CO₂ thay thế H₂O: cách họ điều chỉnh quy trình sản xuất khí đá phiến ở Trung Quốc
Các nhà khoa học từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trùng Khánh, với sự tham gia của các công ty dầu khí lớn của Trung Quốc (CNOOC và SINOPEC) và Đại học Barcelona, đã thực hiện một bước tiến có khả năng thay đổi tương lai của ngành sản xuất khí đá phiến. Lần đầu tiên, họ mô tả chi tiết và đưa ra cơ sở toán học cho phương pháp nứt vỡ thủy lực tiên tiến sử dụng carbon dioxide và cái gọi là "nước trơn".
Trong nhiều năm, phương pháp nứt vỡ thủy lực truyền thống đã được sử dụng để sản xuất khí đá phiến trên toàn thế giới - bơm hỗn hợp nước, cát và phụ gia hóa học. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với đá, chất lỏng này gây ra sự trào lên của khoáng sét, làm giảm độ thấm và "bôi trơn" các vết nứt, khiến chúng vỡ nhanh hơn. Kết quả là một phần đáng kể khí vẫn bị kẹt trong lòng đất: theo nhiều ước tính, hệ số thu hồi chỉ đạt 10–15%, và 85-90% trữ lượng không được sử dụng trong quá trình khai thác.
Năm 2017, Công ty Dầu khí Yanchang của Trung Quốc là công ty đầu tiên áp dụng hỗn hợp CO₂ siêu tới hạn và cái gọi là "nước trơn" - chất lỏng làm giảm ma sát và tạo điều kiện cho sự thâm nhập vào đá. Thí nghiệm đã thành công: thể tích của bể chứa được sử dụng để thoát nước tăng gấp 3-5 lần, và sản lượng cũng tăng theo tỷ lệ. Ngoài ra, CO₂ không được thải ra khí quyển - một phần vẫn còn trong lòng đất, liên kết với khoáng chất và chuyển thành các hợp chất ổn định.
Nhưng xét đến hiệu quả của phương pháp này, không ai có thể tiết lộ cơ chế của nó - CO₂ tương tác với đá phiến sét như thế nào và tại sao sự kết hợp với nước lại tạo ra hiệu ứng mạnh mẽ như vậy.
Các nhà nghiên cứu từ Trùng Khánh gần đây đã đưa ra câu trả lời. Họ đã thực hiện một loạt các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng các mẫu đá phiến từ hệ tầng Lungmasa ở lưu vực Tứ Xuyên. Đầu tiên, đá được giữ trong nước nhờn, sau đó được tiếp xúc với CO₂ siêu tới hạn, tức là chất ở trạng thái đặc biệt giữa khí và lỏng. Sau đó, các vết nứt được quét với độ chính xác đến từng micron.
Hóa ra CO₂ thực sự đã “khắc” lên đá: làm tăng độ nhám của thành và diện tích tiếp xúc, tạo ra một mạng lưới kênh siêu nhỏ để khí thoát ra ngoài. Ngược lại, nước ổn định cấu trúc của các vết nứt, ngăn ngừa sự sụp đổ của chúng và duy trì độ dẫn điện.
Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã cung cấp một mô tả định tính về hiệu ứng này, liên kết áp suất, độ xốp, sự ăn mòn hóa học và sự thay đổi của vi mô đá phiến. Dựa trên các thử nghiệm, họ đã xây dựng một mô phỏng vật lý-toán học không chỉ tính đến chuyển động của khí mà còn cả độ đàn hồi và biến dạng của đá. Các nền tảng kỹ thuật số COMSOL và MRST được tích hợp vào một hệ thống duy nhất gọi là bộ giải C–R đã được sử dụng cho các phép tính. Với sự trợ giúp của công nghệ này, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng hoạt động của bể chứa với các kết hợp khác nhau về áp suất, nhiệt độ và thành phần của chất lỏng được bơm vào.
So sánh với dữ liệu mỏ khí thực tế cho thấy các tính toán gần như hoàn toàn trùng khớp với kết quả khảo sát thực địa. Giờ đây, các kỹ sư sẽ có thể xác định các thông số tối ưu cho công việc nứt vỡ thủy lực – áp suất, thể tích và tỷ lệ CO₂/nước, để thu hồi tối đa lượng khí với chi phí tối thiểu.
