt

Pha chế "nước cốt fracking" hoàn hảo cho đá phiến chỉ mới là một phần của giải pháp nhằm khai thác tối đa vỉa đá phiến “Đòn quyết định” kích hoạt cuộc cách mạng đá phiến (và là bước phát triển kế tiếp của fracking) đó là kết hợp những tiến bộ trong công nghệ fracking với kỹ thuật khoan ngang Sự kết hợp này giúp cho khai thác dầu và khí đốt tự nhiên từ vỉa đá phiến trở nên khả thi về mặt thương mại và sản lượng thu được nhiều hơn dự đoán của các chuyên gia từ trước đến giờ

Tới năm 2002, thấy được tiềm năng của công nghệ nứt vỡ thủy lực, hãng Devon Energy của Mỹ

đã mua lại công ty của Mitchell với giá lên đến 3,5 tỉ đô la Devon đã kết hợp kỹ thuật nứt vỡ thủy lực với kỹ thuật khoan ngang (horizontal drilling) để hoàn thiện công nghệ khai thác dầu khí đá phiến hiệu quả với chi phí thấp vào năm 2005

trình công nghệ khai thác đá phiến dầu hiện nay:

a) Công nghệ nứt vỡ thủy lực:

Về cơ bản, công nghệ nứt vỡ thủy lực là kỹ thuật bơm chất lỏng gồm hỗn hợp nước, cát và hóa chất vào lỗ khoan với áp lực cực mạnh, làm nứt gãy các vỉa đá phiến, từ đó tạo ra các lỗ hỏng để tập trung dầu và khí trong đá vào các giếng khoan để khai thác

Quá trình khai thác dầu khí đá phiến bằng công nghệ nứt vỡ thủy lực gồm các công đoạn chính 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 Tiếp đó, kỹ thuật khoan ngang sẽ giúp mũi khoan bẻ cua một góc 90 độ và tiếp tục khoan ngang vào vỉa đá với độ sâu từ 1-2 km

- 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

- 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

- Tiếp đó, nước được bơm ngược lên trên, chuyển đi xử lý 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

b) Kỹ thuật khoan ngang:

Khoan ngang là quá trình trong

đó giếng đầu tiên được khoan

thẳng đứng xuống, khi đạt đến

độ sâu vỉa, nó được khoan

ngang vào vỉa (theo dạng chữ

"J" hoặc "L")

Phương thức này cho phép khai

thác vùng rộng hơn nhiều so với

giếng đứng thông thường vì vỉa

đá phiến tự nhiên chạy theo

chiều ngang Giếng đứng chỉ

chọc vào nguồn có sẵn xung

quanh nó

Giếng ngang tiếp xúc nhiều hơn

với các khối đá, khai thác được

nhiều nguồn hơn với ít giếng

hơn và đem lại lợi nhuận lớn

hơn

Kỹ thuật khoan ngang đã có từ năm 1929 nhưng mãi đến thập niên 1980 mới được sử dụng rộng rãi Sự chậm chạp này do các công nghệ liên quan cần phát triển: thiết bị, động cơ và các công nghệ khác được sử dụng trong qui trình

Sự kết hợp fracking và khoan ngang vào đầu những năm 2000 cho phép tăng tối đa số lượng vết nứt tự nhiên đan xen trong đá phiến để khai thác hiệu quả hơn nguồn tài nguyên mắc kẹt trong đá

Kể từ khi ngành dầu khí phát triển ở Mỹ, hơn 4 triệu giếng đã được khoan trên khắp đất nước này Hơn phân nửa trong số đó dùng công nghệ fracking, và ước tính có đến 95% giếng khoan mới hiện nay được vỡ vỉa Giờ là thời của fracking Hội đồng Dầu khí Quốc gia Mỹ ước tính trong thập kỷ tới khoảng 60 - 80% tổng lượng giếng khoan cần áp dụng fracking để tiếp tục khai thác

4 Công nghệ chế biến - Chiết tách dầu:

a) Lịch sử hình thành và phát triển:

Chưng cất A.C Kirk, được sử dụng từ giữa tới cuối thế kỷ 19, là một trong những tháp chưng cất

đá phiến dầu kiểu đứng đầu tiên Thiết kế của nó là điển hình của các tháp chưng cất được sử dụng vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20

Vào thế kỷ 10, nhà vật lý Ả Rập Masawaih al-Mardini đã viết về các thí nghiệm của ông liên quan đến việc chiết tách dầu từ "một số loại đá phiến sét bitum" Bằng sáng chế về việc chiết tách dầu đá phiến đầu tiên được trao vào năm 1684 cho 3 người đã "tìm thấy phương pháp để chiết tách và tạo ra một lượng lớn hắc ín, nhựa đường, và dầu từ một loại đá".Việc chiết tách dầu

đá phiến ở mức độ công nghiệp thời kỳ hiện đại bắt đầu ở Pháp với công nghệ được Alexander Selligue phát minh năm 1838, sau đó một thập kỷ phát minh của James Young được ứng dụng sản xuất ở Scotland Trong suốt thế kỷ 19, các nhà máy được xây dựng ở Úc, Brazil, Canada, và Hoa Kỳ Phát minh chưng cất Pumpherston năm 1894, là một công nghệ ít dựa vào nhiệt than đá hơn các công nghệ trước đó, đánh dấu sự tách biệt của công nghiệp đá phiến dầu với công nghiệp than

Trung Quốc (Mãn Châu), Estonia, New Zealand, Nam Phi, Tây Ban Nha, Thụy Điển, và Thụy

Sĩ bắt đầu chiết tách dầu đá phiến vào đầu thế kỷ 20 Tuy nhiên, dầu thô được phát hiện

ở Texas trong suốt thập niên 1920 và ở Trung Đông vào giữa thế kỷ 20 làm cho hầu hết ngành công nghiệp đá phiến dầu bị dừng lại

Năm 1944, Hoa Kỳ khởi động lại việc chiết tách đá phiến dầu như là một phần của Chương trình nhiên liệu lỏng tổng hợp (Synthetic Liquid Fuels Program) của mình Ngành công nghiệp này đã được duy trì cho đến khi giá dầu giảm mạnh trong thập niên 1980

Cơ sở chưng cất đá phiến dầu cuối cùng do Unocal Corporation vận hành ở Hoa Kỳ đóng cửa vào năm 1991 Chương trình trên của Hoa Kỳ lại tiếp tục vào năm 2003, theo sau là chương trình cho thuê thương mại năm 2005 cho phép việc chiết tách đá phiến dầu và cát dầu trên đất của Liên Bang theo Đạo Luật chính sách năng lượng 2005 (Energy Policy Act of 2005)

Cho đến năm 2010, việc chiết tách dầu đá phiến vẫn đang vận hành ở Estonia, Brazil, và Trung Quốc Các ngành công nghiệp này sản xuất khoảng 1.165 triệu lít dầu đá phiến trong năm

2008 Úc, Hoa Kỳ, và Canada đã hoàn thành việc thử nghiệm ứng dụng công nghệ chiết tách dầu

từ các dự án thử nghiệm và có kế hoạch đưa vào thương mại; Morocco và Jordan cũng đã thông báo những dự định tương tự của họ Chỉ có 4 loại công nghệ đang được sử dụng trong thương mại gồm: Kiviter, Galoter, Fushun và Petrosix

Miêu tả sớm nhất về quy trình này có từ thế kỷ 10 Năm 1684, Vương quốc Anh cấp bằng chứng nhận quy trình chiết tách đầu tiên Công nghiệp chiết tách và những đổi mới đã phát triển nở rộ