Cuộc cách mạng dầu khí đá phiến

Trần Hữu Hiếu 
Thứ Sáu, 24/10/2014







(Thời Báo Kinh Tế Sài Gòn) 
Thực tiễn năm năm trở lại đây cho thấy một cuộc cách mạng khai thác dầu khí đá phiến đã đột phát và đang diễn tiến liên tục hàng ngày tại khắp nước Mỹ. Cuộc cánh mạng năng lượng này được coi là biến chuyển cực kỳ quan trọng, có tầm vóc lịch sử, đã khiến Mỹ vượt Nga để trở thành quốc gia có sản lượng khí đốt lớn nhất thế giới vào năm 2010.
Khai thác dầu mỏ từ đá phiến. Ảnh minh họa
Dầu khí đá phiến là gì?
Quá trình hình thành dầu khí bắt nguồn từ hàng trăm triệu năm trước, khi xác các sinh vật chìm dưới đáy biển và xác thực, động vật bị chôn vùi trong lòng đất hình thành lớp vật chất tạm gọi là “bùn lắng hữu cơ”. Năm này qua năm khác, quá trình này cứ tiếp diễn, các lớp bùn hữu cơ trộn lẫn với trầm tích và các vật chất khác tiếp tục bị chôn vùi sâu hơn và hình thành nên những lớp đá phiến hạt mịn. Nếu chúng ở sâu, bị các lớp trầm tích mới đè lên tạo nên môi trường áp suất lớn và nhiệt độ cao thì các vật chất hữu cơ này bị phân giải, hình thành dầu và 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 khai thác trong hơn 100 năm qua. Đây được coi là dầu khí truyền thống (conventional oil & gas).
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 và 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 ki lô mét trong lòng đất, tùy theo cấu tạo địa chất từng vùng. Dầu và khí được hình thành trong trạng thái như vậy được gọi là dầu khí bị “nhốt” trong đá phiến, hay gọi tắt là “dầu khí đá phiến” (shale oil & gas). Dầu khí đá phiến được coi là dầu khí phi truyền thống (unconventional oil & gas).
Như vậy, đặc tính cốt lõi của dầu khí đá phiến (phi truyền thống) để phân biệt với dầu khí truyền thống là ở chỗ: do độ thấm và độ rỗng thấp của các lớp đá phiến nên không thể hình thành dòng chảy tự phát vào giếng khoan khai thác với lưu lượng thỏa mãn điều kiện kinh tế của các phương pháp khai thác truyền thống.
Trữ lượng dầu khí đá phiến lớn như thế nào?
Không chỉ ở Mỹ và Canada, dầu khí đá phiến có mặt ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm cả Nga, Trung Quốc, châu Âu, châu Phi và Nam Mỹ. Theo Cơ quan Thông tin năng lượng Hoa Kỳ (EIA), trữ lượng dầu đá phiến toàn thế giới là 345 tỉ thùng, trong đó Nga là nước đứng đầu với trữ lượng 75 tỉ thùng. Tiếp sau đó là Mỹ, Trung Quốc, Argentina và Libya với trữ lượng lần lượt là 58, 32, 27 và 26 tỉ thùng.
Cũng theo cơ quan này, trữ lượng khí đá phiến toàn thế giới là 206.000 tỉ mét khối. Đứng đầu trong danh sách này là Trung Quốc, theo sau là Argentina, Algeria, Mỹ và Canada với trữ lượng lần lượt là 32.000, 23.000, 20.000, 19.000 và 16.000 tỉ mét khối.
Mặc dù vậy, cần nhớ rằng trữ lượng dầu đá phiến (345 tỉ thùng) chỉ chiếm một phần mười tổng trữ lượng dầu thô trên toàn thế giới và trữ lượng khí đá phiến (206.000 tỉ mét khối) chiếm khoảng một phần ba tổng trữ lượng khí đốt toàn thế giới.
Riêng đối với Mỹ, trữ lượng dầu và khí đá phiến chiếm khoảng một phần tư tổng trữ lượng dầu và khí.Trung Quốc mặc dù có trữ lượng khí đá phiến nhiều hơn gần gấp đôi Mỹ nhưng hiện nay vẫn loay hoay với bài toán khai thác thế nào cho hiệu quả.
Những tác động của dầu khí đá phiến đối với nền kinh tế Mỹ ra sao?
Cuộc cách mạng lớn nhất về dầu khí trong thế kỷ 21 đã và đang diễn ra ở Mỹ để khai thác các tài nguyên từng bị xem là không khả thi về mặt thương mại. Với trữ lượng dầu khí đá phiến khổng lồ tại nhiều bang và trình độ khoa học kỹ thuật hàng đầu thế giới, Mỹ là nước đầu tiên đi tiên phong và làm chủ công nghệ này. Có thể kể ra một ví dụ điển hình như sau. Vùng Eagle Ford - nằm cách thủ đô dầu khí Houston khoảng 320 ki lô mét - vào năm 2011 chỉ khai thác được 50.000 thùng dầu thô/ngày. Đến nay con số này đã vọt lên 1,4 triệu thùng/ngày nhờ vào kỹ nghệ khai thác dầu khí đá phiến nói trên. Điều này góp phần đưa sản lượng dầu thô của tiểu bang Texas từ 1,3 triệu thùng/ngày tăng vọt đến hơn 3 triệu thùng/ngày vào thời điểm hiện nay. Có lẽ mọi người sẽ ngạc nhiên khi biết rằng sản lượng này của chỉ riêng tiểu bang Texas đã vượt sản lượng dầu thô của Iraq - một quốc gia nổi tiếng về sản xuất dầu mỏ.
Từ năm 2007-2014, sản lượng khí đá phiến của Mỹ tăng trung bình 50% mỗi năm, tương đương mức tăng từ 5% lên 36% trong tổng thị phần khí đốt. Viện Nghiên cứu McKinsey dự báo ngành công nghiệp khí đá phiến sẽ giúp GDP của Mỹ tăng bình quân 4% hàng năm, tức vào khoảng 690 tỉ đô la Mỹ.
Sự phát triển của cuộc cách mạng dầu khí đá phiến đã đem lại 2,1 triệu việc làm và đóng góp 74 tỉ đô la tiền thuế cho ngân sách của Mỹ năm 2012. Năm 2014 cũng đánh dấu mức đầu tư lớn nhất từ trước đến nay ở ngành dầu khí với con số khổng lồ lên đến 200 tỉ đô la với hơn 120 tỉ đô la được đầu tư vào các dự án sản xuất khí hóa lỏng. Dự báo đến năm 2020, ngành công nghiệp này sẽ đem lại cho Mỹ hơn 3 triệu việc làm, góp phần giải quyết tình trạng thất nghiệp và đưa nước này đến một chu kỳ kinh tế phát triển mới.
Cuộc cách mạng năng lượng này ảnh hưởng đến thế giới ra sao?
Cuộc cách mạng dầu khí đá phiến không những đã giúp kinh tế Mỹ hồi phục sau cuộc khủng hoảng tài chính vào năm 2008, mà còn đóng góp vào việc bình ổn giá dầu thô toàn cầu trong lúc các cuộc khủng hoảng xảy ra ở nhiều vùng miền sản xuất dầu khí trên thế giới.
Tại Mỹ, sản lượng dầu và khí đá phiến dồi dào đã vực dậy các ngành công nghiệp liên quan như công nghiệp sản xuất điện năng từ khí, công nghiệp vận tải, nhưng quan trọng nhất là công nghiệp lọc hóa dầu và điều này góp phần tích cực vào sự bình ổn giá xăng dầu toàn cầu. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hóa lỏng khí đốt, việc Mỹ trở thành nhà cung cấp nguồn năng lượng này cho khu vực châu Âu và châu Á sẽ có triển vọng sớm hiện thực hóa.
Cuộc cách mạng dầu khí đá phiến đã góp phần tăng nguồn dầu dự trữ chiến lược (strategic petroleum reserve) của Mỹ, hiện tại đã lên đến khoảng 730 triệu thùng - mức cao nhất tính từ năm 1982. Về lâu dài, khi có nhiều lựa chọn về nhiên liệu, các quốc gia OPEC, đặc biệt là khu vực Trung Đông sẽ không còn thao túng giá dầu thô trên thế giới.
(*) Nhóm nghiên cứu dầu khí Houston, Hoa Kỳ
Ai là cha đẻ của kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến?
Thực ra, người ta đã biết về dầu khí đá phiến từ rất lâu nhưng lại không biết cách nào để khai thác nó một cách hiệu quả và đỡ tốn kém nhất. Từ những năm cuối thập niên 1970 một kỹ sư dầu khí sống ở thành phố Houston, tiểu bang Texas có tên là George Mitchell đã thành lập Công ty Mitchell Energy & Development Corporation để phát triển kỹ thuật “nứt vỡ thủy lực” dùng trong việc khai thác dầu khí đá phiến. Thời gian đầu không ai nghĩ là ông Mitchell sẽ thành công, thậm chí còn bị dư luận chế giễu là lập dị, và những việc ông ta làm chẳng đem lại ích lợi gì.
Song, với sự cần mẫn và tinh thần sáng tạo, chấp nhận rủi ro trong kinh doanh, “dám làm dám chịu” (entrepreneurship) vốn đã thành thương hiệu của doanh nhân Mỹ, ông Michell tin tưởng rằng nhờ giá dầu khí ngày càng tăng cao do nhu cầu thế giới, nhờ công nghệ bơm áp suất cao, kỹ thuật chế tạo ống chịu được áp lực lớn và nhiều kỹ nghệ tiến bộ vượt bậc khác, ông ta có thể đầu tư bỏ vốn lớn và kiếm lời qua việc sản xuất khí đốt tự nhiên bằng công nghệ khai thác khí đốt ẩn nấp trong các vỉa đá phiến, hầu bổ sung và tăng cường cho nguồn cung truyền thống đang mỗi ngày mỗi khan hiếm. Ông Mitchell đã âm thầm phát triển kỹ nghệ “nứt vỡ thủy lực” mang tính bước ngoặt. Cho đến năm 2002, thấy được tiềm năng của công nghệ nứt vỡ thủy lực, hãng Devon Energy của Mỹ đã mua lại Công ty Mitchell Energy & Development Corporation của ông Mitchell với giá lên đến 3,5 tỉ đô la. Họ kết hợp kỹ thuật nứt vỡ thủy lực với kỹ thuật khoan ngang để lần đầu tiên khai thác khí đá phiến một cách kinh tế và hiệu quả vào năm 2005.
Daniel Yergin, Phó chủ tịch Viện Nghiên cứu dầu khí IHS và là tác giả của hai bộ sách The Prize và The Quest, vốn được xem là “kinh thánh của ngành dầu khí” đã xem George Mitchell là cha đẻ của kỹ thuật khai thác dầu khí đá phiến với câu nói: “Ông Mitchell đã có khai phá quan trọng nhất trong lĩnh vực năng lượng của thế kỷ 21”. George Mitchell đã có may mắn thấy được thành quả đóng góp to lớn của mình vào kỹ nghệ dầu khí của Hoa Kỳ trước khi qua đời vào tháng 7-2013.

Quá trình khai thác dầu khí đá phiến diễn ra như thế nào?
Như đã đề cập ở trên, hiện nay Mỹ đã khai thác thương mại thành công dầu khí đá phiến bằng sự kết hợp hai kỹ thuật gọi là “nứt vỡ thủy lực” và “khoan ngang”.
“Nứt vỡ thủy lực”, cũng còn được gọi là “đập vỡ thủy lực” hay “bẻ gãy thủy lực” được lược dịch từ thuật ngữ hydraulic fracturing - thường được người Mỹ gọi tắt là fracking hay fracing. Đây là kỹ thuật bơm chất lỏng với áp lực lớn để làm nứt vỡ các vỉa đá phiến, qua đó chiết tách dầu và khí.
Khoan ngang (horizontal drilling): giống như khoan dầu khí thông thường nhưng đến độ sâu cần thiết thì mũi khoan được bẻ cua một góc 90 độ so với phương thẳng đứng và tiếp tục khoan theo phương ngang. Kỹ thuật này cho phép giếng khoan đi xuyên qua những phiến đá nằm sâu trong lòng đất.
Quá trình khai thác dầu khí đá phiến gồm các công đoạn chính như sau:
• Đầu tiên người ta khoan thẳng xuống từ 1-3 ki lô mét tùy theo độ sâu của các vỉa đá phiến có chứa dầu khí. Thường thì độ sâu này sâu hơn các mạch nước ngầm.
• Với kỹ thuật khoan ngang nêu trên, mũi khoan được bẻ cua góc 90 độ và tiếp tục khoan ngang vào các mạch đá phiến từ 1-2 ki lô mét tùy theo độ rộng vỉa. Công đoạn đặt ống và trám xi măng thành giếng tương tự như khai thác dầu khí thông thường được tiến hành liên tục.
• 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. Thành phần hóa chất trong hỗn hợp này thường được giữ kín bởi các công ty cung cấp dịch vụ khoan.
• Dưới áp lực cao, hỗn hợp dung dịch bị đẩy mạnh vào các lỗ nhỏ trên thành giếng (xem bước 3) 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. Có thể hình dung các khe nứt li ti này với hình ảnh các rễ con của một rễ cây tỏa ra mọi hướng trong lòng đất.
• Khi dừng bơm, hỗn hợp dung dịch sẽ được rút lên, tuy nhiên cát có mặt trong hỗn hợp dung dịch đã được đẩy lọt vào trong những khe nứt li ti của đá phiến và sẽ nằm kẹt lại trong đó khi nước rút. Bề rộng của các khe nứt này cao nhất chỉ vào khoảng vài mi li mét.
• 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.
Chi phí cho một lần khoan phi truyền thống này vào khoảng 6 triệu đô la (khoảng 120 tỉ đồng) tại Mỹ tùy theo độ sâu và đặc tính địa chất từng vùng. Chi phí sẽ giảm dần theo thời gian khi các kỹ thuật phụ trợ được phát triển, có hiệu quả cao.