工业血液-石油的开采及加工

摘  要

石油被称为现代工业的血液，对保障国民经济的发展有着重要作用。本文对石油的形成、采集、运输和加工过程进行介绍，对石油的分类进行了详细说明，同时对石油化工行业中石油的精馏工艺、裂化工艺等进行介绍，以促进对石油化工行业的了解。

关键词：石油、采集、运输、加工

石油，亦称原油，一般为粘稠状深褐色或黑色液体，主要存在于地壳上层。石油主要由不同的烷烃混合组成，成分较为复杂。一般的石油，除了含有大量烷烃，还含有O、S、P、N等元素。石油经过冶炼处理后，可以提取几百种物质，具有极高的经济价值和社会效益。石油及石油制品是现代社会发展的基石，石油更是每个国家十分重视的战略资源。现代社会的发展离不开石油，就像人离不开血液一样，因此，石油有“工业血液”的美誉。

图1. 呈粘稠状深褐色的石油（克拉玛依黑油山“油苗”）（来自网络）

补充：“油苗”，地下油气沿着天然裂缝上涌，溢出地面的现象。

石油的形成及开采

关于石油的形成，有两种主要的学说。一种是有机说，一种是无机说。

有机说认为，千万年前以恐龙灭绝为代表的物种大毁灭中，大部分的动植物都死亡。生物尸体埋葬后，经过漫长的地质运动，逐渐沉积到地壳深处，在高温、高压的环境中，动物体内的蛋白质、油脂等发生了复杂的化学变化形成石油，植物的遗骸则形成了煤炭。这种学说得到了大部分人的认同。

无机说则认为，石油的形成与有机物没有关系。19世纪，索科洛夫提出宇宙理论。其指出，太阳系其他星球也都发现了碳氢化合物，因此碳氢化合物广泛存在于宇宙空间，与地球有机物的存在无关。其认为在地球形成初期，石油便已经存在。由于石油密度小，地壳中的石油沿岩石缝隙向上渗透，最后聚集形成含油区。

目前，全球每天会开采约7500万桶石油，每年开采约250亿桶石油，而且石油的开采量正以每年2%~3%的速度增加。世界石油主要出口地区为中东、非洲、俄罗斯、南美洲、加拿大和墨西哥。截至2021年10月，中国是世界上最大的石油进口国，美国其次，印度进口量排名第三。

图2. 石油形成的有机说示意图（来自网络）

石油的开采一般分为陆上油田和海上油田。以中国的石油储藏为例，中国陆上石油大多处于砂岩层，距离地表最浅的800米左右，最深的距离地表有10000米。

以我国大庆油田为例，可以实现三次采油技术。一次采油主要依靠地壳层的天然压力，相当于石油被压力推出来，属于低采油率方式。当地壳的压力减小，采取向砂岩层注水的方式提高地层压力，迫使石油进一步被开采出来，这是二次采油，此时采油率可以达到40%。依靠注水开发、聚合物驱油配套和三元复合驱油，继续提高石油的开采率，这是三次采油技术。

海上石油开发与陆地上相似，最开始的开采都借助于地壳层的内部压力，随着开采量的增加会采用二次或三次采油技术。不同的是，海上石油开发需要对石油矿藏进行更加精确的判断和预评估。海上油气开发需要大量资金，需要完善的海上平台建设，同时考虑海上石油存储、运输，预防海上石油污染等问题。随着我国石油开采技术的提升，我国的海上石油开采已经形成完整的勘探、开采、集输技术。

图3. 陆上石油钻井和海上钻井平台（来自网络）

图4. 三次采油技术示意图（来自网络）

石油的分类及运输

根据对主要世界石油出口国原油的分析，由于形成年代、地质构造不同，各地区所产石油的性质和组分存在很大不同。

总体来说，中东地区的石油含有较多的短链烷烃，含硫量也较少。对石油进行有效分类，可以促进石油的加工和运输，提高石油工业的工艺水平。由于石油中含有大量的化合物，采用单一标准难以界定世界上所有的石油种类。一般会根据石油的物理、化学性质等进行分类，有时还会结合石油中杂元素的含量进行分类。例如，可以根据石油的物理性质进行分类，包含相对密度、黏度、凝固点等；也可以根据石油中的含硫量、含氮量、含蜡量和含胶量等来进行分类。国际市场还会采用比重指数API°来进行分类。

表2.1 按石油相对密度分类

表2.2 按含硫量分类

表2.3 按含蜡量分类

表2.4 按含胶量分类

表2.5 按石油黏度分类

表2.6 按石油凝固点分类

表2.7 按关键馏分特性分类

表2.8 按特性因数分类

表2.7和表2.8中的K代表的是特性因数，用来表征石油中石蜡烃的含量，K数值大，代表石油中的石蜡烃含量高；K数值小，代表石油中的石蜡烃含量低，该分类方法为欧美广泛采用。

这种分类法，可以反映石油中烷烃和环烷烃的情况，但不能区分石油组分中芳香烃和环烷烃的情况。石油中轻馏分、重馏分的情况也不能很好地表征。由于特性因数K不能很准确的计算，且不能准确反映石油组分的真实情况，我国目前采用硫含量结合特性因数分类的方法。该方法既考虑了石油中烷烃的组成，又结合了我国石油硫含量偏高的现实情况。

表2.9我国部分石油的分类情况

补充：表2.1-2.9分类方法主要参考《石油化工过程系统概论》（马廷霞）

对于石油的运输来说，公路运输的灵活性较强，虽然建设公路的成本较低但是运输成本却非常高，并且公路运输实际上较为适合短途运输，因为其运输量有限。铁路运输会比公路运输的量大得多，但铁路运输的成本同样是非常高。管道是运输天然气和石油的最适宜方式，但管道运输就需要建立特定的管道，油气管道的建设成本较高。相比于陆路运输来说，海运的效率虽然会较低一些，但海运的成本比陆路运输低廉得多。目前我国国内石油、天然气运输主要采用管道，而国外原油进口则采用大型石油轮船方式运输。

图5 石油的运输方式（公路、铁路、管道、海运）（来自网络）

石油加工工艺及产品

石油组成成分复杂，含有多种烷烃化合物，如果直接用来燃烧，会造成巨大的浪费。一般会根据需要，采用不同的处理工艺，使特定沸点的组分挥发出来，对石油进行充分利用。利用石油中各种化合物沸点不同，加热蒸馏，将石油分离成不同沸点范围（即馏程）的若干部分，每一部分就是一个馏分。在实际工作中，用某个温度范围内(馏程)蒸馏出的馏分的重量或体积百分含量来表示石油的组成，称为石油的馏分组成。石油的预处理及加工流程示意图如下：

图6 石油冶炼之前的预处理示意图（来自网络）

图7 石油的处理工艺及产品示意图

表3.1 石油的馏分组成

石油不同馏分的化合物极不相同。轻馏分主要由低碳数、分子量较小的烷烃和环烷烃组成；中馏分以中分子量和较高碳数的烷烃和环烷烃为主，并含有一定数量的芳香烃和环烷芳香烃以及少量的含硫、氮、氧化合物；重馏分以高碳数和高分子量的环烷烃、芳香烃、环烷芳香烃和含硫、氮、氧化合物组成。

在石油加工过程中

常压蒸馏、减压蒸馏、催化裂化和催化重整工艺指的是什么呢？

常压蒸馏：常压条件下，利用石油中各组分挥发度不同，在不同温度下收集各组分，实现不同化合物的富集和分离。

减压蒸馏：根据外界压力和组分沸点的关系，在较低的压力下，实现高沸点组分的低温蒸馏，可以得到石油中的重油组分。

催化裂化：裂化包括碳链的断裂、聚合、脱氢、加氢和异构化等等。裂化时，相对分子质量越大即碳链越长的烷烃越容易发生分解。

如正十六烷的断裂：

正十五烷为：

裂化中小分子烯烃也可能发生聚合，比如：

裂化过程中，烷烃们还可能发生脱氢反应，分子量越大的烷烃，越容易发生，如：

当有催化剂存在的时候，烯烃会与H2生成烷烃，但反应较难，如：

催化重整：以石脑油为基础，在催化剂条件下，对烃类分子进行处理获得新分子结构的工艺。主要为获得高辛烷值汽油、化纤、橡胶、塑料原料及民用液化石油气等。一般分为原料预处理、重整、催化剂再生等部分。预处理可以脱除原料中的有害杂质；重整部分获得芳烃或高辛烷值汽油组分；催化剂再生则可以保证工艺的连续运行。

石油产品应用于生活的方方面面，包含燃油、润滑油、石油溶剂、精细化工原料及合成纤维等。常压蒸馏可以获得直馏煤油、直馏柴油和石脑油；减压蒸馏可以获得高沸点的烃类。石脑油经过催化重整、芳烃分离可以获得乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯等；再经过进一步聚合可获得合成树脂、合成纤维、合成橡胶等产品。减压渣油经过脱沥青、溶剂脱蜡、溶剂精制可获得石蜡、润滑油、沥青和燃料油等。可以看到，石油产品在农业、交通、纺织、医药中间体乃至航空航天均有重要应用。

图8 石油产品及相关产业链（来自网络）

总  结

石油产业是国家发展的重要基础，作为目前第一大石油进口国的我国，正在千方百计地维护我国的石油安全。本文主要介绍了石油的产生学说，包括有机说和无机说，其中有机生成学说被广泛接受；在石油开采部分，以大庆油田为例，介绍了三次采油的方法，这也是目前我国油田提高采油率的主要方法；在石油加工及产品部分，对主要的石油加工工艺和相关石油产品进行了介绍。希望通过本文的介绍，能增加大家对石油及石化行业的了解，进而关注我国的石油发展及石油安全。