油燃而声 第9期 | 石油——工业的血液
《油气简史》
（第二版 富媒体）
油燃而声 第9期
油气藏中的“油”——石油
石油就是油气藏中的“油”。其发现可追溯到 900 多年前的北宋，大科学家沈括第一次在其著作《梦溪笔谈》中提到了“石油”——石头里的油。他写道：鄜、延境内有石油，旧说“高奴县出脂水”，即此也。世界近代石油工业的发端与一个叫弗朗西斯·布鲁尔的医生有关。1851年，他仔细考察了美国宾夕法尼亚州靠近梯土斯维尔城的泰特斯维尔附近的一条小河，河边有一些油苗，河面上常常漂着原油，这条河因此被命名为“石油溪”。他雇用了一名农民在油苗附近挖了一些土坑和沟，把自然溢出来的原油汇集起来。到这年年底，他一共采集了 1095gal 原油，当时估831美元。几经周折，石油溪所在的农场最终到了艾德温·德雷克手里。1859 年 8 月，在石油溪旁，艾德温·德 雷克钻的一口找油井涌出了油流，日产量达30bbl，这就是世界上第一口用机器钻成的并且用机器抽油的油井。许多人认为，艾德温·德雷克是“石油之父”，世界上因此出现了第一次石油热。
1907 年，在中国延长县城西门外也打出一口油井，起初日产量 1.5t。该井获得工业油流，是中国大陆第一口油井。
我国古代的采油井（由西南石油大学档案馆提供）▲
石油，也称为原油，它像水浸透在海绵里一样储集在石头的孔隙与缝洞里。当人们把它从地下岩层（石头）的孔、洞、缝中开采出来时，一般为棕黑色的可燃黏稠液体。
地下采出的黑色原油（由西南石油大学档案馆提供）▲
石油的英文 petroleum 一词来自希腊，人们习惯上将石油等同于原油，但这并不是一种严谨的说法。从严格意义上讲，通常所称的石油既包括原油，也包括天然气。换句话说，在油气藏中，天然气常常以溶解的状态存在于原油中，就好比我们喝的可口可乐溶解有 CO2，打开会发出气体逸散的嘶嘶响声。因此，当石油被开采到地面时，一些天然气也随之被开采出来。很奇妙的是，一桶油中的气体可以装满你的整个房子！
石油及其产品广泛用于生产和生活的各个方面，是最重要的动力燃料与化工原料。天上的飞机、地上的汽车、海里的轮船、军舰、航空母舰，甚至我们烧菜的天然气都要消耗石油。原油其实是一种混合物，我们平常接触到的汽油、柴油、煤油以及铺路用的沥青等，都是从原油中分离出来的，它们都是在不同温度区间分馏出来的产物。原油以烃类物质为主，并含有少量其他非烃类物质的液体。
01
原油的组成
原油的组成比较复杂，但主要是碳元素和氢元素构成的烃类。其中碳元素比重最大，占 83%～87%， 其次是氢元素， 为11%～14%， 其余为硫 (0.06%～0.8%)，氮 ( 0.02%～1.7% ) ，氧 (0.08%～1.82%)，此外，还含有微量非金属元素 ( 磷、氯、碘等 ) 和微量金属元素 ( 镍、钒、铁、锑等 )。
原油的用途
原油的品质因为产地不同、开采的层位不同，存在比较大的差别。这里所说的原油品质是从开采角度来说的。例如，有的原油比较稠，流动困难，难于开采；有的原油属于稀油，容易流动，开采出来经过简单加工就可以用作油品；有的原油可能含有少量的硫，还需要进行脱硫处理，不然汽油、柴油燃烧后会产生 SO2，造成 环境污染。
原油从地下开采出来后，通过集输系统到炼油厂，首先需要将原 油脱水、脱盐，然后才能进一步加工。通过常压蒸馏可以分离出石油气、汽油、煤油和柴油，分馏塔底部出来的是重油。重油是宝贵的资源，还可以进一步通过减压蒸馏等手段分离出石蜡、沥青、润滑油（就是我们常说的机油）。
因此，原油的利用价值非常高，除了可以加工成油品使用外，还可以进一步加工成化工生产的原料。生产石油化工产品的第一步是对 原料油和气（如汽油、柴油、丙烷等）进行裂解，生成以乙烯、丙烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯为代表的基本化工原料；第二步是以基本 化工原料生产多种有机化工原料（200 多种）及合成材料等（如合成 树脂、合成纤维、合成橡胶）。
谈起石油，可能大家联想到的是我们开车加油。其实，石油与人类的关系远不止如此简单，可以说一个人的吃穿住用行都离不开石油。我们以一桶原油为例，你能想象小小的一桶原油威力有多大吗？一桶原油，可生产出足够一辆重型汽车行驶 450km 的汽油；能够制造出用于修补屋顶或街道的0.95L石油沥青；可制造大约0.95L电动机润滑油；可制作170根生日蜡烛或27根蜡笔的蜡等。
由于世界各国原油的外观、物化性质等方面的差异，目前全世界还没有统一的原油分类标准，大多数国家和地区以原油的密度 (或重度) 和黏度来进行分类。目前比较通行的分类方法是根据美国石油学会标准，按照API重度进行分类。我们可以通过油品的重度来判断油品的质量，一般重度在30°API以上的原油属于质量较好的原油。
经常听到的稠油概念，是根据原油的黏度来分类的。所谓原油的黏度，表示原油的黏稠程度，即当流体流动时，一部分在另一部分上面流动时，就受到阻力，是流体层之间相对运动的内摩擦力。黏度的高低表明原油流动的难易，黏度越大，流动阻力越大，越难流动。
黏度大的原油俗称稠油，稠油由于流动性差而开发难度增大。一般来说，黏度大的原油密度也较大。稠油和稀油直观对比，我们可以看到稀油像水一样流动， 而稠油却很难流动，这是稠油黏度高造成的。
国际上通常把稠油称为重油和沥青。重油中胶质含量高，导致其黏度很高，流动困难，开采技术难度大 [ 联合国训练研究署（UNITAR） 为了统一认识，专门推荐了重油分类标准 ]。国内按原油黏度把原油分为：常规油（小于 100mPa·s）、普通稠油（100～10000mPa·s）、特稠油（10000～50000mPa·s）、 超 稠油或沥青（大于 50000mPa·s）等，从名称上体现了稠油黏度高的特点（见刘文章教授推荐的稠油分类标准）。
黏度非常大的特稠油，像“黑泥” 一样，可用铁锹铲，用手抓起。实际上，超稠油在地下油层条件下是不流动的，形状像是我们平常吃的龟苓膏。估计这种稠油资源超过全部稠油资源的一半以上。
科普知识介绍
钻井 — 修建“油气”通向地面的人工通道
钻井，简单地说，就是通过钻井工具从地面钻出一个圆柱形通道，通向地下的油气层，我们把这个圆柱形通道称为井筒或井眼。井眼直径有大有小，小的井眼一般在15.24厘米或以下，相当于成年人的拳头那么大；大的井眼超过50.8厘米，比常用的洗脸盆还大。
我国钻井历史悠久，最早可追溯到北宋庆历年间的卓筒井，比西方还早800多年，非常了不起，堪称中国“第五大发明”。1835年，我国钻成了世界第一口深度超千米的“卓筒井”。1907年，我国在陕西延长县打成“中国陆上第一口油井”——延1井，井深81米。这口井结束了中国陆上不产石油的历史，点燃了中国现代石油工业的火星。
对于钻井而言，最核心的钻井工具是钻头，作为钻井技术中的“重器”，它的重要作用就是破碎地层岩石，向油气层挺进。有一句行话叫“钻头不到，油气不冒”，就是说要把地下的油气资源采掘到地面来，必须用钻头把岩石打穿或者打透，打到油气显示层。钻头以上是由配合接头、钻铤、加重钻杆、钻杆等钢管，通过螺纹一根一根连接成我们俗称的钻柱。钻柱就这样通过一根一根地连接不断增加深度，直达油气层。这样的钻柱像是一根空心的细管子，钻井液从地面泵入钻柱内，在钻柱末端又流进外径比钻柱要大一些的钻头里，钻头底部上有一些小孔，钻井液就通过这些小孔到达井底，将钻井产生的岩石碎屑运送到地面，地面又通过一定手段分离岩石碎屑和钻井液，分离的钻井液又继续泵入钻柱内，这样的往复循环，就如同血液循环一样。
什么是钻井液呢？一开始，就是泥浆。这种泥浆是黏土的微小颗粒在水中分散并与水混合形成的半胶体悬浮液。不过，随着钻井领域的不断发展，我们能够对泥浆进行化学处理，形成了不含黏土的泥浆。此时把它再叫泥浆就不准确了，因此，统一叫做“钻井液”。钻井液最基本的功能有以下几点：一是携带和悬浮钻头破碎地层产生的碎屑；二是在所钻井眼井壁上形成泥饼，以稳固钻开的地层；三是通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力和地层坍塌压力；四是可以冷却钻头破碎地层、钻具与井壁摩擦产生的热量，从而延长钻头使用寿命；五是传递水动力，钻井液在地面通过泥浆泵向钻柱内泵入高流速的钻井液，到达钻头处时可以形成高流速用于冲击井底，从而提高钻井速度和破岩效率。
为了不污染地层水、防止地层坍塌、保障钻井安全，钻井工人们需要在井眼钻到一定深度时，中断钻井 ，“加固”井眼，以保证钻井能够继续顺利进行。加固井眼是进行钻井过程中一项非常重要、耗时不长但是耗费很高的工作。
怎么加固呢？加固井眼之前需要将井眼中的钻头和钻杆取出来，然后向井眼内插入一根根比钻头外径小的优质金属钢管，俗称套管，紧接着在金属钢管与井壁的环形空间填充优质水泥，让金属钢管和地层紧紧粘接在一起。不同井眼所需要的“加固”次数也不相同，而每加固一次，钻头外径就小一级。最常见的套管层数为三层或四层，全世界最复杂井眼的套管层数已经超过十层，“加固”井眼的过程，专业上俗称为固井。
通常，钻井过程有三开三固。一开一固，就是指形成一个井眼，下入钢管、注入水泥固井。“一开”的目的，是在地表岩石比较疏松、易垮塌的情况下，防止浅层水受污染，封闭浅层流砂、砾石层及浅层气，支撑井口设备装置，悬挂依次下入的各层套管。通常需要一开钻出一个比较大尺寸的井眼，深度一般为300-500米。二开二固，一般情况下，就是正常形成一个到达目标产层顶部的井眼，并下入钢管、注水泥固井。“二开”的目的，是封隔坍塌地层及高压水层，以及不同的压力体系，保障这一井眼继续钻井的需要。三开三固，也就是钻开油气层位，固井完井，形成油气开采通道。“三开”的目的，是为油气生产提供流通通道，保护产层、分层测试、分层采油、分层改造。正常情况下，我们通常采用“三开三固”，从而保护加固地表层位、减小钻井事故、保障长期生产的需要。就像钻开复杂断层、涌水涌泥等复杂多变山体的隧道，需要不断浇筑水泥保护一样，在一些难度较大的区域，特别是海洋，甚至需要四开四固、五开五固、六开六固。
在最后一次固井完成后，接下来的任务就是要建造油气进入井眼的通道。具体操作就是把更小的钢管放入已经“加固”好的套管内。这个更小的钢管就是我们通常说的油管，油管的底部就是油气的入口，油气通过油管流到地面，这个过程专业上称为完井。
在油气钻探中，下入套管的作用很多，除了防止井眼坍塌、浅表水污染外，套管还是地面设备的支撑点，可以控制从井眼出来的流体流量的大小。套管作用不同，类型也多样，我们将它分为导管、表层套管、技术套管、油层套管或生产套管。
完成了钻井、固井和完井之后，配上地面井口装置，就形成了“油气”通向地面的人工通道，这就是大家耳熟能详的“井”。为了把更多的地下油气藏中的油气采掘到地面来，石油人发明了各式各样的“井”。例如，从地下产出原油的“井”称为采油井，产出天然气的“井”称为采气井。采油井、采气井也称为“生产井”。在地面将水注入油气地层中的“井”称为“注水井”，将气注入油气地层中的“井”称为“注气井”。注水井、注气井也称为“注入井”。
近代以来，油气钻井技术突飞猛进。毫不夸张地说，现在的钻井技术水平很高，几乎可以钻任意井眼轨迹，或者具有多个分支的井眼来连通地下油气层。为了开发一些特殊地理位置，比如海洋、山区、城市的油气，我们可以使井眼在地下随意转弯，从而到达最终目标，这被称为定向井眼。定向井眼的轨迹有时非常复杂，可能水平最高超的赛车选手在定向井轨迹上行驶都会觉得困难。从类型上看，有的是使井眼垂直钻到一定深度后，在水平方向上钻井的水平井，有的是钻出更复杂的像“鱼骨”形状一样的水平井眼，有的甚至钻出比珠穆朗玛峰更深的井……
我们石油人有句行话，登天难，入地也难，入地比登天更难。现今油气井眼长度，也就是行业内所说的井深，最长已超过万米，即十千米以上。例如，陆上最长的钻井在俄罗斯萨哈林岛完钻，总进尺14600米，至今保持世界最深井记录，比目前我们已知的，深度达到11034米的，号称地球上最深海沟的“马里亚纳海沟”，还深3566米。这口井的深度比珠穆朗玛峰的8844.43米还多出5756米。目前，亚洲陆上第一深井是我国塔里木轮探1井，8882米深。这口井，标志着塔里木油田打开了塔里木盆地深层巨大的油气宝库，掀开了8000米以下超深层勘探新的一页。
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