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重要能源中的石油


实验室k / 2018-12-22

       世界石油大规模开采和应用是20世纪发生的大事。1900年,世界石油的开采量为2千万吨,1950年达5亿吨。1966年石油首次超过煤炭成为世界第一大能源,占能源总消费量的54%,2000年石油开采量达35.5亿吨,2009年达38.8亿吨。由于水电、核电和煤炭等的发展,石油占能源总消费的40%,仍居第一。在20世纪,石油产业衍生了几乎所有的现代工业,改变了世界上人类衣、食、住、行的各个方面。20世纪被称为“石油世纪”,石油被称为“黑色金子”。

       从20世纪40年代起,石油的重要性还在于除用作各个部门的动力燃料外,对化学工业的发展起了更重要的作用。以石油为基础原料,通过化学工业制造出了3000多种产品,占据国民经济的各个领域,例如,合成塑料、合成橡胶、合成纤维、化肥和医药等,为现代工农业的发展提供物质基础。

       石油在世界上的分布很不均匀,据2000年统计,在已探明的石油总储量约3750亿吨中,中东地区占65%,拉丁美洲占9%,欧洲占8%,非洲占7%,北美洲占6%,亚太地区占4%。

       按2009年统计,石油的可采储量为1838亿吨,以每年采油40亿吨计,可采45年,即到本世纪中期,石油就将枯竭。

       我国在1948年生产石油不足10万吨。20世纪60年代初发现了大庆油田,1963年发现山东胜利油田,1964年发现天津大港油田,……1978年石油产量突破1亿吨,1995年达1.5亿吨。2009年达1.9亿吨,占世界石油产量近39亿吨的5%。随着我国经济发展,而国内石油储量不丰,产量增加不多,2009年我国消耗石油4亿吨,半数以上靠进口,今后进口数量还将增加。

       《环球科学》杂志2009年11月载文《石油100年都用不完》。这和上面所列情况有很大差异,哪一个可信?应怎样看待?

       由于新的采油技术将大幅度提高油田采收率,新的勘探技术将发现更多的石油储量,新的估计应当可信。采油技术主要决定于化学科学的发展。借助先进的化学科学,按现在的采油量,21世纪石油不会短缺。

       埋藏在地下的石油,不是以油的湖泊或充满洞穴的油体存在,而是油、水及天然气组成类似糖浆的黏稠液体,储存于沙石的缝隙和毛细孔中,和水渗入到浮石中相似。当钻井到油层,石油摆脱了岩石的长期囚禁,油层内部的压力将油液(包括泥沙和岩石碎片)驱向油井,自喷到地面。这个过程通常会持续几年,直到压力消耗殆尽。这阶段得到的油称一次采油,采收率通常达10%-15%。经过自喷阶段后,为了帮助部分剩余石油透过岩石孔隙渗出到油井中,就需要将水或天然气注入地下,将油挤出油井,称为二次采油,依靠这种方式能使采出率达到20%-40%。近十年来,由于从一开始就逐步采用先进技术,一次采油和二次采油界限已变得模糊。要想采得更多石油,就需要加热油层或用化学试剂降低石油的黏度和阻力。常用的化学试剂为表面活性剂,它可以包住油形成小油滴,这种化学方法的总采出率可达60%,称为三次采油。

       早在三四十年前,许多人就预计石油只能开采四五十年。但今天一种新的观点出现,认为石油100年都用不完,他们依据的理由有下面三点:(1)石油的储量按现在的估计,常规的可达1万亿吨(7-8万亿桶),非常规石油储量(包括超重油、沥青沙和页岩油)与常规石油储量大致相当。(2)新技术使采收率提高,20世纪80年代约为20%,现已达35%。(3)地球上只有大约1/3的面积经过充分勘探(主要在北美洲),新的勘探技术,包括深井和海床钻探可使石油储量大幅度增加。

       由于石油资源在世界各地的分布差异很大,上述估计对中东和美国等地区是比较接近的,但对我国就不适用了。现在我国就已经有半数石油依靠进口,石油储量可用100年的估计不适用于我国。而且特别要以此估计来作警钟,要自力更生,比富藏石油的国家早几十年解决严重石油短缺所带来的困扰。化学应为解决这个困扰发挥重大作用。

       石油资源虽然可用100年,但是要看到下面三个问题:(1)石油是不可再生能源,若现在不努力开辟新能源,100年后怎么办?(2)现在石油大半是炼制成汽油、煤油和柴油等燃料油,主要用来开飞机、汽车、轮船、火车等交通工具,也用来发电成为二次能源。这些燃料油只用它和氧气燃烧放出的化学能,将燃烧产物CO2和H2O排放到大气之中,增加了大气中CO2的浓度,和低碳生产背道而驰。(3)从原子经济观点看,在一切化学工业中要充分利用原子组成的物质,使上一家生产排放的废料,成为下一家的原料,整体生产中没有物质浪费掉。

       石油的主要成分是碳和氢,它们的含量分别在84%-87%和11%-14%,两者合计占96%-99%。由于含氢量高,石油的发热量比煤高很多,硫、氧、氮及其他元素的总含量只占1%-4%,含硫的多少是评价石油质量的一项主要指标,通常含硫量>2%的原油称高硫油,低于0.5%为低硫油,炼制石油时,要严格采取脱硫措施。由于石油的成分主要是碳氢化合物,已有的化学方法能比较容易地转化为其他国民经济所需的产品,这种化学工业通称为石油化工。

       石油化工是以石油为原料,在催化剂作用下,通过催化反应,获得化工产品,其品种有3000多种,涉及国民经济的各个部门,例如轻工、纺织、农药、医药、电子、文化用品、通信、机械等各个领域。世界化工总产值在20世纪末达1万亿美元,其中80%以上的产品均和石油化工有关。单以乙烯为例,20世纪末,乙烯的年产量达5000万吨,以乙烯为原料用不同的催化剂和反应条件可得许多中间产品和不同性质的各种中下游产品。

       上述石油能源的情况给化学家提出明确的任务:(1)提高开采石油的采收率;(2)配合其他科技加快可再生能源的利用,代替燃油;(3)发展石油化工,廉价、高效地生产高质量的合成高分子材料及润滑油等特种油品。总之,要合理地使用剩余的石油,减少对地球环境的污染,使子孙后代可持续地发展。


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