Khí than: Nguồn năng lượng bổ sung cho công nghiệp khí đốt thế giới và Việt Nam

Đại cương về khí than
Khí metan (CH4) có nguồn gốc than đá, gọi tắt là khí than (CBM), là khí đốt tự nhiên được tạo thành trong quá trình hoạt động của vi sinh biến đổi than bùn thành than đá, dưới tác dụng của nhiệt và áp suất. Một phần rất lớn lượng khí này thoát vào không khí trong giai đoạn biến đổi than, nhưng còn một lượng cũng rất đáng kể được bản thân lớp than hấp thụ hoặc tích tụ ở những nơi kế cận lớp than, mà ở đó điều kiện chứa thuận lợi. Như vậy, khác với khí đốt truyền thống, trong đó, đá mẹ, đá chứa, đá chắn thường là riêng biệt, đối với khí than thì tầng than vừa là tầng sinh, tầng chứa và tầng chắn. Khí than chứa đến 94 - 96% CH4, có nhiệt lượng khoảng 1000 BTU/cf (ft3, bằng 0,028 m3), phần còn lại gồm etan, propan, butan, pentan, nitơ và CO2, không có hoặc có rất ít S, cho nên khí than khi khai thác đã đủ sạch để có thể đưa vào ống dẫn, cung cấp trực tiếp cho các hộ tiêu thụ. Lượng khí than phụ thuộc vào khả năng hấp thụ của than, độ trưởng thành nhiệt trong quá trình hoá than và vào độ sâu lớp than. Với điều kiện kỹ thuật hiện nay, người ta xác định được rằng, nếu trong một tấn than có chứa một hàm lượng từ 3 m3 khí than thì hàm lượng đó đạt giá trị công nghiệp nếu một mỏ than có trữ lượng tại chỗ trên 100 triệu tấn than.
Trước thập kỷ 80 của thế kỷ XX, các nhà khoa học và doanh nghiệp vẫn cho khí than là nguồn khí mỏ có hại, gây ra cháy nổ, sập hầm lò trong quá trình khai thác than và việc nghiên cứu khí than là nhằm đáp ứng nhu cầu bảo vệ an toàn cho người và cho mỏ. Hiện nay, quan niệm này vẫn còn đang phổ biến trong nhiều nước, trong đó có Việt Nam và thậm chí khi nói đến khí than như một nguồn năng lượng hữu ích, thì rất nhiều người còn nhầm lẫn với khái niệm khí hoá than, tức là nguồn nhiên liệu nhân tạo, sản xuất từ than. Từ sau năm 1980, Viện Nghiên cứu khí đốt Mỹ (GRI) mới bắt đầu nghiên cứu khí than như một đối tượng năng lượng và sau đó mới bắt đầu khai thác công nghiệp.
Các tầng chứa khí than lớn được phát hiện trên khắp thế giới, tập trung nhất là ở các nước có trữ lượng than lớn như Canađa, Mỹ, Trung Quốc, Ôtxtrâylia, Anh, Đức, Nga, Ukraina, ấn Độ, Nam Phi, Inđônêxia.
Theo Thời báo Oil and Gas tháng 12/2001, khí than sẽ trở thành một nguồn năng lượng quan trọng và hấp dẫn hơn trong tương lai gần ở một loạt quốc gia, trong đó có Mỹ. Đây là loại nhiên liệu thân thiện hơn đối với môi trường so với dầu mỏ và than đá, khai thác khí than không làm tổn hại đến trữ lượng than đá mà còn loại trừ được khả năng gây cháy nổ nguy hiểm đối với mỏ than, giảm thiểu được khả năng gây hiệu ứng nhà kính khi khí cháy thoát tự do vào không khí trong quá trình khai thác than. Rủi ro duy nhất được đề cập là lượng nước khai thác từ vỉa than trong quá trình khai thác khí than có thể là nguồn ô nhiễm môi trường, nhưng điều này không phải là trở ngại không thể vượt qua, vì công nghệ xử lý nước ô nhiễm (nếu có) đã trở thành phổ biến trên toàn thế giới.
Khai thác khí than ở Mỹ
Khí đốt tiêu thụ trên thị trường Mỹ năm 2001 là 653,2 tỷ m3 (khoảng 23 Tcf) và dự kiến sẽ tăng 53% trong 15 năm tới. Phần đóng góp của khí than là 7% (1,4 Tcf), sản lượng khai thác khí khô và trữ lượng khí than chiếm 11,7% (141,4 Tcf), trữ lượng khí đốt có thể thu hồi của Mỹ. Năm 2002, có 8 play khí than lớn (có trữ lượng bằng hoặc hơn 1 Tcf) đã được phát hiện, được trình bày trong Bảng 1.
Các bồn trũng Powder River, Raton, Uinta, Arkoma và Appalach, trong 5 bồn trũng này, khí than có lợi thế rất lớn vì rủi ro cực ít và giá thành phát hiện thấp. Các nhà thầu ở đây đều đạt hệ số khoan thành công đến 98% và chi phí phát hiện nằm giữa 0,16 USD và 0,32 USD cho 1000 ft3 (Mcf) khai thác. Chi phí phát hiện khí đốt truyền thống ở Mỹ giai đoạn 1996 - 2000, trung bình là 1,14 - 1,25 USD/Mcf, chi phí khai thác là 0,95 - 1,05 USD/Mcf và giá bán thấp nhất trong năm 2002 là 4 USD/Mcf. Giá thành phát hiện khí than phụ thuộc rất nhiều yếu tố, cho nên thay đổi rất rộng theo các bồn trũng khác nhau. Mỗi giếng khai thác trên 1 diện tích từ 60 đến 160 mẫu Anh (1 mẫu Anh = 0,4 ha).
Khai thác khí than ở Trung Quốc
Trung Quốc là nước có trữ lượng than rất lớn, đạt đến 4000 tỷ tấn. Trữ lượng đó cũng chính là nguồn khí than khổng lồ nên đã được Chính phủ Trung Quốc hết sức coi trọng, đầu tư nghiên cứu từ 10 năm nay và đã xác định trữ lượng tại chỗ đạt 500 - 1000 Tcf (15  -30 TCM). Than đá ở Trung Quốc phân bố chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc, miền Trung và miền Nam.
ở miền Bắc, than tập trung thành những lớp dày trong các thành hệ Cacbon - Pecmi trong điều kiện biển thoái. Hàm lượng khí than biến thiên từ 200 Scf/tấn trong than a’lbitum đến 700 Scf/tấn trong than Antracit. Các bồn trũng chứa than ở đây là Ordos, Quin Shiu và Hoa Bắc.
ở miền Trung và miền Nam Trung Quốc, than có tuổi từ Cacbon - Pecmi đến muộn hơn, nhiều lớp nhưng không dày, tướng chủ yếu là lục địa, kẹp trong sét và cát kết. Một đối tượng được chú ý là than có tuổi Jura, phần lớn chất lượng thấp (a’bitum), hàm lượng khí than đạt 200 Scf/tấn than. Do cấu trúc địa chất phức tạp, nhiều đứt gãy phân tách than thành từng khối riêng biệt, nên gây khó khăn khá lớn cho việc phát triển mỏ khí than.
Trước năm 1995, công tác nghiên cứu thăm dò khí than ở Trung Quốc khá lộn xộn, do nhiều tổ chức cùng tiến hành đồng thời, không có sự quản lý thống nhất của Nhà nước. Cuối năm 1995, Chính phủ Trung Quốc đã giải quyết tình hình này bằng quyết định thành lập Tổng công ty khí than thống nhất trực thuộc Bộ Tài nguyên lãnh thổ và giao cho Tổng Công ty này quản lý toàn bộ các hợp đồng với nước ngoài, đồng thời tiến hành các nghiên cứu, thăm dò riêng.
Các hợp đồng khí than của Trung Quốc dựa trên mẫu các hợp đồng dầu khí trên đất liền, nhưng có các điều khoản riêng như miễn thuế thu nhập 2 năm, giảm thuế giá trị gia tăng, giảm thuế tài nguyên cùng nhiều điều kiện khuyến khích đầu tư khác. CUCBM đã phối hợp với các tổ chức của Liên Hiệp Quốc tổ chức hội thảo về các biện pháp thu hút đầu tư cho các chương trình nghiên cứu khí than năm 1998 tại Bắc Kinh. Các lô thăm dò khí than thường có diện tích khoảng 2500 km2. Cấu trúc hợp đồng thường là 1 - 3 năm cho giai đoạn thăm dò với số giếng khoan bắt buộc, tổng đầu tư tối thiểu là 4 triệu USD/3 năm/lô. Nhà điều hành có quyền quyết định các công nghệ tiếp theo, trong đó chương trình thử vỉa - khai thác dài hạn với 1 đến hơn 5 giếng thử nghiệm pilot. Nếu đề án chứng minh có giá trị thương mại thì CUCBM sẽ đóng góp một phần chi phí cho đề án và được hưởng các quyền lợi tương ứng. Giá bán khí và chi phí phát triển mỏ do thị trường quyết định. Nhà đầu tư có quyền chọn vùng thăm dò khí than, chứ không phải do Chính phủ chọn trước rồi đưa ra đấu thầu như các hợp đồng dầu khí.
Cho đến nay, UNDP đã giúp Trung Quốc trang bị các thiết bị thử vỉa và đào tạo cán bộ trong lĩnh vực khí than tại Mỹ. Các công ty dầu khí Mỹ như EURON, AMOCO, TEXACO, ARCO, PHILLIPS, VIRGIN OIL đã ký các hợp đồng với CUCBM triển khai hoạt động thăm dò, khai thác khí than trên nhiều vùng của Trung Quốc.
Giá bán khí than của Trung Quốc có biên độ dao động rất rộng: Nếu cung cấp cho các nhà máy sản xuất phân bón thì giá chỉ 1 USD/106 BTU, còn cho sinh hoạt thì đến 6 USD/106 BTU. Từ tiềm năng trữ lượng khí than và giá khí thị trường, các nhà đầu tư nước ngoài đánh giá tương lai ngành khí than Trung Quốc là sán lạn.
Khí than ở Inđônêxia
Trữ lượng khí đốt truyền thống ở Inđônêxia được xác minh đến năm 2000 là 150 Tcf và là nước xuất khẩu khí đốt lớn. Trong 5 năm gần đây, Indonexia đã tổ chức nghiên cứu khí than trên quy mô quốc gia và đã đi đến kết luận nước này có 337 Tcf khí than tiềm năng ở 11 bồn trũng chứa than, tương đương với 2/3 nguồn tài nguyên khí than ở Mỹ (Bảng 3). Hiện nay trữ lượng khí than xác minh là 30 Tcf. (xem bảng 2)
Mỏ khí đốt thông thường ở Inđônêxia thường có tỷ lệ CO2 cao, tuy nhiên các mỏ khí than nông (nhỏ hơn 3000 ft) lại có tỷ lệ CO2 thấp (dưới 5%). Dưới đây là một số đặc điểm của những vùng chứa khí than chất lượng cao ở Sumatra và Kalimantan:
- Độ sâu chứa than từ 1000 ft đến 1500 ft.
- Độ dày của lớp than trung bình trên 100 ft, có giếng đạt tới 325 ft. Than nằm liên tục. Nghiên cứu chỉ mới chú ý đến những lớp than có thể sử dụng phương pháp kích thích dòng bằng phá vỉa thuỷ lực, bỏ qua các lớp than phân tán có chứa khí nhưng chưa mang tính khai thác khả thi.
- Than chất lượng thấp nằm lộ thiên (R0= 0,3%), nhưng có thể tăng mức độ bitum (R0= 0,7%) theo chiều sâu.
- Hàm lượng khí than theo phân tích hấp thụ ban đầu ước tính đạt 100 - 300 Scf/tấn.
- Các lớp than có hệ số vitrinit cao, làm tăng tính giòn vì nứt nẻ, tăng công suất chứa khí ở những lớp than trưởng thành về nhiệt.
Nhìn chung, điều kiện địa chất ở Inđônêxia khá thuận lợi, nhưng công tác phát triển khí than vẫn gặp nhiều thách thức vì tình hình kinh tế - chính trị chưa ổn định.
Những điều luật về khí than đang trong quá trình soạn thảo. Năm 1990, Ban Nghiên cứu khí than cấp nhà nước đã được thành lập để xác định chi tiết những quy tắc điều chỉnh theo hướng dẫn chung quốc tế, thích nghi hợp đồng phân chia sản phẩm cho trường hợp khí than, nhằm tạo điều kiện khuyến khích đầu tư phát triển nguồn khí này. Hiện nay, đã có Nghị định sơ bộ của Tổng thống về công tác phát triển khí than làm cơ sở pháp lý cho đàm phán với đối tác nước ngoài. Ngoài các công ty chuyên về khí than của Mỹ, gần đây, Pertamina đã ký thoả thuận hợp tác với Petro China để thăm dò, khai thác khí than ở Nam Sumatra và Đông Kalimantan sau chuyến viếng thăm Trung Quốc tháng 2/2002 của Tổng thống Inđônêxia.
Khí than ở Việt Nam - đôi điều suy nghĩ
Theo các thông tin, hiện nay, nước ta có trữ lượng than antraxit khoảng 5 tỷ tấn và các loại than ở đồng bằng Sông Hồng tới độ sâu 300 m là 37 đến 100 tỷ tấn. Nếu vấn đề khí than trong các mỏ than antraxit đã được nghiên cứu ít nhiều, thì vấn đề khí than trong các bể trầm tích chưa được ai nghiên cứu nghiêm túc.
Trong quá trình thăm dò dầu khí, đã phát hiện ở tất cả các bồn trầm tích đều gặp các lớp than chủ yếu là than nâu, phân bố tới độ sâu trên 2500 m, gồm nhiều vỉa, độ dày từ vài chục cm tới hàng chục mét, trong vỉa có nhiều lớp sét than xen kẽ. Theo kết quả phân tích các chỉ tiêu công nghiệp của một số mẫu, có các số liệu sơ bộ như sau:
- Độ tro khô từ 5% đến 28%, trung bình 14,23%;
- Chất bốc từ 37% đến 53,9%, trung bình 46,25%;
- Độ ẩm từ 10% đến 20%, trung bình 11,09%;
- Nhiệt lượng từ 4000 kcalo/kg đến 7500 kcalo/kg, trung bình 7176 kcalo/kg
- Tỷ trọng 1,38 g/cm3
- Hàm lượng cacbon hữu cơ 53,7% đến 95,4%, trung bình 72,29%;
- Thành phần vật chất hữu cơ tạo than chủ yếu là vitrinit (chiếm 75 - 90%), liptinit (14 - 18%), allginit và fuzinit;
Theo số liệu của Trung tâm Cấp cứu Mỏ thuộc Tổng công ty Than Việt Nam, hàm lượng khí than ở các mỏ Quảng Ninh khá cao, từ 4 đến 10 m3/tấn than. Với sự tài trợ của Chính phủ Nhật, Trung tâm đã được trang bị rất hiện đại, trong đó có phòng công nghệ đánh giá hàm lượng khí CH4 trong các vỉa than tại hiện trường. Tuy nhiên, nhiệm vụ của Trung tâm là nghiên cứu phục vụ bảo đảm an toàn trong khai thác than, chứ không phải nghiên cứu khí than như một đối tượng năng lượng, cho nên không đánh giá trữ lượng các cấp của khí than trong từng mỏ cụ thể. Các mỏ than đang khai thác ở Việt Nam nói chung có kích thước nhỏ, do đó lượng khí than nếu có giá trị công nghiệp thì cũng chỉ phục vụ cho công nghiệp địa phương hoặc bổ sung nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện chạy than. Dù sao thì đây cũng là mục tiêu có ý nghĩa đối với kinh tế vùng than, vì đây là những vùng còn rất nghèo.
Đối tượng khí than phải nghĩ đến chính là than chứa trong các bể trầm tích.
Tại bể Sông Hồng, đặc biệt là miền võng Hà Nội, than phân bố chủ yếu trong Mioxen, chiều dày trung bình các vỉa than là 4 - 5 m. Theo tính toán thì riêng ở đồng bằng Bắc Bộ, trữ lượng than là 211 tỷ tấn. Tại các bể trầm tích phía Nam, các lớp than có độ dày ít hơn, trung bình khoảng 1 - 2 m, nhưng số lượng cũng từ vài chục vỉa đến hàng trăm vỉa. Khi khoan qua các vỉa than, dị thường đo khí tuy có nhưng không lớn. Số liệu về khí than ở miền võng Hà Nội còn rất sơ sài, nhưng cũng cho chúng ta những thông tin lý thú. Tại giếng khoan thông số số 1 ở cấu tạo Tiên Hưng cho thấy:
- Từ 1460 m đến 1530 m có 4 vỉa than, tất cả đều có dị thường khí, có vỉa đạt giá trị 6 - 8%.
- Từ 1580 m đến 1640 m có 8 vỉa than, dị thường khí đạt tới 11%.
Tại giếng khoan 102-CQ-IX cách Hải Phòng 15 km về phía Đông Nam đã gặp 45 vỉa than, có vỉa dày đến 11 m và ở tất cả các vỉa đều gặp dị thường khí. Tại giếng này, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích lượng khí hấp thụ trong than và cho thấy trong đới diagenez giá trị thấp nhất là 2,36 m3/tấn than, giá trị cao nhất là 74,29 m3/tấn than, trung bình là 12 m3/tấn than. Trong đới katagenez, giá trị thấp nhất là 6,46 m3/tấn than, cao nhất là 22,14 m3/tấn than và trung bình là 16 m3/tấn than. Trong giếng 102 HD-1X trong đới katagenez cũng xác định được giá trị cao nhất là 35 m3/tấn than.
Qua tất cả các thông tin dù còn rất ít ỏi trên đây, cho phép chúng ta tin tưởng rằng, than ở Việt Nam cũng có thuộc tính chứa khí than ít nhất là ngang bằng với than ở các bồn trầm tích Nam Trung Hoa và Inđônêxia. Nếu cho rằng, hàm lượng khí than ở miền võng Hà Nội đạt mức giá trị công nghiệp, tức là 3 m3/tấn than, thì riêng khu vực Khoái Châu đã có trữ lượng đến 30 tỷ m3 và toàn đồng bằng Bắc Bộ cũng có khả năng đạt nhiều Tcf khí than. Trong lúc mỏ khí Tiền Hải chỉ có khoảng 2 tỷ m3, mỏ khí Lan Đỏ - Lan Tây lớn nhất hiện nay cũng có trữ lượng khoảng 60 tỷ m3 thì các thông tin trên đây, dù là độ tin cậy còn rất thấp, cũng đáng để cho chúng ta quan tâm.
Vì lý do trên, chúng tôi đề nghị:
1. Chính phủ cần ban hành một văn bản pháp lý dù là rất sơ bộ về khí than.
2. Tổng công ty Dầu khí Việt Nam và Tổng công ty Than Việt Nam cần tiến hành các nghiên cứu theo chương trình toàn diện, nhằm đánh giá tiềm năng khí than như một nguồn năng lượng khả thi, đồng thời nghiên cứu xác định nội dung hợp đồng PSC hoặc hợp tác với các công ty nước ngoài để thăm dò, khai thác khí than, trước tiên là ở đồng bằng Bắc bộ, nhằm phục vụ cho nhu cầu khí đốt của miền Bắc trong giai đoạn sau năm 2005.
3. Trong lúc chờ đợi những chủ trương của cấp trên, các đơn vị nghiên cứu khí đốt và nguồn năng lượng nói chung cần tiến hành các nghiên cứu tổng hợp về công nghệ - kinh tế - pháp lý của nước ngoài về khí than và thu thập, bảo quản mẫu than tươi thu được từ các giếng khoan dầu khí, cũng như phân tích các chỉ tiêu thạch học và địa hoá than đối với các mẫu thu thập từ các mỏ than và các giếng khoan dầu khí.