目前，委內(nèi)瑞拉已探明石油儲(chǔ)量 3000 億桶，約占全球已探明儲(chǔ)量的 17%，居世界首位。然而，近期關(guān)于委內(nèi)瑞拉恢復(fù)出口的新聞中，常出現(xiàn)一句評(píng)價(jià)：“委內(nèi)瑞拉的石油質(zhì)量不好”。這質(zhì)量不好究竟指的是什么？
很多人說(shuō)石油質(zhì)量，其實(shí)常把幾個(gè)概念混在一起，石油是個(gè)統(tǒng)稱(chēng)概念，既可以指地下采出來(lái)的液態(tài)烴資源(更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō)是原油)，也可能泛指后續(xù)煉出來(lái)的汽油、柴油、煤油、潤(rùn)滑油、瀝青等石油產(chǎn)品。
原油則更具體，它是從地下開(kāi)采出來(lái)、尚未經(jīng)過(guò)煉化的原始油，是一種成分復(fù)雜的混合物。而我們?nèi)粘Ｓ玫娜剂虾突ぴ?，是原油進(jìn)入煉廠后，通過(guò)蒸餾、裂化、加氫、脫硫等工藝加工分餾出來(lái)的。所以下面討論的“質(zhì)量”，主要說(shuō)的是原油品質(zhì)，它決定了這桶油要經(jīng)過(guò)多少加工、花多少成本，才能變成合格的成品油。
原油是一個(gè)復(fù)雜混合物，它的密度有輕有重、含硫量有高有低，而這些決定了原油質(zhì)量的好壞，密度越大，硫含量越高，原油品質(zhì)就越差；密度越小，硫含量越低，原油品質(zhì)就越好。今天我們就從科學(xué)角度解析委內(nèi)瑞拉石油的特點(diǎn)，以及這些特點(diǎn)帶來(lái)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響。
原油質(zhì)量指標(biāo)——密度、硫和雜質(zhì)
原油通常用 API 度(API 度是美國(guó)石油學(xué)會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng) API)，制訂的用以表示石油及石油產(chǎn)品密度的一種量度。國(guó)際上把 API 度作為決定原油價(jià)格的主要標(biāo)準(zhǔn)之一)表示密度。API 度越高意味著油越輕，含有的輕質(zhì)烴越多，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單蒸餾就能生產(chǎn)出汽柴油和航煤；API 度低的重質(zhì)油則包含更多大分子烴，需要更復(fù)雜昂貴的加工。
API 分為輕質(zhì)油(>30°)、中質(zhì)油(22.3–31.1°)、重質(zhì)油(<22.3°)，其中特重質(zhì)原油 API 度低于 10°，像瀝青一樣黏稠。
密度只是其中一個(gè)指標(biāo)，硫含量也是評(píng)判石油的關(guān)鍵，天然硫含量高的油被稱(chēng)為高硫油即“酸油”，而硫含量較低的油被稱(chēng)為低硫油即“甜油”。高硫油需耗費(fèi)大量氫氣和催化劑脫硫才能符合燃料標(biāo)準(zhǔn)。
重質(zhì)油不僅密度大，往往還含有大量瀝青質(zhì)、金屬釩、鎳等，還有氮化物。研究指出，重質(zhì)油粘度高，富含瀝青質(zhì)和重?zé)N，這些雜質(zhì)在加工過(guò)程中容易毒化催化劑、造成結(jié)焦和腐蝕，因此要采取保護(hù)性催化劑或精制催化劑并配合深度轉(zhuǎn)換流程才能轉(zhuǎn)化成清潔燃料[4]。
委內(nèi)瑞拉出產(chǎn)的大多數(shù)原油屬于重質(zhì)油或特重質(zhì)原油。例如一份 2006 年的分析顯示，Merey16 原油 API 度為 16.0°，37.8°C 下粘度高達(dá) 461.8cSt，硫含量約 2.80%；另一種 BCF17 原油 API 度 16.9°、硫 2.53%；較輕的 Mesa 原油 API30.0°、硫 1.01%?？梢?jiàn)委內(nèi)瑞拉原油普遍密度大、硫含量高，屬于重質(zhì)高硫類(lèi)型。
剛才提到過(guò) API 度越低，密度越高，油從易流動(dòng)的液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闉r青狀固體。以委內(nèi)瑞拉 TiaJuana 油田為例，一種重原油在 37.8°C 條件下的運(yùn)動(dòng)粘度約 88.6cSt，API 僅 12.3°；而同一地區(qū)的一種輕原油粘度僅 8.8cSt，API31.9°。這樣的差異使得重質(zhì)油在儲(chǔ)運(yùn)、加工和價(jià)格上都與輕質(zhì)油截然不同。
此外，重質(zhì)油、硫含量高于 1% 的常常屬于高硫油。硫及其它氮、金屬雜質(zhì)決定了脫硫和加氫設(shè)備的規(guī)模，高硫油會(huì)形成腐蝕性硫化物并引發(fā)氫致開(kāi)裂。因此，質(zhì)量不好并不只是黏度大，而是密度、硫和雜質(zhì)共同決定。
委內(nèi)瑞拉的油如此重的地質(zhì)成因
委內(nèi)瑞拉之所以擁有大量重質(zhì)油，與其獨(dú)特的地質(zhì)歷史有關(guān)。委內(nèi)瑞拉的大部分探明石油儲(chǔ)量都集中在奧里諾科重油帶，這是地球上最大的特重原油儲(chǔ)區(qū)之一?？蒲匈Y料表明，這些重質(zhì)油是原先較輕的原油在地下長(zhǎng)時(shí)間被微生物生物降解的結(jié)果，微生物會(huì)優(yōu)先消耗易揮發(fā)的輕烴，留下高碳含量的大分子，使原油 API 度下降、黏度升高、含硫量上升。
更重要的是，重質(zhì)油儲(chǔ)量集中在狹長(zhǎng)的奧里諾科重油帶。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在一份報(bào)告中指出，該區(qū)域約 50000 平方千米，地下蘊(yùn)藏著超過(guò) 1 萬(wàn)億桶的重質(zhì)油資源，其中大約 5130 億桶被認(rèn)為技術(shù)上可采，是全球最大的可采重質(zhì)油聚集區(qū)之一。這一儲(chǔ)層中的原油普遍 API 低于 10°，呈超重油或特重質(zhì)原油性質(zhì)，密度接近甚至超過(guò)水，被稱(chēng)為天然瀝青。
高瀝青質(zhì)和膠質(zhì)意味著石油分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量多環(huán)芳烴和非烴成分。這些分子不但增加黏度，還會(huì)在加工過(guò)程中導(dǎo)致催化劑中毒、結(jié)焦和沉積。因此，委內(nèi)瑞拉的重質(zhì)油資源寶庫(kù)實(shí)際上是一座需要大量技術(shù)和資金才能開(kāi)發(fā)的黑金礦。
生產(chǎn)與運(yùn)輸過(guò)程中的
稀釋劑和煉油裝置
在采出端，委內(nèi)瑞拉的超重質(zhì)油猶如瀝青，沒(méi)有稀釋劑根本流不動(dòng)。路透社的報(bào)道指出，委內(nèi)瑞拉油田約三分之二產(chǎn)量是重質(zhì)油，這種油取出時(shí)呈黏稠狀，流動(dòng)性差，必須用石腦油稀釋才能通過(guò)管道運(yùn)輸。
重質(zhì)油的稀釋劑通常靠進(jìn)口或從煉廠副產(chǎn)中回收，一旦稀釋劑供應(yīng)受限，產(chǎn)量就會(huì)大幅下降。為了降低黏度，生產(chǎn)商常把特重質(zhì)原油與輕質(zhì)油摻混出售，這就是市場(chǎng)上見(jiàn)到的合成原油或稀釋瀝青(Dilbit)。
除了稀釋?zhuān)瘍?nèi)瑞拉還建設(shè)了煉油裝置，通過(guò)延遲焦化和加氫裂化等工藝把 API 度 8–10° 的原油升級(jí)成 API25–30° 的合成油。這些裝置投資巨大，需要持續(xù)供應(yīng)氫氣和催化劑，一旦停運(yùn)或缺乏維護(hù)，原油只能以高黏度形態(tài)出口，運(yùn)輸成本更高。
不過(guò)，無(wú)論采用哪種路徑，重質(zhì)油都依賴(lài)稀釋劑供應(yīng)和煉油裝置運(yùn)行。近年來(lái)，由于制裁和基礎(chǔ)設(shè)施老化，稀釋劑進(jìn)口和煉油裝置維護(hù)頻繁受阻，這也是委內(nèi)瑞拉重質(zhì)油產(chǎn)量波動(dòng)的關(guān)鍵原因。
煉化挑戰(zhàn)：
只有復(fù)雜煉廠才能消化重質(zhì)油
重質(zhì)油并非不能用，只是需要匹配的煉油能力。重質(zhì)油由于黏度大、硫和金屬含量高，需要大量前端投入進(jìn)行延遲焦化、加氫裂化、深度脫硫等裝置，否則難以生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的汽柴油，因此重質(zhì)油在市場(chǎng)上往往以折扣價(jià)出售。
與此同時(shí)，重質(zhì)油的瀝青質(zhì)和金屬含量會(huì)毒化催化劑，使催化劑壽命縮短，需要安裝保護(hù)催化劑并頻繁更換。只有那些投資巨大、復(fù)雜度高的煉廠才能消化得了大量重質(zhì)油。
在煉化流程中，重質(zhì)油最大的難題是所謂“渣油”(桶底油)，經(jīng)過(guò)常壓和減壓蒸餾后剩下的高沸點(diǎn)餾分，其中集中了更多的金屬和雜質(zhì)。要把渣油轉(zhuǎn)化成高價(jià)值燃料，需要采用雙重策略，首先通過(guò)加氫脫硫/脫氮去除硫和氮，并利用保護(hù)催化劑，然后通過(guò)熱裂解或催化裂解打斷長(zhǎng)鏈烴分子。典型的深度轉(zhuǎn)換裝置包括延遲焦化(Coking)、加氫裂化(Hydrocracking)、流化催化裂化(FCC)。
由于這些深度轉(zhuǎn)換單元能耗高、氫耗大，處理一桶重質(zhì)油所需的能源和成本遠(yuǎn)高于輕質(zhì)油，因此即便投入大量資金，重質(zhì)油成品仍可能難以與輕質(zhì)低硫油競(jìng)爭(zhēng)。
經(jīng)濟(jì)與環(huán)境影響：成本高、排放高
質(zhì)量不好還體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境賬上。重質(zhì)油開(kāi)采通常采用蒸汽驅(qū)或井下加熱，能耗高，后續(xù)還要升級(jí)和稀釋才能運(yùn)輸，整個(gè)鏈條耗能遠(yuǎn)高于輕質(zhì)油。
美國(guó)自然資源保護(hù)委員會(huì)的一份報(bào)告指出，高碳排放強(qiáng)度原油(HCICO)包括油砂、煤制油以及委內(nèi)瑞拉重油等，這些油品生產(chǎn)過(guò)程能耗大、排放高，需要額外的能量進(jìn)行采收或升級(jí)。這意味著，除了技術(shù)挑戰(zhàn)外，重質(zhì)油在全球減排趨勢(shì)下也面臨更大壓力。
從經(jīng)濟(jì)角度看，質(zhì)量偏低的重質(zhì)油在市場(chǎng)上通常需要對(duì)比布倫特原油(是一種產(chǎn)自北海的原油，被用作國(guó)際原油定價(jià)的基準(zhǔn)之一)大幅折價(jià)才能吸引買(mǎi)家。路透社報(bào)道，委內(nèi)瑞拉旗艦原油 Merey 在市場(chǎng)的報(bào)價(jià)曾低于布倫特原油 14–15 美元/桶，差價(jià)較上年翻倍，買(mǎi)家之所以要求折價(jià)，是因?yàn)檫@種重質(zhì)油含硫高、黏度大、運(yùn)輸和保險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)高。當(dāng)國(guó)際市場(chǎng)出現(xiàn)更多受制裁的廉價(jià)原油時(shí)，委內(nèi)瑞拉的重質(zhì)油不得不進(jìn)一步降價(jià)才能銷(xiāo)售。
在環(huán)境方面，斯坦福大學(xué)的研究指出，學(xué)術(shù)研究表明，委內(nèi)瑞拉和加拿大是全球碳排放強(qiáng)度最高的原油生產(chǎn)國(guó)之一。這是因?yàn)槠涫痛蠖鄟?lái)自特重質(zhì)原油儲(chǔ)層，提取需要高能耗的熱采或蒸汽驅(qū)。高能耗和蒸汽強(qiáng)化采油使委內(nèi)瑞拉油田的生產(chǎn)排放遠(yuǎn)高于全球平均水平。
因此，重質(zhì)油不僅技術(shù)門(mén)檻高，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境成本也同樣高昂。未來(lái)，如果不能通過(guò)綠色氫、碳捕集封存等技術(shù)降低排放強(qiáng)度，這些資源可能會(huì)在低碳轉(zhuǎn)型中受到限制。
結(jié)語(yǔ)
石油一直是生活里繞不開(kāi)的基礎(chǔ)原料。在現(xiàn)代意義的石油工業(yè)的一百多年里，人類(lèi)當(dāng)然更喜歡先用那些好采、好煉的輕質(zhì)原油，因?yàn)樗∈?、成本也低。但隨著這些資源被持續(xù)開(kāi)采，剩下和新增的資源結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，市場(chǎng)上越來(lái)越常見(jiàn)的是更重、更黏、雜質(zhì)更多的原油。同時(shí)，從儲(chǔ)量角度看，天然重油、油砂瀝青、油頁(yè)巖等重質(zhì)資源的體量非常大，也越來(lái)越常被拿來(lái)討論其開(kāi)發(fā)潛力。
也正因?yàn)檫@類(lèi)資源量大但難伺候，重質(zhì)油及超重質(zhì)油的開(kāi)采和利用的重要性會(huì)逐步上升。它們的麻煩主要來(lái)自三件事：黏度高、雜質(zhì)多、加工鏈條更長(zhǎng)。如果在熱采與稀釋、升級(jí)改質(zhì)、深度煉化以及減排技術(shù)上持續(xù)進(jìn)步，就有機(jī)會(huì)把這些原本難用的油，變成更穩(wěn)定的燃料和化工原料來(lái)源，對(duì)未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)保障化石能源供給具有重要意義。更現(xiàn)實(shí)地說(shuō)，誰(shuí)能掌握這類(lèi)資源的成套技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈能力，誰(shuí)就更可能在未來(lái)的能源安全與工業(yè)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。
策劃制作
作者丨楊超 深圳理工大學(xué)科普主管 中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員 分析化學(xué)博士
審核丨田志堅(jiān) 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員 博士生導(dǎo)師 化石能源與應(yīng)用催化研究部部長(zhǎng)
策劃丨徐來(lái)
(“科普中國(guó)”微信公眾號(hào))