石油I,如何開採與提煉?

作者:股感知識庫   |   2020 / 02 / 14

文章來源:股感知識庫   |   圖片來源:股感知識庫


石油是當前人類社會最重要的能源,石化產業更是工業之母。石油的價格亦牽動著全球經濟走勢,甚至連央行的利率決策都將受其影響。正因為它如此重要,產油國往往能在外交上將石油當作談判的籌碼,如川普制裁伊朗原油出口、OPEC組織宣布聯合減產,都令全球市場繃緊神經。以下就讓我們提起求知的鑽頭,一同鑽探這地底下的黑色黃金。

石油是什麼?

數億年前,大量浮游生物及動植物死亡之後的殘骸,堆積在海底下逐漸形成沈積物,經過數百年地層的壓力和熱的作用,動植物的殘骸就慢慢的變成石油,通常將這未加提煉前的液態石油稱為原油(Crude Oil)。

原油主要按原石油的「含硫量」及「密度」來分類,一般而言含硫量不超過 0.5%的可稱為甜原油(又稱無硫原油,Sweet Crude),若含硫量超過 0.5%則稱為酸原油(Sour  Crude)。另外石油為混合物,含有複雜的有機成分,若密度過高,表示所含重質有機物的比例愈高,提煉成本和技術需求也越高。美國石油協會採用「石油比重指標」(API gravity) (註一)來衡量石油的品質,作為決定原油價格的主要標準之一,其數值愈大,表示原油密度愈小、品質愈好、價格也愈高。其中以紐約原油及布蘭特原油均屬於輕質原油,而含硫量較高的重質原油,會令煉油的過程增加難度及複雜度,故此不少油國都不願意開採及提煉重質原油。

如何開採石油?

開採石油的第一關是勘探油田,石油地質學家使用重力儀、磁力儀等儀器來尋找新的石油儲藏。地表附近的石油可以使用露天開採的方式開採,不過目前除了少數非常偏遠地區的礦藏外,這樣的石油儲藏幾乎已經全部開採了。至於埋藏在地底較深的油田需要使用鑽井才能開採,而海下油田的開採最為困難,開採海下油田需要使用浮動的石油平台,才能進行鑽井和開採。因此鑽井難度的區分若依照油田儲藏的地區排序的話,大概是海下油田 > 地下油田 > 露天油田。

 在開採地下油田時,因地殼深處的石油受到上面底層及或許有其他天然氣的擠壓,加上石油又比周圍的水和岩石要來得輕,所以往往當鑽頭向下一鑽至含油層時,石油便會因為壓力的擠壓而噴射出來。一般來說剛開採的油田,其油壓夠高,足以讓石油自己噴射至地面。而隨著石油被開採,其油壓將不斷降低,當油壓低到石油無法自行從地下油田噴出至地面時,就需要從地面使用透過鑽柱驅動的泵來進行抽油。 

在必要的情況下,工程師也可以使用水平鑽井(註二)的技術繞彎鑽井。如此一來便可以繞過地質複雜、供居住或軍事使用的地面,而從側面開採一個油田。其中又屬海下油田最常使用水平鑽井的技術,利用水平鑽井可以擴大石油平台的開採面積。

 此外,透過向油井內注壓水或天然氣能夠提高可開採的油量,或藉由壓入酸來溶解部分岩石(比如碳酸鹽),可以提高含油層岩石的滲透性。利用上述手段,依照各地的情況不同,通常一個油田可以開採出20%至50%的石油。至於剩下暫時無法從含油岩石中分解出來的石油,可以再透過其他方法(註三),提高石油的開採量。而隨著油田的開採繼續,後期要將石油從含油層中的岩石開採出來的難度將愈來愈高,使用的方法也將愈來愈困難。一旦當採油的成本過高,高於剩餘可開採石油本身的經濟價值時,這個油田就被視為開採完畢了。

石油提煉與化工產品

石油在使用前必須經過加工處理,才能製成適合各種用途的石油產品。常見的加工處理方法有分餾、裂化、裂解(註四),以下我們主要介紹較基本的分餾(Fractionation)。分餾是利用分子大小不同,沸點因而不同的原理,利用沸點差異,分離出原油中不同的化合物,從原油中可以提煉出汽油、柴油、煤油、取暖用油、潤滑油等等產品。

工業上先將原油加熱至400℃~500℃之間,使其變成蒸氣後輸進分餾塔。在分餾塔中,位置愈高、溫度愈低。石油蒸氣在上升途中會逐步液化,冷卻及凝結成液體餾份。分子較小、沸點較低的氣態成分則慢慢地沿塔上升,在塔的高層凝結,例如燃料氣、液化石油氣(丙烷及丁烷)、輕油、煤油等;分子較大、沸點較高的液態成分則在塔底凝結,例如柴油、潤滑油及蠟等。最後在塔底留下的殘餘物為瀝青及重油(Heavy Oil),可作為焦化和製取瀝青的原料或作為鍋爐燃料。不同成分在各層收集起來,經過導管輸離分餾塔,這些分餾產物便是石油化學原料,可再製成許多的化學品。

註一:API是美國石油協會的縮寫,同時它用來表示石油流體相對於水的密度。

API =(141.5/相對密度)-131.5。其中相對密度為石油流體在標準溫度15.6℃(60°F)下相對於水的密度。由上式可知,API愈大,相對密度愈小。目前國際上把API作為決定原油價格的主要標準之一,其數值愈大,表示原油愈輕,價格愈高。若API大於10,則石油的液體密度小於水,正常情況下大多數石油流體API值介於10到70之間。

註二:一般而言鑽油井都是垂直向下鑽,水平鑽井的技術是鑽到一定深度以後,鑽頭轉往橫向鑽探。如此一來便能鑽探地面不便設立油井之處,例如若油礦在城市的正下方,就能從旁邊的郊區打洞鑽探,再利用水平鑽井的技術從地底轉彎過去;水平鑽探還能往四面八方延展,因此只需要在地表上打一個洞,卻可以在地底下橫向伸展鑽探很大一片地區,增加石油的開採量。

註三:其他增加石油開採量的方法包括:

  1. Ÿ  注入氮氣
  2. Ÿ  注入輕汽油來降低石油的黏度
  3.  注入二氧化碳來降低石油的黏度
  4. Ÿ  注入沸水或高溫水蒸氣,甚至燃燒部分地下的石油
  5. Ÿ  注入改變流度比的聚合物水溶液將原油從岩石孔隙釋放出來
  6. Ÿ 注入改善油與水之間的界/表面張力的物質(如表面活性劑)的水溶液,來使石油從岩石孔隙中分解出來

這些手段可以結合使用,但即使如此依然有相當大量的油無法被開採。

註四:分餾、裂化、裂解

  1. 分餾:是物理變化,將混合物石油分成不同沸點範圍的餾分,由於石油一般是烷烴、環烷烴的混合物,所以認為分餾後的餾分也主要是烷烴。分餾的目的是為了將石油分成各個餾分(如主文提到不同沸點的汽油、煤油、柴油等),各盡其用。分餾能將石油進行一定程度的分離,但其中最有用的成分汽油,經分餾能得到的數量卻不多,因此為了得到更多的汽油,需要對分餾出的重油進行裂化。
  2. 裂化:是化學變化,即將碳原子數多的烷烴(重油)斷裂成碳原子數少的烷烴。由於烷烴的斷裂,分成1個烷烴和1個烯烴,所以裂化後得到的產物中含有烯烴。裂化的目的是為了得到更多的汽油,分餾得到的汽油叫直餾汽油,幾乎不含烯烴;裂化得到的汽油叫裂化汽油,含相對較多的烯烴。
  3. 裂解:也叫深度裂化,其實就是加重程度的裂化,因此裂解也是化學變化。裂解是將碳原子數比較少的烴進一步斷裂成碳原子數更少的烴,目的是為了得到氣態烴,主要是乙烯、丙烯、丁二烯,它們是重要的工業生產原料。
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