Công nghệ khí hydrat (GHT) hoàn thiện sẽ giúp tăng các phương thức và khả năng thu hồi, vận chuyển, tàng trữ, xử lý khí thiên nhiên trong tương lai, an toàn tiết kiệm và hiệu quả. Việc tiếp cận các thành tựu nghiên cứu NGH, GHT của các nước phát triển như Mỹ, Nauy,... hoàn toàn phù hợp với chủ trương đón đầu, đi tắt trong phát triển khoa học kỹ thuật của bước đầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nước ta.
44 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 ỨNG DỤNG QUY TRÌNH HÌNH THÀNH HYDRAT KHÍ TRONG THU GOM, VẬN CHUYỂN VÀ TÀNG CHỨA KHÍ THIÊN NHIÊN APPLICATIONS OF FORMATION PROCEDURE OF NATURAL GAS HIDRAT FOR THE RECOVERY, TRANSPORT, STORAGE AND PROCESSING OF NATURAL GAS Trần Thị Mai Hương Khoa Kỹ Thuật Địa chất & Dầu khí, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Tóm tắt: Khí hydrat tự nhiên (NGH) nguồn lượng ưu tiên nghiên cứu nhằm bổ sung cho nguồn lượng hóa thạch khác Ý tưởng nghiên cứu bắt nguồn từ nhu cầu vận chuyển, tàng trữ khí dầu cho đối tượng mỏ có trữ lượng cận biên vùng xa, trữ lượng nhỏ, phân bố nơi xa xôi vùng nước sâu điều kiện xây dựng đường ống dẫn khí khơng khả thi, thơng qua việc nghiên cứu đặc tính, điều kiện hình thành khí hydrat (GH), giúp tận thu nguồn lượng khí đốt cách hiệu nhất, biến chất gây khó khăn, thách thức cho q trình vận chuyển khí dầu trở thành cơng nghệ hữu ích Cơng nghệ khí hydrat (GHT) hồn thiện giúp tăng phương thức khả thu hồi, vận chuyển, tàng trữ, xử lý khí thiên nhiên tương lai, an toàn tiết kiệm hiệu Việc tiếp cận thành tựu nghiên cứu NGH, GHT nước phát triển Mỹ, Nauy, hồn tồn phù hợp với chủ trương đón đầu, tắt phát triển khoa học kỹ thuật bước đầu cơng nghiệp hóa, đại hóa nước ta Từ khóa: Khí hydrat, cơng nghệ hydrat, NGH, vận chuyển, mỏ khí xa bờ, tinh thể khí hydrat Abstract: Now, Natural Gas Hydrat (NGH) is one from energy products from study priority to complete into fossil energy source My study proposes a new application on procedure of gas hydrate formation The technology applied for alone marginal gas fields or deep water gas field…, when conditions for gas pipe line construction is unfeasible, to help recover the gas energy most effectively In addition, from the characteristics and the gas hydrate formation condition the Gas Hydrate (GH) has been viewed as difficult challenge for the transport of oil and gas pipelines, processing to become useful technology capable of recovery, transport, storage and processing of natural gas and gas in the future, safe, economical and effective The technology builds the advantage of technology in the developed country comfort the policy The access to the research also achievements for Gas Hydrate Technology (GHT) in the developed countries conform the policy of catching going to meet the the scientific and technical development for complement industrialization and modernization of our country Key words: Gas hydrate, transport gas, technology gas, processing gas, marginal gas Giới thiệu Trên giới, phát nghiên cứu GH có từ năm 1778 Joseph Priestley Lịch sử nghiên cứu GH chất hóa học khác, giai đoạn bắt đầu xem “bí hiểm khoa học” Năm 1934, giai đoạn phát triển vận chuyển khí dầu tuyến ống thảm họa GH gây ra, trở thành ngun nhân làm cơng nghệ bị đình trệ thời gian gần Giữa thập niên 60 kỉ thứ 20, khám phá tồn NGH đáy đại dương vùng có băng tuyết quanh năm Alaska vài hành tinh dải Thiên hà Nghiên cứu cơng nghệ hidrat (GHT), có cách gần 30 năm năm 1990, xuất phát từ nhu cầu ngành khai thác, thu gom, vận chuyển, tàng trữ khí cho đối tượng mỏ trữ lượng không thương mại, khí vùng xa, khí biên,… vào năm 2007, Việt Nam ứng dụng GHT dừng việc nghiên cứu, tìm kiếm nguồn tài ngun khống sản NGH biết đến nguồn lượng tương lai bổ sung cho nguồn lượng hóa thạch khác dầu mỏ, than đá số nhiên liệu nguồn gốc sinh học Tuy nhiên, để trở thành nguồn lượng phải hồn thiện cơng nghệ thăm dò, khai thác,… đảm bảo hiệu kinh tế thách thức an tồn, mơi trường GH biết đến nguy vận chuyển khí đường ống, cản trở di chuyển khí hay tệ phá hủy ống, gây nổ, hỏa hoạn,… Bài báo khơng đề cập quy mơ TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 phân bố, ưu, nhược điểm NGH, … tác giả nghiên cứu đặc tính, thành phần, cấu tạo, điều kiện thành tạo GH tự nhiên, vận chuyển khí thiên nhiên tuyến ống thiết bị nhân tạo Từ đó, đề xuất GHT ứng dụng hiệu với mỏ khí thiên nhiên (hay khí khơ, thành phần CH4 90%) trữ lượng nhỏ, phân bố hẻo lánh, xa xôi vùng nước sâu, xa bờ…, điều kiện xây dựng đường ống không khả thi để vận chuyển, thu hồi, tàng trữ, xử lý khí thiên nhiên an tồn, tiết kiệm hiệu Khái niệm vài đặc tính GH GH hợp chất rắn, hình thành từ “khung” phân tử nước “nhân” chất khí, mối liên kết hydro – hydro khí chiếm khoảng trống tinh thể điều kiện áp suất cực lớn, nhiệt độ lạnh độ sâu lớn (hình 1) Hình Cấu tạo phân tử khí hydrat NGH có tỷ trọng 0,88 – 0,90g/cm, giống tuyết ướt, phần lớn có màu trắng, gặp màu đỏ, vàng, màu nâu đáy biển Mexicô, màu xám hay xanh da trời đáy Đại Tây Dương cao nguyên Black Bahama Như vậy, màu sắc NGH ảnh hưởng tạp chất thành hệ hay màu khí NGH nhiên liệu sạch, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, công nghệ khai thác, thu gom không hiệu gây thảm họa lớn cho môi trường, ước tính hàm lượng methane NGH có khả gây hiệu ứng nhiệt gấp 10 lần CO2 Dự báo, tài nguyên GH có trữ lượng lớn gấp – lần tổng trữ lượng tài nguyên dầu, khí, than có giới Hình Màu sắc mẫu lõi NGH Siberi 45 Điều kiện hình thành GH Trong phòng thí nghiệm, GH tạo từ phân tử nước khí Các phân tử nước liên kết với liên kết H - H điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao định, tạo thành cấu trúc tinh thể bao bọc xung quanh phân tử khí Hình Điều kiện hình thành GH Thực chất, GH q trình hố lý chuyển dần từ pha khí đến pha khí - lỏng kết thúc pha rắn dạng tinh thể gồm phân tử khí methane mạng phân tử nước Những khung khơng bền vững rỗng, đổ sập tạo thành cấu trúc tinh thể băng thông thường ổn định chứa phân tử khí có kích thước thích hợp (O2, N2, CO2, CH4, H2S, Ar,…) Hàm lượng khí GH phụ thuộc chủ yếu vào nhiều yếu tố áp suất nhiệt độ, 1m3GH phân giải sinh 150m3 khí tiêu chuẩn 0,8m3 nước, cho thấy tiềm tàng lượng GH lớn, gấp - lần lượng khí thiên nhiên Theo tài liệu nghiên cứu, GH hình thành tự nhiên hai dạng chính: Trong trầm tích hồ, đại dương, rìa lục địa, sườn lục địa nước sâu, địa cực nơi phát triển băng vĩnh cửu, khí nước điều kiện định - nhiệt độ thấp, áp suất cao tạo thành GH (hình 4) Hình Biểu đồ pha GH trầm tích đại dương Độ khống hóa nước ảnh hưởng tới q trình hình thành NGH, độ khống hóa cao, nhiệt độ thấp, áp lực cao trở thành điều kiện cần cho thành tạo NGH Giới hạn thành tạo NGH yếu tố khí đạt 3m3/m3 (HC.nH2O), tối ưu T60at Ở thềm lục địa, trình tạo thành NGH xảy hoạt động trình 46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 sinh hóa hay nhiệt xúc tác tạo khí, điều kiện lượng Corg>0,5%, Corg≤0,22% GH không thành tạo Ở vùng rìa đại dương sườn lục địa, nơi điều kiện thuận lợi thành tạo NGH, lắng nén trầm tích giải phóng lượng lớn khí chuyển vào đới NGH Theo thời gian, nhiệt độ, NGH nước có làm tăng thể tích khơng gian lỗ rỗng trầm tích, cho phép nhận diện biệt phương pháp thăm dò địa chấn điện Quan hệ To, P hàm lượng metan để hình thành NGH thể hình Trong ống vận chuyển khí, sản phẩm khí tách thành phần nặng nước khỏi thiết bị tách trước vận chuyển Nhưng, trình vận chuyển, thành phần nặng nước tự hình thành áp suất giảm sức cản thủy lực; nhiệt độ giảm hiệu ứng truyền nhiệt tạo GH, nút GH, cản trở chất lưu vận chuyển (hình 6) Cơng nghiệp dầu khí, cơng tác thu gom, vận chuyển từ lâu quen thuộc với tượng lắng đọng GH ống thiết bị vận chuyển, tốn giải nhiều cơng sức tiền bạc, chiếm 30% tổng giá trị tuyến ống cản trở chất lưu vận chuyển hình Hình Thành tạo GH tuyến ống vận chuyển Hình Mơ hình thành tạo GH trầm tích đại dương Q trình chuyển từ pha khí đến pha khí – lỏng xảy tối ưu điều kiện áp suất từ 50 - 60 at, nhiệt độ từ - 10oC, gradient áp suất biển khoảng 1atm/10m nước, građient địa nhiệt khoảng 30o/1000m nước, độ sâu 500m nước Khi nhiệt độ 0oC áp suất 26 at 10oC, 76 at xuất GH Khi GH có thành phần metan (CH4 ≈ 90%) q trình tích luỹ GH bắt đầu điều kiện P 400 atm, T 250C, độ sâu 400m nước, trình hố rắn GH độ sâu áp suất cao hơn, nhiệt độ thấp Khi hỗn hợp khí có thành phần ethan (C2H6 ≈ 10% trở lên), trình chuyển pha điều kiện áp suất thấp (≈ 10 at), nhiệt độ từ 10 - 15oC, độ sâu 100m nước Như vây, hình thành GH trầm tích ngồi thơng số áp suất, nhiệt độ, độ sâu cột nước tính đến thành phần khí Khối lượng ngưng tụ phụ thuộc vào mật độ hydrocacbon nước tự Đây hai ý tưởng mấu chốt cho việc xây dựng GHT, chứng thực qua kết tinh GH vận hành tuyến ống vận chuyển khí thiên nhiên Áp suất khí tuyến ống cao, nhiệt độ thấp GH nhanh hình thành lắng đọng thành ống Nghiên cứu Sukhop, cuối kỷ 20, cho biết thời gian (t1) khoảng cách (l1) bắt đầu xuất GH, công thức Sukhop sau: t t0 ea x D P P2 (t1 t0 )aL l1 ln i a Di P1 P2 t2 t0 aL t1 t0 Trong đó: t: Nhiệt độ trung bình chất lưu ống t0: Nhiệt độ môi trường a: Hằng số; a De K G.c p De: Đường kính ngồi ống K: Hệ số truyền nhiệt chất lưu G: Tốc độ khối Cp: Tỷ nhiệt dung Di: Đường kính ống P1, P2: Áp suất đầu vào khí L: Chiều dài tuyến ống Từ cơng thức cho biết, GH tồn điều kiện áp suất khí với nhiệt độ thấp vài độ nước đóng băng Áp suất TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 thành tạo khoảng 60÷90bar, nhiệt độ 5oC÷10oC Điều mở khả ứng dụng thực tế GHT Công nghệ ứng dụng hydrat Sau tính tốn cơng thức Sukhop tham số kỹ thuật tuyến ống vận chuyển với nghiên cứu biểu đồ pha hình thành GH, biết thời gian địa điểm bắt đầu hình thành GH Qua đó, xây dựng mơ hình GHT (hình 7) Sản xuất GH Hình Mơ hình cơng nghệ Hydrat khí, GHT Sản phẩm khí dầu thu hồi mỏ qua bình tách lỏng khí, phần condensat vận chuyển thẳng tàu hầm chứa, phần khí qua hệ thống làm lạnh nước để tạo GH thu hồi tàu hầm chứa GH GHT đơn giản, nhẹ nhàng xây dựng đất liền hay hệ thống phao biển nên ưu tiên ứng dụng khai thác mỏ khí đồng hành hay khơng đồng hành vùng hẻo lánh, xa xôi hay vùng nước sâu xa bờ “khí vùng xa” (standed gas) hay khai thác mỏ có sản lượng khơng đủ chi phí cho xây dựng hệ đường ống dẫn khí “khí cận biên” (marginal gas),…Nói chung, chúng mỏ khí có trữ lượng khơng triển vọng Trước đây, chưa có cơng nghệ NGH, “tiêu thụ khí” khơng đường ống thường giải đốt bỏ bơm trở lại lòng đất khí đồng hành mỏ Bạch Hổ giai đoạn đầu khai thác dầu thơ sử dụng quy trình hố lỏng khí (LNG - Liquid Natural Gas) chỗ; từ nghiên cứu Naklie Hickman (1997), sản phẩm khí hóa lỏng nhiệt độ - 162oC nhà máy LNG, xây dựng gần sở khai thác Kỹ thuật đảm bảo an tồn mơi trường Tuy nhiên, theo Hickman việc xây dựng nhà máy với hệ thống an tồn áp dụng cho khí vùng xa khí biên khơng khả thi kinh tế Công nghệ này, nghiên cứu cơng trình khoa học tác giả 47 GHT nghiên cứu, ứng dụng chủ yếu Na Uy từ năm 1990, kết nhóm Gudmundson cơng bố năm 1994, 1995, 1996, 1997 với phát minh là: Method and Equipment for production of gas hydrates-Norwegian Patent 172080 (1990) Method for Transport and Storage of oil and gas-Norwegian Patent Application 952241 (1995); Method for Production of gas hydrate for Transportation and Storage US patent 5,536,893 (1996) Ưu điểm công nghệ NGH, ứng dụng hữu ích thu hồi, vận chuyển khí, tàng trữ xử lý khí cụ thể 4.1 Ứng dụng thu gom Khí thiên nhiên (Metane chiếm gần 90%), khí đồng hành (Metane chiếm gần 65%) tách chuyển hoá thành GH vận chuyển bình chứa thoi Còn có phương thức thu gom khí thơng qua chuyển hố thành GH đóng băng trộn vào dầu thô làm lạnh, vận chuyển dạng vữa (slurry) bồn chứa 4.2 Ứng dụng vận chuyển Khi nguồn khí xa nơi tiêu thụ chuyển hố thành GH khơ vận chuyển áp suất khí tàu vận tải lớn 4.3 Ứng dụng tàng trữ Sản phẩm khí thu hồi từ mỏ chuyển hoá thành GH tàng trữ áp suất khí Hệ thống kho chứa đặt đất liền hay biển 4.4 Ứng dụng xử lý Nếu sản phẩm khí thu hồi chứa nhiều N2, CO2, H2S,… GHT xử lý “sạch” cách tách khí khỏi nguồn khí ban đầu dạng GH CO2 Hydrat, N2 hydrat,… chở bồn chứa thoi đổ xuống biển sâu Các hợp chất GH nặng nước biển nên bị chìm xuống đáy Ở độ sâu 250 m, chúng tồn ổn định, thỏa mãn u cầu an tồn, mơi trường Phản ứng thuận, thể bốn ưu điểm cơng nghiệp khí, GH sau thu hồi đưa đến nhà máy sản suất điện sơ cấp Khi phản ứng đảo ngược, cho phép tạo dựng 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 toán kiểm soát chuyển đổi NGH giúp thu hồi phần riêng biệt sản phẩm khí nước cấu thành nó, ứng dụng cho quy trình thu hồi khí, thiết kế hệ thống sưởi, xả áp, tiêm chất ức chế, thay phân tử,… NGH, nguồn tài ngun độc đáo, khơng có giá trị gia tăng trữ lượng tài nguyên lượng quốc gia mà thân nguồn cảm hứng vơ tận tạo công nghệ, từ phản ứng thuận, nghịch hiệu Hình Biểu đồ so sánh hiệu kinh tế vận chuyển NGH LNG Nhược điểm cơng nghệ, GHT đòi hỏi nhiệt độ thấp, độ lạnh lớn, áp suất cao Chúng ta ứng dụng tạo GH với chất khí CH4, C02,… Còn chất lớn etan, propan,… làm phòng thí nghiệm, thực tế cơng nghệ GHT chưa đạt, tạo rào cản GHT phát triển Việt Nam Việc nghiên cứu tối ưu hoá thiết kế, giảm chi phí vốn đầu tư chi phí vận hành cần tiếp tục nghiên cứu Kết luận kiến nghị GHT hình thành phát triển bắt nguồn từ nhu cầu thu gom, vận chuyển, tàng trữ xử lý khí cho đối tượng mỏ có trữ lượng khơng thương mại, khí vùng xa, khí biên Phương thức khác xa (có thể vượt trội) với phương thức đường ống truyền thống xét phương diện kỹ thuật hiệu kinh tế Hơn nữa, công nghệ vận hành đơn giản, nhẹ nhàng Tuy nhiên, việc tách, chiết suất khí, xây dựng hệ thống lạnh đồng nhiều thách thức, hạn chế phát triển công nghệ GHT Hiện nay, Việt Nam ứng dụng NGT sản xuất máy điều hồ nhiệt độ,… cơng nghệ thân thiện mơi trường chi phí đầu tư thấp, dễ sử dụng Việc tiếp cận thành tựu nghiên cứu GHT nước phát triển chuyện viễn vơng mà hồn tồn phù hợp với chủ trương tắt, đón đầu phát triển khoa học kỹ thuật nước ta tiến trình cơng nghiệp hố, đại hố đất nước Tập đồn Dầu khí Quốc gia Việt Nam, VSP với “Chương trình nghiên cứu, điều tra tiềm NGH biển thềm lục địa Việt Nam” Thủ tướng Chính phủ ban hành theo định số 1270/QĐ–TTg ngày 24 tháng năm 2007 sở kiến nghị Bộ Tài nguyên Môi trường, bổ sung vào nhiệm vụ “Đề án tổng thể điều tra quản lý tài nguyên môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn 2020” Lộ trình đề án, cụ thể 2007 - 2015 tập trung nghiên cứu khái niệm, tính chất, trình hình thành, đặc điểm phân bố GH giới Việt Nam; công nghệ điều tra, thăm dò, khai thác, vận chuyển sử dụng gas hydrate; khảo sát khoanh định khu vực có triển vọng GH; xây dựng hệ thống văn quy phạm pháp luật, tiêu chuẩn, quy chuẩn phục vụ cơng tác điều tra, đánh giá thăm dò gas hydrate Việt Nam 2015 - 2020 đánh giá, thăm dò NGH vùng triển vọng biển thềm lục địa Khơng có lạ nghiên cứu, khảo sát, thăm dò dài mươi, mười lăm năm nước có khoa học tiên tiến thực chưa chinh phục nguồn lượng Các nghiên cứu sau, tác giả sâu vào phân tích hiệu áp dụng mỏ khí Việt Nam, ứng dụng GH sản xuất điện, điều hòa nhiệt độ,… Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh khuôn khổ đề tài mã số T-ĐCDK-2014-40 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hồng Đức, Jean.Michel Henrri, Cái nhìn tồn cảnh cơng nghệ Hydrat giới – Khả ứng dụng phát triển Việt Nam, Tạp chí Khoa học số 15 + 16, ĐH Đà Nẵng, 2006 [2] Michael D Max, Arthur H Johnson, Natural Gas Hydrate – Arctic Ocean Deepwater Resource Potential, Kluwer Academic Publishers, 2013 [3] Sloan E Dendy, Clathrates hydrates of natural gases, Marcel Dekker Inc., New York, 1998 [4] Trần Thị Mai Hương, Ổn định nhiệt đường ống dẫn dầu khí, Hội nghị KH&CN 9, ĐH Bách Khoa TP.HCM, 11/10/2005, Tr 236– 241 Ngày nhận bài: 18/03/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 25/03/2016 Ngày chấp nhận đăng: 30/03/2016 ... bồn chứa 4.2 Ứng dụng vận chuyển Khi nguồn khí xa nơi tiêu thụ chuyển hố thành GH khơ vận chuyển áp suất khí tàu vận tải lớn 4.3 Ứng dụng tàng trữ Sản phẩm khí thu hồi từ mỏ chuyển hố thành GH tàng. .. metan để hình thành NGH thể hình Trong ống vận chuyển khí, sản phẩm khí tách thành phần nặng nước khỏi thiết bị tách trước vận chuyển Nhưng, trình vận chuyển, thành phần nặng nước tự hình thành. .. gas hydrate for Transportation and Storage US patent 5,536,893 (1996) Ưu điểm công nghệ NGH, ứng dụng hữu ích thu hồi, vận chuyển khí, tàng trữ xử lý khí cụ thể 4.1 Ứng dụng thu gom Khí thiên nhiên