ปิโตรเลียม
องค์ประกอบ

ในความหมายอย่างแคบที่สุด ปิโตรเลียมความหมายถึงเฉพาะแต่น้ำมันดิบ แต่ในความหมายทั่วไป คำว่า "ปิโตรเลียม" รวมไปถึงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นทั้งของแข็ง ของเหลวและแก๊ส ภายใต้ความดันพื้นผิวและสภาพอุณหภูมิ ไฮโดรคาร์บอนที่เบากว่าอย่างมีเทน อีเทน โพรเพน และบิวเทน อยู่ในสถานะแก๊ส ขณะที่เพนเทนและไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่าอยู่ในรูปของเหลวหรือของแข็ง อย่างไรก็ดี ภายใต้แอ่งกักเก็บน้ำมันใต้พิภพ สัดส่วนของแก๊ส ของเหลวและของแข็งขึ้นอยู่กับสภาพใต้พิภพและแผนภาพของภาค (phase diagram) ของสารผสมปิโตรเลียม
บ่อน้ำมันผลิตน้ำมันดิบได้มากกว่าปิโตรเลียมอย่างอื่น ขณะที่มีแก๊สธรรมชาติละลายอยู่บ้าง เพราะความดันที่พื้นผิวน้อยกว่าใต้พิภพ แก๊สบางชนิดจึงหลุดออกจากสารละลายและสามารถนำกลับคืนหรือเผาไหม้เป็นแก๊สธรรมชาติที่พบร่วมกับน้ำมัน (associated gas) หรือแก๊สธรรมชาติที่ละลายปนอยู่ใน้ำมันดิบ (solution gas) บ่อแก๊สผลิตแก๊สธรรมชาติเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ด้วยอุณหภูมิและความดันใต้พิภพสูงกว่าที่พื้นผิว แก๊สจึงอาจมีไฮโดรคาร์บอนที่หนักกว่าอย่างเพนเทน เฮกเซน และเฮปเทนในสถานะแก๊สด้วย ที่สภาพพื้นผิว สารเหล่านี้จะควบแน่นออกจากแก๊ส และเกิดเป็นแก๊สธรรมชาติเหลว ซึ่งแก๊สธรรมชาติเหลวเหล่านี้มีลักษณะภายนอกคล้ายแก๊สโซลีนและมีองค์ประกอบคล้ายคลึงกับน้ำมันดิบเบาที่ระเหยง่ายบางชนิด
สัดส่วนของไฮโดรคาร์บอนเบาในสารผสมปิโตรเลียมมีความแตกต่างกันมากตามแหล่งน้ำมันต่าง ๆ มีตั้งแต่ 97% โดยน้ำหนักในน้ำมันเบา ไปจนถึง 50% โดยน้ำมันในน้ำมันหนักและยางมะตอย
ไฮโดรคาร์บอนในน้ำมันดิบส่วนใหญ่เป็นแอลเคน ไซโคลแอลเคน และไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกหลายชนิด ขณะที่สารประกอบอินทรีย์อื่นมีไนโตรเจน ออกซิเจนและกำมะถัน และมีโลหะอยู่บ้าง เช่น เหล็ก นิกเกิล และวานาเดียม องค์ประกอบโมเลกุลที่แม่นยำแตกต่างกันอย่างมากตามรูปแบบของไฮโดรคาร์บอน แต่สัดส่วนของธาตุเคมีองค์ประกอบแตกต่างกันคอ่นข้างน้อยดังตารางด้านล่าง
| ธาตุ | พิสัยร้อยละ |
| --- | --- |
คาร์บอน: 83 ถึง 87
ไฮโดรเจน: 10 ถึง 14
ไนโตรเจน: 0.1 ถึง 2
ออกซิเจน: 0.05 ถึง 1.5
กำมะถัน: 0.05 ถึง 6.0
โลหะ: < 0.1
มีโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกต่างกันสี่แบบพบในน้ำมันดิบ สัดส่วนร้อยละของแต่ละแบบนั้นแตกต่างกันไปในน้ำมันแต่ละชนิด ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของน้ำมันชนิดนั้น ๆ
| ไฮโดรคาร์บอน | เฉลี่ย | พิสัยร้อยละ |
| --- | --- | --- |
| พาราฟิน | 30% | 15 ถึง 60 |
| แนฟทีน | 49% | 30 ถึง 60 |
| อะโรมาติก | 15% | 3 ถึง 30 |
| แอสฟัลทีน | 6% | ที่เหลือ |
น้ำมันดิบมีลักษณะปรากฏแตกต่างกันมากโดยขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของน้ำมัน ส่วนใหญ่มีสีดำหรือน้ำตาลเข้ม แม้อาจจะมีสีออกเหลือง ออกแดง หรือออกเขียวบ้าง ในแหล่งกักเก็บ น้ำมันดิบมักพบร่วมกับแก๊สธรรมชาติ ซึ่งเบากว่า เกิดเป็นแหล่งปิโตรเลียมที่มีทั้งแก๊สและน้ำมัน (gas cap) เหนือปิโตรเลียม และน้ำเกลือซึ่ง หนักกว่ารูปแบบน้ำมันดิบส่วนใหญ่ โดยปกติจะจมลงข้างใต้ น้ำมันดิบอาจพบในรูปกึ่งของแข็งซึ่งผสมกับทรายและน้ำ ดังที่พบในทรายน้ำมันอธาบาสกา (Athabasca) ในแคนาดา ซึ่งมักเรียกว่าเป็น ยางมะตอยดิบ ในแคนาดา ยางมะตอยถูกมองว่าเป็นน้ำมันดิบรูปแบบที่เหนียว สีดำ คล้ายกับน้ำมันดินซึ่งหนาและหนักเสียจนกระทั่งมันต้องได้รับความร้อนหรือละลายก่อนที่จะไหลได้ เวเนซุเอลามีปริมาณน้ำมันในรูปทรายน้ำมันโอริโนโค (Orinoco) มากเช่นกัน แม้ไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในทรายน้ำมันดังกล่าวมีลักษณะเป็นของเหลวมากกว่าที่พบในทรายน้ำมันในแคนาดา และมักเรียกว่าเป็น น้ำมันดิบหนักพิเศษ (extra heavy oil) ทรัพยากรทรายน้ำมันเหล่านี้ถูกเรียกว่า น้ำมันไม่ใช่แบบธรรมดา (unconventional oil) เพื่อแยกแยะน้ำมันเหล่านี้จากน้ำมันที่สามารถแยกได้โดยใช้วิธีบ่อน้ำมันแบบเก่า ระหว่างทั้งสอง แคนาดาและเวเนซุเอลามียางมะตอยและน้ำมันดิบหนักพิเศษรวมกันที่ประเมินไว้ 3.6 ล้านล้านบาร์เรล (570×109 ม.3) เกือบสองเท่าของปริมาตรสำรองน้ำมันดิบแบบธรรมดา (conventional oil) ของโลก
โดยปริมาตร ปิโตรเลียมส่วนใหญ่ใช้เพื่อผลิตน้ำมันเชื้อเพลิงและแก๊สโซลีน ซึงทั้งสองเป็นแหล่ง "พลังงานปฐมภูมิ" ที่สำคัญ 84% โดยปริมาตรของไฮโดรคาร์บอนที่มีอยู่ในปิโตรเลียมถูกเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงที่อุดมไปด้วยพลังงาน (เชื้อเพลิงจากปิโตรเลียม) รวมทั้งแก๊สโซลีน ดีเซล น้ำมันเจ็ต น้ำมันให้ความร้อน (heating oil) และน้ำมันเชื้อเพลิงอื่น ๆ ตลอดจนแก๊สปิโตรเลียมเหลว น้ำมันดิบระดับเบากว่าให้ผลผลิตผลิตภัณฑ์เหล่านี้มากที่สุด แต่แหล่งสำรองน้ำมันเบาและกลางของโลกได้หมดไปแล้ว โรงกลั่นน้ำมันจำเป็นต้องผ่านกระบวนการน้ำมันหนักและยางมะตอยเพิ่มขึ้น และใช้วิธีการอันซับซ้อนและแพงในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เพราะน้ำมันดิบที่หนักกว่ามีคาร์บอนมากเกินไปและมีไฮโดรเจนไม่พอ กระบวนการเหล่านีโดยทั่วไปแล้วมีทั้งการนำคาร์บอนออกจากหรือเพิ่มไฮโดรเจนเข้าไปในโมเลกุล และใช้การแตกโมเลกุลด้วยสารเร่งปฏิกิริยา (fluid catalytic cracking) เพื่อเปลี่ยนโมเลกุลที่ยาวและซับซ้อนในน้ำมันเป็นโมเลกุลที่สั้นกว่าและเรียบง่ายกว่าในเชื้อเพลิง
ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูง การขนส่งที่ง่ายและค่อนข้างอุดมสมบูรณ์ ทำให้น้ำมันกลายเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุดของโลกตั้งแต่กลางคริสต์ทศวรรษ 1950 ปิโตรเลียมยังเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์เคมีหลายชนิด รวมทั้ง เภสัชภัณฑ์ ตัวทำละลาย ปุ๋ย สารกำจัดศัตรูพืช และพลาสติก ปริมตรของไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ใช้ในการผลิตพลังงาน 16% จะถูกเปลี่ยนมาเป็นหนึ่งในวัตถุดิบเหล่านี้ ปิโตรเลียมพบในชั้นหินเนื้อพรุนในชั้นหินบนบางพื้นที่ของเปลือกโลก นอกจากนี้ยังมีปิโตรเลียมในทรายน้ำมัน ปริมาณน้ำมันสำรองที่ทราบกันประเมินไว้ที่ราว 190 กิโลเมตร3 (1.2 ล้านล้านบาร์เรล) โดยไม่คิดทรายน้ำมัน หรือ 595 กิโลเมตร3 (3.74 ล้านล้านบาร์เรล) หากคิดรวมทรายน้ำมัน การบริโภคปัจจุบันอยู่ที่ 84 ล้านบาร์เรลต่อวัน (13.4×106 ม.3) หรือ 4.9 กิโลเมตร3 ต่อปี ซึ่งทำให้ปริมาณน้ำมันคงเหลือสามารถใช้ต่อไปได้อีก 120 ปี หากความต้องการปัจจุบันคงที่