Ứng dụng quy trình hình thành hydrat khí trong thu gom, vận chuyển và tàng chứa khí thiên nhiên - Trần Thị Mai Hương

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) hiện nay đang là một trong những nguồn năng lượng được ưu tiên nghiên cứu nhằm bổ sung cho nguồn năng lượng hóa thạch khác. Ý tưởng nghiên cứu được bắt nguồn từ nhu cầu vận chuyển, tàng trữ khí dầu cho những đối tượng mỏ có trữ lượng cận biên ở vùng xa, trữ lượng nhỏ, phân bố ở nơi xa xôi hoặc vùng nước sâu khi điều kiện xây dựng đường ống dẫn khí không khả thi, thông qua việc nghiên cứu các đặc tính, điều kiện hình thành của khí hydrat (GH), giúp tận thu nguồn năng lượng khí đốt một cách hiệu quả nhất, đã biến một chất gây khó khăn, thách thức cho quá trình vận chuyển khí dầu trở thành một công nghệ hữu ích. 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. Từ khóa: Khí hydrat, công 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. 1. Giới thiệu Trên thế giới, phát hiện và nghiên cứu GH đã có từ năm 1778 bởi Joseph Priestley. Lịch sử nghiên cứu GH cũng như mọi chất hóa học khác, ở giai đoạn bắt đầu được xem như “bí hiểm khoa học”. Năm 1934, giai đoạn phát triển vận chuyển khí dầu bằng tuyến ống và những thảm họa do GH gây ra, trở thành nguyên nhân chính làm công nghệ này bị đình trệ cho đến thời gian gần đây. Giữa thập niên 60 của thế kỉ thứ 20, đã khám phá ra sự tồn tại của NGH ở đáy đại dương và các vùng có băng tuyết quanh năm như Alaska và một vài hành tinh trong dải Thiên hà. Nghiên cứu công nghệ hidrat (GHT), có cách đây gần 30 năm và năm 1990, xuất phát từ nhu cầu ngành khai thác, thu gom, vận chuyển, tàng trữ khí cho những đối tượng mỏ trữ lượng không thương mại, khí vùng xa, khí biên,. vào năm 2007, Việt Nam ứng dụng GHT nhưng chỉ dừng ở việc nghiên cứu, tìm kiếm nguồn tài nguyên khoáng sản. NGH biết đến là một trong những nguồn năng lượng tương lai có thể bổ sung cho các nguồn năng lượng hóa thạch khác như dầu mỏ, than đá và một số nhiên liệu nguồn gốc sinh học. Tuy nhiên, để trở thành nguồn năng lượng phải hoàn thiện về công nghệ thăm dò, khai thác, đảm bảo hiệu quả kinh tế và các thách thức an toàn, môi trường. GH cũng được biết đến là một nguy cơ khi vận chuyển khí trong đường ống, cản trở sự di chuyển của khí hay tệ hơn là phá hủy ống, gây nổ, hỏa hoạn, Bài báo không đề cập quy mô TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 45 phân bố, ưu, nhược điểm của NGH, tác giả chỉ nghiên cứu các đặc tính, thành phần, cấu tạo, điều kiện thành tạo của GH trong tự nhiên, trong vận chuyển khí thiên nhiên bằng tuyến ống và trong thiết bị nhân tạo. Từ đó, đề xuất GHT ứng dụng hiệu quả với mỏ khí thiên nhiên (hay khí khô, thành phần CH4  90%) trữ lượng nhỏ, phân bố hẻo lánh, xa xôi hoặc vùng nước sâu, xa bờ, khi điều kiện xây dựng đường ống không khả thi để vận chuyển, thu hồi, tàng trữ, xử lý khí thiên nhiên an toàn, tiết kiệm và hiệu quả. 2. Khái niệm và một vài đặc tính GH GH là hợp chất rắn, hình thành từ “khung” phân tử nước và “nhân” chất khí, mối liên kết hydro – hydro và khí chiếm khoảng trống của tinh thể trong điều kiện áp suất cực lớn, nhiệt độ lạnh và độ sâu lớn (hình 1). Hình 1. Cấu tạo phân tử khí hydrat. NGH có tỷ trọng 0,88 – 0,90g/cm, giống như tuyết ướt, phần lớn có màu trắng, thỉnh thoảng gặp màu đỏ, vàng, màu nâu ở đáy biển Mexicô, màu xám hay xanh da trời ở đáy Đại Tây Dương và cao nguyên Black - Bahama. Như vậy, màu sắc NGH do ảnh hưởng của tạp chất trong các thành hệ hay màu của khí. NGH là nhiên liệu sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, công nghệ khai thác, thu gom nếu không hiệu quả sẽ gây thảm họa lớn cho môi trường, ước tính hàm lượng methane trong NGH có khả năng gây hiệu ứng nhiệt gấp 10 lần CO2. Dự báo, tài nguyên GH có trữ lượng lớn gấp 2 – 5 lần tổng trữ lượng tài nguyên dầu, khí, than hiện có trên thế giới. Hình 2. Màu sắc và mẫu lõi NGH tại Siberi. 3. Điều kiện hình thành GH Trong phòng thí nghiệm, GH được tạo từ phân tử nước và khí. Các phân tử nước liên kết với nhau bởi liên kết H - H ở điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao nhất định, tạo thành cấu trúc tinh thể bao bọc xung quanh phân tử khí. Hình 3. Điều kiện hình thành GH. Thực chất, GH là quá trình hoá lý chuyển dần từ pha khí đến pha khí - lỏng và kết thúc ở pha rắn dưới dạng tinh thể gồm các phân tử khí methane và các ô mạng phân tử nước. Những khung này không bền vững khi rỗng, có thể đổ sập tạo thành cấu trúc tinh thể băng thông thường và ổn định khi chứa phân tử khí có kích thước thích hợp (O2, N2, CO2, CH4, H2S, Ar,). Hàm lượng khí trong GH phụ thuộc chủ yếu vào nhiều yếu tố áp suất và nhiệt độ, 1m3GH phân giải có thể sinh ra 150m3 khí tiêu chuẩn và 0,8m3 nước, cho thấy tiềm tàng năng lượng của GH rất lớn, gấp 2 - 5 lần năng lượng khí thiên nhiên. Theo tài liệu nghiên cứu, GH hình thành tự nhiên dưới hai dạng chính: Trong các trầm tích hồ, đại dương, rìa lục địa, sườn lục địa nước sâu, địa cực nơi phát triển băng vĩnh cửu, khí và nước ở điều kiện nhất định - nhiệt độ thấp, áp suất cao tạo thành GH (hình 4). Hình 4. Biểu đồ pha GH trong trầm tích đại dương. Độ khoáng hóa của nước ảnh hưởng tới quá trình hình thành của NGH, độ khoáng hóa càng cao, nhiệt độ càng thấp, áp lực cao trở thành điều kiện cần cho thành tạo NGH. Giới hạn thành tạo NGH là yếu tố khí đạt 3m3/m3 (HC.nH2O), tối ưu T<+100C và P>60at. Ở thềm lục địa, quá trình tạo thành các NGH xảy ra do hoạt động của các quá trình 46 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 sinh hóa hay nhiệt xúc tác tạo khí, trong điều kiện lượng Corg>0,5%, khi Corg≤0,22% GH không thành tạo. Ở vùng rìa đại dương và sườn lục địa, nơi điều kiện thuận lợi thành tạo các NGH, khi lắng nén trầm tích sẽ giải phóng lượng lớn khí và chuyển vào đới NGH. Theo thời gian, nhiệt độ, NGH thoát nước và có làm tăng thể tích trong không gian lỗ rỗng trầm tích, cho phép nhận diện biệt bằng các phương pháp thăm dò địa chấn và điện. Quan hệ giữa To, P và hàm lượng metan để hình thành các NGH được thể hiện trên hình 5. Hình 5. Mô hình thành tạo GH trầm tích đại dương. Quá trình chuyển từ pha khí đến pha khí – lỏng xảy ra tối ưu ở điều kiện áp suất từ 50 - 60 at, nhiệt độ từ 4 - 10oC, gradient áp suất biển khoảng 1atm/10m nước, građient địa nhiệt khoảng 30o/1000m nước, độ sâu trên 500m nước. Khi nhiệt độ 0oC áp suất 26 at và 10oC, 76 at xuất hiện GH. Khi GH chỉ có thành phần metan (CH4 ≈ 90%) quá trình tích luỹ GH bắt đầu ở điều kiện P  400 atm, T  250C, độ sâu  400m nước, quá trình hoá rắn GH sẽ ở độ sâu và áp suất cao hơn, nhiệt độ thấp hơn. Khi hỗn hợp khí có thành phần ethan (C2H6 ≈ 10% trở lên), quá trình chuyển pha ở điều kiện áp suất thấp (≈ 10 at), nhiệt độ từ 10 - 15oC, độ sâu dưới 100m nước. Như vây, sự hình thành GH trong trầm tích ngoài các thông số áp suất, nhiệt độ, độ sâu cột nước còn tính đến thành phần khí. Khối lượng ngưng tụ phụ thuộc vào mật độ hydrocacbon và nước tự do. Đây là hai ý tưởng mấu chốt cho việc xây dựng GHT, chứng thực qua sự kết tinh GH trong vận hành tuyến ống vận chuyển khí thiên nhiên. Trong ống vận chuyển khí, sản phẩm khí được tách các thành phần nặng và nước ra khỏi thiết bị tách trước khi vận chuyển. Nhưng, trong quá trình vận chuyển, thành phần nặng và hơi nước tự do sẽ hình thành do áp suất giảm bởi sức cản thủy lực; nhiệt độ giảm do hiệu ứng truyền nhiệt tạo GH, nút GH, cản trở chất lưu vận chuyển (hình 6). Công nghiệp dầu khí, công tác thu gom, vận chuyển từ lâu rất quen thuộc với hiện tượng lắng đọng GH trong ống và thiết bị vận chuyển, bài toán này chỉ được giải bằng rất nhiều công sức và tiền bạc, chiếm trên 30% tổng giá trị tuyến ống. cản trở chất lưu khi vận chuyển trên hình 6. Hình 6. Thành tạo GH trong tuyến ống vận chuyển. Áp suất khí trong tuyến ống càng cao, nhiệt độ càng thấp thì GH càng nhanh hình thành và lắng đọng trên thành ống. Nghiên cứu của Sukhop, cuối thế kỷ 20, cho biết được thời gian (t1) và khoảng cách (l1) bắt đầu xuất hiện GH, công thức Sukhop như sau:       0 1 0 1 2 1 0 1 1 2 2 0 ( )1 ln a x i i t t t t e D P P t t aL l a D P P t t aL                Trong đó: t: Nhiệt độ trung bình chất lưu trong ống t0: Nhiệt độ môi trường a: Hằng số; . . . e p D K a G c   De: Đường kính ngoài của ống K: Hệ số truyền nhiệt của chất lưu G: Tốc độ khối Cp: Tỷ nhiệt dung Di: Đường kính trong của ống P1, P2: Áp suất đầu vào và ra của khí L: Chiều dài tuyến ống. Từ công thức cho biết, GH có thể tồn tại trong điều kiện áp suất khí quyển với nhiệt độ thấp hơn vài độ nước đóng băng. Áp suất TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 19 - 05/2016 47 thành tạo khoảng 60÷90bar, nhiệt độ 5oC÷10oC. Điều này mở ra khả năng ứng dụng thực tế GHT. 4. Công nghệ và ứng dụng của hydrat Sau khi tính toán công thức Sukhop trên các tham số kỹ thuật của tuyến ống vận chuyển cùng với nghiên cứu biểu đồ pha sự hình thành GH, chúng ta biết được thời gian và địa điểm bắt đầu hình thành GH. Qua đó, xây dựng mô hình GHT (hình 7). Hình 7. Mô hình công nghệ Hydrat khí, GHT. Sản phẩm khí dầu thu hồi tại mỏ sẽ qua bình tách lỏng khí, phần condensat được vận chuyển thẳng ra tàu hoặc hầm chứa, phần khí sẽ qua hệ thống làm lạnh bởi hơi nước để tạo GH và thu hồi tại tàu hoặc hầm chứa GH. GHT đơn giản, nhẹ nhàng có thể xây dựng trên đất liền hay hệ thống phao nổi trên biển nên được ưu tiên ứng dụng khai thác những mỏ khí đồng hành hay không đồng hành ở vùng hẻo lánh, xa xôi hay vùng nước sâu xa bờ “khí vùng xa” (standed gas) hay khai thác mỏ có sản lượng không đủ chi phí cho xây dựng hệ đường ống dẫn khí “khí cận biên” (marginal gas),Nói chung, chúng là mỏ khí có trữ lượng không triển vọng. Trước đây, khi chưa có công nghệ NGH, “tiêu thụ khí” không đường ống thường được giải quyết bằng đốt bỏ hoặc bơm trở lại lòng đất như khí đồng hành mỏ Bạch Hổ ở giai đoạn đầu khai thác dầu thô hoặc sử dụng quy trình hoá lỏng khí (LNG - Liquid Natural Gas) tại chỗ; từ nghiên cứu của Naklie và Hickman (1997), sản phẩm khí được hóa lỏng ở nhiệt độ - 162oC tại nhà máy LNG, xây dựng nổi gần cơ sở khai thác. Kỹ thuật này đảm bảo và an toàn môi trường. Tuy nhiên, theo Hickman việc xây dựng nhà máy cùng với hệ thống nổi an toàn áp dụng cho khí vùng xa và khí biên là không khả thi về kinh tế. Công nghệ này, sẽ được nghiên cứu trong các công trình khoa học tiếp theo của tác giả. GHT được nghiên cứu, ứng dụng chủ yếu ở Na Uy từ năm 1990, kết quả được nhóm Gudmundson công bố trong các năm 1994, 1995, 1996, 1997 với 3 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 của công nghệ NGH, ứng dụng hữu ích trong thu hồi, vận chuyển khí, tàng trữ và xử lý khí cụ thể. 4.1. Ứng dụng trong thu gom Khí thiên nhiên (Metane chiếm gần 90%), khí đồng hành (Metane chiếm gần 65%) được tách ra và chuyển hoá thành GH vận chuyển trong các bình chứa con thoi. Còn có phương thức thu gom khí thông qua chuyển hoá thành GH đóng băng rồi trộn vào dầu thô làm lạnh, vận chuyển dưới dạng vữa (slurry) trong bồn chứa. 4.2. Ứng dụng trong vận chuyển Khi nguồn khí ở xa nơi tiêu thụ sẽ được chuyển hoá thành GH khô và vận chuyển dưới áp suất khí quyển trong các tàu vận tải lớn. 4.3. Ứng dụng trong tàng trữ Sản phẩm khí thu hồi từ mỏ được chuyển hoá thành GH và tàng trữ dưới áp suất khí quyển. Hệ thống kho chứa đặt trên đất liền hay nổi ngoài biển. 4.4. Ứng dụng trong xử lý Nếu sản phẩm khí thu hồi chứa nhiều N2, CO2, H2S, thì GHT có thể xử lý “sạch” bằng cách tách từng khí này khỏi nguồn khí ban đầu dưới dạng GH. CO2 Hydrat, N2 hydrat, được chở bằng bồn chứa con thoi và đổ xuống biển sâu. Các hợp chất GH này nặng hơn nước biển nên bị chìm xuống đáy. Ở độ sâu trên 250 m, chúng tồn tại ổn định, thỏa mãn các yêu cầu về an toàn, môi trường Phản ứng thuận, thể hiện bốn ưu điểm trong công nghiệp khí, GH sau khi thu hồi sẽ đưa đến nhà máy sản suất điện sơ cấp. Khi phản ứng này đảo ngược, cho phép tạo dựng Sản xuất GH 48 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 19, May 2016 bài toán kiểm soát chuyển đổi NGH giúp thu hồi từng phần riêng biệt sản phẩm khí và nước cấu thành nó, ứng dụng cho quy trình thu hồi khí, thiết kế hệ thống sưởi, xả áp, tiêm chất ức chế, thay thế phân tử, NGH, nguồn tài nguyên độc đáo, không những có giá trị gia tăng trữ lượng tài nguyên năng lượng quốc gia mà bản thân còn là nguồn cảm hứng vô tận khi tạo ra các công nghệ, từ phản ứng thuận, nghịch hiệu quả. Hình 8. Biểu đồ so sánh hiệu quả kinh tế giữa vận chuyển NGH và LNG. Nhược điểm của công nghệ, GHT đòi hỏi nhiệt độ rất thấp, độ lạnh rất lớn, áp suất cao. Chúng ta mới chỉ ứng dụng tạo GH với các chất khí CH4, C02, Còn những chất lớn hơn như etan, propan, chỉ làm trong phòng thí nghiệm, thực tế công nghệ GHT vẫn chưa đạt, tạo rào cản GHT phát triển ở Việt Nam. Việc nghiên cứu tối ưu hoá thiết kế, giảm chi phí vốn đầu tư và chi phí vận hành cần được tiếp tục nghiên cứu. 5. Kết luận và kiến nghị GHT được hình thành và phát triển bắt nguồn từ nhu cầu thu gom, vận chuyển, tàng trữ và xử lý khí cho những đối tượng mỏ có trữ lượng không thương mại, khí vùng xa, khí biên. Phương thức mới này khác xa (có thể vượt trội) với phương thức bằng đường ống truyền thống xét trên phương diện kỹ thuật và hiệu quả kinh tế. Hơn nữa, công nghệ vận hành rất đơn giản, nhẹ nhàng. Tuy nhiên, việc tách, chiết suất khí, xây dựng hệ thống lạnh đồng bộ còn nhiều thách thức, hạn chế sự phát triển của công nghệ GHT. Hiện nay, Việt Nam ứng dụng NGT mới chỉ trong sản xuất máy điều hoà nhiệt độ, do công nghệ thân thiện môi trường cũng như chi phí đầu tư thấp, dễ sử dụng. Việc tiếp cận các thành tựu nghiên cứu GHT của các nước phát triển không phải là chuyện viễn vông mà hoàn toàn phù hợp với chủ trương đi tắt, đón đầu của phát triển khoa học kỹ thuật ở nước ta trong tiến trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam, VSP với “Chương trình nghiên cứu, điều tra cơ bản tiềm năng NGH ở biển và thềm lục địa Việt Nam” được Thủ tướng Chính phủ ban hành theo quyết định số 1270/QĐ–TTg ngày 24 tháng 9 năm 2007 trên cơ sở kiến nghị của Bộ Tài nguyên và Môi trường, bổ sung vào nhiệm vụ “Đề án tổng thể điều tra cơ bản và 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, quá trình hình thành, đặc điểm phân bố GH trên thế giới và Việt Nam; các công nghệ điều tra, thăm dò, khai thác, vận chuyển và sử dụng gas hydrate; khảo sát khoanh định các khu vực có triển vọng về GH; xây dựng hệ thống văn bản quy phạm pháp luật, tiêu chuẩn, quy chuẩn phục vụ công tác điều tra, đánh giá và thăm dò gas hydrate tại Việt Nam.  2015 - 2020 đánh giá, thăm dò NGH trên vùng triển vọng tại biển và thềm lục địa. Không có gì lạ khi các nghiên cứu, khảo sát, thăm dò dài hơi mươi, mười lăm năm như thế vì hiện nay các nước có nền khoa học tiên tiến thực sự chưa chinh phục được nguồn năng lượng này. Các nghiên cứu sau, tác giả sẽ đi sâu vào phân tích hiệu quả áp dụng tại mỏ khí Việt Nam, ứng dụng GH trong sản xuất điện, điều hòa nhiệt độ, Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh trong khuôn khổ đề tài mã số T-ĐCDK-2014-40  Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hồng Đức, Jean.Michel Henrri, Cái nhìn toàn cảnh về công nghệ Hydrat trên thế giới – Khả năng ứng dụng và phát triển ở 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 trong 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