ปิโตรเลียม

ศัพทมูลวิทยา

คำว่า petroleum พบในแหล่งอังกฤษโบราณสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 10 (โดยสะกดว่า "petraoleum")  และพบใช้ในศาสตรนิพนธ์ De Natura Fossilium ตีพิมพ์ใน ค.ศ. 1546 โดยนักแร่วิทยาชาวเยอรมัน จอร์จ เบาเออร์ (Georg Bauer) หรือที่รู้จักกันว่า จอเจียส อกริโคลา (Georgius Agricola)  ในคริสต์ศตวรรษที่ 19 คำว่า petroleum พบใช้บ่อยโดยหมายถึงน้ำมันแร่ที่ผลิตโดยการกลั่นจากของแข็งอินทรีย์ที่ขุดขึ้นมา อย่างถ่านหินเทียน (cannel coal) หรือที่ภายหลังเรียกว่า หินน้ำมัน และน้ำมันกลั่นซึ่งผลิตขึ้น ในสหราชอาณาจักร การเก็บรักษา (และภายหลังรวมถึงการขนส่ง) น้ำมันเหล่านี้ถูกวางระเบียบโดยชุดของพระราชบัญญัติปิโตรเลียม นับตั้งแต่พระราชบัญญัติปิโตรเลียม ค.ศ. 1862 เป็นต้นมา

แหล่งน้ำมันดิบ

แหล่งน้ำมันดิบจะเกิดขึ้นได้ต้องมีสามเงื่อนไข คือ หินกำเนิดซึ่งอุดมไปด้วยสารไฮโดรคาร์บอนฝังอยู่ลึกเพียงพอที่ความร้อนใต้พิภพจะเปลี่ยนให้เป็นน้ำมัน, หินกักเก็บมีรูพรุนและซึมผ่านได้เพื่อให้น้ำมันไปสะสม, และหินครอบหรือหินปิดกั้น หรือกลไกอื่นซึ่งกันมิให้มันไหลออกสู่พื้นผิว ภายในแหล่งน้ำมันเหล่านี้ ของไหลโดยแบบจะจัดเรียงเป็นสามชั้น โดยมีน้ำอยู่ข้างใต้ น้ำมันอยู่กลาง และแก๊สอยู่บน แม้ชั้นต่าง ๆ จะมีขนาดแตกต่างกันไปตามแหล่ง เพราะไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่เบากว่าหินหรือน้ำ จึงมักไหลตัวขึ้นข้างบนผ่านชั้นหินที่อยู่ติดกันกระทั่งถึงพื้นผิวหรือถูกกักไว้ในหินรูพรุน (ซึ่งรู้จักกันว่า แหล่งกักเก็บ) โดยมีชั้นหินที่ผ่านไม่ได้อยู่ข้างบน อย่างไรก็ดี กระบวนการนี้ได้รับอิทธิพลจากการไหลของน้ำบาดาล ทำให้น้ำมันสามารถเคลื่อนตัวได้หลายร้อยกิโลเมตรตามแนวระดับ หรือแม้กระทั่งลงไประยะสั้น ๆ ก่อนจะถูกกักในแหล่งกักเก็บ เมื่อไฮโดรคาร์บอนเข้มข้นขึ้นในแหล่งกักนั้น ก็จะเกิดเป็นบ่อน้ำมัน ซึ่งของเหลวสามารถสกัดออกมาได้ด้วยการขุดเจาะและการปั๊ม
ปฏิกิริยาที่ผลิตน้ำมันและแก๊สธรรมชาติมักจำลองแบบว่าเป็นปฏิกิริยาการสลายลำดับแรก โดยไฮโดรคาร์บอนถูกสลายเป็นน้ำมันและแก๊สธรรมชาติโดยกลุ่มปฏิกิริยาคู่ขนาน แล้วน้ำมันจะถูกสลายเป็นแก๊สธรรมชาติโดยปฏิกิริยาอีกกลุ่มหนึ่ง ซึ่งกลุ่มหลังนี้ใช้กันปกติในโรงงานปิโตรเคมีและโรงกลั่นน้ำมัน

การค้นพบปิโตรเลียม

นักโบราณคดีเชื่อว่าประมาณ 2,500 ปีก่อนคริสตกาล อารยธรรมบาบิโลเนีย เป็นกลุ่มแรกที่มีการใช้น้ำมันเป็นเชื้อเพลิงแทนไม้ และเมื่อประมาณ 1,000 ปีก่อนคริสตกาล ชาวจีนเป็นชาติแรกที่มีการทำเหมืองถ่านหินและขุดเจาะบ่อแก๊สธรรมชาติลึกเป็นระยะร้อยเมตรได้
ซามูเอล เอ็ม เกียร์ (Samuel M. Kier)  เป็นบุคคลแรกที่ถือได้ว่าขุดพบน้ำมัน โดยในปี พ.ศ. 2391 เขาได้ขุดพบน้ำมันโดยบังเอิญจากบ่อที่เขาขุดขึ้นบนฝั่งแม่น้ำอัลเลเกนี (Allegheny) ในรัฐเพ็นน์ซิลวาเนีย (Pennsylvania) และตั้งชื่อน้ำมันดังกล่าวว่า น้ำมันซีนีกา (Seneca oil)  ซึ่งเป็นชื่อพื้นเมืองอเมริกัน ต่อมาเมื่อเกิดภาวะขาดแคลนน้ำมันปลาวาฬ ซึ่งขณะนั้นนิยมใช้เป็นเชื้อเพลิงให้แสงสว่าง และใช้เป็นน้ำมันหล่อลื่นสำหรับเครื่องยนต์ต่าง ๆ กันอย่างแพร่หลาย จึงเป็นแรงผลักดันให้มีการแสวงหาปิโตรเลียมมาใช้ทดแทน และนำไปสู่การจัดตั้งบริษัทเจาะหาน้ำมันชื่อ บริษัทซีนีกาออยส์ จำกัด (Seneca Oil Company)  ขึ้นมา
ในช่วงปี พ.ศ. 2402 เป็นช่วงของ ยุคตื่นน้ำมัน ซึ่งเริ่มจากการที่ เอ็ดวิน แอล เดรก (Edwin L. Drake)  ถูกส่งไปเจาะสำรวจหาน้ำมันที่เมืองทิทัสวิลล์ (Titusville) ในรัฐเพ็นน์ซิลวาเนีย (Pennsylvania) และเขาได้ขุดพบน้ำมันที่ระดับความลึก 69.5 ฟุต โดยมีน้ำมันไหลออกมาด้วยอัตรา 10 บาเรลต่อวัน จึงถือเป็นการเริ่มต้นธุรกิจน้ำมันในเชิงพาณิชย์ของโลกนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา
สำหรับประเทศไทยนั้นมีหลักฐานปรากฏนับเป็นเวลามากกว่าร้อยปีมาแล้วว่า เจ้าหลวงเชียงใหม่ได้รับรายงานว่ามีการไหลซึมออกมาของปิโตรเลียมที่ฝาง และชาวบ้านในบริเวณนั้นได้ใช้น้ำมันดิบนี้เป็นยาทาแก้โรคผิวหนัง เจ้าหลวงเชียงใหม่จึงได้รับสั่งให้มีการขุดบ่อตื้นขึ้น เพื่อกักเก็บน้ำมันดิบที่ไหลซึมออกมานี้ไว้ และเป็นที่เรียกขานกันในเวลาต่อมาว่า "บ่อหลวง" ต่อมาในปี พ.ศ. 2464 พระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระกำแพงเพ็ชรอัครโยธิน เมื่อครั้งทรงดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการรถไฟ ได้ทรงริเริ่มนำเข้าเครื่องเจาะมาเพื่อทำการเจาะสำรวจหาน้ำมันดิบ ในบริเวณที่มีผู้พบน้ำมันดิบไหลขึ้นมาบนผิวดินที่บ่อหลวง และยังทรงว่าจ้างนักธรณีวิทยาชาวอเมริกันเข้ามาสำรวจหาน้ำมันดิบ และถ่านหินในประเทศไทยอีกด้วย

การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม

การสำรวจหาแหล่งปิโตรเลียม เป็นการหาพื้นที่ซึ่งอาจมีชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมอยู่ โดยสามารถแบ่งขั้นตอนได้เป็นดังนี้

ขั้นตอนการขุดเจาะ (Drilling)

เป็นการขุดเจาะหลุมเพื่อการผลิต โดยหลังจากที่ทำการสำรวจทางธรณีวิทยา จนทราบว่าน่าจะมีปิโตรเลียมอยู่ในบริเวณใดบ้าง ก็จะต้องทำการเจาะหลุมสำรวจ (Exploration Well) โดยใช้วิธีสุ่มเจาะ เพื่อสำรวจหาปิโตรเลียมในบริเวณที่ยังไม่เคยมีการเจาะพิสูจน์มาก่อน จากนั้นก็จะมีการประเมินคุณค่าทางเศรษฐกิจและหาขอบเขตของแหล่งกักเก็บนั้น เพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งกักเก็บนี้มีปริมาณมากพอในเชิงพาณิชย์ จึงจะทำการเจาะหลุมเจาะเพื่อนำปิโตรเลียมที่สะสมตัวอยู่นั้นขึ้นมาใช้ประโยชน์ต่อไป
หลังจากที่สำรวจทางธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ด้วยการวัดคลื่นความไหวสะเทือน (Seismic Survey) และแปลความหมายเพื่อหาแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมอยู่ตรงส่วนใดบ้างใต้พื้นดินและกำหนดจุดเพื่อทำการเจาะสำรวจ คราวนี้ก็เป็นหน้าที่ของเจ้าหน้าที่ฝ่ายขุดเจาะที่ต้องทำการเจาะ "หลุมสำรวจ" (Exploration Well) โดยใช้วิธีเจาะสุ่มซึ่งเราจะเรียกหลุมชนิดนี้ว่า ‘หลุมแรกสำรวจ’ (Wildcat Well) เพื่อสำรวจหาปิโตรเลียมในบริเวณที่ยังไม่เคยมีการเจาะพิสูจน์เลย จากนั้นเมื่อถึงขั้นตอนของการประเมินคุณค่าทางเศรษฐกิจและหาขอบเขตของแหล่งกักเก็บปิโตรเลียม เราจะเจาะหลุมที่เรียกว่า "หลุมประเมินผล" (Delineation Well) และหลังจากที่เราแน่ใจแล้วว่ามีแหล่งกักเก็บปิโตรเลียมในปริมาณที่มากพอในเชิงพาณิชย์ เราจึงเจาะ "หลุมเพื่อการผลิตปิโตรเลียม" (Development Well) เพื่อนำปิโตรเลียมที่สะสมตัวอยู่ใต้พื้นดินขึ้นมาใช้ประโยชน์ต่อไป
การขุดเจาะหลุมเพื่อสำรวจและผลิตปิโตรเลียมนั้นเป็นงานที่ท้าทายและมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากเราต้องขุดไปที่ความลึกประมาณ 3-4 กิโลเมตรใต้พื้นทะเล ในสมัยก่อนการขุดเจาะหลุม 1 หลุมนั้นต้องใช้เวลากว่า 60 วัน โดยใช้งบประมาณกว่า 5 ล้านดอลลาร์สหรัฐ ต่อหลุมซึ่งถือว่าเป็นการลงทุนที่สูงและมีความเสี่ยงมาก เพราะหากเราขุดไปแล้วพบปริมาณน้ำมันหรือแก๊สธรรมชาติที่ไม่คุ้มค่าในเชิงพาณิชย์ การลงทุนนั้นก็สูญเปล่า แต่ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาและทันสมัยมากยิ่งขึ้น ระยะเวลาในการขุดเจาะลดลงเหลือเพียง 4-5 วันต่อ 1 หลุม และใช้งบประมาณน้อยลงกว่าเดิม

ขั้นตอนการผลิต (Production)

หลังจากที่มีการขุดเจาะเอาปิโตรเลียมขึ้นมาแล้ว ปิโตรเลียมที่ได้ก็จะผ่านเข้าสู่กระบวนการต่าง ๆ บนแท่นเพื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาตินั้น เพื่อนำเอาน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติไปใช้ในการผลิต

ขั้นตอนการสละหลุม (Abandonment)

ในกรณีที่ของหลุมที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์แล้ว จะมีการอัดซีเมนต์ลงไปตามท่อผลิต เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลที่มีอยู่ในชั้นหินไหลไปสู่ชั้นหินอื่น ซึ่งอาจไปทำลายชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมใกล้เคียง หรือเข้าไปปนเปื้อนกับชั้นน้ำใต้ดินได้

การผลิตปิโตรเลียม

เมื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ น้ำมันดิบจะถูกส่งผ่านไปยังสถานีแยกปิโตรเลียมเพื่อแปรสภาพให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปชนิดต่าง ๆ ที่เหมาะสมต่อการใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

การแยก (Separation)

โดยส่วนใหญ่จะแยกโดยวิธีการกลั่นลำดับส่วน (Fractional Distillation)  โดยอาศัยความแตกต่างของจุดเดือดของสารประกอบไฮโดรคาร์บอนแต่ละชนิดที่รวมอยู่ในน้ำมันดิบ โดยนำน้ำมันมาให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 368-385 องศาเซลเซียส แล้วผ่านเข้าไปในหอกลั่น น้ำมันที่ร้อนจะกลายเป็นไอลอยขึ้นไปยอด และควบแน่นเป็นของเหลวตกลงบนถาดรองรับในแต่ละช่วงของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ จากนั้นของไหลในถาดก็จะไหลออกมาตามท่อเพื่อน้ำไปเก็บแยกตามประเภท และนำไปใช้ต่อไป

การเปลี่ยนโครงสร้าง (Conversion)

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจมีคุณภาพที่ไม่ดีพอ จึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างของน้ำมัน ให้น้ำมันที่ได้มีคุณภาพที่ดี เหมาะแก่การนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

การปรับคุณภาพ (Treating)

เป็นการกำจัดสิ่งแปลกปลอมออกจากน้ำมันน้ำมันที่ได้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแล้ว ซึ่งสิ่งแปลกปลอมที่สำคัญจะเป็นสารจำพวกกำมะถัน ซึ่งจะใช้วิธีการฟอกด้วยไฮโดรเจน หรือฟอกด้วยโซดาไฟเพื่อเป็นการกำจัดสารนั้นออก

การผสม (Blending)

คือการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้มาเติมหรือผสมสารที่เหมาะสม เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตามที่ต้องการ เช่น การผสมน้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มเลขออกเทน หรือผสมน้ำมันเตาเพื่อให้ได้ความหนืดตามที่ต้องการ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี คืออุตสาหกรรมที่นำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบและจากการแยกแก๊สธรรมชาติมาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อผลิตเคมีภัณฑ์ต่าง ๆ แบ่งได้ดังนี้
1. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นต้น (Upstream petrochemical industry)
2. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นกลาง (Intermediate petrochemical industry)
3. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นปลาย (Downstream petrochemical industry) 
1. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นต้น (Upstream petrochemical industry) 
เป็นการนำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ได้จากแก๊สธรรมชาติหรือน้ำมันดิบ เช่น เมทานอล เอทิลีน และเบนซีน มาผลิตเป็นสารโมเลกุลขนาดเล็ก เรียกว่า มอนอเมอร์ (monomer) เป็นวัตถุดิบตั้งต้นในอุตสาหกรรมปิโตรเคมีขั้นต่อไป
2. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นกลาง (Intermediate petrochemical industry) 
เป็นการนำผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปิโตรเคมีขั้นต้นมาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเคมีภัณฑ์ขั้นกลาง เช่น ฟอร์มอลดีไฮด์ เอทิลีนออกไซด์ เอทิลเบนซีน เพื่อป้อนให้กับอุตสาหกรรมขั้นปลาย
เป็นการนำมอนอเมอร์จากอุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นต้นมาผลิตพอลิเมอร์ที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ขึ้น ผลิตภัณฑ์ในขั้นนี้อาจอยู่ในรูปของพลาสติก วัตถุดิบที่ใช้ผลิตเส้นใยสังเคราะห์ ยางสังเคราะห์ สารซักล้าง สารเคลือบผิว และตัวทำละลาย ผลิตภัณฑ์จากอุตสาหกรรมขั้นต่อเนื่องอาจนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ 
3. อุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นปลาย (Downstream petrochemical industry) 
เป็นการนำผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปิโตรเคมีขั้นต้นหรือขั้นกลางไปผ่านกระบวนการต่าง ๆ เพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นปลาย ผลิตภัณฑ์ที่ได้ในขั้นนี้อาจอยู่ในรูปของพลาสติก วัตถุดิบที่ใช้ผลิตเส้นใยสังเคราะห์ ยางสังเคราะห์ สารซักล้าง สารเคลือบผิวและตัวทำละลาย ผลิตภัณฑ์จากอุตสาหกรรมขั้นปลายนี้ อาจนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ 
เป็นการนำมอนอเมอร์จากอุตสาหกรรมปิโตรเคมีภัณฑ์ขั้นต้นมาผลิตพอลิเมอร์ที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ขึ้น ผลิตภัณฑ์ในขั้นนี้อาจอยู่ในรูปของพลาสติก วัตถุดิบที่ใช้ผลิตเส้นใยสังเคราะห์ ยางสังเคราะห์ สารซักล้าง สารเคลือบผิว และตัวทำละลาย ผลิตภัณฑ์จากอุตสาหกรรมขั้นต่อเนื่องอาจนำไปใช้เป็นสารตั้งต้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ

การบริโภคน้ำมัน

จากข้อมูลสารสนเทศด้านพลังงานของประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประมาณการใช้ปิโตรเลียมในปี 2554 มากว่า 87.41 ล้านบาร์เรลในแต่ละวัน
ตารางนี้สั่งปริมาณปิโตรเลียมที่บริโภคในปี 2554