Đề tài Đặc điểm của Hydrat khí và điều kiện thành tạo - Khả năng thăm dò và khai thác ở trên thế giới và Việt Nam

ời, trong các đại dương thì các rìa lục địa cũng là nơi có tốc độ trầm tích lớn nhất, do đó khối lượng vật chất hữu cơ bị trôn vùi nhanh hơn. Tốc độ tích tụ trầm tích nhanh sẽ bao bọc và bịt kín vật chất hữu cơ trong các trầm tích để các sinh vật sử dụng như là nguồn thứ ăn và tạo ra metan như một sản phẩm phụ trước khi nó có thể bị oxi hoá trong nước biển hoặc trên đáy biển. Mặc dù phần lớn lượng metan có nguồn gốc sinh học, nhưng sự có mặt của etan và các khí hydrocac bon nặng khác và lượng dầu thô do phân hủy sinh học ở một số vùng ví dụ như ở phía bắc vịnh Mexico lại là bằng chứng cho nguồn gốc nhiệt của quá trình sinh thành khí .Loại khí này được sinh ra ở nhiệt độ cao hơn hoặc là sâu hơn dưới đáy biển so với khí Metan nguồn gốc sinh học ,hoặc là ơ các độ sâu có gradient nhiệt tương ứng. Hình 7. Biểu đồ phân vùng nhiệt độ của khí nguồn gốc sinh học và nguồn gốc nhiệt theo gradien nhiệt và độ sâu Sinh đới dưới sâu tạo ra khí đốt thiên nhiên nguồn gốc sinh học phân bố ở các độ sâu khác nhau tùy thuộc vào bình đồ kiến tạo và građient địa nhiệt. Ở các rìa va chạm,các thấu kính trầm tích dày và khi gradient địa nhiệt sụt giảm sẽ cho phép các khí nguồn sinh học được hình thành từ những khoảng độ sâu đáng kể, nhưng bị vô số các chờm nghịch và các đứt gãy xuyên cắt tạo ra các kênh dẫn cho khí di chuyển từ các đới nóng hơn nằm dưới phần hậu cung của các đai rộng (Curry va nnk.,2004;Hyndman và nnk.,2005). Tuy nhiên ,độ lỗ hổng của trầm tích có thể vẫn là môi trường thuận lợi cho khí di chuyển. Các rìa như vậy được tìm thấy dọc theo bờ Tây của Bắc Mỹ và ở những nơi khác dọc theo mép phía Thái Bình Dương(Chẳng hạn rìa Cascadia), dọc theo bờ biển phía Đông Ấn Độ và rìa mảng va đập Indo-Australian .và các nơi khác khi có các đới hút chìm nằm dưới các thấu kính tích tụ dày của trầm tích dày của trầm tích biển. Hình 8.nền trầm tích phủ trên rìa lục địa tích cực hay va chạm .Khí nguồn gốc nhiệt được đưa lên từ các nguồn ở sâu theo các đứt gãy.TG-nguồn gốc nhiệt,BG-nguồn gốc sinh học Cũng như các khí nguồn gốc sinh họ, các khí có nguồn gốc nhiệt sinh thành từ dưới sâu bên dưới các thấu kính từ các trầm tích bị hút chìm, hoặc là được sinh thành từ gần nguồn nhiệt đi cùng với các đá magma hoặc chân của các cung núi lửa trong các thấu kính tích tụ này, có thể di chuyển khi khí tập trung dọc theo các kênh dẫn này đi vào đới khí hydrat ổn định (GHSZ-Gas Hydrat Sability Zone) tại đỉnh của thấu kính.Tại rìa các lục tích cục ,khí nguồn gốc nhiệt rất phổ biến. Ở phía bắc vịnh Meexxico dầu lửa đi cùng với các mỏ Hydrat khí và khí nguồn gốc nhiệt phổ biến trong băng cháy. Ở rìa thụ động ,thường không có sự phá hủy cấu trúc cắt qua toàn bộ nêm trầm tích. Tuy nhiên, các trầm tích muối có thể tạo ra các cấu trúc diapia xuyên qua trầm tích có bề dày đáng kể. Các cấu trúc này tạo ra hướng dịch chuyển gần thẳng đứng cho các dung dịch lỏng và khí từ dưới sâu đi lên GHSZ ở gần bề mặt. Do trầm tích bên dưới được hâm nóng, nhiệt độ ở dưới sâu có thể tăng tới điểm tới hạn làm ngừng quá trình sinh khí, mặc dù khí khô (metan tinh khiết) có thể được sinh ra từ vật chất hữu cơ với giá trị nhiệt độ rất cao. Ở các rìa lục địa cổ, chẳng hạn như gờ biển Blake chứa các trầm tích kỷ Jura giàu vật chất hữu cơ có khả năng sinh metan. Khí bắt nguồn từ các đới chứa hydrat khí vùng Nankai chủ yếu là meetan nguồn gốc vi sinh. Mặc dù vậy,nguồn gốc của hydrocacbon hầu như không ảnh hưởng đến sự thành tạo hydrat khí. Tốc độ cung cấp metan cho GHSZ và phương thức cung cấp (ví dụ hòa tan trong nước ngầm hay ở dạng khí )mới là yếu tố khống chế sự hình thành và tập trung hydrat khí. Sự tạo thành băng cháy thường xảy ra trong môi trường tự nhiên đủ chậm để nhiệt lượng sinh ra thì phản ứng sẽ ngừng lại ở một giá trị nào đó mà không phụ thuộc vào độ sâu. II.3 Môi trường thành tạo hydrat khí Phần lớn Metan hydrat được bắt gặp ở các gờ của các lục địa và ở các bồn biển rìa , giống như ở Địa Trung Hải và Biển Đen ,và một số vùng băng hà vĩnh cửu.Có 2 nguyên nhân chính để metan nguồn gốc sinh vật tích tụ ở các môi trường nêu trên là: 1.Các vùng rìa đại dương và các vùng trũng đại dương là nơi có lưu lượng cacbon hữu cơ trao đổi với đáy biển lớn nhất do có tích tụ sản phẩm sinh học cao nhất. 2. Đây là nơi mà tốc độ trầm tích cao nhất. Các tích tụ trầm tích này nhanh chóng bao bọc và bảo vệ các vật liệu hữu cơ trước khỏi hoạt động oxi hóa, cho phép các vi sinh vật cư ngụ trong trầm tích sử dụng các vật liệu đó như là nguồn thức ăn,tạo ra metan –hợp phần chính trong hydrat khí. II.4 Mô hình hành tạo hydrat khí Trong tự nhiên Hydrat khí tồn tại ở 2 dạng chính sau: Dạng phân tán:hầu khắp trong trầm tích ở dạng lấp đầy lỗ hổng (đặc biệt là trong cát) hoặc là dạng ổ hay mạch nhỏ(phổ biến hơn là trong bùn). Đây là loại Hydrat khí phân bố rộng rãi được xác định rõ nhất trong các mặt địa chấn. Dạng tích tụ: thường tồn tại trong các mỏ được xác định là dạng khối, thường là các tụ đống bề mặt. Các mỏ này đã được nhiên cứu thành công bằng việc sử dụng các tàu ngầm mini. Một lượng đáng kể hydrat khí có thể tích tụ theo một trong hai dạng nêu trên. Điều đó cho thấy có thể tồn tại hai phương thức ,hai mô hình tích tụ hydrat khí:Mô hình dòng khí khuếch tán và mô hình dòng khí tập trung. Tuy nhiên ,trên thực tế không một vùng nào là hoàn toàn được đặc trưng bởi dạng này hay dạng khác. Mô hình dòng khí khuếch tán điển hình phổ biển ở nhiều môi trường rìa lục địa thụ động trong đó quá trình trầm tích xảy ra rất chậm chạp trên toàn bộ các vùng thềm/sườn/gờ nâng lục địa rộng lớn ít bị ảnh hưởng của hoạt động kiến tạo. Mô hình dòng khuếch tán Phần lớn metan có nguồn gốc sinh học trong hydrat khí được sinh ra ở gần đáy bởi các vi khuẩn phân tán trong trầm tích. Các vi khuẩn sinh metan cần có điều kiện thiếu oxi(điều kiện khử)bởi vậy trong các trầm tích chúng chỉ tồn tại ngay dưới mức nơi xảy ra sự khử sunphat. Mặc dù một số vi khuẩn sinh metan tồn tại ở sâu hơn, nhưng mức sinh metan lớn nhất có thể chỉ tính bằng m hay chục m dưới đáy biển. Trái lại các kết quả địa chấn và tài liệu lỗ khoan cho thấy độ tập trung hydrat khí nhìn chung là tăng lên theo chiều sâu qua đới hydrat khí ổn định (GHSZ) và tập trung nhiều nhất ở gần đáy của đới này(một vài trăm m tính từ đáy biển) Bối cảnh bình thường là phải có khí tự do bị bẫy giữ bên dưới đáy của GHSZ.Tốc độ chậm của khí là do các khí bị bẫy giữ là điểm tương phản tốc độ từ đó tạo ra mô hình phản xạ đáy(BSR). Sự thành tạo của hydrat cần phải có quá trình gần bão hòa trong nước lỗ hổng, bởi vậy sự có mặt của các bọt khí là rất thuận lợi cho sự phát triển của hydrat khí. Hàm lượng hydrat khí cao chỉ bắt gặp ngay trên đáy của GHSZ chứng tỏ khí bị bẫy giữ bên dưới đang hoạt động như một nguồn tạo hydrat khí trong các vùng kề cận và tồn tại một quá trình luân chuyển khí từ bồn chứa bên dưới GHSZ lên trên để thành tao hydrat khí ở đó. Hình 9 thể hiện mô hình khuếch tán hydrat tại một vị trí trong trầm tích có có các vi khuẩn đang tích cực sinh ra metan(có thể sâu vài chục m tính từ đáy biển trở xuống). Hình 9:Mô hình khái quát dòng khuyếch tán hydrat khí Mô hình dòng tập trung Giải thích sự thành tạo mỏ hydrat nguồn gốc khí nhiệt, liên quan đến đứt gãy sâu, có BSR nằm nghiêng hay cắt qua các lớp trầm tích tạo nhiều dạng bẫy. III. SƠ LƯỢC VỀ NGHIÊN CỨU HYDRAT KHÍ Ở CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI. III.1 Công tác thăm dò, nghiên cứu hydrat khí Hiện nay hydrat khí đang được nhiều nước đầu tư nghiên cứu trong đó dẫn đầu là các nước như:Hoa Kỳ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc.Liên Bang Nga.........Các quốc gia này đã và đang đầu tư mạnh mẽ trong việc nghiên cứu hydrat khí. Đã có nhiều hội nghị quốc tế về khí hyddrat được tổ chức, trong đó có quy mô và toàn diện nhất là hội nghị quốc tế về khí hydrat(ICGH) được tổ chức 3 năm một lần, bắt đầu từ năm 1993. III.2 Công tác khai thác Do hydrat khí nằm khá sâu dưới điều kiện nhiệt độ thấp, áp suất cao do vậy nó rất dễ bị phân hủy ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường dẫn đến việc khai thác hydrat khí hiện nay là rất khó khăn, khó cho hiệu quả kinh tế. Các nước trên thế giới đang tăng cường việc nghiên cứu cách khai thác hydrat khí có hiệu quả và hi vọng sẽ khai thác hydrat khí dưới quy mô công nghiệp vào một thời gian gần nhất. IV. KHẢ NĂNG TỒN TẠI HYDRAT KHÍ TRÊN BIỂN ĐÔNG VIỆT NAM IV.1 Khái quát về địa chất và địa hình đáy biển +Về địa tầng Các thành tạo địa chất trong khu vực biển Đông bao gồm: -Thành tạo trước Kainozoi(Kz) Các thành tạo trước Kz chủ yếu là các trầm tích biến chất, đá magma xâm nhập và trầm tích gồm cuội kết, phiến sét, cát kết và đá vôi như gặp giếng khoan GK 15-A-1X. Đá xâm nhập bị phong hóa và nứt nẻ giàu felspat, đá vôi Dolomit xen với đá phiến sét và sét vôi tuoir Devon đã được phát hiện ở GK 112-AV-1X, Dolomit bị phong hóa nứt nẻ, các khe nứt được lấp đầy calcit kết tinh, ngoài ra ở một số khu vực còn gặp đá phun trào biến chất tuổi Paleozoi, Mesozoi. -Thành tạo Kainozoi Trong phạm vi khu vực biển nước sâu của Việt Nam tồn tại một loạt các trũng Đệ Tam đã được ghi nhận qua kết quả phân tích và minh giải các tài liệu địa chất, địa vật lý, đặc biệt là tài liệu địa chấn sâu của Tập đoàn dầu khí quốc gia VN và các công ty nước ngoài. Các thành tạo trầm tich Kz có chiều dày từ 4000m đến 10.000m, đã được phát hiện trong hàng loạt giếng khoan tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở các bể trầm tích, ba gồm các thành tạo sau: Oligocen: Đặc trưng bởi các phức hệ cát kết, sét kết và than nâu, dày từ ài ngàn mét đến trên 2000m, chúng lấp đày các địa hào và bán địa hào được hình thành trong thời kỳ tạo rift. Miocen: Thường thì phần dưới là các trầm tích lục nguyên, phân trên là các trầm tích biển như carbonat, sét xám chứa calci và nhiều nơi còn gặp cả đá vôi dolomit và ám tiêu san hô, như đặc trưng ở khu vực đới nâng Tri Tôn. Phần trên cùng Miocen các thành tạo chủ yếu bột kết xen kẽ đá phiến(như ở GK 118-CVX-1X). Pliocen: Trầm tích Pliocen chủ yếu là sét, cát và bột được thành tạo trong môi trường biển và biển nông ven bờ, ngoài ra còn gặp các ám tiêu san hô( như khu vực Trường sa và Hoàng sa). Các trầm tích Pleistocen được đặc trưng bởi trầm tích sét,, bột ngoài ra còn có các đá ám tiêu san hô như ở khu vực Trường sa và Hoàng sa. + Về lịch sử phát triển địa chất- kiến tạo của khu vực Biển Đông có thể chia ra các giai đoạn sau: - Giai đoạn trước Kainozoi: Chu kì tạo núi Yến Sơn có tác động mạnh mẽ đến khu vực Biển Đông và tạo ra các đai uốn nếp hình thành trong các đới nâng như ở Tri Tôn, các hoạt động magma xâm nhập và phun trào xảy ra mạnh mẽ. - Giai đoạn tác giãn: Diễn ra từ Eocen giữa và kéo dài đến cuối Oligocen, nhiều nơi đén tận Miocen trung và hình thành các trũng, địa hào và được lấp đầy với các thành phần lục nguyên như cát, bột và sét. - Giai đoạn sau tạo rift: Sau đó do sự thay đổi mực nước trong Miocen mà nhiều nơi đới nâng bị nhấn chìm như ở khu vực phía nam bể Sông Hồng thay đổi môi trường thuận lợi cho sự phát triển của các ám tiêu san hô đồng thời mở rộng các địa hào và bán địa hào. Đến Miocen muộn và Pliocen là quá trình sụt lún làm gia tăng chiều dày trầm tích ở các trũng, cũng trong thời kì này các hoạt động núi lửa trẻ Pliocen-Pleistocen dẫn đến hình thành các đá magma xâm nhập, phun trào rộng khắp trên Biển Đông. + Về địa hình địa mạo đáy biển Địa hình đáy Biển Đông nói chung, vùng biển nước sâu của Việt Nam hết sức phức tạp, bao gồm những đồng bằng bằng phẳng, những cao nguyên, những sườn dốc, sườn thoải, đồi núi ngầm tạo nên một hình ảnh tương phản về địa hình ở khu vực này. Theo đặc điểm địa hình- địa mạo của khu vực có thể chia địa hình của khu vùng sườn lục địa biển sâu ra 4 dạng địa hình khác nhau. Địa hình thềm lục địa Đây là phần lục địa kéo dài và bị ngập nước trong giới hạn từ 0m đến 200m, có địa hình tương đối bằng phẳng, độ dốc không quá 0,2 độ, là vùng chịu ảnh hưởng của các hoạt động thủy triều, dòng chảy, di chuyển bồi tích. Do quá trình sụt lún của móng granit đã tạo ra một loạt các trũng lớn và được lấp đầy các thành tạo trẻ Kz và tạo nên các bồn trũng: Sông Hồng, Tây Lôi Châu, Nam Hải Nam, Cửu Long, Nam Côn Sơn...chúng đã được lấp đầy các thành tạo lục nguyên-carbonat: cát, bột, sét và cả carbonat. Địa hình sườn lục địa Địa hình sườn lục địa Việt Nam và vùng kề cận được phân bố trên một diện tích rộng và gân như nằm ở vùng nước sâu từ 150m đến 4000m. Trên bản đồ phân vùng địa hình-địa mạo đáy Biển Đông của tác giả Nguyễn Thế Tiệp và nhiều người khác thành lập năm 2006-2007 đã cho thấy sườn lục địa là một dải bao quanh thềm lục địa, vùng sườn có xu thế nghiêng dần về phía trung tâm Biển Đông. Với độ doocs thay đổi khác nhau nên sườn lục địa ở đây có thể chia ra làm 2 vùng sườn khác nhau: +Vùng sườn có địa hình dốc lớn: vùng này có độ dốc từ vài độ đến hàng chục độ và được gọi là sườn kiến tạo. Đây là một dải hẹp có chiều rộng từ vài km đến hàng chục km, với địa hình biểu lộ sự thay đổi nhanh về độ dốc từ thềm lục địa xuống, dải sườn dốc này chạy từ Đông Bắc Biển Đông qua Tây Bắc quần đảo Hoàng Sa, đến Đông Phú Khánh, qua Tư Chính đến Borneo và kéo dài đến tận Tây Nam quần đảo Philipin. + Vùng sườn có địa hình dốc thoải: Vùng này được trải rộng từ chân sườn dốc đến tận chân sườn lục địa hoặc gián tiếp với rìa của các đồng bằng biển thẳm trong đới tách giãn Biển Đông. Diện tích vùng sườn thoải này được phân bố tại vùng có chiều sâu nước biển trên 500m đến 3500m. Trong vùng sườn thoải này có các trũng Kainozoi rộng lớn với chiều dày trầm tích từ 4000m đến 8000m, là các trũng có thể cung cấp nguồn khí cho quá trình hình thành Hydrate khí biển. Địa hình đáy biển thẳm Địa hình đáy biển thẳm chiếm hầu hết diện tích hầu hết phần trung tâm Biển Đông, với chiều sâu nước biển từ 4000 đến 5015m. Đây là khu vực có vỏ đại dương được bộc lộ với lớp bazan điển hình, phủ trên lớp bazan là một lớp trầm tích trẻ có chiều dày mỏng. Địa hình ở đây bao gồm các đồng bằng biển thẳm, ngoài ra còn có các vực thẳm, hố sâu và các gò đồi, khối và núi ngầm có chiều cao từ vài trăm mét đến 3-4 ngàn mét, là các núi lửa cấu thành từ các đá bazan được phun trào lên theo các đứt gãy sâu và chúng tạo thành các dãy núi ngầm giữa Biển Đông. IV.2 Các điều kiện và tiền đề hình thành hydrat khí trên biển Đông IV.2.1. Điều kiện hình thành Hydrate khí Hydrate khí được hình thành trong trầm tích biển cần có các điều kiện cơ bản sau đây: Nước lỗ rỗng trong trầm tích phải bão hòa khí ga tự do (chủ yếu CH4 ) Tại đó phải đảm bảo được áp suất thủy tĩnh đủ lớn; Nhiệt độ của trầm tích và nước lỗ rỗng tại đây đủ nhỏ. Điều kiện( 1) liên quan tới các trầm tích phải có, độ rỗng chứa nước và có khí tự do bão hòa. Các vùng thích hợp để thỏa mãn được các điều kiện này thường là các vùng nước nông ven bờ ở các bồn trầm tích, cửa sông, tại những vùng sườn lục địa trong cấc trúc địa chất ở các nêm tăng trưởng, cao nguyên ngầm,các đới nâng, các nón trầm tích đáy biển, turbidi, diapir bùn, volcano bùn. Điều kiện về áp suất và nhiệt độ cần thiết để cho khí tự nhiên hình thành và duy trì ở dạng hydrate, nếu ở độ sâu 1000m, khi hàm lượng khí CH4 là 100% thì nhi