Cơ chế hình thành khí tự nhiên chủ yếu dựa trên sự phân hủy nhiệt của các chất hữu cơ, cụ thể là sinh vật phù du biển và tảo, tích tụ trong môi trường trầm tích hàng triệu năm trước. Quá trình này diễn ra theo các bước sau:
- Tích tụ và chôn vùi: Sinh vật phù du và tảo chết rơi xuống đáy biển và bị chôn vùi dưới các lớp trầm tích như cát và bùn. Quá trình này ngăn chặn sự phân hủy hoàn toàn do thiếu oxy.
- Tác động của nhiệt độ và áp suất: Theo thời gian, các lớp trầm tích chồng chất lên nhau, tạo ra áp suất và nhiệt độ ngày càng tăng. Khi độ sâu chôn vùi tăng, nhiệt độ tăng khoảng 25°C trên mỗi km.
- Sự hình thành kerogen: Ở nhiệt độ từ 60-120°C, các chất hữu cơ trải qua quá trình biến đổi hóa học, gọi là quá trình tạo diagenesis, hình thành kerogen, một chất hữu cơ rắn phức tạp.
- Sự hình thành hydrocarbon: Khi nhiệt độ tăng lên trên 120°C, kerogen bắt đầu bị phân hủy nhiệt, một quá trình gọi là catagenesis. Trong khoảng nhiệt độ này, kerogen bị bẻ gãy thành các phân tử hydrocarbon nhỏ hơn, bao gồm cả dầu mỏ (ở nhiệt độ thấp hơn) và khí tự nhiên (ở nhiệt độ cao hơn, từ 150-225°C). Quá trình này còn được gọi là “nấu chín” kerogen.
- Di chuyển và tích tụ: Khí tự nhiên, nhẹ hơn nước và đá, có xu hướng di chuyển lên trên thông qua các lỗ rỗng và khe nứt trong đá. Quá trình di chuyển này có thể kéo dài hàng triệu năm cho đến khi khí gặp một lớp đá không thấm nước, gọi là đá chắn, tạo thành một bẫy khí tự nhiên. Đá chắn ngăn chặn khí tiếp tục di chuyển lên trên, khiến nó tích tụ lại trong các lỗ rỗng của đá chứa, thường là đá sa thạch hoặc đá vôi.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành khí tự nhiên
Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành khí tự nhiên bao gồm:
- Loại chất hữu cơ: Loại sinh vật ban đầu ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng của khí tự nhiên.
- Nhiệt độ và áp suất: Nhiệt độ và áp suất tối ưu là cần thiết cho quá trình sinh nhiệt.
- Thời gian: Quá trình hình thành khí tự nhiên mất hàng triệu năm.
- Đá chứa và đá chắn: Sự hiện diện của đá chứa xốp và đá chắn không thấm nước là cần thiết để tích tụ và giữ khí.
Tóm lại, khí tự nhiên là sản phẩm của một quá trình địa chất phức tạp, kéo dài hàng triệu năm. Sự hiểu biết về cơ chế hình thành khí tự nhiên rất quan trọng cho việc thăm dò và khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng quan trọng này.
Các loại khí tự nhiên
Dựa trên nguồn gốc và quá trình hình thành, khí tự nhiên được phân loại thành các loại sau:
- Khí tự nhiên liên kết (Associated Gas): Đây là loại khí tự nhiên được tìm thấy cùng với dầu mỏ. Nó được hòa tan trong dầu hoặc tồn tại dưới dạng một lớp khí phía trên mỏ dầu.
- Khí tự nhiên phi liên kết (Non-Associated Gas): Loại khí này tồn tại độc lập, không liên kết với dầu mỏ, trong các mỏ khí riêng biệt.
- Khí đá phiến sét (Shale Gas): Khí đá phiến sét được tìm thấy trong các lớp đá phiến sét, một loại đá trầm tích hạt mịn. Việc khai thác khí đá phiến sét đòi hỏi các kỹ thuật đặc biệt như khoan ngang và bẻ gãy thủy lực.
- Khí than đá (Coalbed Methane): Đây là khí methane bị giữ lại trong các vỉa than. Nó được hình thành trong quá trình biến đổi than từ thực vật.
- Khí sinh học (Biogenic Gas): Khí sinh học được tạo ra từ sự phân hủy kỵ khí của các chất hữu cơ bởi vi khuẩn, thường ở độ sâu nông hơn so với khí tự nhiên thông thường.
Thành phần của khí tự nhiên
Mặc dù methane ($CH_4$) là thành phần chính, thành phần của khí tự nhiên có thể thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc và quá trình hình thành. Ngoài methane, nó có thể chứa:
- Ethane ($C_2H_6$)
- Propane ($C_3H_8$)
- Butane ($C4H{10}$)
- Carbon dioxide ($CO_2$)
- Hydrogen sulfide ($H_2S$)
- Nitrogen ($N_2$)
- Helium ($He$)
- Dấu vết của các hydrocarbon nặng hơn
Tầm quan trọng và ứng dụng
Khí tự nhiên là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực:
- Sản xuất điện: Khí tự nhiên được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện chạy bằng turbine khí.
- Sưởi ấm và nấu nướng: Nó là nguồn nhiên liệu chính cho sưởi ấm nhà cửa và nấu nướng trong nhiều hộ gia đình.
- Nguyên liệu công nghiệp: Khí tự nhiên là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất phân bón, hóa chất, nhựa và các sản phẩm công nghiệp khác. Ví dụ, nó là nguyên liệu đầu vào chính để sản xuất amoniac ($NH_3$), một thành phần quan trọng của phân bón.
- Giao thông vận tải: Khí tự nhiên nén (CNG) và khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) được sử dụng làm nhiên liệu cho xe cộ. Sử dụng khí tự nhiên trong giao thông vận tải giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường so với xăng và dầu diesel.
Cơ chế hình thành khí tự nhiên là một quá trình địa chất phức tạp, kéo dài hàng triệu năm. Sự phân hủy nhiệt của các chất hữu cơ, chủ yếu là sinh vật phù du và tảo biển cổ đại, dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao, là yếu tố then chốt trong quá trình này. Ban đầu, các chất hữu cơ này tích tụ và bị chôn vùi dưới các lớp trầm tích. Theo thời gian, nhiệt độ và áp suất tăng dần theo độ sâu, dẫn đến sự hình thành kerogen, một chất hữu cơ rắn phức tạp.
Kerogen sau đó bị phân hủy nhiệt, tạo ra hydrocarbon, bao gồm cả dầu mỏ và khí tự nhiên. Nhiệt độ cao hơn (từ 150-225°C) thúc đẩy sự hình thành khí tự nhiên, chủ yếu là methane ($CH_4$), cùng với một lượng nhỏ các hydrocarbon khác như ethane ($C_2H_6$), propane ($C_3H_8$) và butane ($C4H{10}$). Khí tự nhiên, nhẹ hơn nước và đá, di chuyển lên trên cho đến khi gặp một lớp đá không thấm nước (đá chắn), tạo thành bẫy khí tự nhiên.
Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hình thành khí tự nhiên bao gồm loại chất hữu cơ ban đầu, nhiệt độ, áp suất, thời gian và sự hiện diện của đá chứa và đá chắn. Hiểu rõ cơ chế hình thành khí tự nhiên là rất quan trọng cho việc thăm dò, khai thác và quản lý hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng quan trọng này. Việc phân loại khí tự nhiên dựa trên nguồn gốc và thành phần, bao gồm khí tự nhiên liên kết, phi liên kết, khí đá phiến sét, khí than đá và khí sinh học, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các chiến lược khai thác phù hợp.
Tài liệu tham khảo:
- T. Tissot, B. Durand, “Geochemistry of petroleum formation and occurrence”, Springer, 1984.
- K. Peters, C. Walters, J. Moldowan, “The biomarker guide”, Cambridge University Press, 2005.
- J. Gluyas, R. Swarbrick, “Petroleum Geoscience”, Blackwell Publishing, 2004.
Câu hỏi và Giải đáp
Sự khác biệt chính giữa quá trình hình thành khí tự nhiên sinh nhiệt và khí sinh học là gì?
Trả lời: Khí tự nhiên sinh nhiệt được hình thành từ sự phân hủy nhiệt của các chất hữu cơ (chủ yếu là sinh vật phù du và tảo biển) dưới tác động của nhiệt độ và áp suất cao trong thời gian địa chất hàng triệu năm. Ngược lại, khí sinh học được tạo ra bởi hoạt động của vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí (không có oxy), thường ở độ sâu nông hơn và trong khoảng thời gian ngắn hơn.
Tại sao khí tự nhiên thường được tìm thấy cùng với dầu mỏ?
Trả lời: Cả dầu mỏ và khí tự nhiên đều được hình thành từ cùng một nguồn gốc là chất hữu cơ bị chôn vùi và trải qua quá trình sinh nhiệt. Sự khác biệt nằm ở nhiệt độ hình thành. Ở nhiệt độ thấp hơn (60-120°C) chủ yếu hình thành kerogen. Khi nhiệt độ tăng lên (120-150°C), dầu mỏ được hình thành. Ở nhiệt độ cao hơn nữa (150-225°C), khí tự nhiên, chủ yếu là methane ($CH_4$), trở thành sản phẩm chính. Do đó, dầu mỏ và khí tự nhiên thường được tìm thấy cùng nhau, mặc dù tỷ lệ của chúng có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa chất.
Vai trò của đá chắn trong việc hình thành mỏ khí tự nhiên là gì?
Trả lời: Đá chắn là lớp đá không thấm nước, ví dụ như đá phiến sét hoặc evaporit, ngăn chặn sự di chuyển lên trên của khí tự nhiên. Khi khí tự nhiên di chuyển lên trên qua các lớp đá xốp (đá chứa), nó sẽ bị giữ lại bên dưới lớp đá chắn, tạo thành một bẫy khí tự nhiên. Nếu không có đá chắn, khí tự nhiên sẽ tiếp tục di chuyển lên bề mặt và phân tán vào khí quyển.
Bên cạnh $CO_2$, còn những khí nhà kính nào khác có thể được thải ra trong quá trình đốt cháy khí tự nhiên?
Trả lời: Mặc dù $CO_2$ là sản phẩm chính, quá trình đốt cháy khí tự nhiên cũng có thể tạo ra một lượng nhỏ các khí nhà kính khác như hơi nước ($H_2O$), oxit nitơ ($N_xO_y$), và trong một số trường hợp, nếu khí tự nhiên chứa tạp chất lưu huỳnh, sẽ tạo ra sulfur dioxide ($SO_2$), một chất gây ô nhiễm không khí và có thể góp phần vào hiện tượng mưa axit.
Tại sao việc khai thác khí đá phiến sét gây nhiều tranh cãi?
Trả lời: Việc khai thác khí đá phiến sét thường sử dụng kỹ thuật bẻ gãy thủy lực (fracking), bơm nước áp suất cao, cát và hóa chất xuống giếng khoan để tạo ra các khe nứt trong đá phiến sét, giải phóng khí tự nhiên. Kỹ thuật này gây ra nhiều lo ngại về ô nhiễm nguồn nước ngầm, gây ra động đất nhỏ, và tiêu tốn một lượng lớn nước. Những tác động tiềm ẩn đến môi trường và sức khỏe con người là nguyên nhân chính gây ra tranh cãi xung quanh việc khai thác khí đá phiến sét.
- Khí tự nhiên không mùi: Ở trạng thái tự nhiên, khí tự nhiên hoàn toàn không mùi. Mùi “trứng thối” mà chúng ta thường liên tưởng đến khí gas thực chất là mùi của mercaptan, một chất phụ gia được thêm vào để dễ dàng phát hiện rò rỉ.
- Khí tự nhiên nhẹ hơn không khí: Do methane, thành phần chính của khí tự nhiên, nhẹ hơn không khí nên trong trường hợp rò rỉ, khí sẽ bay lên cao và phân tán nhanh chóng, giảm nguy cơ cháy nổ so với các nhiên liệu hóa thạch khác như propane hay butane.
- Vi sinh vật cũng tạo ra khí tự nhiên: Mặc dù phần lớn khí tự nhiên được hình thành qua quá trình sinh nhiệt kéo dài hàng triệu năm, một số loại vi sinh vật cũng có khả năng sản xuất methane trong điều kiện yếm khí (không có oxy). Khí sinh học này là một nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng.
- Khí tự nhiên đóng góp vào hiệu ứng nhà kính: Mặc dù được coi là nhiên liệu hóa thạch “sạch” hơn so với than đá và dầu mỏ, khí tự nhiên vẫn thải ra khí nhà kính, chủ yếu là $CO_2$, khi bị đốt cháy. Tuy nhiên, lượng khí thải $CO_2$ từ quá trình đốt cháy khí tự nhiên thấp hơn so với than đá và dầu mỏ.
- Mỏ khí tự nhiên lớn nhất thế giới: Mỏ khí tự nhiên South Pars/North Dome, nằm ở vịnh Ba Tư và được chia sẻ giữa Iran và Qatar, là mỏ khí tự nhiên lớn nhất thế giới, chứa trữ lượng khí khổng lồ.
- Khí hydrate – nguồn năng lượng tiềm năng của tương lai: Khí hydrate là một dạng tinh thể rắn, giống như băng, chứa methane bị mắc kẹt trong cấu trúc phân tử nước. Chúng được tìm thấy dưới đáy đại dương và lớp băng vĩnh cửu, và được coi là một nguồn năng lượng tiềm năng khổng lồ, mặc dù việc khai thác chúng vẫn còn nhiều thách thức về mặt kỹ thuật và môi trường.
- “Ngọn lửa vĩnh cửu”: Ở một số nơi trên thế giới, khí tự nhiên rò rỉ từ lòng đất và cháy liên tục, tạo ra hiện tượng “ngọn lửa vĩnh cửu”. Những ngọn lửa này thường được coi là địa điểm linh thiêng bởi các cộng đồng địa phương.