Dầu khí là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Dầu khí là gì?

Dầu khí là tập hợp các hợp chất hydrocacbon tự nhiên, tồn tại ở trạng thái lỏng (dầu mỏ) và khí (khí tự nhiên), hình thành từ sự phân hủy và biến đổi chất hữu cơ bị chôn vùi dưới lớp trầm tích trong hàng triệu năm. Đây là nguồn năng lượng hóa thạch quan trọng, chiếm hơn 50% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu, và đóng vai trò trung tâm trong công nghiệp hóa dầu, giao thông vận tải, sản xuất điện và nhiều lĩnh vực khác.

Dầu khí chủ yếu được tích tụ trong các bể trầm tích, nơi đá mẹ chứa vật chất hữu cơ trải qua quá trình chuyển hóa sinh – hóa – nhiệt để tạo ra hydrocacbon. Sau khi hình thành, chúng di chuyển qua các tầng đá xốp (đá chứa) và bị giữ lại bởi các lớp đá không thấm (đá chắn), tạo thành các mỏ dầu khí khai thác được. Cấu trúc địa chất, điều kiện áp suất, nhiệt độ và thời gian chôn vùi là các yếu tố quyết định tính chất và sản lượng của mỏ.

Thành phần hóa học của dầu khí

Thành phần của dầu khí chủ yếu là các hydrocacbon – những hợp chất chỉ chứa carbon và hydro – với cấu trúc đa dạng từ đơn giản đến phức tạp. Ngoài ra, dầu khí còn chứa các hợp chất dị nguyên tử như lưu huỳnh, nitơ, oxy và các kim loại vết. Sự khác biệt về thành phần hóa học ảnh hưởng lớn đến giá trị thương mại và quá trình tinh chế.

Các nhóm hóa học chính trong dầu thô bao gồm:

• Paraffins (Alkanes): Hydrocacbon mạch thẳng hoặc nhánh, từ metan đến các alkan cao phân tử.
• Naphthenes (Cycloalkanes): Hydrocacbon vòng no, phổ biến trong dầu nặng.
• Aromatics: Hydrocacbon vòng thơm như benzene, toluene, thường gây độc và có giá trị hóa dầu cao.
• Asphaltenes và Resins: Các phân tử nặng, phức tạp, ảnh hưởng đến độ nhớt và quá trình vận chuyển.

Khí tự nhiên chủ yếu gồm methane (CH₄), chiếm hơn 70%, cùng với ethane, propane, butane và các khí trơ như CO₂, N₂, H₂S. Thành phần cụ thể của dầu khí thay đổi đáng kể tùy theo nguồn gốc địa chất và điều kiện chôn vùi.

Thành phần	Ví dụ	Tác động
Paraffin	CH4, C2H6, C8H18	Dễ cháy, giá trị nhiệt cao
Aromatic	C6H6, C7H8	Gây độc, quan trọng trong hóa dầu
Lưu huỳnh	H2S, thiophen	Ăn mòn, phát thải SO2

Quá trình hình thành dầu khí

Quá trình hình thành dầu khí bắt đầu từ sự tích lũy chất hữu cơ, chủ yếu là xác sinh vật phù du và thực vật phù sa trong môi trường biển hoặc hồ, bị chôn vùi dưới lớp trầm tích giàu bùn sét. Trong điều kiện thiếu oxy, vi khuẩn yếm khí phân hủy sinh học một phần vật chất này và tạo thành tiền chất gọi là kerogen.

Kerogen sau đó chịu tác động của nhiệt độ và áp suất tăng dần theo thời gian chôn vùi. Ở khoảng 50–150°C, xảy ra hiện tượng cracking nhiệt phân giải kerogen thành các phân tử nhỏ hơn – chính là dầu và khí. Đây là giai đoạn catagenesis, quan trọng nhất trong quá trình tạo hydrocarbon. Ở nhiệt độ trên 150°C, metagenesis diễn ra, tạo ra chủ yếu khí methane.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả sinh dầu khí bao gồm:

• Hàm lượng chất hữu cơ trong đá mẹ (TOC – Total Organic Carbon)
• Loại kerogen (I, II, III) – quyết định dầu, khí hay than
• Tốc độ chôn vùi – ảnh hưởng đến tốc độ sinh nhiệt
• Thời gian tồn tại trong “vùng bếp dầu” (oil window)

Các mô hình địa chất và phân tích thạch học được sử dụng để xác định vùng sinh hydrocarbon tiềm năng, hỗ trợ công tác thăm dò mỏ hiệu quả.

Phân loại dầu khí

Dầu khí được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau nhằm đánh giá chất lượng, giá trị kinh tế và ứng dụng kỹ thuật. Dưới đây là một số tiêu chí phân loại phổ biến và ý nghĩa thực tiễn:

1. Theo tỷ trọng (API gravity): Chỉ số API đo lường mật độ dầu so với nước. Dầu nhẹ (API > 31.1°) dễ tinh chế hơn và có giá trị cao hơn dầu nặng (API < 22.3°).

$API = \frac{141.5}{SG} - 131.5$

Trong đó $SG$ là khối lượng riêng của dầu so với nước ở 60°F. Dầu nhẹ thường giàu alkanes, trong khi dầu nặng chứa nhiều hợp chất phức tạp và asphaltenes.

2. Theo hàm lượng lưu huỳnh: Dầu “sweet” có hàm lượng S < 0.5%, ít ăn mòn thiết bị và thân thiện hơn với môi trường. Dầu “sour” chứa nhiều lưu huỳnh, đòi hỏi xử lý khử lưu nghiêm ngặt.

3. Theo nguồn gốc khai thác:

• Brent: Dầu Biển Bắc, tiêu chuẩn cho thị trường châu Âu
• WTI (West Texas Intermediate): Chuẩn Mỹ, nhẹ và ngọt
• Dubai/Oman: Chuẩn Trung Đông, trung bình đến nặng

4. Phân loại khí tự nhiên: Khí khô chủ yếu là methane; khí ướt chứa thêm ethane, propane, butane; khí chua chứa nhiều H₂S. Các đặc điểm này ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ khai thác, xử lý và giá thành thương mại.

Kỹ thuật khai thác dầu khí

Khai thác dầu khí là quá trình phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn từ thăm dò địa chất đến khai thác và xử lý sản phẩm đầu ra. Mỗi bước yêu cầu kỹ thuật cao, trang thiết bị hiện đại và sự hiểu biết sâu rộng về địa chất, cơ học chất lỏng, và hóa học dầu khí.

Quá trình khai thác có thể chia thành ba giai đoạn chính:

1. Primary recovery: Sử dụng áp suất tự nhiên trong vỉa (áp suất khí hòa tan, khí mũ, nước đáy) để đẩy dầu lên giếng. Tỷ lệ thu hồi chỉ khoảng 10–20% tổng trữ lượng.
2. Secondary recovery: Bơm nước hoặc khí vào mỏ để duy trì áp suất và tăng sản lượng. Tăng tỷ lệ thu hồi lên khoảng 30–50%.
3. Enhanced Oil Recovery (EOR): Dùng nhiệt, hóa chất hoặc khí CO₂ để làm giảm độ nhớt dầu hoặc thay đổi sức căng bề mặt, giúp khai thác thêm 10–20% trữ lượng.

Trong EOR, các phương pháp thường gặp gồm:

• Thermal EOR: Bơm hơi nước (steam flooding) để giảm độ nhớt dầu nặng.
• Gas injection: Dùng CO₂ hoặc hydrocarbon nhẹ để trộn với dầu và tạo pha siêu tới hạn.
• Chemical EOR: Dùng polymer, chất hoạt động bề mặt hoặc kiềm để cải thiện sự dịch chuyển của dầu.

Những tiến bộ như khoan định hướng (directional drilling), khoan ngang (horizontal drilling) và công nghệ bẻ gãy thủy lực (hydraulic fracturing) đã làm tăng đáng kể khả năng tiếp cận các mỏ dầu khí khó khai thác, đặc biệt là các mỏ đá phiến (shale reservoirs).

Tinh chế và sản phẩm từ dầu khí

Dầu thô sau khi khai thác không thể sử dụng ngay do chứa nhiều hợp chất phức tạp và tạp chất gây hại. Quá trình tinh chế nhằm tách các thành phần mong muốn, loại bỏ tạp chất và biến đổi các cấu trúc hóa học để tạo ra các sản phẩm có giá trị sử dụng cao.

Các bước chính trong tinh chế dầu mỏ:

1. Chưng cất phân đoạn (distillation): Phân tách dầu thô thành các phân đoạn theo nhiệt độ sôi khác nhau như khí hóa lỏng, xăng, dầu diesel, dầu nhờn, nhựa đường.
2. Cracking: Bẻ gãy các phân tử lớn thành sản phẩm nhẹ hơn như xăng (catalytic cracking, hydrocracking).
3. Reforming: Biến đổi cấu trúc để tăng chỉ số octan của xăng.
4. Khử tạp chất: Tách lưu huỳnh, kim loại, nitơ để đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

Sản phẩm từ tinh chế dầu khí rất đa dạng:

• Nhiên liệu: xăng, diesel, nhiên liệu phản lực, khí LPG
• Nguyên liệu hóa dầu: ethylene, propylene, butadiene, benzene
• Sản phẩm phụ: nhựa đường, sáp paraffin, lưu huỳnh nguyên tố

Ngành hóa dầu (petrochemical) sử dụng nguyên liệu từ dầu khí để sản xuất nhựa, cao su tổng hợp, sợi hóa học, phân bón, dung môi và dược phẩm – đóng vai trò thiết yếu trong nền kinh tế hiện đại.

Tác động môi trường

Hoạt động khai thác và sử dụng dầu khí để lại những tác động tiêu cực lớn đến môi trường. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch là nguồn phát thải CO₂ lớn nhất, đóng góp trực tiếp vào hiện tượng ấm lên toàn cầu và biến đổi khí hậu.

Một số tác động chính bao gồm:

• Ô nhiễm không khí: Phát thải SO₂, NO_x, VOCs gây mưa axit và suy giảm chất lượng không khí.
• Ô nhiễm đất và nước: Do tràn dầu, rò rỉ hóa chất, nước thải sản xuất không được xử lý triệt để.
• Suy giảm đa dạng sinh học: Phá vỡ hệ sinh thái biển và đất liền trong quá trình xây dựng hạ tầng khai thác.

Sự cố như Deepwater Horizon (2010) đã giải phóng hơn 4 triệu thùng dầu ra vịnh Mexico, gây tổn thất sinh thái và kinh tế nặng nề. Các quy định môi trường ngày càng chặt chẽ buộc các công ty dầu khí phải đầu tư vào công nghệ xử lý, giám sát khí thải và ứng phó tràn dầu.

Thị trường và chính trị dầu khí

Dầu khí không chỉ là mặt hàng thương mại mà còn là công cụ chiến lược trong quan hệ quốc tế. Sự phụ thuộc vào dầu khí khiến giá năng lượng ảnh hưởng sâu sắc đến lạm phát, chính sách tiền tệ và an ninh quốc gia.

Thị trường dầu khí bị chi phối bởi các yếu tố như:

• Quan hệ cung – cầu toàn cầu
• Chính trị khu vực sản xuất lớn (Trung Đông, Nga, Mỹ)
• Biến động tỷ giá và chi phí vận chuyển
• Chính sách năng lượng và thuế carbon

Tổ chức OPEC và OPEC+ đóng vai trò điều tiết giá thông qua hạn ngạch sản lượng. Các nước tiêu thụ lớn như Trung Quốc, Ấn Độ và Mỹ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến xu hướng thị trường. Căng thẳng địa chính trị thường dẫn đến biến động giá dầu mạnh và bất ổn nguồn cung.

Xu hướng chuyển dịch năng lượng

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và áp lực giảm phát thải, thế giới đang đẩy mạnh quá trình chuyển dịch năng lượng (energy transition) từ dầu khí sang các nguồn năng lượng sạch và bền vững hơn. Tuy nhiên, dầu khí vẫn đóng vai trò quan trọng trong ngắn và trung hạn, đặc biệt trong công nghiệp nặng và giao thông vận tải.

Các công ty dầu khí quốc tế như BP, Shell, TotalEnergies đang đầu tư mạnh vào:

• Năng lượng tái tạo: điện gió, mặt trời, sinh khối
• Hydro xanh và lưu trữ năng lượng
• Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCUS)
• Kinh tế tuần hoàn carbon (Circular Carbon Economy)

Quá trình chuyển dịch sẽ định hình lại vai trò của dầu khí trong cấu trúc năng lượng toàn cầu và yêu cầu các chính sách linh hoạt, công bằng và dựa trên khoa học.

Tài liệu tham khảo

1. Speight, J. G. (2014). The Chemistry and Technology of Petroleum (5th ed.). CRC Press.
2. Tissot, B. P., & Welte, D. H. (1984). Petroleum Formation and Occurrence. Springer-Verlag.
3. U.S. Energy Information Administration (EIA). (2023). https://www.eia.gov/
4. International Energy Agency (IEA). (2023). https://www.iea.org/
5. Schlumberger Oilfield Glossary. (n.d.). https://www.glossary.oilfield.slb.com/
6. NOAA Office of Response and Restoration. (2020). Deepwater Horizon Spill. https://response.restoration.noaa.gov/