ĐẶC điểm của HYDRAT KHÍ và điều KIỆN THÀNH tạo – KHẢ NĂNG THĂM dò và KHAI THÁC ở TRÊN THẾ GIỚI và VIỆT NAM

ĐẶC ĐIỂM CỦA HYDRAT KHÍ VÀ ĐIỀU KIỆN
THÀNH TẠO – KHẢ NĂNG THĂM DÒ VÀ KHAI
THÁC Ở TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1


I. ĐẶC ĐIỂM HYDRAT KHÍ
I.1 Khái niệm
Hydrat khí có tên khoa học là
Natural hydrate hoặc Gas Hydrate. Đó
là một chất ở dạng rắn, hình thành từ
khí thiên nhiên và nước, ở dưới điều
kiện áp suất cao (trên 30 atm) và nhiệt
độ thấp (dưới 00 C). Khi nhiệt độ tăng
hoặc giảm áp suất, băng cháy sẽ phân
giải theo tỷ lệ: 1 m3 băng cháy cho ra
164 m3 khí methane và 0,8 m3 nước.
Và nếu hàm lượng methane vượt quá
75% thành phần của Gas Hydrate thì
nó thường được gọi là methane hydrat.
Hình 1

(Hình 1)
I.2 Các tính chất vật lý của hydrat khí

❖ Hydrat khí giống như tuyết tươi được ép,màu của hydrat có thể thay đổi từ
trắng đến xám tùy thuộc vào thành phần tạp chất có trong thành phần, khi đốt nó cháy
với ngọn lửa màu vàng cam nhạt.Tinh thể hydrat khí có cấu trúc có cấu trúc gần tinh
thể nước đá,bao gồm bộ khung là tinh thể nước (chất chủ) và các phân tử khí tạo
hydrat(chất khách).Hydrat khí có khối lượng riêng từ 0,8-1,24g/cm3, tinh thể hydrat

khí có độ bền cơ học ,tính đàn hồi cao và độ thấm nhỏ.
❖ Tinh thể hydrat rất dễ bị phân hủy thành nước và khí khi nhiệt độ tăng hoặc áp
suất giảm.Thực nghiệm cho thấy:để phá hủy hoàn toàn một mol hydrat metan cần
14,5Kcal; với các đồng đẳng Metan C2+ thì nhiệt lượng cần cung cấp tăng lên theo
khối lượng phân tử và đạt tới 32Kcal .
❖ Khi hydrat được tạo thành từ nước ngọt có độ dẫn điện lớn hơn chính nước đó
ở trạng thái băng tới 10÷15 lần, nhưng khi tạo thành từ nước với độ khoáng hóa 10g/l
thì độ dẫn điện lại nhỏ hơn độ dẫn điện của chính nước khoáng đó tới 3÷4 lần. Độ dẫn
điện của hydrat tăng khi độ khoáng hóa của nước tăng.

2


I.3 Cấu trúc hydrat khí
Hydrat có công thức chung là M.n.H2o trong đó :M là phân tử tạo khí hydrat, n là
số phân tử nước(trong tự nhiên n=6-17). Quan sát thực tế chỉ ra các khí tạo hydrat với
tỉ lệ:CH4.7H20 ;C2H6.12H20;C3H818H20. Hydrat khí có cấu trúc tinh thể chứa các
khoảng trống được lấp đầy bởi các phân tử khí hay các chất lỏng dễ bay hơi như:
C2H6,CH4,H2S ,O2,N2,Ar,Xe,Br2,...Do kích thước của khoảng trống là có giới hạn nên
khí có đường kính phân tử lớn hơn 0.7n.m khó có thể tạo hydrat khí. Trong dãy đòng
đẳng của Metan chỉ có các cấu tử nhẹ từ CH4 đến iso Butan là có thể tạo hydrat khí.
Khí hydrat thường tạo nên 2 dạng
cấu trúc tinh thể lập phương –cấu trúc
loại I và loại II của các cấu trúc không
gian tương ứng Pm⃗3n và Fd⃗3m;hiếm
gặp hơn là loại cấu trúc nhóm không
gian lục phương P6/mmm. Ô cơ sở loại
I bao gồm 46 phân tử nước, loại 2 gồm
136 phân tử nước và loại H có 34 phân
Hình 2.Cấu tạo của khí hidrat

tử nước. Chúng sẽ tạo lên các dạng cấu
trúc đặc trưng và các khoảng trống giữa
chúng sẽ được lấp đầy cùng các phân
tử thích hợp. LoạiI sẽ tạo ra hình 12
mặt ngũ giác (loại nhỏ )và hình 24 mặt
ngũ giác (loại lớn), thích hợp để chứa
khí metan, etan với đường kính phân tử
khoảng 5.2Å(Hình 3). Loại II sẽ tạo ra
16 mặt ngũ giác (loại nhỏ) và hình 36
mặt ngũ giác (loại lớn) thích hợp để
chứa Propan, isobutan với kích thước

Hình 3.Phân tủ chiếm giữ hốc cỡ lớn

phân tử 5.9-6.9Å. Loại H chỉ mới tìm

Loại I trong cấu trú tạo bởi nước

thấy ở vịnh Mehico thích hợp với các
phân tử khí lớn như Butan.
3


I.3.Giá trị kinh tế.
Trong điều kiện nền kinh tế toàn cầu phát triển mạnh mẽ, nhu cầu năng lượng càng
trở lên cấp bách; trong khi nguồn năng lượng truyền thống (than,dầu khí...)ngày càng
cạn kiệt thì khí hydrat –với trữ lượng lớn gấp hơn 2 lần trữ lượng hóa thạch đã biết đã
thu hút sự chú ý rộng rãi trên toàn thế giới. Khí hydrat đã được coi là nguồn năng
lượng tiềm tàng trong tương lai.

II.ĐIỀU KIỆN THÀNH TẠO HYDRAT KHÍ
II.1 Điều kiện thành tạo hydrat khí
❖ Yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến hình thành Hydrat khí:
• Điều kiện cần thiết để tạo thành hydrat khí là áp suất cao nhiệt độ thấp và khí
hòa tan trong nước đạt độ bão hòa cần thiết. Các chất khí có thể thành tạo
hydrat phần lớn là khí tự nhiên như:CH4,C2H6,C3H8,CO2,N2,H2S,....song chủ
yếu là CH4 và CO2.Khí tham ra vào tạo hydrat khí chủ yếu là khí sinh hóa
hình thành từ phân hủy vật chất hữu cơ do tác động của vi khuẩn và men vi
sinh.
• Đặc điểm lý hóa phân tử :
- Về mặt năng lượng :Năng lượng tiêu tốn cho hình thành khoang trống trong
lòng tinh thể hydrat nhỏ hơn năng lượng càn thiết đẻ tạo hỗn hợp nước khí
đóng băng trong cùng điều kiện.
Nhờ “ liên kết Hydro” các phân tử nước khi đóng băng tạo ra “khuôn” tinh thể

-

có chứa khoảng trống lấp đầy bởi các phân tử khí tạo thành Hydrat khí.
•

Ngoài ra sự thành tạo hydrat khí còn chịu tác động của các yếu tố:thành phần
cấu tử khí,độ khoáng hóa và thành phần hóa học của nước vỉa,chiều sâu đáy
nước và tầng chắn và tầng chứa tạo điều kiện cho khí và nước tích tụ

.
4


❖ Nhiệt độ áp suất thành tạo Hydrat khí
• Hydrat khí thường được tạo ra với nhiệt độ T= -5 ÷ 15 0 C và P=25÷

110 at(thích hợp P=30÷90 at). Hydrat khí có thể tồn tại trong điều kiện áp suất
khí quyển với nhiệt độ thấp hơn vài độ của nước đóng băng.
• Các khí CH4 ,O2, N2,Ar,Kr,Xe thường tham gia tạo hydrat khí có cấu
trúc I và không có nhiệt độ tới hạn. Các khí tham gia tạo Hydrat có cấu trúc II
có nhiệt độ tới hạn :
+ C3H8 -Tth= 278,80 K dưới áp suất P= 552kPa;
+ BrClF2C -Tth= 283,10 K dưới áp suất P= 169kPa
+ CH3Cl - Tth= 293,60 k dưới áp suất P= 496,0kPa
✓ Nhiệt độ tới hạn tạo
Hydrat- Là nhiệt độ cao nhất
còn có thể tạo ra hydrat của khí
đó. Nếu như nhiệt độ môi trường
vượt quá giá trị tới hạn thì dù có
tăng áp suất cũng không thể tạo
ra hydrat.
+ Nhiệt độ tăng lên theo tuyến
tính thì đòi hỏi áp suất tăng theo tỷ
lệ logarit
Hình 4 .Đồ thị nhiệt áp tạo hydrat
một số loại khí.

• Từ hình vẽ ta thấy khí H2S có nhiệt độ tới hạn đạt giá trị cao nhất T= 29,50C
khi áp suất đạt 21at.Nhiệt độ tạo hydrat khí có thể giảm đi nếu như độ khoáng
hóa và áp suất của nước tăng lên.Trạng thái ổn định (trạng thái pha )của hydrat
phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất thể hiện trên đồ thị.

5


Hình 5.Đồ thị pha của hydrat khí

CH4

• Khi hàm lượng Metan càng lớn thì đòi hỏi điều kiện nhiệt độ càng thấp
áp suất càng cao :
- Khi nhiệt độ T=00C nó bền với áp suất P≥25at
- Trong áp suất khí quyển P=1at Hydrat metan chỉ bền vững dưới T≤ 800C
- Tuy nhiên ,do hiệu ứng “tự bảo tồn” Hydrat metan phân hủy sẽ tạo ra
lớp vỏ băng bao bọc cản trở sự phân hủy của hydrat.
• Ở cùng điều kiên áp suất, khi kích thước phân tử khí (lỏng) tăng nhiệt
độ tạo
Hydrat khí cũng tăng .ví dụ: Dưới áp suất P=101,3kPa nhiệt độ tạo
Hydrat của CH4 là T=194,40C ,C2H6 là T=241,60K, C3H8 là T=261,50K.

❖

Yếu tố địa chất

• Để tạo thành hydrat khí đòi hỏi một lượng lớn nước ,vì vậy khi lượng
nước trong tích tụ có đủ hoặc thừa thì toàn bộ khí tham gia vào thành phần
Hydrat khí,còn khi không có đủ lượng nước cần thiết chỉ một phần khí nằm
trong cấu trúc hydrat ,phần còn lại vẫn tồn tại ở trạng thái khí tự do.

6


• Dưới lớp trầm tích hydrat khí chỉ tồn tại bền vững ở khoảng độ sâu nhất
định :
+ Hydrat khí chỉ tồn tại trong điều kiện nhiệt độ áp suất nhất định.
+ Khi đi sâu vào trong lòng đất nhiệt độ tăng lên, vượt quá giá trị tới hạn về
nhiệt độ làm cho hydrat khí không thể tồn tại.

+ Đới nhiệt áp thuận tiện cho thành tạo bền vững hydrat khí trong vỏ Trái đất
được gọi là đới ổn định hydrat khí. Đới ổn định Hydrat khí thường được xác định
trong mặt cắt bằng phương pháp phân tích đồ hình(Chồng đồ thị đường cong thành
tạo hydrat lên đường cong phân bố nhiệt độ và áp suất theo độ sâu).

Hình:6 Sơ đồ biểu diễn đới tồn tại của
hydrat khí trong trầm tích biển

7


• Phần nhiều tích tụ hydrat khí nằm trong vùng có tốc độ trầm tích cao.Khoáng
thể hydrat khí tạo ra trong phần mặt cắt trầm tích có thể tiếp xúc:
+ Phía trên với tích tụ khí hoặc tầng đá chắn
+ Bên dưới với nước vỉa dầu, khí hoặc khí Condensat.
❖ Yếu tố địa lý
Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất như ở trên thì hydrat khí thường tồn tại ở các
vùng nước sâu hơn 500m ở các vùng có vĩ độ trung bình hoặc thấp và ở chiều sâu
nước biển từ 150÷ 200m tại các vĩ độ cao.Tại các vùng có mực nước biển sâu thì
độ dày đới chứa hydrat khí có thể mở rộng từ hàng trục đến hàng trăm m, còn tại
các vùng cực hydrat khí đã được bắt gặp trong các tập trầm tích nông hoặc nằm
ngay dưới lớp băng vĩnh cửu.
II.2 Nguồn gốc thành tạo khí hydrocacbon có trong hydrat
Metan tạo lên hơn 90% khí tạo hydrat khí trong hầu hết các mỏ băng cháy tự nhiên
và có thể được sinh ra trên trái đất theo ba phương thức . Metan có thể bắt nguồn từ
manti qua quá trình chiết tách từ các vật liệu nguyên sinh bị nén chặt để tạo thành
Trái Đất vững chắc. Nó có thể được tạo ra thông qua sự khử các vật chất hữu cơ bị
trôn vùi nhờ vi khuẩn trong đó metan được thành tạo như một sản phẩm phụ của quá
trình phân hủy(metan sinh học) hoặc thông qua quá trình trưởng thành nhiệt của các
vật chất hữu cơ bị trôn vùi.

Nguồn số liệu phân tích đồng vị cacbon cho thấy rằng phần lớn Metan trong hydrat
khí của đại dương được hình thành chủ yếu từ các vật chất hữu cơ bị trôn vùi bị biến
đổi do vi khuẩn chiếm ưu thế so với metan có nguồn gốc nhiệt.
Metan nguồn sinh học chủ yếu tích tụ trong các trầm tích rìa lục địa đây là nơi
thông lượng cacbon hữu cơ trao đổi với đáy biển là lớn nhất. Các trầm tích này chứa
lượng vật liệu hữu cơ vượt trội ,chủ yếu là thực vật bị rửa lũa và được đưa ra.Thêm
vào đó ,sản lượng sinh học đại dương khá cao dọc theo các phần gờ thềm. Đồng thời,
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
8


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
9


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,BGnguồn 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.

10


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

11


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
12


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.

13


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-A1X. 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.

14


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

15


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
16


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:
1) Nước lỗ rỗng trong trầm tích phải bão hòa khí ga tự do (chủ yếu CH4 )
2) Tại đó phải đảm bảo được áp suất thủy tĩnh đủ lớn;
3) 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 nhiệt
đọp để hình thành và duy trì được hydrate là khoảng 11.5 độ C, khi hàm lượng khí
CH4 là 95.9% thì nhiệt độ là khoảng 16 độ C và khi ham lượng khí CH4 là 90.4 % thì

nhiệt độ là 19 độ C.

17


Dựa theo thành phần CH4 trong khí mà hydrate khí thường được phân thành 3
loại và được gọi là cấu trúc loại I ( với 100% CH4 ), cấu trúc loại II ( với 95.4 % CH4
)và cấu trúc loại H ( với 90% CH4 ). Cấu trúc loại II và loại H là khi thành phần khí tự
nhiên có thêm các thành phần hydrocarbon nặng hơn.
Điều kiện nhiệt độ đáy biển và gradien địa nhiệt
-Nhiệt độ đáy biển: Các số liệu đo đạc nhiệt độ nước biển trên Biển Đông đã cho
thấy nhiệt độ đáy biển Đông là hàm phụ thuộc độ sâu. Trên hình 5 cho thấy với độ sâu
đáy biển từ 300- 500m thì nhiệt độ đáy biển thay đổi từ 10.5- 7.5 độ C và độ sâu từ
1000-3000m thì nhiệt độ thay đổi trong khoảng 5- 2.5 độ C. Với mức nhiệt độ này,
phần nước sâu trên 3000m nước thì Biển Đông Việt Nam hoàn toàn đáp ứng được
điều kiện nhiệt độ để hình thành hdrate khí.
-Gradien địa nhiệt: Gradien địa nhiệt có tính không đồng nhất trên toàn Biển
Đông và có xu hướng tăng dần theo chiều sâu đáy biển. Phần thềm lục địa gradien địa
nhiệt có giá trị thấp (30-40 độ C/km), khu vực sườn lục địa gradient địa nhiệt có giá trị
cao, từ 60-94 độ C/km.
Hình 6 là sơ đồ phân bố nhiệt độ ở độ sâu 250m(a) và 500m(b) dưới mực địa hịnh
đáy biển. Trên hình 6a ta thấy ở độ sâu trầm tích 250m trên hầu hết diện tích sườn lục
địa Biển Đông đều có nhiệt độ từ 17-22 độ C, với ngưỡng nhiệt độ này là điều kiện
thuân lợi để khí tự do có thể kết tinh thành hydrate khí.
IV.2.2. Các tiền đề hình thành hydrate khí
❖ Độ sâu và địa hình đáy biển
Trên khu vực biển Việt Nam, phần lớn diện tích biển của nước ta nằm ở khu
vực biển nước sâu >300m đến 3500m. Khu vực quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa, địa
hình và độ sâu đáy biển thay đổi rất mạnh, phần lớn biển ở khu vực này có độ sâu
>300m đến 3000m. Phần lớn địa hình có phương cấu trúc ĐB-TN và á vỹ tuyến ,

trùng với hướng tách giãn của Biển Đông. Địa hình xuất hiện nhiều cấu trúc dạng núi
lửa. Dạng địa hình ở khu vực này thuận lợi cho việc hình thành các cao nguyên ngầm,
các đới nâng, turbidi, diapir bùn, volcano bùn, các nêm tăng trưởng.

18


Phần sườn lục địa miền trung và đông nam, địa hình đáy biển thay đổi đột ngột
từ vài trăm mét xuống 1500m-2500m, tạo ra các vách địa hình khá dốc đứng. Tại đây
xuất hiện nhiều cấu trúc núi lửa trẻ, Đây là vùng địa hình rất thuận lợi cho việc hình
thành các cấu trúc dạng turbidi, các nón trầm tích đáy biển, bùn núi lửa
❖ Cấu trúc kiến tạo
Cấu trúc-kiến tạo đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phân bố
hydrate khí. Biển Đông là một biển rìa được hình thành và tiến hóa trong nhiều giai
đoạn khác nhau từ Mesozoi đến Kainozoi. Trong Kainozoi, Biển Đông được hình
thành do quá trình tách giãn đáy đại dương vào thời kì từ 32-16 triệu năm.
Phần rìa bắc Biển Đông thuộc loại rìa thụ động có sườn lục địa tương đối rộng
500-600 km.
Phần tây Biển Đông là rìa lục địa thụ động nhưng có sườn lục địa hẹp, kéo dài.
Phần phía đông Biển Đông là rìa lục địa tích cực, có sườn lục địa hẹp, chạy dọc
theo đới hút chìm hoạt động Manila.
Phần rìa lục địa phía nam có cấu trúc phức tạp, trong Mesozoi, khu vực phía nam
quần đảo Trường Sa lại mang đặc trưng của một rìa lục địa tích cực,trong Kainozoi lại
là một rìa lục địa thụ động. Song song với việc hình thành bồn trũng Trung Tâm, một
loạt các bồn trũng Kainozoi với chiều dày trầm tích lớn ở các thềm lục địa được hình
thành. Quá trình lún chìm nhiệt khu vực với tốc độ nhanh sau khi tách giãn Biển Đông
ngừng vào 16 triệu năm trước là yếu tố quan trọng quyết định đến tốc độ lắng đọng
trầm tích và vật chất hữu cơ trong các trầm tích trẻ.
Các điều kiện kiến tạo nêu trên cho thấy sườn lục địa Việt Nam mang đặc trưng
chủ yếu của một rìa lục địa thụ động, các cấu trúc thích hợp cho việc hình thành

hydrate khí là các cao nguyên ngầm, các đới nâng, các nón trầm tích đáy biển, turbidi,
diapir bùn, volcano bùn. Riêng phần phía nam quần đảo Trường Sa tồn tại cấu trúc
dạng nêm tăng trưởng đây là một trong những cấu trúc rất thuận lợi cho việc tồn tại
hydrate khí.

19


Khu vực quần đảo Hoàng Sa các hoạt động đứt gãy phát triển mạnh, bao gồm các
hệ thống đứt gãy ĐB-TN, TB-ĐN. Hệ thống đứt gãy này là một trong những kênh dẫn
khí từ dưới sâu lên mặt.
Sườn lục địa phía Biển Đông bao gồm phía tây Hoàng Sa, khu vực bồn trũng
Phú Khánh, bồn trũng Nam Côn Sơn, Tư Chính- Vũng Mây, hệ thống đứt gãy B-N
phát triển rất mạnh mẽ, đây là một trong những hệ đứt gãy lớn nhất trong khu vực.
Các kết quả nghiên cứu địa chấn nông phân giải cao cũng chỉ ra rằng hệ thống đứt gãy
B-N là hệ thống đứt gãy trẻ trong Đệ Tứ. Ngoài ra còn có các hệ thống đứt gãy trẻ
TB-ĐN, như hệ thống đứt gãy dọc theo đới trượt Tuy Hòa, hệ thống đứt gãy ĐB-TN
dọc theo phần phía Bắc của khu vực Tư Chính- Vũng Mây. Các đứt gãy này chủ yếu
là những yếu tố cấu trúc rất thuận lợi cho việc dẫn khí ở dưới sâu lên trên để tích tụ
thành hydrate khí. Dọc theo sườn lục địa tây Biển Đông cũng là nơi núi lửa trẻ phát
triển mạnh mẽ, trong đó xuất hiện một số núi lửa phun bùn. Các núi lửa này là nguồn
cung cấp để hình thành nên hydrate khí.
Khu vực quần đảo Trường Sa có hệ thống đứt gãy phát triển khá mạnh theo các
hướng khác nhau như ĐB-TN, á kinh tuyến và á vỹ tuyến, TB-ĐN. Trong đó có thể
thấy hệ thống đứt gãy ĐB-TN là hệ thống chủ đạo, tiếp đến là hệ thống đứt gãy á kinh
tuyến. Trên khu vực này hệ thống núi lửa phát triển khá nhiều,phân bố chủ yếu ở phần
trung tâm. Như vậy có thể thấy là hệ thống đứt gãy và núi lửa ở đây là những tiền đề
thuận lợi cho việc hình thành hydrate khí ở khu vực này.

20

Hình 10.Bản đồ độ sâu đáy biển
Đông.Biển Đông có độ sâu trung bình
1,2km và 1.6x106 km2 diện tích mặt nước
có độ sâu >300m

❖ Trầm tích và nguồn khí
Một đặc điểm hết sức thuận lợi cho việc hình thành hydrate khí là điều kiện trầm
tích ở khu vực Biển Đông. Trên hầu hết các thềm lục địa bao bọc xung quanh sườn lục
địa Biển Đông đều hình thành các bồn trũng với chiều dày trầm tích lớn và hàm lượng
vật chất phong phú như bồn trũng Châu Giang, Đài Loan, Nam Hải Nam, Sông Hồng
ở phía Bắc, bồn trũng Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn ở phía tây, bồn trũng
Zenmun và nhóm bể Trường Sa ở phía nam. Phần lớn các bồn trũng trên thềm lục địa
là những bồn dầu khí coa tiềm năng lớn. Với các bồn dầu khí lớn, giàu hợp chất hữu
cơ này bị chia cắt bởi các hệ thống đứt gãy trẻ là một trong những tiền đề thuận lợi
cho việc hình thành các loại hydrate khí loại II và loại H. Ngoài ra, các trầm tích trẻ có
chiều dày lớn được hình thành có tướng delta và á biển phát triển kha phổ biến ở rìa
các lục địa Việt Nam cũng là một trong những tiền đề tốt cho việc hình thành hydrate
khí loại I.
IV.2.3 Các dấu hiệu địa hóa và địa vật lý khí
IV.2.3.1 Biểu hiện dị thường BSR trên tài liệu địa chấn
Lớp hydrate khí được thể hiện khá rõ nét trên dị thường địa chấn bởi mặt
phản xạ mô phỏng đáy(BSR) và khoảng trắng ngay trên mặt ranh giới này. Trong một
21


công trình của tác giả Trung Quốc đã công bố nhiều mặt cắt địa chấn có dị thường
BSR liên quan đến hydrate khí trên Biển Đông ở phần trũng Hoàng Sa, Dongsha,
trũng Đài Loan, trũng Palawan....Mặc dù cho đến nay Việt Nam chưa có dự án nào đo

địa chấn nhằm xác định dị thường BSR phục vụ cho công tác nghiên cứu hydrate khí
trên Biển Đông. Tuy nhiên, chúng ta có thể thấy được dị thường BSR này trên các mặt
cắt địa chấn dầu khí đo được ở vùng sườn lục địa Việt Nam.
IV.2.3.2 Biểu hiện dị thường địa hóa khí
Các dị thường khí di chuyển dọc theo các đứt gãy được phát hiện khá rõ trên tài
liệu địa chấn dầu khí và các tài liệu lấy mẫu địa hóa khí.
V.PHÂN VÙNG ĐIỀU TRA HYDRAT KHÍ TRÊN BIỂN ĐÔNG
• Từ những tài liệu vừa trình bày trên cho thấy Biển Đông Việt Nam hội tụ đủ
các điều kiện thành tạo hydrate khí có những tiền đề dấu hiệu chứng minh cho
tiềm năng hydrate khí của vùng biển Việt Nam. Để tổ chức công tác nghiên
cứu, điều tra cơ bản, đánh giá về tiềm năng hydrate khí, nhiệm vụ quan trọng là
phân vùng điều tra hydrate khí trên Biển Đông theo các yếu tố sau:
- Vị trí địa lý
- Độ sâu đáy biển
- Cấu trúc địa chất
- Có quan hệ với các bể dàu khí và vị trí phân bố các lô dầu khí.
• Căn cứ theo các yếu tố trên, toàn bộ diện tích Biển Đông được chia ra các vùng
sau:
-Khu vực biển Phú Khánh
-Khu vực biển Đông Nam- Tư Chính- Vũng Mây
-Khu vực quần đảo Trường Sa
-Khu vực quần đảo Hoàng Sa.

22


KẾT LUẬN
Như vậy hydrat khí là nguồn năng lượng tiềm năng của thế giới trong tương
lai.Trong khi nguồn khoáng sản như than ,dầu khí đang ngày càng cạn kiệt thì hydrat
khí có thể trở thành nguồn năng lượng thay thế hợp lý để đáp ứng nhu cầu ngày càng

tăng của nhân loại về năng lượng.Đối với Việt Nam việc đầu tư nghiên cứu về hydrat
khí đã trở lên cần thiết và cấp bách trong điều kiện Biển Đông đã là khu vực tiềm
năng về dầu mỏ và khí đốt ,có độ sâu thích hợp cho việc hình thành và tích tụ hydrat
khí;hơn nữa ,hydrat khí cũng đã được phát hiện ở phía Bắc Biển Đông

23


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1) Lê Văn Bình “Hydrat khí nguồn năng lượng mới” (Hà Nội -2009)
2)Hội thảo chuyên đề “Hydrat khí nguồn năng lượng của tương lai và các phương
pháp nghiên cứu ” (Hà Nội -9/2009)
3)Michael D.Max, Arthur H.Johnson, William P.Dillon(2003) “ECONOMIC
GEOLOGY OF NATURAL GAS HYDRAT .”

24