Công nghệ khoan thăm dò hydro tự nhiên: Kinh nghiệm từ chiến dịch khoan tại Saskatchewan (Canada)

Từ cuối năm 2025 đến nay, nhiều giếng khoan sâu đã được thực hiện, xuyên qua lát cắt trầm tích vào đá móng Tiền Cambri. Dựa trên các thông tin đã được Công ty Max Power Mining Corp. công bố, bài viết tập trung vào bốn nội dung: lựa chọn giàn khoan và cấu trúc giếng; theo dõi khí hydro và heli liên tục trong khi khoan; lấy mẫu lõi và đo địa vật lý giếng khoan; và những khác biệt cốt lõi so với giếng dầu khí truyền thống.

Thực tế tại Lawson cho thấy phần lớn thiết bị và nhân lực của ngành dầu khí có thể sử dụng ngay cho hydro tự nhiên, điểm khác biệt nằm ở cách đo, cách lấy mẫu và cách đọc số liệu. Bài viết cũng nêu những thách thức còn bỏ ngỏ về toàn vẹn giếng, an toàn và thử vỉa, đồng thời rút ra một số gợi ý cho Việt Nam – quốc gia có nhiều kinh nghiệm khoan và khai thác dầu trong đá móng nứt nẻ.

1. Giới thiệu

Trong các bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu hydro tự nhiên như một nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn và hydro kích thích như một hướng tiếp cận chủ động để tạo hydro từ đá chứa sắt. Cả hai bài viết đều dừng lại ở cùng một nhận định: lý thuyết và các dấu hiệu bề mặt là chưa đủ, câu trả lời cuối cùng chỉ có thể đến từ giếng khoan. Với dầu khí, ngành công nghiệp đã có hơn một thế kỷ để chuẩn hóa mọi công đoạn từ thiết kế giếng, đo địa vật lý đến thử vỉa. Với hydro tự nhiên, cho đến nay vẫn chưa có một quy trình chuẩn nào được thừa nhận rộng rãi và mỗi giếng khoan mới đều đồng thời là một thí nghiệm về công nghệ.

Hydro là phân tử nhỏ và nhẹ nhất trong tự nhiên, khuếch tán rất nhanh, dễ phản ứng với khoáng vật, dễ bị vi sinh vật tiêu thụ và hầu như không để lại dấu hiệu trên các thiết bị vốn được thiết kế để tìm hydrocarbon. Điều đó có nghĩa là một giếng khoan dầu khí hoàn toàn có thể đi xuyên qua một tầng chứa hydro mà không ghi nhận được gì. Chính vì vậy, những gì đang diễn ra tại Saskatchewan có ý nghĩa vượt ra ngoài phạm vi một dự án: đây là nơi một chương trình khoan sâu nhiều giếng lần đầu tiên được thiết kế riêng cho đối tượng hydro tự nhiên, với đầy đủ các bước khoan, lấy mẫu lõi, đo địa vật lý, chống ống và thử vỉa.

Dựa trên các thông tin đã được Công ty Max Power Mining Corp. công bố rộng rãi, nhóm tác giả tổng hợp trong bài viết này những giải pháp kỹ thuật chính đã được áp dụng, những điểm khác biệt so với giếng dầu khí truyền thống và các bài học có thể tham khảo cho Việt Nam.

2. Chiến dịch khoan tại Lawson – từ giếng phát hiện đến chương trình thẩm lượng

Khu vực Lawson nằm ở khu vực Trung – Nam tỉnh Saskatchewan, trên đới triển vọng Genesis kéo dài khoảng 475 km dọc theo rìa của hệ tầng muối Prairie Evaporite (Hình 1). Mô hình địa chất của Max Power cho rằng hydro được sinh ra trong đá móng Tiền Cambri giàu khoáng vật mafic – siêu mafic, di chuyển lên trên theo các hệ thống đứt gãy và khe nứt, sau đó tích tụ trong chính phần móng nứt nẻ và trong các tầng cát kết nằm ngay phía trên. Các lớp trầm tích hạt mịn và muối của bồn trũng đóng vai trò tầng chắn. Như vậy, đối tượng thăm dò tại đây là một hệ thống gồm hai kiểu tầng chứa liên thông với nhau: cát kết lỗ rỗng và móng nứt nẻ.

Hình 1. Đới triển vọng Genesis dọc theo rìa hệ tầng muối Prairie Evaporite, Saskatchewan (Nguồn Max Power Mining Corp.)

Giếng phát hiện Lawson được khoan vào cuối năm 2025 (Hình 2). Theo công bố của Công ty, giếng đã ghi nhận sự có mặt của hydro tự nhiên và heli trong phần đáy lát cắt trầm tích và trong đá móng, đồng thời có dòng khí tự do chứa hydro lên tới bề mặt trong giai đoạn hoàn thiện giếng. Đây là giếng khoan sâu đầu tiên của Canada xác nhận sự tồn tại của một hệ thống hydro tự nhiên dưới lòng đất.

Hình 2. Giàn khoan tại giếng phát hiện Lawson, tháng 11/2025 (Nguồn Max Power Mining Corp.)

Tiếp đó, trong nửa đầu năm 2026, Công ty khoan thêm một giếng tại khu vực Bracken, cách Lawson hơn 300 km về phía Tây Nam, để kiểm tra một mô hình bẫy khác, đồng thời tiến hành thu nổ địa chấn 3D tại Lawson. Kết quả minh giải địa chấn 3D đã khoanh định được một cấu tạo khép kín có quy mô lớn, làm cơ sở cho chương trình khoan thẩm lượng nhiều giếng bắt đầu từ tháng 7/2026.

Trong chương trình thẩm lượng, các giếng khoan được bố trí ở đỉnh và cánh cấu tạo, cách giếng phát hiện vài kilômét, nhằm “tam giác hóa” tích tụ phục vụ cho công tác mô hình hóa. Theo các thông cáo của Công ty, các giếng này đều ghi nhận tín hiệu hydro liên tục trên một khoảng dài của thân giếng và gặp các đới nứt nẻ giàu hydro trong móng; trong đó có giếng thu hồi được lượng mẫu lõi đá móng nhiều nhất từ trước đến nay đối với một giếng khoan tại Saskatchewan. Cần nói thêm rằng trong khoảng 167.000 giếng khoan có trong cơ sở dữ liệu của tỉnh, chỉ hơn 100 giếng từng khoan tới đá móng. Gần đây nhất, Công ty đã khoan mở rộng về phía Đông Bắc (khoảng 30 km tính từ đỉnh cấu tạo Lawson) nhằm kiểm tra khả năng kéo dài của hệ thống về phía “bức tường muối” ở rìa hệ tầng Prairie Evaporite.

Như vậy, chỉ trong vòng chưa đầy một năm, một loạt giếng khoan sâu đã được thực hiện. Kết quả được một công ty tư vấn độc lập đánh giá, mẫu lõi được phân tích tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành. Đối với một lĩnh vực còn rất mới, đây là bộ số liệu giếng khoan hiếm có và là cơ sở thực tế cho các nội dung kỹ thuật trình bày dưới đây.

3. Giàn khoan và cấu trúc giếng

Điểm đáng chú ý đầu tiên là chiến dịch tại Lawson không sử dụng bất kỳ loại giàn khoan đặc chủng nào. Các giếng được khoan bằng giàn khoan đất liền loại “tele-double” và “super single” của các nhà thầu khoan dầu khí Canada, vận hành liên tục 24/24 giờ. Tên gọi “tele-double” xuất phát từ tháp khoan dạng ống lồng (telescopic mast) có thể thu gọn khi di chuyển và khả năng kéo thả mỗi lần một cần dựng gồm hai cần khoan; một số giàn được trang bị hệ thống truyền động đỉnh (top drive).

Đây đều là các giàn khoan cỡ nhỏ và trung bình, rất phổ biến ở miền Tây Canada. So với các giàn “triple” lớn, chúng gọn nhẹ, tháo lắp và di chuyển nhanh giữa các vị trí giếng, chi phí thuê thấp, trong khi vẫn đủ công suất cho các giếng khoan sâu vào móng. Điều làm cho các giàn này trở thành “giàn khoan hydro” không nằm ở kết cấu cơ khí, mà ở hệ thống thiết bị phát hiện khí hydro và heli do nhóm kỹ thuật của chủ đầu tư lắp bổ sung.

Về cấu trúc giếng, các giếng thăm dò hydro tự nhiên được thiết kế tương tự giếng thăm dò dầu khí trong cùng bồn trũng, với nhiều cấp ống chống: ống chống bề mặt để bảo vệ các tầng nước ngọt, ống chống trung gian để cách ly phần lát cắt phía trên, và ống chống khai thác được thả và trám xi măng sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế. Nói cách khác, ở giai đoạn thăm dò và thẩm lượng hydro tự nhiên, có thể tận dụng gần như nguyên vẹn năng lực khoan sẵn có của ngành dầu khí. Đây là một lợi thế rất lớn về chi phí và tiến độ so với nhiều lĩnh vực năng lượng mới khác.

4. Theo dõi khí trong khi khoan

Trong giếng dầu khí, trạm carota khí (mud logging) thường sử dụng đầu đo tổng khí và máy sắc ký với đầu dò ion hóa ngọn lửa (FID - Flame Ionization Detector). Các thiết bị này rất nhạy với metan và các hydrocarbon nặng hơn, nhưng hoàn toàn không “nhìn thấy” hydro và heli. Bên cạnh đó, nhiều máy sắc ký lại dùng chính heli hoặc hydro làm khí mang. Đây là một trong những lý do khiến hydro tự nhiên có thể đã bị bỏ sót trong nhiều năm khoan dầu khí trên thế giới.

Tại Lawson, giàn khoan được trang bị thêm hệ thống phát hiện khí chuyên dụng, gồm máy sắc ký khí và máy khối phổ, cho phép đo liên tục hydro và heli theo chiều sâu trong suốt quá trình khoan. Nguyên lý đo hydro bằng sắc ký dựa trên độ dẫn nhiệt: hydro dẫn nhiệt tốt hơn metan trên 5 lần và hơn argon khoảng 10 lần, vì vậy khi dùng argon hoặc nitơ làm khí mang, đầu dò dẫn nhiệt (TCD - Thermal Conductivity Detector) sẽ cho tín hiệu rất rõ đối với cả hydro và heli.

Việc đo hai khí cùng lúc có ý nghĩa địa chất quan trọng. Heli chủ yếu được sinh ra từ quá trình phân rã phóng xạ của urani và thori trong đá móng và thường đi lên theo các đường dẫn sâu. Vì vậy, một đỉnh heli xuất hiện cùng với hydro thường là dấu hiệu giếng khoan vừa cắt qua một khe nứt hoặc đứt gãy thông với móng. Theo công bố của Công ty, tại các giếng thẩm lượng, tín hiệu hydro vượt mức nền xuất hiện từ phần lát cắt trầm tích phía trên và tăng dần theo chiều sâu cho đến đá móng, kèm theo nhiều đỉnh heli – một bức tranh phù hợp với mô hình khí di chuyển từ dưới lên.

Tuy nhiên, đọc số liệu khí hydro trong khi khoan đòi hỏi sự thận trọng. Trước hết, giá trị đo được là hàm lượng khí tách ra từ dung dịch khoan, phụ thuộc vào tốc độ khoan, lưu lượng bơm và hiệu suất tách khí; nó cho biết ở đâu có khí chứ không phải nồng độ khí trong vỉa hay khả năng cho dòng. Tiếp đó, hydro có thể được sinh ra một cách nhân tạo: ma sát và nhiệt độ cao tại mũi khoan khi cắt đá cứng, phản ứng giữa dung dịch khoan với kim loại, hay ăn mòn ống thép đều tạo ra hydro. Cuối cùng, mẫu khí lấy ở áp suất thấp rất dễ bị lẫn không khí. Vì những lý do này, số liệu khí khi khoan luôn phải được đối chiếu với tín hiệu heli đi kèm, và quan trọng hơn cả là với kết quả phân tích mẫu lõi trong phòng thí nghiệm.

5. Lấy mẫu lõi và đo địa vật lý giếng khoan

Nếu như ở giếng thăm dò dầu khí, mẫu lõi thường chỉ được lấy ở những đoạn chọn lọc trong tầng sản phẩm, thì tại Lawson mẫu lõi được lấy với khối lượng lớn qua phần đáy lát cắt trầm tích và phần trên của đá móng, với tỷ lệ thu hồi rất cao. Lý do rất đơn giản: với một đối tượng còn mới, mẫu lõi là nguồn thông tin trực tiếp duy nhất về đá sinh, đường dẫn, đá chứa và đá chắn.

Thách thức lớn nhất khi lấy mẫu lõi hydro là giữ được khí. Phân tử hydro khuếch tán ra khỏi mẫu đá rất nhanh ngay khi mẫu được kéo lên bề mặt. Vì vậy, ngay tại giàn, các đoạn lõi đại diện được đưa vào ống kín để thu khí thoát ra theo thời gian (phương pháp giải hấp). Thành phần khí giải hấp được phân tích độc lập tại phòng thí nghiệm, cho biết tỷ lệ hydro, heli, nitơ và metan thực sự có trong đá. Phần lõi còn lại được chuyển về phòng thí nghiệm để mô tả chi tiết, đo độ rỗng, độ thấm, thành phần khoáng vật và hệ thống khe nứt.

Sau khi đạt chiều sâu thiết kế, giếng được đo địa vật lý bằng cáp với tổ hợp các phương pháp quen thuộc của ngành dầu khí như điện trở suất, mật độ, neutron, âm học và gamma. Đối với phần móng, mục tiêu chính của đo địa vật lý là xác định các đới nứt nẻ – nơi vừa là đường dẫn vừa là bẫy chứa khí. Đối với tầng cát kết, mục tiêu là độ rỗng, độ thấm và độ bão hòa nước.

Điều cần lưu ý là phản ứng của các đường cong địa vật lý đối với hydro đến nay vẫn chưa được chuẩn hóa như đối với dầu và khí hydrocarbon. Kinh nghiệm từ mỏ Bourakébougou ở Mali cho thấy đường neutron có phản ứng đặc trưng khi có mặt hydro, nhưng để chuyển thành một phương pháp định lượng tin cậy còn cần nhiều số liệu đối sánh giữa địa vật lý, mẫu lõi và kết quả thử vỉa. Mỗi giếng khoan tại Lawson vì vậy cũng là một bước xây dựng bộ “chìa khóa minh giải” riêng cho hydro tự nhiên.

6. Giếng hydro tự nhiên khác gì so với giếng dầu khí truyền thống?

Từ thực tế nêu trên có thể thấy sự khác biệt giữa giếng thăm dò hydro tự nhiên và giếng thăm dò dầu khí không nằm ở giàn khoan hay cấu trúc giếng, mà ở đối tượng địa chất, ở cách đo và cách đánh giá. Bảng 1 tóm tắt những điểm khác biệt chính.

Bảng 1. So sánh giếng thăm dò dầu khí truyền thống và giếng thăm dò hydro tự nhiên

7. Thách thức

Thách thức thứ nhất là toàn vẹn giếng trong dài hạn. Hydro có thể thấm vào mạng tinh thể của thép cường độ cao và làm giảm độ dẻo của kim loại – hiện tượng thường được gọi là giòn hydro. Phân tử hydro cũng dễ rò qua các mối nối ren và các vi khe nứt trong đá xi măng hơn nhiều so với metan. Ở giai đoạn thăm dò, giếng có thể được chống ống và trám xi măng theo tiêu chuẩn của giếng dầu khí. Nhưng khi chuyển sang khai thác trong hàng chục năm, việc lựa chọn mác thép, loại ren kín khí, vật liệu làm kín và công thức xi măng sẽ phải được đánh giá riêng. Các nghiên cứu quốc tế về vật liệu cho giếng tàng trữ hydro dưới lòng đất hiện là nguồn tham khảo gần nhất, và đây vẫn là lĩnh vực chưa có tiêu chuẩn riêng cho hydro tự nhiên.

Thách thức thứ hai là an toàn. Hydro có dải nồng độ cháy trong không khí rất rộng, từ 4% đến 75%, năng lượng bắt cháy thấp và ngọn lửa gần như không nhìn thấy được trong ánh sáng ban ngày. Thiết bị phát hiện khí, quy trình kiểm soát giếng và huấn luyện nhân sự trên giàn đều cần được điều chỉnh cho phù hợp, kể cả khi hàm lượng hydro trong dòng khí chưa cao.

Thách thức thứ ba, và cũng là quan trọng nhất, nằm ở khâu thử vỉa. Tín hiệu khí khi khoan và hàm lượng hydro trong mẫu lõi cho biết hydro có mặt trong đá, nhưng chỉ có thử vỉa mới trả lời được câu hỏi giếng có cho dòng hay không, với lưu lượng, áp suất và thành phần như thế nào. Đá móng nứt nẻ thường có độ thấm của khối đá rất thấp, dòng chảy phụ thuộc gần như hoàn toàn vào việc giếng có cắt đúng các đới nứt nẻ mở hay không. Tầng cát kết có độ rỗng tốt lại có thể chứa nhiều nước vỉa, trong khi hydro hòa tan một phần trong nước và chỉ tách ra khi giảm áp. Việc lựa chọn khoảng bắn mở vỉa, phương pháp gọi dòng, xử lý nước và thời gian thử đủ dài vì thế mang tính quyết định. Theo công bố của Max Power, sau khi các giếng thẩm lượng được chống ống và trám xi măng, chương trình hoàn thiện và thử vỉa đang được chuẩn bị, và kết quả của giai đoạn này mới là cơ sở để đánh giá tính thương mại.

Cuối cùng là bài toán thành phần khí. Hydro tự nhiên hiếm khi tồn tại ở dạng tinh khiết mà thường đi cùng nitơ, heli và một lượng nhỏ metan. Dòng khí hỗn hợp cần được tách và tinh chế trước khi sử dụng; ngược lại, heli với giá trị thương mại cao có thể trở thành sản phẩm đi kèm cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế của dự án.

8. Thảo luận và triển vọng đối với Việt Nam

Chiến dịch khoan tại Saskatchewan mang lại ba nhận xét đáng suy nghĩ. Một là, rào cản công nghệ để bắt đầu thăm dò hydro tự nhiên thấp hơn nhiều so với hình dung ban đầu: giàn khoan, ống chống, dung dịch, dịch vụ lấy mẫu lõi và đo địa vật lý đều là những thứ ngành dầu khí đã có sẵn. Hai là, giá trị gia tăng nằm ở phần “mềm” – thiết bị đo khí chuyên dụng, quy trình bảo quản mẫu, phòng thí nghiệm độc lập và năng lực minh giải tổng hợp. Ba là, tốc độ triển khai có thể rất nhanh khi có khung pháp lý rõ ràng: từ giếng phát hiện đến chương trình thẩm lượng nhiều giếng chỉ mất chưa đầy một năm.

Đối với Việt Nam, những nhận xét này có ý nghĩa thực tiễn. Ngành dầu khí nước ta có hơn bốn mươi năm kinh nghiệm khoan và khai thác dầu trong đá móng nứt nẻ tại mỏ Bạch Hổ và nhiều mỏ khác ở bể Cửu Long. Việc xác định đới nứt nẻ, khoan trong móng, đo địa vật lý và thử vỉa trong móng là những năng lực mà không nhiều quốc gia có được. Đây cũng chính là những năng lực cốt lõi cần cho thăm dò hydro tự nhiên, nơi đá móng đóng vai trò trung tâm.

Trước hết, có thể bắt đầu từ những việc ít tốn kém. Trong các giếng khoan dầu khí, khoan địa nhiệt hay khoan khoáng sản sắp tới, đặc biệt là những giếng khoan vào móng hoặc gần các đới đứt gãy sâu, việc xem xét trang bị và lắp bổ sung thiết bị đo hydro và heli trong khi khoan chỉ chiếm một phần rất nhỏ chi phí giếng nhưng có thể mang lại những số liệu đầu tiên. Song song với đó, cần rà soát lại tài liệu cũ: các mẫu khí có hàm lượng nitơ hoặc heli cao bất thường, các biểu hiện khí không cháy, các suối khí ở những vùng có đá siêu mafic và hoạt động thủy nhiệt mà chúng tôi đã đề cập trong bài viết trước.

Tiếp theo, cần sớm có khung pháp lý cho hoạt động điều tra cơ bản, thăm dò và khai thác hydro tự nhiên. Kinh nghiệm của Saskatchewan cho thấy khi cơ chế cấp phép minh bạch và có thể dự báo được, nguồn vốn tư nhân sẵn sàng chấp nhận rủi ro thăm dò. Cuối cùng, hợp tác quốc tế và việc tham gia trực tiếp vào các dự án ở nước ngoài là con đường ngắn nhất để đội ngũ kỹ sư, nhà địa chất Việt Nam tiếp cận thực tế và làm chủ công nghệ, trước khi triển khai các giếng thí điểm trong nước.

9. Kết luận

Tại sao hiện nay chúng ta chi quá nhiều để sản xuất một phân tử mà Trái Đất đã tạo ra sẵn? Thế giới đang đầu tư hàng tỷ đô la vào các nhà máy điện tái tạo, máy điện phân, thiết bị thu giữ carbon, máy nén và nhà máy amoniac để sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro. Nhưng có một câu hỏi gần như vắng bóng trong các chiến lược quốc gia: trước khi sản xuất phân tử này, liệu chúng ta đã thực sự tìm kiếm lượng hydro mà Trái Đất vốn đã tạo ra chưa?

Chiến dịch khoan tại Lawson cho thấy hydro tự nhiên đã bước ra khỏi giai đoạn của các giả thuyết và các điểm lộ khí bề mặt để đi vào giai đoạn của giếng khoan sâu, mẫu lõi và số liệu đo đạc có hệ thống. Về mặt kỹ thuật, khoan một giếng thăm dò hydro tự nhiên không đòi hỏi một cuộc cách mạng về thiết bị, mà đòi hỏi sự thay đổi trong cách đo, cách lấy mẫu và cách đọc số liệu: đo liên tục hydro và heli bằng sắc ký và khối phổ, lấy mẫu lõi với khối lượng lớn và bảo quản kín, khoan sâu vào đá móng và tập trung vào các đới nứt nẻ.

Mặc dù vậy, chặng đường từ “gặp phân tử” đến một dòng khí thương mại vẫn còn ở phía trước. Toàn vẹn giếng trong dài hạn, an toàn, minh giải địa vật lý và đặc biệt là kết quả thử vỉa là những câu hỏi mà chính các chương trình khoan như ở Saskatchewan đang từng bước trả lời. Với nền tảng kinh nghiệm về đá móng nứt nẻ, Việt Nam hoàn toàn có thể chủ động chuẩn bị ngay từ hôm nay – bằng những phép đo bổ sung trong các giếng khoan hiện có, bằng việc xây dựng khung pháp lý và bằng hợp tác quốc tế – để khi cơ hội đến, chúng ta không phải là người đứng ngoài cuộc.

TS. Nguyễn Quốc Thập

Chủ tịch Hội Dầu khí Việt Nam

TS. Phùng Khắc Hoàn

Tổng Giám đốc Công ty Big Energy

Thành viên Hội đồng Quản trị Công ty Max Power Mining Corp.

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Quốc Thập & Phùng Khắc Hoàn (2026). Hydro tự nhiên – Nguồn năng lượng sạch tiềm ẩn. Tạp chí Petrotimes, 29/05/2026. https://petrotimes.vn/hydro-tu-nhien-nguon-nang-luong-sach-tiem-an-741540.html

2. Max Power Mining Corp. (2025 – 2026). Các thông cáo báo chí về giếng phát hiện Lawson, địa chấn 3D và chương trình khoan thẩm lượng tại Lawson. https://www.maxpowermining.com

3. Maiga, O., Deville, E., Laval, J., Prinzhofer, A. & Diallo, A. B. (2023). Characterization of the spontaneously recharging natural hydrogen reservoirs of Bourakebougou in Mali. Scientific Reports, 13, 11876.

4. Zeng, L., Sander, R., Salimzadeh, S., Lupton, N. & Musa, M. (2026). Natural hydrogen: Generation mechanisms, occurrence, challenges and future prospects. Gas Science and Engineering, 205928.