Tổng quan nghiên cứu

Thị trường năng lượng Việt Nam ghi nhận nhu cầu tiêu thụ khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) đạt mức 2,2 đến 2,3 triệu tấn mỗi năm, chủ yếu phục vụ nhu cầu dân dụng, thương mại và sản xuất công nghiệp. Theo Quyết định số 60/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp khí Việt Nam giai đoạn đến năm 2025, định hướng đến năm 2035, việc xây dựng các kho ngầm chứa LPG với công suất quy hoạch lên đến 240.000 tấn giữ vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia. Tuy nhiên, công nghệ kho ngầm trong khối đá nứt nẻ là loại hình công trình ngầm phức tạp, tiềm ẩn nhiều thách thức về mặt địa chất thủy văn, kiểm soát độ kín khí, ô nhiễm bụi, rung chấn nổ mìn và quản lý nước thấm qua thành hang.

Nghiên cứu tập trung giải quyết vấn đề đánh giá toàn diện và dự báo mức độ tác động môi trường trong cả hai giai đoạn thi công xây dựng và vận hành thương mại của dự án kho ngầm LPG tại khu vực Cái Mép, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Mục tiêu cụ thể là thiết lập cơ sở dữ liệu môi trường thực tế, định lượng tải lượng ô nhiễm không khí, nước thải và tiếng ồn, từ đó xây dựng hệ thống giải pháp kỹ thuật phòng ngừa rủi ro rò rỉ hydrocacbon và suy thoái nguồn nước ngầm.

Phạm vi không gian của đề tài được triển khai trên tổng diện tích 68 héc ta thuộc Dự án A (bao gồm 7 héc ta khu vực cảng nhập khẩu chuyên dụng), thực hiện từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, bảo vệ tầng chứa nước ngầm có trữ lượng khai thác khoảng 71.000 m3/ngày, ngăn ngừa tổn thất kinh tế do sự cố cháy nổ, đồng thời cung cấp khung phương pháp luận chuẩn xác cho các dự án kho ngầm năng lượng tương lai tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ngăn thủy lực (hydrodynamic containment) trong môi trường địa kỹ thuật ngầm. Nguyên lý cốt lõi đòi hỏi áp suất thủy tĩnh của mạch nước ngầm xung quanh khoang chứa phải luôn lớn hơn áp suất hơi của khí hóa lỏng bên trong lòng hầm, tuân theo điều kiện cân bằng cột áp $H > P + F + S$, trong đó H là cột áp thủy tĩnh, P là áp suất hơi sản phẩm, F là hệ số hình dạng và S là hệ số an toàn. Đối với propane lỏng lưu trữ ở nhiệt độ lòng đất khoảng 15°C đến 32°C với áp suất hơi từ 7 đến 8 atm, áp suất thủy lực của hệ thống màn nước nhân tạo được thiết kế duy trì ổn định ở mức 15 atm để cô lập hoàn toàn khí gas trong các khe nứt đá.

Mô hình đánh giá địa chất dựa trên các chỉ tiêu cơ lý của khối đá móng granit thuộc phức hệ Đèo Cả, với chỉ số chất lượng đá RQD đạt trên 70% ở tầng đá tươi, lực dính kết C vượt 10 MPa và góc ma sát trong trên 40 độ. Nghiên cứu cũng chuẩn hóa các khái niệm chuyên ngành then chốt: đặc tính giãn nở thể tích pha lỏng sang pha khí của propane (tỷ lệ 1/260) và butane (tỷ lệ 1/230), giới hạn nổ dưới và trên của LPG (từ 1,8% đến 10% theo thể tích không khí), và hệ thống màn nước nhân tạo (water curtain system).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp đa tầng từ nhật ký thi công hằng ngày, tài liệu địa chất lỗ khoan sâu đến 226,4 mét (các lỗ khoan khảo sát IBH-4, IBH-6, IBH-8, VBH-1) và kết quả phân tích hóa lý thực địa. Mẫu quan trắc bao gồm 4 điểm nước thấm rò rỉ đáy hầm (từ trạm bơm SW1 đến SW4 của khoang propane C3 và butane C4), khí thải tại 2 ống khói của hệ thống thiết bị gia nhiệt LPG, cùng các mẫu đất, trầm tích sông và tiếng ồn xung quanh công trường.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích tại các vị trí xung yếu được áp dụng nhằm thu thập chính xác các thông số ô nhiễm đại diện cho điều kiện khắc nghiệt nhất. Để lượng hóa tác động, tác giả kết hợp phương pháp đánh giá nhanh dựa trên hệ số phát thải của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), so sánh đối chiếu trực tiếp với các Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN 05:2013/BTNMT về không khí xung quanh, QCVN 19:2009/BTNMT về khí thải công nghiệp và QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải).

Đặc biệt, hệ thống cho điểm bán định lượng mức độ tác động (IQS) được lựa chọn làm công cụ phân tích trung tâm vì khả năng tích hợp đa chiều 7 thông số: Cường độ tác động (M), Phạm vi (S), Thời gian phục hồi (R), Tần suất (F), Tính pháp lý (L), Chi phí xử lý (C) và Mối quan tâm cộng đồng (P) theo phương thức tính tổng điểm $TS = (M + S + R) \times F \times (L + C + P)$. Toàn bộ quá trình thu thập và xử lý số liệu được tiến hành liên tục trong 4 tháng cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng tải lượng ô nhiễm mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trong giai đoạn xây dựng, hoạt động nổ mìn đào hầm dẫn và khoang chứa sinh ra khối lượng đất đá khổng lồ, làm tăng nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP) cục bộ tại cửa giếng thi công. Tuy nhiên, sóng xung kích và chấn động nổ mìn suy giảm nhanh theo khoảng cách, mức độ tác động tổng thể theo thang điểm IQS chỉ nằm ở mức trung bình (TS dao động từ 72 đến 110 điểm) nhờ cấu trúc đá granit chắc chắn ở độ sâu 110 đến 172 mét.

Thứ hai, tại giai đoạn vận hành, khí thải phát sinh từ 2 thiết bị gia nhiệt LPG đốt bằng nhiên liệu sạch cho nồng độ bụi tổng, SO2, NOx và CO đều thấp hơn từ 45% đến 60% so với giới hạn tối đa cho phép của QCVN 19:2009/BTNMT (Cột B), được xếp vào nhóm tác động nhỏ không gây rủi ro sinh thái dài hạn.

Thứ ba, lưu lượng nước thấm thu gom tại hốc bơm kho ngầm propane và butane xuất hiện nồng độ amoni (NH4+) cục bộ và giá trị pH dao động nhẹ do tương tác hòa tan khoáng chất từ vữa phun gia cố thành vách hầm. Các mẫu nước thấm SW1 và SW3 nếu xả trực tiếp chưa qua xử lý có thể gây vượt chuẩn cục bộ đối với quy định nước thải công nghiệp loại A.

Thứ tư, nghiên cứu nhận diện rủi ro đóng băng đường ống công nghệ khi tiếp nhận LPG lạnh ở nhiệt độ -45°C và hiện tượng tích tụ khí cục bộ tại khu vực nạp xe bồn với nồng độ hydrocacbon vượt ngưỡng an toàn cháy nổ nếu quy trình vận hành van xả đáy không được giám sát nghiêm ngặt.

Thảo luận kết quả

Cơ chế an toàn tuyệt đối của kho ngầm dựa vào sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh tự nhiên. Khi áp lực nước ngầm xung quanh đạt mức 15 atm, dòng thấm luôn hướng vào trong tâm khoang chứa, ngăn chặn hoàn toàn khả năng các phân tử hydrocacbon di chuyển ngược vào các khe nứt địa chất để thoát lên bề mặt. Kết quả này tương đồng chặt chẽ với các nghiên cứu của Yamamoto và Karten (năm 2004) cũng như kết quả thử nghiệm kho ngầm Namikata tại Nhật Bản của Kurose và cộng sự.

Để trực quan hóa dữ liệu, ma trận đánh giá IQS được thiết lập thành biểu đồ mạng nhện đa thông số, phản ánh rõ nét sự khác biệt giữa các nguồn phát thải. Biểu đồ đối sánh nồng độ chất ô nhiễm trong nước thấm trước và sau xử lý thực nghiệm cho thấy hiệu suất loại bỏ amoni đạt trên 92% khi áp dụng quy trình oxy hóa tối ưu.

So với các dự án kho chứa bồn nổi truyền thống trên mặt đất, công trình ngầm chứng minh ưu thế vượt trội khi giảm thiểu hơn 85% diện tích chiếm dụng mặt bằng và triệt tiêu nguy cơ phát tán nhiệt bức xạ hay sóng nổ ra khu dân cư xung quanh khi xảy ra sự cố nghiêm huống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả định lượng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường:

  1. Kiểm soát bụi và rung chấn thi công: Áp dụng công nghệ nổ mìn vi sai phi điện kết hợp hệ thống phun sương dập bụi áp lực cao tại miệng trục giếng thi công. Đơn vị thi công cần lắp đặt tấm chắn cách âm di động tại khu vực máy nén khí kiểm tra độ kín hầm ngầm, đặt mục tiêu giảm thiểu 65% lượng bụi phát tán và duy trì độ ồn dưới 70 dBA tại ranh giới công trường. Thời gian thực hiện: Xuyên suốt giai đoạn đào hầm; Chủ thể: Tổng thầu EPC và Ban An toàn Dự án.

  2. Xử lý hóa lý dòng nước thấm rò rỉ: Lắp đặt hệ thống xử lý nước thấm cục bộ tại đáy hầm trước khi bơm chuyển tiếp lên nhà máy xử lý trung tâm. Thiết lập quy trình châm hóa chất tự động với liều lượng tối ưu 10 đến 15 mL dung dịch NaOCl cho quá trình khử amoni và 0,3 mL H2SO4 loãng trên mỗi mẻ xử lý để điều chỉnh pH về khoảng 6,5 - 8,5, đảm bảo 100% nước thải đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra sông Cái Mép. Thời gian hoàn thiện: Trước khi chạy thử nghiệm thu kho; Chủ thể: Bộ phận Vận hành Phụ trợ (Utility Department).

  3. Phòng chống cháy nổ và rò rỉ khí hóa lỏng: Triển khai hệ thống giám sát tự động nồng độ hydrocacbon đa điểm tại khu vực xuất nạp xe bồn và trạm bơm tăng áp. Thực hiện nghiêm ngặt quy trình thổi sạch đường ống bằng khí Nitơ (N2) để giảm nồng độ oxy xuống dưới 1% thể tích trước khi tiến hành nạp LPG lạnh, ngăn ngừa triệt để nguy cơ hình thành hỗn hợp nổ. Thời gian thực hiện: Định kỳ trong suốt chu kỳ vận hành 30 năm; Chủ thể: Phòng Kỹ thuật và Đội PCCC cơ sở.

  4. Quan trắc biến dạng địa kỹ thuật và áp lực thủy tĩnh: Xây dựng mạng lưới 15 giếng quan trắc áp lực nước ngầm tự động bao quanh khoang chứa C3 và C4, bảo đảm áp suất thủy đầu màn nước luôn cao hơn áp suất khí tối thiểu 4 atm để duy trì độ kín khí tuyệt đối. Thời gian áp dụng: Liên tục 24/7 trong suốt vòng đời dự án; Chủ thể: Bộ phận Quản lý Mỏ và Địa kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư Kỹ thuật Dầu khí và Năng lượng: Nắm vững quy trình công nghệ vận hành kho ngầm LPG nhiệt độ thường, kỹ thuật tiếp nhận tàu định lượng lớn (VLGC) và phương pháp tính toán cân bằng vật chất - năng lượng cho hệ thống gia nhiệt LPG.
  • Chuyên viên Quản lý Môi trường và HSE tại các khu công nghiệp: Tiếp cận mô hình ma trận IQS hoàn chỉnh để xây dựng Báo cáo Đánh giá Tác động Môi trường (ĐTM) và Kế hoạch Quản lý Môi trường (EMP) cho các công trình hóa chất ngầm quy mô lớn.
  • Các nhà nghiên cứu và Giảng viên ngành Địa kỹ thuật Công trình: Sử dụng bộ số liệu thực nghiệm quý giá về địa tầng đá granit móng Đèo Cả, chỉ số RQD ở độ sâu trên 100 mét, và cơ chế tương tác thủy lực - khối đá nứt nẻ làm tài liệu giảng dạy chuyên sâu.
  • Cơ quan Hoạch định Chính sách và Quản lý Hạ tầng Năng lượng: Tham khảo luận cứ khoa học để thẩm định, phê duyệt và cấp phép các dự án dự trữ dầu khí quốc gia theo định hướng Quy hoạch Điện VIII và Quy hoạch Công nghiệp Khí Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý ngăn thủy lực (water curtain) bảo vệ kho ngầm khí hóa lỏng hoạt động như thế nào? Nguyên lý này duy trì áp suất nước ngầm tự nhiên và nhân tạo ở mức khoảng 15 atm, cao hơn áp suất hơi của LPG (7 đến 8 atm đối với propane). Áp lực nước ép dòng thấm luôn chảy hướng vào trong khoang chứa ngầm, tạo thành một bức tường chất lỏng bịt kín các vi khe nứt địa chất, ngăn chặn hoàn toàn khí gas thẩm thấu ra ngoài môi trường xung quanh.

Hệ thống cho điểm bán định lượng IQS có ưu điểm gì vượt trội trong đánh giá tác động môi trường? IQS tích hợp 7 thông số then chốt gồm cường độ, phạm vi, thời gian phục hồi, tần suất, cơ sở pháp lý, chi phí và sự đồng thuận xã hội theo công thức toán học logic. Phương pháp này loại bỏ yếu tố đánh giá cảm tính, cung cấp thang đo định lượng chính xác từ 0 đến trên 264 điểm, giúp các kỹ sư xếp hạng ưu tiên các nguồn phát thải có mức độ rủi ro cao.

Nước ngầm thấm vào hang chứa LPG cần xử lý các chỉ tiêu hóa lý nào trước khi xả thải? Dòng nước ngầm thẩm thấu qua lớp vữa gia cố thành hang thu gom tại rốn bơm thường có độ đục, chỉ số amoni (NH4+) và độ kiềm tăng nhẹ. Nước thấm cần qua bể lắng tách dầu hydrocacbon, sục oxy hóa bằng hợp chất NaOCl để triệt tiêu amoni và cân bằng pH bằng axit H2SO4 loãng nhằm đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn xả thải loại A theo quy chuẩn môi trường hiện hành.

Tại sao cấu trúc địa chất tại khu vực Cái Mép lại lý tưởng để thi công kho chứa ngầm? Khu vực này sở hữu tầng đá móng granit thuộc phức hệ Đèo Cả phân bố liên tục ở độ sâu từ 110 đến 172 mét, với độ cứng cao đạt 60% đến 90% và chỉ số RQD trên 70%. Khối đá có độ thấm tự nhiên cực thấp, lực dính kết C vượt 10 MPa và góc ma sát trong trên 40 độ, bảo đảm độ ổn định cơ học bền vững cho các vòm hang có khẩu độ lớn.

Quy trình kiểm soát an toàn chống cháy nổ khi nhập LPG lạnh vào kho ngầm được thực hiện ra sao? Trước khi tiếp nhận dòng LPG nhiệt độ thấp từ -45°C đến -2°C, toàn bộ đường ống công nghệ phải được súc rửa và làm trơ hoàn toàn bằng khí Nitơ tinh khiết để nồng độ oxy và hydrocacbon duy trì dưới ngưỡng giới hạn cháy nổ. Đơn vị vận hành phải giám sát chặt chẽ tốc độ nạp nhằm hạn chế tối đa sốc nhiệt co ngót kim loại và nguy cơ đóng băng cục bộ van điều áp.

Kết luận

  • Luận văn xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu định lượng về các nguồn tác động môi trường cho dự án kho ngầm LPG 240.000 tấn đầu tiên tại Việt Nam.
  • Phương pháp cho điểm bán định lượng IQS chứng minh tính chuẩn xác cao trong việc phân loại mức độ rủi ro giữa giai đoạn thi công nổ mìn và giai đoạn vận hành thương mại.
  • Quy trình ngăn thủy lực duy trì áp suất 15 atm kết hợp màn nước nhân tạo bảo đảm độ kín khít tuyệt đối cho các khoang chứa propane và butane trong nền đá granit Đèo Cả.
  • Hệ thống giải pháp xử lý nước thấm bằng quy trình oxy hóa hóa lý và kiểm soát nổ bằng khí trơ N2 đã xử lý dứt điểm các nguy cơ ô nhiễm hóa chất và hiểm họa mất an toàn công nghiệp.
  • Nghiên cứu đề xuất lộ trình 12 tháng tiếp theo nhằm số hóa toàn bộ mạng lưới cảm biến quan trắc áp lực nước ngầm thời gian thực, sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho các dự án hạ tầng dự trữ năng lượng quy mô quốc gia. Các đơn vị tư vấn thiết kế và doanh nghiệp năng lượng có thể ứng dụng ngay bộ giải pháp kỹ thuật này để tối ưu hóa chi phí đầu tư và bảo đảm tiêu chuẩn an toàn môi trường bền vững.