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石油基础知识

石油基础知识

1.石油的定义

原油(crude oil)又称石油(petroleum)源于希腊语的petra(岩石)和oleum(油),是指赋存于地下岩石孔隙中的一种液态可燃有机矿产。一般认为是有机物死亡后经分解、运移、聚集而形成,常呈黑褐色。习惯上我们称原油为直接从油井中开采出来未经提炼或加工的可燃物质,也即一种黑褐色的流动或半流动粘稠液,略轻于水,以碳氢化合物为主要成分的矿产品。

关于“原油”和“石油”的具体物质指代,“原油”是特指从地层中取出、未经任何提炼的黑色或深棕色的稠厚、有粘性的油状物质,它除了叫“原油”外,也可以称之为“石油”。当“原油”送交炼油厂去加工炼制后,得到的新的物质,仍可以叫做“石油”,但更确切地说,是“石油产品”(Petroleum Product)。原油经过分馏生产出汽油、煤油、柴油等初级产品。这些初级产品经过调兑、添加各种功能的添加剂等进一步处理后,就是我们日常使用的商品汽油、柴油等成品油。

综上所述,“原油”的外延窄,它仅指从地层中取出,未经任何加工提炼的原始状态的“石油”;而“石油”的外延较宽,从地层中取出的可燃油状物质在加工前后,我们都可以叫它“石油”,只是加工后的石油产品,根据它们的特征与用途,人们给出了更为确切的名称,诸如“汽油”、“柴油”、“润滑油”、“沥青”等等,以便区分。


2.原油的成因

关于原油的形成原因,有不同的理论。一种是生物成油理论,另外一种是非生物成油理论。  

生物成油理论认为史前的海洋动物和藻类尸体,在地底的高温下经过漫长的压缩和化学反应形成原油,是一次性、不可再生能源。石油的生成至少需要200万年的时间,在现今已发现的油藏中,时间最老的达5亿年之久。在地球不断演化的漫长历史过程中,有一些“特殊”时期,如古生代和中生代,大量的植物和动物死亡后,构成其身体的有机物质不断分解,与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层。由于沉积物不断地堆积加厚,导致温度和压力上升,随着这种过程的不断进行,沉积层变为沉积岩,进而形成沉积盆地,这就为石油的生成提供了基本的地质环境。史前的海洋动物和藻类尸体经过漫长的地质年代,在地下的高温和高压下它们逐渐转化,首先形成腊状的油页岩,后来退化成液态和气态的碳氢化合物。由于这些碳氢化合物比附近的岩石轻,它们向上渗透到附近的岩层中,直到渗透到上面紧密无法渗透的、本身则多空的岩层中。这样聚集到一起的石油形成油田,通过钻井和泵取人们可以从油田中获得石油。

非生物成油理论认为原油是由位于地下一百公里的无机碳和水在高温和高压下产生的碳氢化合物,是可再生能源。这个理论认为在地壳内已经有许多碳,这些碳自然地以碳氢化合物的形式存在。碳氢化合物比岩石空隙中的水轻,因此沿岩石缝隙向上渗透。石油中的生物标志物是由居住在岩石中的、喜热的微生物导致的,与石油本身无关。一般该理论被用来解释一些油田中无法解释的石油流入,不过这种现象很少发生。


3.原油的分类

根据不同的标准,可以对原油进行分类。常用的分类方法有以下三种:

1.     按组成分类:石蜡基原油、环烷基原油和中间基原油三类。

石蜡基、环烷基和中间基原油是按照原油中烃类的成分来划分的。石蜡基原油含烷烃较多;环烷基原油含环烷烃、芳香烃较多;中间基原油介于前二者之间。

2.     按硫含量分类:超低硫原油、低硫原油、含硫原油和高硫原油四类。

低硫和高硫是按照原油的含硫量来区分的。原油的含硫量是指原油中所含硫(硫化物或单质硫分)的百分比。硫对原油性质的影响很大,因为硫对管线有腐蚀作用,对人体健康有害。根据含硫量的不同,可以将原油分为低硫原油、含硫原油和高硫原油。低硫原油的含硫量小于0.5%,含硫原油的含硫量介于0.5%与1.0%之间,高硫原油的含硫量大于1.0%。现有原油储量比例中,中质和重质原油比轻质原油更高,按硫含量分类,低硫原油仅占17%,中质原油占31%,高硫原油比例高达52%。

3.     按相对密度分类:轻质原油、中质原油、重质原油三类。

轻质和重质是按照原油的相对密度来区分的。原油的相对密度,在我国是指在压强为101,325Pa下,20℃原油与4℃纯水单位体积的质量比。美国则是用在压强为101,325Pa下,60℉(15.6℃)原油与4℃纯水单位体积的质量比,通常称为API度。API度和60℉的原油相对密度(原油与水的密度比)的关系满足:

API
度=(141.5/原油在60℉的相对密度)-131.5


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不同国家和公司对密度的划分标准可能会有所差异,现实中并不完全机   械地遵循这些标准,往往还会考虑定价基准等其它因素。例如北大西洋北海布伦特和尼尼安油田的原油是轻质低硫原油。中东原油是中质含硫原油,例如伊拉克的巴士拉轻油、阿联酋的迪拜原油、卡塔尔的卡塔尔海洋油等。我国的大庆原油是轻质低硫原油,而胜利原油是重质含硫原油。

我国主要原油的特点是含蜡较多,凝固点高,硫含量低, 镍、氮含量中等,钒含量极少。除个别油田外,原油中汽油馏分较少,渣油占1/3。大庆原油的主要特点是含蜡量高,凝点高,硫含量低,属低硫石蜡基原油。

此外,根据生产方式划分,原油可以分为常规原油和非常规原油。常规原油是直接开采就可获得的天然原油;而非常规原油是经过加工和合成后才能得到的原油,如油砂、页岩油等。


4.原油的理化性质

不同油田产出的原油品质差别较大,性质由具体成分和组成比例决定。


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颜色与原油中含有的胶质、沥青质数量的多少有密切关系。深色原油密度大、粘度高。液性明显的原油多呈淡色,甚至无色;粘性感强的原油,大多色暗,从深棕、墨绿到黑色。我国玉门、大庆等油田的原油多呈黑褐色;新疆克拉玛依油田原油呈茶褐色;青海柴达木盆地的原油多呈淡黄色;四川、塔里木、东海等盆地的一些凝析气田所产凝析油从浅黄色到无色。

原油的化学构成主要由烷烃、环烷烃、芳香烃三类等烃化合物组成,其组成元素包括:碳、氢、氧、氮、硫和一些金属元素。

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5、石油的用途

原油通过一定的炼制加工流程可以生产各种石油产品,在社会经济发展中具有非常广泛的应用,是当前主要能源来源。

首先,由原油炼制生产的汽油、煤油、柴油、燃料油以及液化气是能源的主要供应者;其次,原油产品中的高分子合成材料是材料工业的重要支柱,除合成材料外,原油产品还提供了绝大多数的有机化工原料;此外,金属加工、各类机械毫无例外需要各类润滑材料及其它配套材料,消耗大量原油产品;建材工业、轻工、纺织工业也是原油产品的传统用户,新材料、新工艺、新产品的开发与推广,都离不开原油产品;原油产品还可以为农业提供氮肥等化工原料。正是因为石油产品在各行各业有广泛的用途(见下图),所以原油被称为“工业的血液”,并被冠以“商品之王”的称号。


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6、石油的开采

石油开采过程通常包括:石油地震勘探—>石油钻井—>石油测井—>井下作业——>采油生产—>油气集输以及其他生产过程。

石油开采有三个显著特点:①开采的对象在整个开采的过程中不断地流动,油藏情况不断地变化,一切措施必须针对这种情况来进行,因此,油气田开采的整个过程是一个不断了解、不断改进的过程;②开采者在一般情况下不与矿体直接接触。油气的开采,对油气藏中情况的了解以及对油气藏施加影响进行各种措施,都要通过专门的测井来进行;③油气藏的某些特点必须在生产过程中,甚至必须在井数较多后才能认识到,因此,在一段时间内勘探和开采阶段常常互相交织在一起。

要开发好油气藏,必须对它进行全面了解,要钻一定数量的探边井,配合地球物理勘探资料来确定油气藏的各种边界(油水边界、油气边界、分割断层、尖灭线等);要钻一定数量的评价井来了解油气层的性质(一般都要取岩心),包括油气层厚度变化,储层物理性质,油藏流体及其性质,油藏的温度、压力的分布等特点,进行综合研究,以得出对于油气藏的比较全面的认识。

在开采过程中还需要通过生产井、注入井和观察井对油气藏进行开采、观察和控制。油、气的流动有三个互相联接的过程:①油、气从油层中流入井底;②从井底上升到井口;③从井口流入集油站,经过分离脱水处理后,流入输油气总站,转输出矿区。

钻井工程在油气田开发中,有着十分重要的地位,在建设一个油气田中,钻井工程往往要占总投资的50%以上。一个油气田的开发,往往要打几百口甚至几千口或更多的井。对用于开采、观察和控制等不同目的的井(如生产井、注入井、观察井以及专为检查水洗油效果的检查井等)有不同的技术要求。应保证钻出的井对油气层的污染最少,固井质量高,能经受开采几十年中的各种井下作业的影响。改进钻井技术和管理,提高钻井速度,是降低钻井成本的关键。

测井工程是指在井筒中应用地球物理方法,把钻过的岩层和油气藏中的原始状况和发生变化的信息,特别是油、气、水在油藏中分布情况及其变化的信息,通过电缆传到地面,据以综合判断,确定应采取的技术措施。

采油工程是把油、气在油井中从井底举升到井口的整个过程的工艺技术。油气的上升可以依靠地层的能量自喷,也可以依靠抽油泵、气举等人工增补的能量举出。各种有效的修井措施,能排除油井经常出现的结蜡、出水、出砂等故障,保证油井正常生产。水力压裂或酸化等增产措施,能提高因油层渗透率太低,或因钻井技术措施不当污染、损害油气层而降低的产能。对注入井来说,则是提高注入能力。

油气集输工程是在油田上建设完整的油气收集、分离、处理、计量和储存、输送的工艺技术。使井中采出的油、气、水等混合流体,在矿场进行分离和初步处理,获得尽可能多的油、气产品。水可回注或加以利用,以防止污染环境。减少无效损耗。


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7、石油的加工

石油炼制,是将石油加工为液化石油气、石脑油、汽油、煤油、柴油、燃料油、润滑油、石蜡、沥青等产品及化工原料的方法。石油炼制工业中采用的各种加工过程通常可以分为一次加工、二次加工和三次加工等过程。

原油预处理主要是脱盐和脱水处理。因为原油中所含有的盐(主要是氯化物)和水分会导致生产设备的腐蚀和内壁结垢,并影响产品的品质,所以要对原油进行脱盐和脱水处理。目前广泛采用的预处理工艺是电脱盐脱水:将原油与破乳剂、洗涤水按比例混合,经加热达到一定温度,再经过一个混合阀充分混合送入电脱盐罐,在破乳剂与高压电场的共同作用下,乳化液被破坏,小水滴结成大水滴,通过沉降分离,排除污水。

一次加工过程是将原油用蒸馏的方法分离成轻重不同馏分的过程,常称为原油蒸馏,它包括原油预处理、常压蒸馏和减压蒸馏。一次加工产品可以粗略地分为:①轻质馏分油(见轻质油),指沸点在约370℃以下的馏出油,如粗汽油、粗煤油、粗柴油等。②重质馏分油(见重质油),指沸点在370~540℃左右的重质馏出油,如重柴油、各种润滑油馏分、裂化原料等。③渣油(又称残油)。习惯上将原油经常压蒸馏所得的塔底油称为重油(也称常压渣油、半残油、拔头油等)。

二次加工过程是一次加工过程产物的再加工。主要是指将重质馏分油和渣油经过各种裂化生产轻质油的过程,包括催化裂化、热裂化、石油焦化、加氢裂化等。其中石油焦化本质上也是热裂化,但它是一种完全转化的热裂化,产品除轻质油外还有石油焦。二次加工过程有时还包括催化重整和石油产品精制。前者是使汽油分子结构发生改变,用于提高汽油辛烷值或制取轻质芳烃(苯、甲苯、二甲苯);后者是对各种汽油、柴油等轻质油品进行精制,或从重质馏分油制取馏分润滑油,或从渣油制取残渣润滑油等。

三次加工过程主要指将二次加工产生的各种气体进一步加工(即炼厂气加工)以生产高辛烷值汽油组分和各种化学品的过程,包括石油烃烷基化、烯烃叠合、石油烃异构化等。

原油炼制加工流程是各种加工过程的组合,也称为炼油厂总流程,按原油性质和市场需求不同,组成炼油厂的加工过程有不同形式。为了充分利用原油资源和加工重质原油,各国有向深度加工方向发展的趋势,即采用催化裂化、加氢裂化、石油焦化等过程,以从原油得到更多的轻质油品。


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8、石油的计量单位

原油通常以桶来计量。1吨原油大约等于7.0至7.8桶。

世界上最早两处打出工业油流的地方都盛产葡萄酒,而且在本国都很有名气。打出工业油流的人们不约而同用葡萄酒桶盛放刚打出来的原油。

1870 年,洛克菲勒成立标准石油公司,他们使用的是自己家族生产的葡萄酒木桶并且自立交货规格,1桶为42加仑。美国政府采取了英国商人和美国商人能共同接受的标准,即沿用洛克菲勒家族标准石油公司自行制定的标准,规定42加仑为1桶。这个标准的原油计量单位“桶”(每加仑为3.7854升,故1桶约159升)就成为至今全世界都采用的原油交易单位。

然而,“桶”主要还是欧佩克组织和英美等西方国家常用的原油计量单位,是以体积计量的。在中国和俄罗斯等国则是以重量计量的,使用“吨”作为原油计量单位。因为各地出产的原油密度不尽相同,所以一桶原油的重量也不尽相同,大约在 128-142公斤之间。1吨原油大约等于7.0至7.8桶。

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