Chương 1: Cơ Bản Về Khí Thiên Nhiên

1.1 Giới Thiệu

Khí thiên nhiên hiện cung cấp khoảng 25–30% tổng năng lượng thế giới năm 2026 — tỷ trọng này tiếp tục tăng do áp lực chuyển dịch năng lượng và cam kết giảm phát thải carbon. Không giống than là chất rắn và dầu thô là chất lỏng, khí thiên nhiên ở trạng thái khí, không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí. Khi đốt cháy, mỗi scf (feet khối tiêu chuẩn) tỏa ra khoảng 1.000 BTU (đơn vị nhiệt Anh). Hỗn hợp khí–không khí chỉ bắt lửa khi nồng độ khí nằm trong khoảng 5–15%.

So với than và dầu, khí thiên nhiên đốt sạch hơn, hiệu suất cao hơn và phát thải ít chất ô nhiễm hơn. Với trữ lượng toàn cầu lớn hơn dầu mỏ, nhu cầu thăm dò, phát triển mỏ và khai thác khí đang tăng mạnh, đặc biệt tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam.

1.2 Bối Cảnh Địa Chất

Các mỏ dầu khí là kết quả của các quá trình trầm tích kéo dài hàng triệu năm. Đặc điểm địa tầng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vỉa chứa:

• Đá sa thạch (sandstone): phổ biến nhất, độ thấm cao ở độ sâu vừa phải.
• Đá carbonat (carbonate): có thể có lỗ rỗng lớn nhưng độ thấm thấp.
• Độ sâu và cố kết: vỉa sâu (>6.000m) thường có độ thấm <0,1 mD; vỉa nông (<1.000m) có thể đạt 10.000 mD.
• Độ rỗng: ở 6.000m có thể chỉ 10%; ở độ nông có thể >30%.

1.3 Nguồn Gốc và Tích Tụ Khí Thiên Nhiên

Khí thiên nhiên, như dầu mỏ, được sinh ra từ vật liệu hữu cơ đã bị chôn vùi theo thời gian địa chất và chịu tác động của nhiệt độ, áp suất cao trong hàng chục đến hàng trăm triệu năm. Vật chất hữu cơ dần chuyển hóa thành than, dầu hoặc khí thiên nhiên.

Để tích tụ khí cần có ba yếu tố:

1. Đá sinh (source rock): vật liệu hữu cơ bị nén chặt tạo ra khí.
2. Đá chứa (reservoir rock): môi trường xốp lưu giữ khí.
3. Đá chắn (cap rock): lớp đá không thấm phía trên nhốt khí lại.

1.4 Tài Nguyên Khí Thiên Nhiên

1.4.1 Khí Không Liên Kết (Nonassociated Gas)

Mỏ chứa hầu như toàn bộ khí thiên nhiên ở điều kiện vỉa chứa. Nếu tại bề mặt vẫn còn ở pha khí gọi là khí khô; nếu tạo ra hydrocarbon lỏng khi áp suất giảm gọi là khí ướt.

1.4.2 Khí Liên Kết (Associated Gas)

Hầu hết mỏ dầu (trừ dầu nặng và tar) đều sinh ra khí tại bề mặt. Khí tách ra khỏi dầu thô ở điều kiện khí quyển được gọi là khí đồng hành (associated gas).

1.4.3 Khí Phi Truyền Thống (Unconventional Gas)

Bao gồm ba loại chính, đặc biệt quan trọng trong bối cảnh 2026:

• Khí chặt (Tight Gas): vỉa sa thạch hoặc carbonat có độ thấm <1 mD, thường cần nứt vỉa thủy lực quy mô lớn.
• Khí than (CBM — Coalbed Methane): methane hấp phụ trong vỉa than, khai thác bằng giếng nứt vỉa thủy lực.
• Khí phiến sét (Shale Gas): khí trong đá phiến hữu cơ, khai thác bằng giếng nằm ngang với nhiều đoạn nứt vỉa. Đây là nguồn khí tăng trưởng mạnh nhất toàn cầu 2010–2026.

1.5 Thành Phần và Ứng Xử Pha

Tùy theo loại mỏ, thành phần khí có thể thay đổi rộng. Nói chung gồm methane (CH₄) là chính, và các lượng giảm dần của ethane (C₂H₆), propane (C₃H₈), butane (C₄H₁₀), pentane (C₅H₁₂). Ngoài ra có thể chứa CO₂, N₂, H₂S, hơi nước và vết khí hiếm.

Giản đồ pha PVT thể hiện quan hệ Áp suất–Thể tích–Nhiệt độ, gồm các điểm đặc trưng:

• Đường bong bóng (Bubble Point Curve): ranh giới pha lỏng và vùng hai pha.
• Đường sương (Dew Point Curve): ranh giới pha khí và vùng hai pha.
• Điểm tới hạn (Critical Point): điểm hai đường gặp nhau; tính chất khí = lỏng.
• Cricondentherm: nhiệt độ cao nhất khí và lỏng cùng tồn tại.
• Cricondenbar: áp suất cao nhất khí và lỏng cùng tồn tại.

1.6 Các Tính Chất Vật Lý Quan Trọng

1.6.1 Tỷ Trọng Khí (Gas Specific Gravity, γ_g)

Là tỷ số phân tử lượng khí so với phân tử lượng không khí (28,97 g/mol):

γg = Mkhí / 28,97

Ví dụ: khí có thành phần điển hình với M = 18,42 → γ_g = 0,64.

1.6.2 Hệ Số Lệch Z (Gas Deviation Factor, Z-Factor)

Khí thiên nhiên trong điều kiện vỉa chứa là khí thực (không lý tưởng), tuân theo phương trình:

pV = ZnRT

Trong đó Z là hệ số lệch (super-compressibility factor) — tỷ số thể tích thực / thể tích lý tưởng. Đây là thông số quan trọng nhất trong kỹ thuật khí, cần thiết để tính: hệ số thể tích, mật độ, trữ lượng tại chỗ (IGIP), dự báo khai thác và thiết kế đường ống.

Z có thể tra biểu đồ Standing & Katz (1942) hoặc tính bằng tương quan Hall–Yarborough, Papay hay Dranchuk–Abou-Kassem. Để tra biểu đồ, cần tính các tính chất giả tới hạn:

ppc = Σ yi × pci (áp suất tới hạn giả)

Tpc = Σ yi × Tci (nhiệt độ tới hạn giả)

Tương quan Sutton (1985) cho khí tự nhiên:

ppc = 756,8 − 131,0γg − 3,6γg²

Tpc = 169,2 + 349,5γg − 74,0γg²

1.6.3 Mật Độ Khí

ρg = pM / (ZRT)

1.6.4 Hệ Số Thể Tích Khí (Bg)

Bg = 0,00504 × ZT / p (ft³/scf, T tính °R, p tính psia)

1.6.5 Hệ Số Nén Khí (c_g)

cg = 1/p − (1/Z)(dZ/dp)

1.6.6 Độ Nhớt Khí

Độ nhớt khí tăng theo nhiệt độ (khác với chất lỏng). Tương quan Lee–Gonzalez–Eakin được dùng rộng rãi nhất.

1.7 Đơn Vị và Quy Đổi Thường Dùng

• 1 Mscf = 1.000 scf | 1 MMscf = 1.000.000 scf | 1 Bscf = 10⁹ scf
• 1 BTU = 1.055 J | 1 scf khí ≈ 1.000 BTU
• 1 psi = 6.895 Pa | 1 ft = 0,3048 m | °R = °F + 459,67
• 1 md (millidarcy) = 9,869 × 10⁻¹⁶ m²