6 Điều Bạn Cần Biết Về Khí Đồng Hành Trong Công Nghiệp Dầu Khí

Trong ngành công nghiệp dầu khí, khi nhắc đến dầu mỏ, chúng ta thường ít khi để ý đến một loại tài nguyên khác luôn đi kèm: khí đồng hành. Từng bị coi là sản phẩm phụ và thường bị đốt bỏ, giờ đây khí đồng hành đã trở thành một nguồn năng lượng và nguyên liệu quý giá, đóng vai trò then chốt trong phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Vậy, khí đồng hành là gì, quy trình xử lý ra sao, và nó được ứng dụng như thế nào? Hãy cùng khám phá 5 điều quan trọng nhất bạn cần biết về loại khí đặc biệt này.

---

1. Khí Đồng Hành Là Gì? Định Nghĩa Về Khí Đồng Hành

Khí đồng hành (tiếng Anh: Associated Gas) là khí tự nhiên được tìm thấy và khai thác cùng với dầu thô trong các mỏ dầu. Nó không tồn tại độc lập mà luôn “đi kèm” với dầu mỏ, giống như cái tên của nó. Sự hiện diện của khí đồng hành có thể dưới hai dạng chính:

• Hòa tan trong dầu thô: Dưới áp suất cao trong lòng đất, khí đồng hành hòa tan vào dầu thô. Khi dầu được đưa lên mặt đất và áp suất giảm, khí này sẽ tách ra khỏi dầu, giống như cách khí carbon dioxide thoát ra khỏi chai nước ngọt khi bạn mở nắp.
• Tạo thành lớp khí trên đỉnh mỏ dầu (Gas Cap): Một phần khí đồng hành có thể tích tụ thành một lớp khí riêng biệt nằm phía trên khối dầu lỏng trong vỉa chứa.

Việc thu hồi và sử dụng khí đồng hành hiệu quả là một thách thức lớn nhưng cũng mang lại giá trị kinh tế đáng kể cho ngành dầu khí.

Quá khứ của Khí Đồng Hành

Trong quá khứ, khí đồng hành thường bị xem là một thành phần không mong muốn trong quá trình khai thác dầu mỏ và bị đốt bỏ. Tình trạng này kéo dài tới tận năm 2003, khi ước tính có khoảng 10-13 tỷ feet khối khí bị đốt bỏ hàng ngày trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ, cùng với giá dầu thô và khí tự nhiên tăng cao, và các ứng dụng của khí tự nhiên ngày càng phổ biến, khí đồng hành đã được nhìn nhận lại và trở thành một nguồn nguyên liệu mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Điển hình là trường hợp của Mỹ: vào năm 1947, khoảng 3 tỷ feet khối khí đồng hành bị đốt bỏ mỗi ngày. Đến năm 2002, con số này đã giảm đi 13 lần, mặc dù sản lượng khai thác dầu khí lại cao hơn so với năm 1947.

Ở một quốc gia giàu tài nguyên như Nigeria, nơi sở hữu 30% trữ lượng khí tự nhiên của toàn Châu Phi, việc đốt bỏ khí đồng hành vẫn diễn ra một cách lãng phí, chiếm tới 75% lượng khí khai thác được. Nhận thấy tiềm năng khổng lồ này, Chính phủ Nigeria đã ban hành đạo luật quy định rằng từ năm 2008, việc đốt bỏ khí đồng hành sẽ bị cấm. Thay vào đó, các hãng dầu khí có trách nhiệm lắp đặt thiết bị xử lý để tận dụng tối đa nguồn tài nguyên quý giá này.

Sự chuyển đổi này cho thấy tầm quan trọng ngày càng tăng của khí đồng hành, từ một sản phẩm phụ bị bỏ đi trở thành một phần không thể thiếu trong chiến lược năng lượng toàn cầu.

Nguồn: Wikipedia

---

2. Thành Phần Chính Của Khí Đồng Hành

Sau khi được tách ra khỏi dầu thô, khí đồng hành là một hỗn hợp phức tạp của nhiều hợp chất hydrocarbon nhẹ và một số tạp chất. Thành phần chính của khí đồng hành thường bao gồm:

• Metan (CH₄): Đây là thành phần chiếm tỷ lệ lớn nhất, thường từ 70% đến hơn 90%. Metan là hợp chất hydrocarbon đơn giản nhất và là thành phần chính của khí thiên nhiên, có giá trị cao làm nhiên liệu.
• Etan (C₂H₆): Là hydrocarbon nhẹ thứ hai, thường chiếm khoảng 4-10%. Etan là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hóa dầu để sản xuất ethylene, tiền chất của nhựa polyethylene và nhiều hóa chất khác.
• Propan (C₃H₈): Thường chiếm 2-6%. Propan là thành phần chính của khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu nấu ăn, sưởi ấm và cho xe cộ.
• Butan (C₄H₁₀): Bao gồm cả n-butan và iso-butan, thường chiếm 1-4%. Butan cũng là một thành phần quan trọng của LPG và được sử dụng trong các quá trình công nghiệp khác.
• Pentan (C₅H₁₂) và các hydrocarbon nặng hơn (C₆+): Các thành phần này thường có mặt với tỷ lệ nhỏ hơn và có thể được thu hồi dưới dạng condensate (khí ngưng tụ) hoặc xăng tự nhiên.
• Các tạp chất: Khí đồng hành cũng có thể chứa một lượng nhỏ các khí không phải hydrocarbon như:
  • Hydro Sunfua (H₂S): Một loại khí cực độc, ăn mòn và có mùi trứng thối. Việc loại bỏ H₂S là bắt buộc để đảm bảo an toàn và bảo vệ thiết bị.
  • Carbon Dioxide (CO₂): Khí nhà kính, cần được loại bỏ để tăng nhiệt trị của khí và giảm tác động môi trường.
  • Hơi nước (H₂O): Có thể gây đóng băng hoặc ăn mòn đường ống nếu không được loại bỏ.
  • Nitrogen (N₂): Khí trơ, thường không gây hại nhưng làm giảm nhiệt trị.

Sự đa dạng về thành phần này làm cho khí đồng hành trở thành một nguồn tài nguyên linh hoạt, có thể được chế biến thành nhiều sản phẩm khác nhau.

---

3. Quy Trình Thu Gom và Xử Lý Khí Đồng Hành

Việc thu gom và xử lý khí đồng hành là một quá trình phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao và đầu tư lớn nhằm đảm bảo an toàn, hiệu quả và bảo vệ môi trường. Quy trình này thường diễn ra qua các giai đoạn chính:

• Giai đoạn 1: Tách Sơ Bộ Tại Giàn Khoan/Đầu Giếng

  • Tại các giàn khai thác dầu hoặc đầu giếng trên đất liền, hỗn hợp dầu thô, khí và nước được đưa vào các thiết bị tách (separator).
  • Các thiết bị này sẽ tách dầu, khí và nước dựa trên sự khác biệt về mật độ. Khí đồng hành được tách ra ở pha khí, còn dầu và nước được xử lý riêng.
  • Khí sau khi tách sơ bộ vẫn còn lẫn hơi nước và một số hydrocarbon nặng hơn.

• Giai đoạn 2: Thu Gom và Vận Chuyển

  • Đường ống: Khí đồng hành từ nhiều giếng hoặc giàn khoan được thu gom vào một hệ thống đường ống chung. Đối với các mỏ ngoài khơi, khí thường được vận chuyển về bờ thông qua các đường ống ngầm dưới biển chuyên dụng.
  • Nén khí: Để khí có thể di chuyển hiệu quả qua đường ống dài, nó thường được nén lại để tăng áp suất và mật độ.

• Giai đoạn 3: Xử Lý Tại Nhà Máy Khí (Gas Processing Plant)

  • Khi đến nhà máy xử lý khí trên bờ, khí đồng hành sẽ trải qua các công đoạn tinh chế chuyên sâu để loại bỏ tạp chất và tách các thành phần có giá trị:
    • Làm sạch (Sweetening/Acid Gas Removal): Loại bỏ các hợp chất axit như H₂S và CO₂ bằng các dung môi hóa học đặc biệt (ví dụ: dung dịch Amine).
    • Làm khô (Dehydration): Loại bỏ hơi nước để ngăn chặn sự hình thành hydrate (tắc nghẽn do băng) trong đường ống và thiết bị, cũng như giảm ăn mòn. Điều này thường được thực hiện bằng cách hấp thụ (glycol dehydration) hoặc hấp phụ (molecular sieves).
    • Tách hydrocarbon lỏng (NGL Recovery): Đây là công đoạn quan trọng nhất để thu hồi các hydrocarbon nặng hơn (etan, propan, butan, pentan) từ dòng khí metan. Các phương pháp phổ biến bao gồm làm lạnh sâu (cryogenic processing) hoặc hấp thụ. Các hydrocarbon lỏng thu được gọi là Khí thiên nhiên hóa lỏng (NGL – Natural Gas Liquids).
    • Phân đoạn (Fractionation): Các NGL thu được sẽ tiếp tục được đưa vào các tháp chưng cất để phân tách thành các sản phẩm tinh khiết hơn như etan, propan, butan.
    • Loại bỏ thủy ngân: Trong một số trường hợp, nếu khí có chứa thủy ngân, cần có công đoạn loại bỏ thủy ngân để bảo vệ thiết bị và đảm bảo an toàn sản phẩm.

Sau quá trình xử lý, khí metan tinh khiết (thường được gọi là khí khô) sẽ được đưa vào hệ thống phân phối khí, còn các thành phần NGL được đưa đi lưu trữ hoặc vận chuyển để phục vụ các ngành công nghiệp khác.

---

4. Các Giải Pháp Sử Dụng Khí Đồng Hành

Việc tận dụng khí đồng hành đã thay đổi đáng kể trong những thập kỷ gần đây, từ việc đốt bỏ (flaring) lãng phí và gây ô nhiễm sang các giải pháp sử dụng hiệu quả và bền vững:

• Sử dụng làm nhiên liệu sản xuất điện: Đây là một trong những ứng dụng phổ biến và có giá trị kinh tế cao nhất. Khí đồng hành sau khi xử lý được sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện tua bin khí, sản xuất điện cung cấp cho lưới điện quốc gia hoặc cho các hoạt động sản xuất tại các khu công nghiệp.
• Nguyên liệu cho ngành hóa dầu: Các thành phần như etan, propan và butan được tách ra từ khí đồng hành là nguyên liệu đầu vào quan trọng cho các nhà máy hóa dầu. Chúng được sử dụng để sản xuất:
  • Ethylene: Tiền chất để sản xuất nhựa polyethylene (PE), được dùng làm bao bì, ống dẫn, vật liệu xây dựng.
  • Propylene: Để sản xuất nhựa polypropylene (PP), sử dụng trong ô tô, dệt may, thiết bị gia dụng.
  • Amoniac và Ure: Khí metan từ khí đồng hành là nguyên liệu chính để sản xuất amoniac, sau đó chế biến thành phân đạm Ure, đóng góp quan trọng cho ngành nông nghiệp.
• Nhiên liệu khí hóa lỏng (LPG): Hỗn hợp propan và butan tách ra từ khí đồng hành chính là khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), được đóng bình và sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu nấu ăn, sưởi ấm, và nhiên liệu cho xe cộ (Autogas).
• Nhiên liệu khí nén tự nhiên (CNG): Một phần khí metan có thể được nén ở áp suất cao và lưu trữ trong các bình đặc biệt để sử dụng làm nhiên liệu cho xe buýt, xe tải hoặc các phương tiện công nghiệp khác, đặc biệt ở những nơi không có đường ống dẫn khí.
• Tái bơm vào mỏ (Gas Re-injection): Trong một số trường hợp, đặc biệt là ở các mỏ dầu đang suy giảm áp suất, khí đồng hành có thể được nén và bơm ngược trở lại vào vỉa chứa dầu để duy trì áp suất, giúp tăng cường khả năng thu hồi dầu và nâng cao hiệu quả khai thác.
• Nhiên liệu tại chỗ: Khí đồng hành có thể được sử dụng trực tiếp tại các giàn khoan hoặc cơ sở khai thác để vận hành các máy móc, thiết bị, turbine phát điện nội bộ, giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng khác.

---

5. Sử Dụng Khí Đồng Hành Ở Việt Nam

Tại Việt Nam, dù dầu thô đã được khai thác ở quy mô công nghiệp từ năm 1986, nhưng khí đồng hành vẫn liên tục bị đốt bỏ ngay tại mỏ cho đến năm 1997. Hình ảnh những ngọn lửa bùng cháy rực rỡ trên các giàn khoan trong đêm từng là biểu tượng nổi tiếng, thậm chí là niềm tự hào về ngành công nghiệp dầu khí non trẻ của Việt Nam thời bấy giờ.

Việc xử lý một khối lượng lớn khí đồng hành đòi hỏi hệ thống máy móc đồ sộ, điều kiện khai thác trên biển không cho phép thực hiện. Giải pháp tối ưu và triệt để nhất là xây dựng hệ thống đường ống để dẫn khí vào bờ xử lý.

Đến năm 1997, hệ thống xử lý khí đồng hành đầu tiên của Việt Nam chính thức đi vào vận hành. Kể từ đó, mỗi năm có khoảng 1 tỷ mét khối khí được đưa vào bờ, cung cấp khí hóa lỏng (LPG), dung môi pha xăng (condensate) và khí tự nhiên cho các nhà máy điện.

Ngày nay, khí đồng hành đã trở thành nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất khí hóa lỏng và dung môi pha xăng. Nó cũng là một phần nguyên liệu quan trọng cung cấp cho Nhà máy phân đạm Phú Mỹ và là nhiên liệu chính cho các nhà máy điện turbine khí, góp phần đáng kể vào an ninh năng lượng và sự phát triển kinh tế của đất nước.

Việt Nam là một trong những quốc gia đã có những bước tiến đáng kể trong việc tận dụng khí đồng hành từ các mỏ dầu ngoài khơi. Nhờ các chính sách đầu tư và phát triển công nghiệp khí, Việt Nam đã chuyển đổi phần lớn lượng khí đồng hành từ việc đốt bỏ sang các ứng dụng có giá trị cao.

• Phát điện: Đây là ứng dụng lớn nhất và quan trọng nhất của khí đồng hành tại Việt Nam. Các nhà máy điện khí lớn như Phú Mỹ 1, 2, 3, 4 (Bà Rịa – Vũng Tàu), Nhơn Trạch 1, 2 (Đồng Nai) và Cà Mau 1, 2 sử dụng khí đồng hành (sau khi xử lý) làm nhiên liệu chính, đóng góp một phần lớn vào tổng sản lượng điện quốc gia và đảm bảo an ninh năng lượng.
• Sản xuất phân đạm: Khí đồng hành từ các mỏ dầu cũng là nguyên liệu chủ yếu cho các nhà máy sản xuất phân đạm Ure như Đạm Phú Mỹ (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam – PVN) và Đạm Cà Mau. Việc này giúp Việt Nam tự chủ phần lớn nguồn cung phân bón cho ngành nông nghiệp.
• Cung cấp khí công nghiệp và dân dụng: Khí đồng hành được xử lý và phân phối thông qua hệ thống đường ống cho các khu công nghiệp ở phía Nam như Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu để làm nhiên liệu cho các nhà máy sản xuất gốm sứ, thép, vật liệu xây dựng… Ngoài ra, các sản phẩm như LPG cũng được sản xuất từ khí đồng hành để phục vụ nhu cầu dân dụng (bình gas nấu ăn).
• Phát triển công nghiệp khí: Các công ty như Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) đã đầu tư mạnh vào hệ thống đường ống dẫn khí, nhà máy xử lý khí (ví dụ: Dinh Cố, Cà Mau) và các kho chứa LPG, tạo nên một hạ tầng công nghiệp khí hoàn chỉnh để thu gom, xử lý và phân phối khí đồng hành.

Nhờ những nỗ lực này, Việt Nam đã giảm thiểu đáng kể lượng khí thải từ việc đốt bỏ khí đồng hành, đồng thời tối ưu hóa nguồn tài nguyên thiên nhiên, đóng góp vào sự phát triển bền vững của đất nước.

---

6. Khí Đồng Hành Có Phải Là Natural Gas Không?

Có, khí đồng hành về bản chất là một dạng của khí thiên nhiên (Natural Gas). Tuy nhiên, thuật ngữ “khí đồng hành” thường được sử dụng để nhấn mạnh mối quan hệ của nó với dầu thô.

Sự khác biệt chính nằm ở cách chúng được tìm thấy và thành phần điển hình:

• Khí Thiên Nhiên (Natural Gas): Là một loại nhiên liệu hóa thạch, thường được tìm thấy trong các mỏ khí độc lập (non-associated gas fields), nơi chỉ có khí mà không có hoặc rất ít dầu thô đi kèm. Thành phần chính của khí thiên nhiên chủ yếu là metan (thường trên 90%), với tỷ lệ rất nhỏ các hydrocarbon nặng hơn.
• Khí Đồng Hành (Associated Gas): Luôn được tìm thấy cùng với dầu thô trong các mỏ dầu (associated gas fields). Do sự tương tác với dầu, khí đồng hành thường chứa một tỷ lệ đáng kể các hydrocarbon nặng hơn metan như etan, propan, butan (NGLs – Natural Gas Liquids). Điều này làm cho nó có giá trị hơn trong việc sản xuất các sản phẩm hóa dầu và LPG, bên cạnh việc làm nhiên liệu.

Tóm lại, mọi khí đồng hành đều là khí thiên nhiên, nhưng không phải mọi khí thiên nhiên đều là khí đồng hành. Khí đồng hành là một phân loại con của khí thiên nhiên, đặc trưng bởi sự hiện diện của nó cùng với dầu mỏ.

---

7. Các Loại Khí Thiên Nhiên: Khí Thiên Nhiên Nén (CNG) và Khí Thiên Nhiên Hóa Lỏng (LNG)

Trong quá trình sử dụng và vận chuyển khí thiên nhiên (bao gồm cả khí đồng hành đã qua xử lý), có hai dạng chính được biến đổi để tối ưu hóa hiệu quả:

• Khí Thiên Nhiên Nén (CNG – Compressed Natural Gas):

  • Định nghĩa: CNG là khí thiên nhiên (chủ yếu là metan) được nén ở áp suất rất cao (thường từ 200 đến 250 bar) để giảm thể tích, cho phép lưu trữ và vận chuyển một lượng lớn khí trong một không gian tương đối nhỏ.
  • Đặc điểm: Nó vẫn ở trạng thái khí ở nhiệt độ môi trường.
  • Ứng dụng: Chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho xăng hoặc diesel trong các phương tiện giao thông (xe buýt, xe tải, ô tô) và cho các ứng dụng công nghiệp nhỏ hoặc vừa, đặc biệt ở những khu vực không có đường ống dẫn khí.
  • Ưu điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cho cơ sở hạ tầng thấp hơn LNG, an toàn hơn so với LPG trong một số trường hợp do nhẹ hơn không khí.
  • Hạn chế: Mật độ năng lượng thấp hơn so với LNG, giới hạn phạm vi di chuyển của xe và cần nhiều không gian chứa.

• Khí Thiên Nhiên Hóa Lỏng (LNG – Liquefied Natural Gas):

  • Định nghĩa: LNG là khí thiên nhiên được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp (khoảng −162∘C hoặc −260∘F) để chuyển sang trạng thái lỏng. Quá trình hóa lỏng làm giảm thể tích khí xuống khoảng 1/600 thể tích ban đầu.
  • Đặc điểm: Ở trạng thái lỏng siêu lạnh.
  • Ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi trong vận chuyển khí trên quãng đường xa bằng tàu chuyên dụng (tàu chở LNG) hoặc qua đường bộ bằng xe bồn. Nó cũng được sử dụng làm nhiên liệu cho tàu biển, xe tải hạng nặng, và làm nguồn cấp khí cho các nhà máy điện hoặc công nghiệp ở những khu vực không có đường ống dẫn khí.
  • Ưu điểm: Mật độ năng lượng rất cao, cho phép vận chuyển khối lượng lớn khí qua quãng đường dài một cách hiệu quả và tiết kiệm.
  • Hạn chế: Yêu cầu công nghệ hóa lỏng và tái hóa khí phức tạp, chi phí đầu tư cao cho cơ sở hạ tầng (nhà máy hóa lỏng, kho chứa, tàu vận chuyển).

Cả CNG và LNG đều là những giải pháp quan trọng để tối ưu hóa việc vận chuyển và sử dụng khí thiên nhiên, giúp đưa nguồn năng lượng này đến được nhiều nơi hơn trên thế giới, bao gồm cả khí đồng hành sau khi đã được tinh chế.

---

Từ một “phụ phẩm” gây lãng phí và ô nhiễm môi trường, khí đồng hành đã vươn lên trở thành một nguồn tài nguyên chiến lược trong ngành công nghiệp dầu khí toàn cầu và tại Việt Nam. Việc đầu tư vào công nghệ thu gom, xử lý và ứng dụng đa dạng các thành phần của khí đồng hành không chỉ mang lại lợi ích kinh tế to lớn mà còn là một bước đi quan trọng hướng tới phát triển bền vững và giảm thiểu tác động môi trường. Hiểu rõ về khí đồng hành là gì, cách nó được xử lý và những ứng dụng phong phú của nó giúp chúng ta nhận thức được giá trị tiềm ẩn từ lòng đất và vai trò không thể thiếu của nó trong bối cảnh năng lượng hiện đại.

---