Dàn thiết bị tạo ra đứt gãy thuỷ lực của một giếng đá phiến Marcellus ở Tây Virginia

Tạo ra đứt gẫy thủy lực, cũng có tên là bơm tạo ra đứt gãy, là một công nghệ mà các công ty năng lượng sử dụng để khai thác dầu mỏ và khí đốt thiên nhiên từ các giếng ngầm, nhất là để khai thác kiệt các giếng khí thiên nhiên, các mỏ đá phiến có kiến tạo đặc sít. Ứng dụng thương mại đầu tiên công nghệ này để khai thác dầu mỏ và khí đốt ở Kansas năm 1946 và Oklahoma năm 1949.

Từ đó, công nghệ này lan rộng khắp ngành công nghiệp và đã được sử dụng cho hơn một triệu giếng trên toàn cầu, mỗi năm được áp dụng cho 35.000 giếng tất cả các loại (thẳng đứng và nằm ngang, dầu mỏ và khí đốt thiên nhiên).

Đá phiến là loại đá biến chất yếu có thể tách dễ dàng thành những tấm mỏng, đồng nhất, đá phiến thường giàu chất hữu cơ và khí. Khí đá phiến đã được biết đến từ đầu thế kỷ 19 nhưng mãi đến những năm 70 của thế kỷ 20 khi cuộc khủng hoảng năng lượng xẩy ra, người ta mới thấy hết vai trò của khí đá phiến.Theo ước tính của UB Dầu mỏ quốc gia Mỹ, tài nguyên khí đá phiến khoảng 460 nghìn tỷ m3. Trong đó Bắc Mỹ chiếm 110 nghìn tỷ m3 (24 % tiềm năng thế giới), Trung Quốc-100 nghìn tỷ (22 %), Liên Xô (cũ)-17,7 nghìn tỷ (3,8 %). Nếu hệ số thu hồi trung bình từ đá phiến là 0,2, thì lượng khí đá phiến thu hồi được trên toàn cầu sẽ khoảng 92 nghìn tỷ m3.

Bơm tạo ra đứt gãy kiến tạo hoạt động như thế nào?
Công nghệ này là bơm một dung dịch lỏng nén vào lỗ khoan ngang (khoan định hướng) vào các kiến tạo giầu khí thiên nhiên và dầu mỏ dưới ngầm; tạo ra sự đứt gãy trong đá chứa dầu hoặc khí, tạo điều kiện cho khí và dầu thoát ra tập trung lại và được bơm lên mặt đất. Nói cách khác, qui trình tạo ra đường dẫn làm tăng hoặc khôi phục hệ số thu hồi dầu mỏ và khí đốt nằm trong đá phiến (có cấu trúc chặt sít) hoặc trong đá có cấu tạo chặt sít hơn.

Dung dịch lỏng (gọi là proppant) này gồm 98 đến 99,5 % nước và cát. Ngoài ra, sử dụng một số phụ gia hóa chất. Mỗi vùng dầu và khí khác nhau và yêu cầu thiết kế gây rạn nứt thủy lực cho những điều kiện riêng biệt của mỗi kiến tạo.Vì thế, qui trình về cơ bản như nhau, nhưng có sự thay đổi tùy theo điều kiện giếng dầu.Quan trọng là không phải tất cả các phụ gia của dung dịch đều dùng được, tỷ lệ pha trộn các phụ gia phải dựa trên chiều sâu của giếng, độ dầy và những tính chất khác của kiến tạo mục tiêu.

Thông thường thi chỉ cần gây đứt gãy thủy lực một lần đối với dầu đá phiến, còn khai thác khí cần phải gây đứt gãy nhiều lần.

Gây đứt gãy có thể xẩy ra một cách tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Đứt gãy tự nhiên do hoạt động núi lửa, động đất, thể vỉa và băng giá vào lúc sương giá. Đứt gãy do con người là bằng áp lực chất lỏng bên trong để tạo ra các vết đứt gãy để cho dầu hoặc khí thoát ra.

Khoảng rộng khe nứt thường vẫn giữ nguyên sau khi bơm dung dịch proppant vào. Proppant là một nguyên liệu như là hạt cát, gốm, hoặc những hạt vật liệu cứng khác để nhằm làm cho các rãnh nứt không khép lại khi không bơm nữa.

Tại sao cần đến bơm tạo đứt gãy?
Không thể đáp ứng nhu cầu năng lượng nếu không tiếp cận được nguồn tài nguyên hoá thạch. Bơm gây đứt gãy kiến tạo giúp các công ty năng lượng sờ tới các nguồn tài nguyên dầu khí còn không thì chẳng bao giờ đụng được tới. Có một số lý do như là kiến tạo đá phiến có cấu trúc chặt sít. Công nghệ này cũng giúp kéo dài tuổi thọ của các giếng dầu mỏ đã khai thác lâu khiến cho việc khai thác bị gián đoạn.

Các chuyên gia tin là trên 10 năm nữa công nghệ gây đứt gãy thủy lực cần thiết để duy trì 60 đến 80 % các giếng đang hoạt động ở Mỹ.

Công nghệ này có ảnh hưởng lớn đên ngành dầu khí Mỹ: khai thác được nhiều dầu và khí hơn từ các giếng đang hoạt động lâu và phát triển khai thác mới bởi đã có thời tưởng chừng không còn khả năng nâng sản lượng dầu khí lên ở Mỹ. Nếu không có công nghệ này, thì 80 % sản lượng khai thác không truyền thống từ những kiến tạo như đá phiến khí không thể thực hiện được

Một công nghệ gây tranh cãi
Mặc dù đem lại những lợi ích to lớn, công nghệ gây đứt gãy thủy lực cũng gặp phải chống đối. Trước tiên, nhiều người lo lắng tiềm năng nguy hại mà công nghệ này có thể gây ra cho môi trường.

Lo ngại chính là quá trình bơm gây ra đứt gãy làm ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt bởi vì nó có thể làm chiết xuất khí methane và các hoá chất độc hại vào nước ngầm. Theo một nghiên cứu của Trường Đại học Duke, nồng độ methane cao hơn 17 lần trong các giếng nước sinh hoạt ở gần các địa điểm bơm này so với các giếng khác. Người ta sợ là nước bị nhiễm được sử dụng làm nước uống tại các thành phố gần đó.

Những người chống đôi công nghệ này cũng kiên quyết phản đối sử dụng một lượng lớn nước. Theo một báo cáo của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE), khoan và bơm thuỷ lực một giếng đá phiến phương ngang cần tới 2 đến 4 triệu gallon nước. Nhưng, DOE cho rằng khối lượng nước này nhỏ so với các ngành công nghiệp khác.

Thực tế là bơm phá cũng tạo ra nước thải mà không tái sử dụng lại.

Sự khác nhau và giống nhau giữa bơm phá trong khai thác dầu mỏ và khí đốt
Cả bơm gây đứt gãy để khai thác dầu mỏ và lẫn khí đốt đều bơm các chất lỏng nén vào dưới ngầm. Trong cả hai trường hợp, phá vỡ cấu trúc kiến tạo địa chất giúp các công ty năng lượng thu được nhiều dầu và khí hơn một cách dễ dàng từ các kiến tạo đá phiến hay các giếng dầu và khí.

Nhìn chung, hai qui trình này rất giống nhau. Vài giếng chỉ chứa khí trong khi các giếng khác chỉ có dầu, nhưng nhiều mỏ lại có cả khí lẫn dầu.

Sự khác nhau chủ yếu giữa hai phương pháp là những kiến tạo dầu đá phiến chỉ cần thiết bơm phá một lần, trong những kiến tạo khí tự nhiên nói chung cần bơm phá nhiều lần để tiếp cận nguồn khí.

Ngoài ra, số lượng dàn khai thác khí thiên nhiên đang hoạt động ít hơn so với dàn khai thác dầu. Tính đến 2/2013, có 1.332 dàn khai thác dầu đang hoạt động ở Mỹ nhưng chỉ có 426 dàn khai thác khí thiên nhiên.

Cuối cùng là, trong khi cả hai nguồn cung cấp nhiên liệu cho thế giới, bơm gây đứt gãy kiến tạo địa chất để khai thác khí thiên nhiên và dầu mỏ được coi là hiệu ích hơn trong một số phương diện bởi vì khí đốt thiên nhiên đang thay thế các nguồn năng lượng có tiềm năng nguy hại hơn khác như than. Nhiều nghiên cứu cho thấy tăng sử dụng khí thiên nhiên làm giảm phát thải khí nhà kính.

Trần Minh Huân

Investing News: Tuesday August 27, 2013

U.S. DOE: Modern Shale Gas, April 2009

Gas Investing News: Monday July 29, 2013