Các phương pháp địa vật lý tìm kiếm thăm dò khí Hidrat ở vùng biển Việt Nam

Theo các tài liệu nghiên cứu về khí hydrat (gas hydrat-GH) ở Nga, Mỹ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc Ấn Độ, Trung Quốc và các tài liệu đã được công bố rộng rãi trên internet từ các cơ sở nghiên cứu như Geological Survey of Canada, University of Victoria,University of Toronto, Dalhousie University, Cambridge University U.K., University of Bremen Germany, Scripps Inst. Oceanography California, the U.S. Navy Research Laboratory, và các kết quả nghiên cứu khác của chương trình khoan sâu biển thế giới, GH đã được quan tâm nghiên cứu từ rất lâu (những năm 60-70 của thế kỷ XX ) như là một nguồn nhiên liệu sạch của thế giới trong tương lai. Theo dự báo ban đầu, tài nguyên khí hydrat có thể lớn gấp 2 lần tổng tài nguyên dầu, khí, than khoáng hiện có trên toàn thế giới.

GH là một dạng tồn tại thể rắn của khí tự nhiên chủ yếu là methane (>99%) có vẻ bề ngoài giống như băng nước đá (đá cháy) nhưng khác về cấu trúc tinh thể. Trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ thấp, nước sẽ ngậm thêm các phân tử khí methane vào trong mạng hydrogen.

Về nguồn gốc, phần lớn GH chứa methane có nguồn gốc sinh học, được thành tạo do bẻ gãy sinh học của vật chất hữu cơ phân hủy trong trầm tích đáy biển được chôn vùi ở độ sâu thích hợp. Tuy vậy, GH cũng có thể có nguồn gốc sâu, do khí di cư lên theo các đứt gãy từ các tích tụ dầu khí đã hình thành ở các độ sâu lớn hơn trong các bể trầm tích.

Trong tự nhiên, khi gặp điều kiện thuận lợi về nhiệt độ và áp suất, GH thường tồn tại trong trầm tích dưới bề mặt đáy biển ở dạng gò đồi (mound), xi măng gắn kết trong các lỗ rỗng đá trầm tích biển và trong các đường ống dẫn dầu khí ở các vùng biển nông băng giá tại Bắc cực. Phần lớn GH có thể được hình thành trong lớp trầm tích nằm ở khoảng giữa mặt đáy biển và mặt phản xạ mô phỏng đáy biển (Bottom Simulated Reflection-BSR).

Mặt phản xạ này có thể quan sát được trong các mặt cắt địa chấn phản xạ khi tiến hành thăm dò tìm kiếm dầu khí. Mặt phản xạ BSR thường đánh dấu mặt đáy của vùng tồn tại bền vững đối với GH (Gas Hydrat Stability Zone-GHSZ) và thường được phát hiện ở vùng Bắc cực và đáy đại dương (vùng sườn dốc thềm lục địa).

Đáy vùng GHSZ hay BSR thường gặp ở độ sâu vài trăm mét (300-600 m) dưới mặt đáy biển trong vùng sườn dốc thềm lục địa, hay trong vùng đới hút chìm của các mảng và có độ sâu nước biển lớn (> 600-800 m). Trong khu vực biển Đông nước ta tầng GHSZ có thể được hình thành ở độ sâu nước từ 600m đến 1.500-2.200 m với chiều dày từ 0-225 m đến 0-365 m (tính toán của Nguyễn Như Trung theo mô hình của Milkov và Sassen dựa trên mối quan hệ giữa độ sâu nước biển, gradient địa nhiệtvà loại GH).

1. Cơ sở vật lý- địa chất của hệ phương pháp tìm kiếm thăm dò khí hydrat

Trong tìm kiếm thăm dò GH, phương pháp địa vật lý thường dùng nhất và cũng được đánh giá là hiệu quả nhất là phương pháp địa chấn phản xạ (phân giải cao). Cơ sở vật lý địa chất của phương pháp này là dựa trên sự khác biệt về vận tốc truyền sóng siêu âm (sonic velocity) của GH so với môi trường trầm tích xung quanh (Hình 1).

Trên Hình 1 có thể nhận thấy sự biến thiên của vận tốc truyền sóng siêu âm (sonic velocity), dòng địa nhiệt (geotherm) và pha của GH theo 3 lớp: - Lớp nước: Sóng siêu âm xuất phát từ nguồn phát trên mặt biển sẽ đi qua lớp nước biển với vận tốc không đổi là 1,5 km/s.

- Lớp trầm tích ngay sát mặt đáy biển: Vận tốc truyền sóng siêu âm trung bình ở đây khoảng 1,8 km/s. Lớp trầm tích này thường bao gồm các trầm tích mảnh vụn (clastic) và vật chất hữu cơ, với độ rỗng lớn (30-40 %) và bị lấp đầy bởi nước biển và khí tự nhiên. Trong điều kiện thuận lợi về nhiệt độ(< 4-10 0C) và áp suất(>30 at), các phân tử nước trong các lỗ rỗng này sẽ ngậm thêm khí tự nhiên và trở thành khí hydrat thể rắn dạng nodules và có thể trở thành xi măng gắn kết cho các trầm tích mảnh vụn, lấp đầy khoảng rỗng tạo thành GHSZ. Khi đó vận tốc truyền sóng siêu âm có thể đạt tới khoảng 2,5 - 3,3 km/s.

- Lớp trầm tích kế dưới: GH trong lớp trầm tích kế trên đôi khi tạo thành vùng GH tồn tại bền vững GHSZ và trở thành lớp màn chắn đối với khí tự do di chuyển từ các lớp trầm tích bên dưới lên. Lớp trầm tích phía dưới này sẽ có vận tốc truyền sóng giảm đột ngột xuống 0,5-0,2 km/s do sự có mặt của khí tự do và tạo nên BSR trong các lát cắt địa chấn phản xạ (Hình 2).

Hình2. Ví dụ về dị thường BSR trên mạch địa chấn tổng hợp và mặt cắt địa chấn phản xạ

Trên Hình 2, mặt phản xạ đáy biển được tạo nên rất rõ ràng chủ yếu do sự khác biệt về mật độ và vận tốc truyền sóng siêu âm (trở kháng âm học) giữa lớp nước biển và lớp trầm tích dưới mặt đáy biển. Mặt phản xạ BSR lại chủ yếu được tạo nên do sự khác biệt về vận tốc truyền sóng siêu âm giữa lớp trầm tích chứa GH và lớp trầm tích chứa khí tự do nằm bên dưới.

Trong tìm kiếm thăm dò khí hydrat, BSR là dấu hiệu tìm kiếm trực tiếp đối với GH. BSR có thể xuất hiện ở đáy của vùng ổn định nhiệt độ-áp suất của GH (GHSZ). Nó đánh dấu đáy của lớp “băng cháy” và nóc của lớp chứa khí tự do bên dưới. Vì đường đẳng nhiệt thường song song với đáy biển nên điều này lý giải tại sao mặt phản xạ đáy của GHSZ cũng thường có dạng mô phỏng mặt đáy biển (BSR- Bottom Simulated Reflection).

BSR thường cắt các mặt phản xạ địa tầng. Do vậy, trước đây nó thường được cho là tín hiệu phái sinh (artifact) trong quá trình thu thập tài liệu hoặc quá trìnhxử lý tài liệu địa chấn. Vùng chứa có xi măng gắn kết là GH đôi khi còn tạo nên hiệu ứng giảm biên độ phản xạ (blanking) và làm tăng điện trở suất có khi tới 2-3 lần so với trầm tích đáy biển. Đặc tính này cũng là một tham số tốt được sử dụng nhiều trong tìmkiếm thăm dò và nghiên cứu GH. Sự khác biệt về tính chất vật lý trong lớp trầm tích có chứa GH và lớp trầm tích có chứa khí tự do nằm dưới cho phép phát hiện GH (trên cơ sở vận tốc truyền sóng siêu âm và điện trở suất) trong tìm kiếm thăm dò và tính toán bán định lượng hàm lượng GH trong lĩnh vực nghiên cứu giếng khoan.

Hình3. Ví dụ về BSR gần đảo Vancouver 2

Hệ phương pháp tìm kiếm thăm dò khí hydrat Để tìm kiếm thăm dò và đánh giá tiềm năng của nguồn năng lượng mới này người ta thường dùng các phương pháp địa vật lý như sau:

a. Thăm dò địa chấn phản xạ phân giải cao Đây là phương pháp địa chấn phản xạ truyền thống, sử dụng hệ thống nguồn phát với các xung âm học có tần số lớn nhằm thu được các tín hiệu phản xạ có độ phân giải cao. Hệ thống máy thu thường được sử dụng là hệ thống đơn kênh hoặc đa kênh gồm các máy thu áp điện được bố trí nối tiếp nhau. Phương pháp này được sử dụng để khảo sát cấu trúc của lát cắt địa chất nằm dưới mặt đáy biển ở độ sâu không lớn và thường được áp dụng trong các nghiên cứu về địa chất môi trường vùng ven bờ, tìm kiếm khoáng sản rắn sát đáy và khảo sát địa chất công trình biển.

Các thông số cơ bản của hệ thống này bao gồm: - Năng lượng phát: Từ vài trăm joules đối với nguồn Boomer tới một vài kj đối với nguồn Sparker. - Tần số phát ưu thế: Từ 600Hz tới 3000Hz đối với nguồn Boomer và 200Hz tới 1000Hz đối với nguồn Sparker. Bước mã hóa tín hiệu: Nhỏ nhất là 0,04ms.

- Dải đầu thu (Hydrophone aray): Từ 8 đến 20 máy thu áp điện mắc nối tiếp.
- Chu kỳ phát xung: Tùy theo yêu cầu về độ phân giải ngang chu kỳ phát xung được thay đổi từ 0,5s đến 4s/1 xung.
- Khoảng cách bố trí thu nổ: 4-5 m.
- Tốc độ chạy tàu liên tục tối ưu: 6-7 km/h.

Tiến hành đồng thời cùng với các khảo sát địa chấn phân giải cao là hệ thống định vị dẫn đường GPS và lưu trữ số liệu trực tiếp đồng thời cùng với số liệu địa chấn. Bộ thu thập và lưu trữ số liệu đồng bộ cùng hệ thống máy địa chấn có tính năng cơ bản như bộ nhớ có dung lượng lớn để có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, bộ tiền khuếch đại với khả năng khuếch đại biên độ lên tối đa là 4 lần, bộ lọc tần số, bộ hiệu chỉnh biên độ theo thời gian thu sóng.

b. Quét ảnh đáy biển (side scan sonar)

Phương pháp này sử dụng các xung sóng đơn tần hoặc lưỡng tần (khác với phương pháp địa chấn thông thường là sử dụng một phổ rộng tần số) với tần số rất lớn để thu được hình ảnh bề mặt đáy biển với độ chính xác cao. Sonar quét sườn thường được sử dụng cùng với đo độ sâu đáy biển (depth sonic) trong các khảo sát bề mặt đáy biển nhằm phục vụ cho các chuyên ngành trầm tích, địa mạo, đo vẽ bản đồ đáy biển, xây dựng công trình biển, tìm kiếm các vật thể bị chìm đắm...

Thiết bị được sử dụng trong Sonar quét sườn bao gồm hai thành phần chính bao gồm “cá” là bộ phận được thả dưới nước và kéo sau tàu, có thể điều chỉnh độ sâu chìm nổi thông qua chiều dài cáp kéo. Bộ phận này có chức năng thu và phát tín hiệu. Bộ phận chính thứ hai là hệ thống máy tính điều chỉnh quá trình thu phát và lưu trữ số liệu được đặt trên tàu. Các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống Sonar quét sườn: - Tần số phát: Từ hơn 100khz đến 700khz, có thể phát đơn tần hoặc lưỡng tần.

- Chu kỳ phát xung: 2-5 xung/ giây.
- Dải quét sang hai bên: Từ 50m đến 750m
- Chiều cao của “cá” so với đáy biển: Tùy thuộc vào yêu cầu về độ phân giải, chiều cao của cá thay đổi từ dưới 20m đến dưới 100m.
- Chiều cao này được điều chỉnh thông qua độ dài của cáp kéo.
- Cũng như đối với phương pháp địa chấn phân giải cao, phương pháp Sonar quét sườn cũng yêu cầu số liệu định vị đồng bộ và lưu trực tiếp cùng với số liệu Sonar.

c. Thăm dò điện:
Dựa trên cơ sở GH có điện trở suất cao so với môi trường xung quanh, phương pháp đo sâu điện từ lưỡng cực đáy biển (Sea Bed Loging) của EMGS (ElectroMagnetic Geoservices AS) đang được dùng trong thăm dó tìm kiếm dầu khí cũng có thể dùng được để tìm kiếm GH. Điều đặc biệt của phương pháp này là các lưỡng cực thu được đặt trên mặt đáy biển (gần đối tượng thăm dò) còn cực phát thì được kéo theo tàu trên những tuyến nhất định.

d. Địa vật lý giếng khoan (sonic, điện trở): Chủ yếu đo đường cong siêu âm (DT) và các đường cong điện trở (LLD, LLS) để phát hiện dị thường GH, tính toán độ rỗng, hàm lượng khí hydrat và khí tự do nằm dưới lớp GH trong giếng khoan.

Hình4. Một số ví dụ về tài liệu đo trong giếng khoan nghiên cứu hydrat

e. Các phương pháp minh giải, phân tích địa chấn đặc biệt
- Phân tích đặc biệt các thuộc tính địa chấn AVO (Amplitude Versus Offset) của các dị thường BSR.

Hình5. Ví dụ về dị thường AVO của hệ số phản xạ BSR tăng biên độ phản xạ và chuyển pha ở góc nghiêng lớn (khoảng cách thiết bị xa)
Phương pháp xử lý minh giải AVO là một trong những phương pháp địa chấn đặc biệt, dựa trên sự chuyển pha và tăng biên độ tín hiệu đối với góc nghiêng lớn (far offset) và là một trong những phương pháp xác định trực tiếp tiềm năng hydrocarbon.

Nội dung của phương pháp là dựa vào các dị thường biên độ của các mạch địa chấn liên quan đến dầu khí, sử dụng các phần mền chuyên dụng để minh giải và xử lý chúng.

Từ các thông tin về hydrocarbon từ các giếng khoan chúng ta xác định được các giá trị biên độ và dị thường AVO liên quan đến hydrocarbon, áp dụng các giá trị dị thường này dùng để minh giải và xử lý các tài liệu địa chấn cho các vùng chưa có giếng khoan .Kết quả của phương pháp này cho ta các bản đồ dị thường biên độ AVO liên quan đến GH/ hydrocarbon, các mặt cắt địa chấn sau cộng với các góc nghiêng (offset) khác nhau hay các mặt cắt địa chấn cộng với các offset khác nhau (cộng các mạch gần, xa, toàn bộ…) từ đó xác định được các tín hiệu liên quan đến GH/hydrocarbon. - Phân tích địa chấn địa tầng phân giải cao

Địa chấn địa tầng là nghiên cứu địa tầng và các tướng trầm tích được minh giải từ tài liệu địa chấn dựa trên các hình thái phản xạ và các kiểu đầu mút phản xạ. Các hình thái và kiểu đầu mút phản xạ được dùng để liên kết các tập trầm tích, luận giải môi trường trầm tích và tướng đá. Trong phân tích địa chấn địa tầng, mặt cắt địa chấn được chia ra thành các tập trầm tích bao gồm các lớp có liên hệ nguồn gốc và được phân cách bên trên và bên dưới bởi các mặt bất chỉnh hợp hoặc mặt chỉnh hợp nhưng có thể liên kết được.

Các tập này lại bao gồm các lớp nhỏ hơn gồm các phản xạ chỉnh hợp được phân cách bởi các mặt gián đoạn xác định bằng các đầu mút phản xạ có hệ thống. Các kiểu đầu mút phản xạ được minh giải như những đầu mút của các lớp gồm bào mòn cắt cụt, chồng nóc, kề áp và kề đáy lên các ranh giới bất chỉnh hợp hoăc chỉnh hợp có thể liên kết được.

f. Triển vọng khí hidrat ở Việt Nam
Việt Nam thuộc vùng có khí hậu nóng, có thể hy vọng tìm thấy GH trên vùng sườn dốc thềm lục địa có độ sâu nước thích hợp cho việc hình thành GH như bể Phú Khánh, bể Nam Côn Sơn, bể Tư Chính - Vũng Mây, cụm bể Hoàng Sa - Trường Sa. Trên các vùng này hiện tại đã có các dự án thăm dò địa chấn 2D thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam và các công ty dầu khí nước ngoài với mục tiêu là tìm kiếm thăm dò các tích tụ dầu khí thường ở độ sâu khá lớn (3.000-6.000 m).

Trong xử lý dữ liệu địa chấn phản xạ cho tìm kiếm thăm dò dầu khí, thường sử dụng các biện pháp lọc và dập nhiễu để ưu tiên các tín hiệu từ các đối tượng ở độ sâu lớn và do vậy hình ảnh của các đối tượng ở phần trên của lát cắt địa chấn (vùng có khả năng có chứa hydrat) thường bị mờ, không rõ ràng. Mặc dù vậy, qua khảo sát một số mặt cắt địa chấn cũng có thể nhận biết một vài ranh giới phản xạ có vẻ giống như BSR, những vùng blanking bên trên BSR, những bright spot có thể phản ánh sự tồn tại của GH.

Bởi vậy, để tìm kiếm thăm dò GH trong giai đoạn hiện nay thực tế nhất có thể là cần tiến hành công tác tái xử lý (ưu tiên tín hiệu từ phần trên của lát cắt) một số tuyến địa chấn 2D ở những vùng có triển vọng tồn tại GH (sườn dốc thềm), qua đó xác định các dị thường BSR, phân tích AVO nhằm phát hiện các đối tượng triển vọng GH để làm cơ sở, định hướng cho các tìm kiếm thăm dò GH chi tiết khác như thăm dò địa chấn phản xạ độ phân dải cao và các phương pháp địa vật lý- địa chất khác, nhằm góp phần vào việc tìm kiếm thăm dò và đánh giá tiềm năng GH trên vùng biển và thềm lục địa nước ta.