Dầu thô là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan đến Dầu thô

Định nghĩa dầu thô

Dầu thô là một loại chất lỏng tự nhiên được tìm thấy trong các lớp trầm tích dưới lòng đất hoặc đá ngầm. Đây là hỗn hợp phức tạp của nhiều loại hydrocacbon khác nhau, được hình thành từ quá trình phân hủy và biến đổi chất hữu cơ trong thời gian hàng chục triệu năm. Các hydrocacbon này tồn tại chủ yếu dưới dạng alkane, cycloalkane và aromatic, kèm theo một tỷ lệ nhỏ các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy và một số kim loại vết như vanadium, niken.

Dầu thô được coi là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của nền văn minh hiện đại. Từ dầu thô, con người có thể sản xuất ra xăng, dầu diesel, nhiên liệu máy bay, dầu hỏa và nhiều loại sản phẩm hóa chất cơ bản khác. Do tính chất không tái tạo, nguồn tài nguyên này có giá trị chiến lược và thường gắn liền với an ninh năng lượng của các quốc gia.

Bảng đặc điểm cơ bản của dầu thô:

Thuộc tính	Đặc điểm
Thành phần chính	Hydrocacbon (alkane, cycloalkane, aromatic)
Tạp chất	Lưu huỳnh, nitơ, oxy, kim loại vết
Tính chất vật lý	Lỏng, độ nhớt và màu sắc thay đổi theo loại dầu
Tính chất kinh tế	Nguồn năng lượng hóa thạch chủ yếu, có giá trị chiến lược

Nguồn gốc và quá trình hình thành

Dầu thô được hình thành từ xác của các sinh vật phù du biển, tảo và thực vật cổ đại. Khi các sinh vật này chết, chúng lắng xuống đáy biển hoặc hồ, hòa lẫn với trầm tích như bùn và cát. Qua hàng triệu năm, các lớp trầm tích chồng chất, tạo ra áp suất và nhiệt độ cao, từ đó bắt đầu quá trình biến đổi hóa học.

Trong giai đoạn đầu, chất hữu cơ bị phân hủy tạo thành kerogen – một hợp chất rắn chứa carbon. Khi điều kiện nhiệt độ và áp suất tiếp tục tăng, kerogen bị phá vỡ và biến đổi thành các hydrocacbon lỏng và khí, quá trình này gọi là catagenesis. Sau đó, các phân tử dầu khí có thể di chuyển từ đá mẹ sang các tầng đá xốp, nơi chúng bị giữ lại trong các “bẫy dầu”.

Ba giai đoạn chính của quá trình hình thành dầu thô:

• Diagenesis: Phân hủy chất hữu cơ thành kerogen.
• Catagenesis: Kerogen chuyển thành hydrocacbon lỏng và khí.
• Metagenesis: Hình thành khí tự nhiên ở điều kiện cao hơn.

Sự phân bố dầu thô phụ thuộc vào điều kiện địa chất, vì vậy các khu vực giàu trữ lượng dầu thường gắn liền với lịch sử biển cổ đại hoặc các vùng có điều kiện tích tụ chất hữu cơ thuận lợi.

Phân loại dầu thô

Dầu thô không đồng nhất, mỗi mỏ dầu có đặc điểm hóa học và vật lý riêng. Để dễ dàng giao dịch và định giá, dầu thô được phân loại dựa trên các tiêu chí như độ nhẹ/nặng (API gravity) và hàm lượng lưu huỳnh (ngọt/chua). Đây là hai yếu tố quyết định giá trị và mức độ dễ dàng trong quá trình tinh chế.

Chỉ số API được tính theo công thức của American Petroleum Institute:

$API = \frac{141.5}{SG_{60^{\circ}F}} - 131.5$

Trong đó, $SG_{60^{\circ}F}$ là khối lượng riêng của dầu ở 60°F. Chỉ số API càng cao thì dầu càng nhẹ, càng có giá trị trong chế biến. Dầu nhẹ dễ tinh chế thành xăng và nhiên liệu chất lượng cao, trong khi dầu nặng khó chế biến hơn.

Bảng phân loại dầu theo chỉ số API và hàm lượng lưu huỳnh:

Loại dầu	API Gravity	Hàm lượng lưu huỳnh	Đặc điểm
Dầu nhẹ, ngọt	>31,1°	<0,5%	Dễ tinh chế, sản phẩm chất lượng cao
Dầu trung bình	22,3°–31,1°	0,5–1%	Sử dụng phổ biến, chế biến vừa phải
Dầu nặng, chua	<22,3°	>1%	Khó chế biến, chi phí lọc dầu cao

Thành phần hóa học

Dầu thô là sự kết hợp của hàng trăm loại hợp chất khác nhau. Thành phần cụ thể thay đổi tùy vào nguồn gốc địa chất, tuy nhiên có thể phân thành bốn nhóm chính: alkane, cycloalkane, aromatic và hợp chất phi hydrocacbon.

Alkane (paraffin) là thành phần phổ biến nhất, gồm các chuỗi hydrocacbon mạch thẳng hoặc phân nhánh, quyết định tính chất cháy của nhiên liệu. Cycloalkane (naphthene) là hydrocacbon vòng bão hòa, đóng góp vào độ ổn định của dầu. Aromatic gồm các hydrocacbon vòng thơm, có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng xăng và tính năng chống kích nổ. Các hợp chất phi hydrocacbon bao gồm lưu huỳnh, nitơ, oxy và kim loại vết, gây khó khăn trong chế biến và cần loại bỏ trong quá trình tinh lọc.

Danh sách thành phần hóa học cơ bản:

• Alkane (C_nH_2n+2) – chiếm 30–60%.
• Cycloalkane (C_nH_2n) – chiếm 30–40%.
• Aromatic (C_nH_n) – chiếm 10–15%.
• Hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy – chiếm 1–5%.

Thành phần hóa học quyết định trực tiếp đến hiệu quả chế biến và các sản phẩm cuối cùng. Dầu có hàm lượng aromatic cao thường dùng để sản xuất dung môi hoặc hóa chất, trong khi dầu chứa nhiều alkane thích hợp cho chế biến nhiên liệu.

Khai thác và sản xuất

Dầu thô được khai thác từ các mỏ nằm sâu dưới lòng đất hoặc dưới đáy đại dương. Quá trình khai thác thường bắt đầu bằng khảo sát địa chất, sử dụng công nghệ địa chấn 2D, 3D hoặc 4D để xác định vị trí có khả năng chứa dầu. Khi tiềm năng được xác định, các giếng thăm dò được khoan nhằm đánh giá trữ lượng và đặc tính địa chất của mỏ. Sau giai đoạn này, khai thác thương mại mới được tiến hành.

Các phương pháp khai thác chính bao gồm:

• Khai thác sơ cấp: dựa vào áp suất tự nhiên trong vỉa để đẩy dầu lên. Phương pháp này thường chỉ thu hồi được 10–20% trữ lượng dầu trong mỏ.
• Khai thác thứ cấp: bơm nước hoặc khí (gas injection) vào mỏ nhằm duy trì áp suất, tăng tỷ lệ thu hồi lên khoảng 30–40%.
• Khai thác tam cấp (EOR – Enhanced Oil Recovery): sử dụng phương pháp nhiệt (steam injection), hóa chất (polymer, surfactant) hoặc khí CO₂ để tăng tỷ lệ thu hồi, có thể đạt trên 50%.

Sau khi được khai thác, dầu thô thường được vận chuyển qua hệ thống đường ống, tàu chở dầu (tanker) hoặc xe bồn đến các nhà máy lọc dầu. Tại đây, dầu thô trải qua quá trình chưng cất phân đoạn và xử lý hóa học để tạo ra các sản phẩm thương mại.

Ứng dụng của dầu thô

Dầu thô sau khi tinh chế trở thành nguồn nguyên liệu chính cho nhiều ngành công nghiệp. Các sản phẩm chính từ quá trình lọc dầu bao gồm:

• Nhiên liệu: xăng, dầu diesel, nhiên liệu máy bay, dầu hỏa. Đây là những sản phẩm chiếm tỷ lệ lớn nhất và đóng vai trò trung tâm trong ngành giao thông vận tải toàn cầu.
• Nguyên liệu hóa học: etylen, propylene, benzen – nền tảng cho ngành công nghiệp hóa dầu, sản xuất nhựa, cao su tổng hợp, sợi nhân tạo, phân bón và dung môi.
• Sản phẩm công nghiệp: dầu bôi trơn, sáp paraffin, nhựa đường cho ngành giao thông và xây dựng.

Bảng tổng hợp sản phẩm từ dầu thô:

Phân đoạn	Nhiệt độ chưng cất	Sản phẩm chính
Khí nhẹ	<150°C	Khí hóa lỏng (LPG), khí metan, etan
Xăng	150–200°C	Xăng ô tô, dung môi
Dầu hỏa	200–300°C	Nhiên liệu máy bay, dầu hỏa chiếu sáng
Dầu diesel	250–350°C	Nhiên liệu vận tải, dầu sưởi
Dầu nhờn, cặn nặng	>350°C	Dầu bôi trơn, nhựa đường, sáp paraffin

Tác động môi trường

Hoạt động khai thác, vận chuyển và sử dụng dầu thô có tác động lớn đến môi trường. Sự cố tràn dầu là một trong những rủi ro nghiêm trọng, gây thiệt hại cho hệ sinh thái biển và ven biển, phá hủy nguồn sống của hàng triệu sinh vật. Ví dụ, sự cố tràn dầu Deepwater Horizon năm 2010 tại Vịnh Mexico đã gây ra một trong những thảm họa môi trường tồi tệ nhất trong lịch sử.

Quá trình đốt dầu thô và sản phẩm của nó là nguồn phát thải lớn nhất của khí nhà kính, đặc biệt là CO₂ và CH₄. Theo IPCC, ngành năng lượng dựa trên nhiên liệu hóa thạch, trong đó có dầu, chiếm hơn 70% tổng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Ngoài ra, khai thác dầu có thể gây ô nhiễm đất, nguồn nước và tạo ra các chất thải độc hại.

Để giảm thiểu tác động, nhiều quốc gia và tập đoàn dầu khí lớn đang triển khai công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS – Carbon Capture and Storage), cùng với chiến lược chuyển dịch sang năng lượng tái tạo.

Tình hình thị trường dầu mỏ toàn cầu

Thị trường dầu mỏ toàn cầu chịu sự điều chỉnh của nhiều yếu tố: cung cầu, tình hình địa chính trị, chính sách năng lượng và sự phát triển kinh tế. Các quốc gia sản xuất dầu lớn như Ả Rập Xê Út, Nga, Hoa Kỳ, Iraq và Nigeria kiểm soát phần lớn sản lượng toàn cầu. OPEC và nhóm mở rộng OPEC+ có ảnh hưởng quan trọng trong việc điều chỉnh nguồn cung và giá dầu.

Giá dầu thường biến động mạnh do các yếu tố bất ổn chính trị, xung đột, hoặc khủng hoảng kinh tế. Ví dụ, đại dịch COVID-19 năm 2020 đã khiến nhu cầu dầu giảm mạnh, giá dầu thậm chí có thời điểm xuống mức âm trong giao dịch tương lai tại Mỹ. Ngược lại, các cuộc xung đột ở Trung Đông hoặc căng thẳng tại Nga–Ukraine làm giá dầu tăng cao.

Sự phát triển của công nghệ khai thác dầu đá phiến tại Hoa Kỳ cũng đã thay đổi cán cân năng lượng, biến nước này thành một trong những nhà sản xuất dầu lớn nhất thế giới, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu từ Trung Đông.

Tương lai và triển vọng

Tương lai của dầu thô gắn liền với quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu. Trong ngắn hạn và trung hạn, dầu vẫn sẽ là nguồn năng lượng chủ yếu do nhu cầu từ giao thông, công nghiệp và hóa chất. Tuy nhiên, trong dài hạn, vai trò của dầu có thể giảm khi năng lượng tái tạo và các công nghệ sạch trở nên phổ biến hơn.

Nhiều dự báo từ International Energy Agency (IEA) cho thấy nhu cầu dầu có thể đạt đỉnh vào thập niên 2030, sau đó suy giảm do áp dụng xe điện, chính sách giảm phát thải và xu hướng khử carbon. Điều này đòi hỏi các quốc gia xuất khẩu dầu phải tái cơ cấu nền kinh tế, giảm sự phụ thuộc vào nguồn thu từ dầu mỏ.

Triển vọng lâu dài là dầu thô sẽ dần chuyển từ vai trò chính trong cung cấp năng lượng sang vai trò nguyên liệu hóa dầu, phục vụ sản xuất nhựa, hóa chất, phân bón và sản phẩm công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

• International Energy Agency (IEA). https://www.iea.org/
• OPEC – Crude Oil Production. https://www.opec.org/
• U.S. Energy Information Administration (EIA). https://www.eia.gov/
• IPCC – Climate Change Reports. https://www.ipcc.ch/
• BP Statistical Review of World Energy. https://www.bp.com/
• Shell Energy Transition Reports. https://www.shell.com/