Bài báo NCKH_nghiên cứu hydrate bằng phương pháp địa chấn nguồn năng lượng mới cho tương lai

NGHIÊN CỨU KHÍ HYDRATE BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊA CHẤN
GVHD: PGS. TS. PHAN THIÊN HƯƠNG
SVTH: BÙI THỊ HẠNH, NGUYỄN VĂN QUÝ, NGUYỄN ĐĂNG CƯƠNG LỚP ĐỊA VẬT LÝ K55
Tóm tắt: Gas Hydrate (GH) là một nguồn năng lượng mới tiềm năng, là đối tượng nghiên cứu của nhiều
công trình khoa học trong nước và trên thế giới. Tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề về GH hiện chưa được
làm rõ. Bài báo này tập trung giải quyết vấn đề xây dựng mô hình tín hiệu địa chấn cụ thể theo phương
pháp AVO của trầm tích chứa GH trên phần mềm Hampson Russell. Trước hết nhóm nghiên cứu tổng
quan về GH; các phương pháp nghiên cứu tìm kiếm thăm dò GH, trong đó chủ yếu đi sâu tìm hiểu địa
chấn phản xạ đa kênh phân giải cao và AVO - nghiên cứu sự biên đổi biên độ phản xạ theo khoảng cách
thu nổ. Từ đó tổng hợp các tham số tạo mô hình, xây dựng mô hình đối với trường hợp GH có nồng độ
không thay đổi và trường hợp nồng độ GH thay đổi tăng dần theo độ sâu. Nội dung nghiên cứu thực chất
chính là giải quyết nội dung bài toán thuận trong Thăm dò địa chấn.
1. MỞ ĐẦU
1.1. Hiện trạng nghiên cứu trên thế giới và trong nước
Hiện đã có hơn 90 nước trên thế giới đang tiến hành các chương trình nghiên cứu điều tra về GH.
Ở Nhật Bản, năm 2013, đã công bố sự thành công trong việc thu khí đốt từ lớp methane hydrate
nằm sâu 300m dưới lớp trầm tích ở đáy đại dương. Ở Việt Nam, GH đã bước đầu được nghiên
cứu. Biển Việt Nam nằm trong khu vực Biển Đông được Sở Địa chất Hoa Kỳ đánh giá đứng
hàng thứ 5 ở Châu Á về tiềm năng GH. Hiện nay, đã có một số kết quả nghiên cứu bước đầu về
triển vọng GH ở sườn lục địa Bắc, Tây và Tây Nam của biển Đông nước ta. Trong đó, năm vùng
biển triển vọng GH ở sườn phía Tây và Tây Nam biển Đông đã được xác định: Nam và Tây Nam
đới Tri Tôn, Đông và Đông Nam đới Phú Quý, Bắc cụm bãi Phúc Tần - Phúc Nguyên, Tây Nam
bãi Tư Chính và quanh bãi cạn Vũng Mây [15].
1.2. Tính cấp thiết của nghiên cứu
Hiện nay, thế giới đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt nguồn tài nguyên năng lượng hoá thạch.
Trước tình hình mức tiêu thụ năng lượng thế giới ngày càng tăng cao và năng lượng hóa thạch
chiếm 90% tổng nhu cầu thì việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới ngày càng được quan tâm.
Một trong số đó là GH - hiện được đánh giá là một nguồn năng lượng mới tiềm năng và triển
vọng. Nó là đối tượng nghiên cứu của hàng trăm công trình nghiên cứu khoa học trên thế giới và
ở Việt Nam. Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về vấn đề mô
hình hóa tín hiệu địa chấn của trầm tích chứa GH. Vì vậy, nhóm tôi đã lựa chọn đề tài này.

2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là ứng dụng địa chấn phản xạ đa kênh, phân giải cao và AVO
để tiến hành xây dựng mô hình tín hiệu địa chấn của trâm tích chứa GH.
2.2. Nội dung nghiên cứu đã thực hiện được
 Tổng quan về GH
GH (băng cháy hay còn gọi là hydrat khí) là hợp chất giữa các chất khí và nước, khí ở đây chủ
yếu là metan CH
4
, một lượng nhỏ các khí hydocarbon nặng như etan, propan; CO
2
; H
2
S [3, 4, 5].
Có thể hình dung “ phân tử metan được bao bọc và ngồi trong chiếc lồng làm từ phân tử nước”.
GH thường hình thành trong các trầm tích đại dương, rìa lục địa, sườn lục địa nước sâu nói chung
cũng như ở các vùng địa cực nơi phát triển đất băng vĩnh cửu và có cả trong các hồ, biển nội lục
trong điều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp [16]. GH xuất hiện dưới 3 dạng chủ yếu: cấu trúc loại I
(với cấu trúc mỗi lồng được tạo thành từ 46 phân tử nước và nó chỉ có thể nhốt giữ các phân tử
khí nhỏ với đường kính phân tử không vượt quá 0.5nm như metan và etan), cấu trúc loại II ( với
cấu trúc mỗi lồng rỗng được tạo thành từ 136 phân tử nước, nhìn chung các lồng rỗng nhốt giữ
được các phân tử khí lớn hơn (như propan và isobutan) có đường kính phân tử từ 0.6 - 0.7 nm) và
cấu trúc loại H ( loại này không phổ biến, chỉ xuất hiện khi có sự trộn lẫn giữa các phân tử khí
nhỏ và lớn, đường kính phân tử khí trong mỗi lồng lớn hơn hai loại trên từ 0.8-0.9nm), trong đó
trong tự nhiên thì cấu trúc loại I là phổ biến nhất. GH ẩn chứa một tiềm năng năng lượng khổng
lồ. Trên thế giới đã ước tính lượng khí tự nhiên trong các tích tụ GH ở vùng băng vĩnh cửu nằm
trong phạm vi từ 5.0x102 đến 1.2x106 nghìn tỉ cubic feet, còn ở trong các trầm tích biển là từ
1.1x105 đến 2.7x108 nghìn tỉ cubic feet [3, 13].
 Áp dụng địa chấn phản xạ đa kênh phân giải cao và AVO vào nghiên cứu
Cơ sở của phương pháp địa chấn phản xạ đa kênh phân giải cao là sự thay đổi về tốc độ truyền

sóng dọc Vp. Dấu hiệu nhận biết GH từ tài liệu địa chấn phản xạ phân giải cao gồm có BSR - mặt
phản xạ mô phỏng đáy biển, “sự đảo ngược” tốc độ truyền sóng và blanking - sự giảm mạnh biên
độ phản xạ trong tầng trầm tích chứa GH. Trong đó BSR là dấu hiệu tìm kiếm trực tiếp, quan
trọng nhất đối với GH. BSR có thể quan sát được trong
các mặt cắt địa chấn phản xạ, nó có thể xuất hiện ở đáy
của vùng ổn định nhiệt độ - áp suất của GH, đánh dấu
đáy của đới trầm tích chứa GH và nóc của đới chứa khí
tự do ở bên dưới (hình 1). Tại BSR biên độ phản xạ
mạnh và sự đảo cực sóng phản xạ, hệ số phản xạ RC
âm. BSR có dạng mô phỏng mặt đáy biển. Theo các kết
quả nghiên cứu, độ sâu thường gặp GH là ở khoảng vài
trăm m từ 300-600 dưới mặt đáy biển trong vùng sườn
dốc thêm lục địa hay trong vùng đới hút chìm của các
mảng và có độ sâu nước biển lớn (>600-800m).
Hình 1. Ví dụ về BSR. ([12])
Chú thích: Trong phân tích minh giải địa chấn phần đỉnh sóng lệch về phía bên phải được kí hiệu
là peak - phần được bôi đen (đây là sóng phản xạ tại một mặt ranh giới nó đi từ lớp có trở kháng
âm học thấp tới lớp có trở kháng âm học cao) và phần đỉnh sóng lệch về phía bên trái được kí
hiệu là trough (đây là sóng phản xạ tại một mặt ranh giới nó đi từ lớp có trở kháng âm học cao tới
lớp có trở kháng âm học thấp).

2.3. Mô hình hóa tín hiệu địa chấn cụ thể theo phương
pháp AVO của trầm tích chứa GH
Xây dựng mô hình 4 lớp gồm trầm tích biển nằm trên đới
trầm tích chứa GH, trầm tích chứa GH nằm trên BSR, đới
khí tự do bên dưới BSR, các trầm tích bão hoà nước biển.
Với các tham số địa vật lý tạo mô hình tín hiệu địa chấn
của trầm tích chứa GH (bảng 1) là kết quả tìm hiểu các
công trình nghiên cứu khoa học về GH bằng địa chấn phản
xạ đa kênh phân giải cao đã được công bố ở trên thế giới.
Hình 2. Dị thường AVO loại I[18].
Hình 3. Dị thường AVO loại II[18].
Hình 4. Dị thường AVO loại IIi[18].

Đối với phương pháp AVO - Nghiên cứu sự biến đổi
biên độ theo khoảng cách thu nổ.
Phương pháp này dựa trên cơ sở các mặt ranh giới
phản xạ có trở sóng âm học và hệ số Poisson khác
nhau sẽ dẫn tới sự thay đổi biên độ khi quan sát ở
khoảng cách khác nhau. Có 3 loại dị thường AVO
khác nhau.
Dị thường AVO loại I có biên độ phản xạ dương rõ
rệt ở khoảng cách gần nguồn nổ và giảm dần theo
khoảng cách, có biên độ phản xạ âm nhỏ dần tại
khoảng cách xa mặc dù gradien AVO của loại bất
thường này có thể nhỏ (hình 2).
Dị thường AVO loại II có giá trị biên độ dương nhỏ ở
khoảng cách gần và biên độ âm trung bình đến tương
đối cao ở khoảng cách xa (hình 3).

Dị thường AVO loại III có biên độ âm cao ở gần
nguồn nổ và biên độ âm mạnh dần hơn khi ra xa. Sự
biến đổi của chúng là đáng kể nhưng biên độ thường
nhỏ hơn dị thường loại I.
(hình 4).

Về tham số độ dày dựa vào kết quả nghiên cứu của T.S Nguyễn Như Trung về tầng ổn định về
nhiệt độ-áp suất của GH ở biển Đông.
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT
4.1. Kết quả
4.1.1. Trường hợp nồng độ GH không đổi
Ở trường hợp này các tham số Vp, Vs,  tương
đối ổn định trong tầng trầm tích chứa GH, sau
khi sử dụng chương trình AVO modelling tính
toán các tham số bao gồm hệ số Poisson, trở
kháng âm học, hệ số phản xạ (hình 6); xây dựng
băng địa chấn (hình 8) ta nhận thấy tại BSR có
sự đảo cực sóng phản xạ, biên độ phản xạ mạnh
đồng thời biên độ thay đổi theo khoảng cách thu
nổ, hệ số RC tại đó âm lớn vì sóng đi từ môi
trường có trở kháng âm học cao đến môi trường
có trở kháng âm học thấp.
4.1.2. Trường hợp nồng độ GH thay đổi tăng
dần theo độ sâu
Đối với trường hợp này GH có nồng độ thay đổi
tăng dần theo chiều sâu do với vai trò là xi măng
gắn kết trong trầm tích các tham số Vp, Vs,  tăng
lên khi xuống sâu. Kết quả ở hình 7, 9.
4.2. Nhận xét
Từ sự biến thiên của Vp, Vs, ,  và đặc điểm

băng địa chấn tổng hợp: tại phần nóc có giá trị
biên độ dương nhỏ ở khoảng cách gần và biên độ
âm trung bình đến tương đối cao ở khoảng cách xa
nên có thể đây là dị thường AVO loại II; tại phần
đáy của tầng trầm tích chứa GH có biên độ âm
cao ở gần nguồn nổ và biên độ âm mạnh dần hơn
khi ra xa đây có thể là dị thường AVO loại III.
Tuy nhiên để khẳng định được điều này cần phải

Lớp

Vp (m/s)


Vs
(m/s)

 (kg/m
3
)

Bề dày
(m)
Trầm tích
đáy biển
1510-
1620
460
1460-
1580

200-
300
Trầm tích
chứa GH
1950-
2600
700
1860-
1900
225-
360
Đới chứa
khí tự do
1200-
1420
740
1720-
1840
20-100
Trầm tích
bão hoà
nước biển
1820-
1900
610
1880-
1900

Bảng 1. Bảng tổng hợp các tham số tạo mô hình
Hình 6. Kết quả trường hợp nồng độ GH không

đổi

Hình 7. Kết quả trường hợp nồng độ GH thay đổi

dựa vào nhiều điều kiện đia chất khác. Việc xây dựng mô hình hóa tín hiệu địa chấn cụ thể theo
phương pháp AVO của trầm tích chứa GH thực chất là giải bài toán thuận trong Thăm dò địa
chấn, kết quả bài thu được là một trong những cơ sở để giải bài toán ngược. Nhóm nghiên cứu
kiến nghị được cung cấp tài liệu các tuyến địa chấn thực tế cũng như tài liệu giếng khoan vùng
nghiên cứu GH để từ đó xây dựng được mô hình dị thường AVO trên tài liệu thực, so sánh đối
chiếu mô hình lý thuyết và thực tế.












5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Andreassen_1995_seismic studies of a bottom silulating reflection related to gas hydrate beneath the continental
margin of the Beaufort sea, Journal of Geophysical research.
[2]. William P Dillon, Identification of marine hydrate In situ and their distribution off the Atlantic Coast of the
United States, U.S Geological Survey.
[3]. Lee_1993_seismic character of gas hydrates on the southeastern U.S continental margin , U.S Geological
Survey.
[4]. Lee Wyung_2001_amplitude blanking related to the pore-filling hydrate in sediments.

[5]. Taylor_2000_trapping and migration of methane associated with the gas hydrate statiblity zone at the Blake
Ridge Diapir.
[6]. Swart_2009_hydrate occurrentces in the Namibe basin, offshore Namibia; Geological society, London, special
publications.
[7]. Sutan_ 2007 _detection of free gas and gas hydrate based on 3D seismic data and cone penetration testing_ an
example from the Nigerian continental slope.
Hình 9. Băng địa chấn tổng
hợp trường hợp nồng độ GH
thay đổi

Hình 8. Băng địa chấn tổng
hợp trường hợp nồng độ GH
không đổi

[8]. Sultan_2004_ gas hydrate melting on seafloor slope instability.
[9]. Stoian_2008_ seismic reflection blank zones , offshore korea, associated with high concentratio of gas hydrate.
[10]. Spence_1995 seismic studies of methane gas hydrate, offshore vancouver island.
[11]. Shipley_1979_Seismic evidence for widespread possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises.
[12]. Nghiên cứu khoa học - Cơ sở vật lý địa chất và các phương pháp địa vật lý để tìm kiếm thăm dò khí Hidrat ở
vùng biển Việt Nam,ThS. Phạm Văn Tiềm, 2009, Viện Dầu khí Việt Nam.
[13]. Trung_2012_gas hydrate potentialing the SCS
[14]. Giáo trình Thăm dò địa chấn _ GS.TSKH Mai Thanh Tân_2011_Đại học Mỏ Địa Chất.
[15]. Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển T11(2011). Số 2. Tr 1-22.
[16]. Một số thông tin về điều tra địa chất Hydrat khí, Nguyễn Thành Vạn, Trần Văn Trị.
[17]. Phần mềm Hampson Russell được Viện Dầu Khí Việt Nam hỗ trợ.
[18]. Rutherford, S.R., and Williams, R.H., 1989, Amplitude-versus-offset variations in gas sands: Geophysics, 54,
680-688.