Petroleum - Sekiyu (English spelling)

Japanese: 石油 - せきゆ（英語表記）petroleum

Petroleum is the general term for crude oil that is naturally produced underground and the various liquid fuels and petroleum products that are obtained by refining and processing it, such as lubricants. Needless to say, petroleum is the most important resource in modern times as an energy source and as a raw material for the chemical industry. It originates from organic matter in ancient organisms that was absorbed into the earth's sedimentary layers, and is a type of fossil fuel, just like coal. The word petroleum originates from the Latin terta (rock, stone), and is derived from the Greek petros (rock) and oleum (oil).

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

History of petroleum use and its expansion

The history of petroleum is extremely old, and in regions such as Mesopotamia and Persia, there are remains of petroleum that prove that it was known to people at least from around 3200 BC. In ancient records, the Old Testament describes the use of asphalt to waterproof Noah's Ark, and in Japan, the Nihon Shoki records that in 668 (the 7th year of Emperor Tenchi's reign), combustible water and combustible soil were presented to the Imperial Court from the province of Echigo (Niigata Prefecture). This combustible water was also called "kusozu," and the characters for "smelly water" and "kusasei water" were used. At the time, of course, crude oil and asphalt that had naturally seeped onto the surface of the earth were simply collected.

It is said that crude oil extraction by hand was started in Burma and along the Caspian Sea in the 13th century, and simple oil refining was also carried out in the 16th and 17th centuries. In Japan, there is a record of Magara Nihee of Echigo obtaining kerosene in 1613 (Keicho 18) using a simple distillation device called Ranbiki.

Later, in 1848, British chemist J. Young was the first to research and patent the production of kerosene, lubricating oil, etc., through distillation and chemical processing of crude oil or coal dry distillation tar that welled up from coal mines. Young's method was introduced to America, where it came to be called coal oil, and the production of refined lighting fuel (kerosene) from crude oil and coal became widespread, replacing the traditional vegetable oil and animal oil.

In Japan, it is said that in 1850 (Kaei 3), the Dutch physician Yamashita Shinsai from Niigata produced kerosene for medicinal purposes from crude oil. However, until the first half of the 19th century, petroleum was only used to a limited extent in a few oil-producing regions for lighting, waterproofing, lubrication, and medicinal purposes.

The oil industry's modern success began in 1859 when E. L. Drake, an engineer for the Seneca Oil Company in the United States, successfully drilled the first oil well (21 meters deep) using a rope-drilling machine in Oil Creek, Pennsylvania. This is considered the first modern oil well, and the same year is considered the birth of the global oil industry.

In Japan, in the Meiji era, Ishizaka Shuzo (1832-1903), who noticed the promising potential of kerosene over vegetable oil for lighting, established the Nagano Coal and Oil Company in 1871 (Meiji 4) with the assistance of his brother-in-law Yamaoka Tesshu and others. He purchased an oil well drilling machine from America and carried out exploratory drilling in Nagano, Niigata and Shizuoka prefectures (Sagara), but ultimately failed. The first modern oil field in Japan was the Amase oil field in Niigata prefecture. In this field, hand-dug wells had been exploratory drilled since 1880 by Kato Naoshige and others, and in 1886 they successfully extracted oil. Subsequently, in 1888, the Japan Oil Company was established with the aim of full-scale development of the Amase oil field, and in 1890, a rope drilling machine was introduced from America to expand production, and the first modern oil field was developed. This is considered the birth of Japan's modern oil industry. However, in the second half of the 19th century, the main use of petroleum was still to produce kerosene for lighting, and gasoline fractions were considered a dangerous by-product and there were difficulties in disposing of them.

It was from the end of the 19th century or the beginning of the 20th century that the uses of petroleum changed dramatically and became significantly more diverse, and the initial impetus for this was the invention of the electric light by American T. Edison in 1879, the invention of the gasoline-engine automobile by G. Daimler in 1883, and the invention of the diesel engine by R. Diesel in 1893. Furthermore, the importance of petroleum increased during the First and Second World Wars, which had a major impact on the development of the petroleum industry.

First, in the 20th century, the spread of electric lighting led to the decline of oil lamps and a decline in the demand for kerosene, but heavy oil and asphalt began to be used, and the development of automobiles meant that gasoline, which had previously been waste, became an important petroleum product. In particular, the demand for gasoline increased dramatically after H. Ford founded the Ford Motor Company in 1903 and established its own mass production method within a few years. Furthermore, the First World War led to the rapid development of aircraft, and the production of high-octane gasoline also gradually developed. Meanwhile, steamships and warships gradually became diesel-powered, and marine fuel gradually shifted from coal to heavy oil. In addition, small high-speed diesel engines made significant progress between the First and Second World Wars, and the use of diesel as fuel for automobiles, locomotives, tractors, etc. also increased. Accompanying these advances in internal combustion engines, lubricants also gradually became more diverse and more luxurious.

Kerosene, which first appeared for lighting purposes, was transformed into a household fuel, and found great uses especially after World War II. Similarly, liquefied petroleum gas (LPG), a by-product of petroleum refining, became popular as a household fuel after the war. After World War II, the main type of aircraft shifted from propeller planes to jet planes, and jet fuel became an important petroleum product. At the same time, automobile engines became more powerful, surpassing wartime aircraft engines, and high-octane gasoline began to be used.

Since the 1950s, the world's largest oil fields have been developed in the Middle East, and oil has become available in large quantities at low cost in many countries. Thus, the throne of the energy source shifted from coal to oil, ushering in an era of mass oil consumption and triggering the so-called energy revolution. Meanwhile, with the development of the petrochemical industry, a shift from coal to oil as a raw material for the chemical industry also progressed in parallel.

At that time, the oil interests of the free world, such as the development of Middle Eastern oil fields, were mostly controlled by eight international oil companies (major) including the United States and the United Kingdom, but in 1960, five oil-exporting countries, Saudi Arabia, Iran, Iraq, Kuwait, and Venezuela, formed OPEC (Organization of the Petroleum Exporting Countries), and the number of member countries increased to 13 countries, gradually strengthening resource nationalism and increasing their influence. In particular, from around 1970, the interests of the eight international oil companies were reduced, and they gained the right to independently adjust crude oil prices and supply volumes. In October 1973, during the Fourth Arab-Israeli War, they unilaterally announced a large increase (about four times) in the official price of crude oil, which led to the so-called first oil crisis (oil shock). Furthermore, in 1979, the second oil crisis caused by the Iranian Revolution caused crude oil prices to skyrocket even more (about 20 times higher than before the first crisis). These have had a major impact on the world economy, and oil consumption, which had been increasing rapidly, has reached a plateau, but oil still accounts for about 42% of the world's total energy, and if petroleum-derived natural gas is added, the figure reaches about 64%. In recent years, however, oil prices have been falling rapidly since peaking in 1983 due to increased crude oil production in non-OPEC countries such as the UK (North Sea) and Mexico, and global cuts in oil consumption.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Cause

Petroleum is produced from strata of various geological eras, but about 60% is said to belong to the Mesozoic era (247 million to 65 million years ago). Since the 1800s, there has been a debate about its origin between inorganic and organic origin theories. Because hydrocarbons can be synthesized inorganically, inorganic origin theorists argue that hydrocarbons were synthesized from carbon and hydrogen deep underground, or that hydrocarbons existed at the time of the creation of the Earth, based on the deep earth theory, which claims that hydrocarbons were synthesized from carbon and hydrogen deep underground, or the cosmological theory, which claims that hydrocarbons existed at the time of the creation of the Earth, and believe that either type of hydrocarbon accumulated efficiently over a long period of time to become petroleum. Organic origin theorists believe that organic matter, consisting of the remains of plants and animals, produces crude oil through chemical reactions, and experimentally extracted a crude oil-like substance from organic matter in sedimentary rocks to support the organic origin theory.

What settled this debate was the discovery of trace amounts of substances (biological indicators, biomarkers) in existing crude oil that could only have come from living organisms. For example, optically active organic substances such as porphyrins, which are derivatives of hemin (hemoglobin in red blood cells) and chlorophyll (chlorophyll in plants), as well as cholesterol, carotene, and terpene derivatives, were found in crude oil. This confirmed the theory of the organic origin of petroleum.

The organic matter that became petroleum originated from plankton and algae that had accumulated on the bottom of ancient oceans and lakes, or the remains of terrestrial organisms carried by rivers, and was gradually deposited along with sediment. Over time, the sediments were buried deep underground, and the organic matter that had accumulated along with the finest clay in the sediment was concentrated in shale, which became a rock due to its specific gravity. Shale that contains a lot of organic matter is called petroleum source rock. About 90% of the organic matter in petroleum source rock is kerogen, a solid that is insoluble in organic solvents and is made up of an aggregate of polymeric compounds. This kerogen is derived from the Greek word keros, which means something that makes petroleum or wax. The remaining 10% is organic matter that is soluble in organic solvents, and is called extractable organic matter or bitumen, and hydrocarbons are contained in this bitumen. Biological organic matter is composed of carbohydrates, proteins, lipids, and lignin, and also contains small amounts of hydrocarbons and pigments. These components are broken down by microorganisms into sugars, amino acids, fatty acids, and other elements. After that, they are incorporated into sediments, and some of them are converted into hydrocarbons by decarbonation and deamination and preserved as bitumen, but most of them condense to form humus, which undergoes repeated condensation polymerization under reducing conditions to become kerogen. The most recent theory of origin is that kerogen in oil source rocks produces petroleum hydrocarbons as the ground temperature increases with burial, based on the fact that petroleum-like substances are produced by thermal distillation of kerogen, and petroleum has been discovered at certain depths underground in oil field regions around the world. Depending on the differences in the organic matter before it is transformed into kerogen, it is classified into types that are prone to producing petroleum (such as algae) and types that are prone to producing gas (such as terrestrial higher plants).

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Exploration

If oil remains generated in the source rock, it cannot be produced. Shale has fine particles and very small pores, which prevent the oil from moving. For oil to be producible, it must be concentrated and stored in an oil reservoir. An oil reservoir is not an underground cavity, but a layer of rock such as sandstone or limestone that has plenty of pores. These rocks are called reservoir rocks. In order to store oil, the reservoir rock needs to be covered with a dense rock (cap rock) that prevents the oil from moving elsewhere.

Such a structure is called a trap, and a typical example is an anticlinal trap. Oil exploration is to find these underground traps, but it is extremely difficult to find oil thousands of meters underground in a vast area of hundreds or thousands of square kilometers. To develop oil, the first step is to obtain mining rights by taking steps such as preliminary survey of the target area, applying for mining rights, negotiating concessions, and bidding. In the early stages of exploration, aerial photograph analysis, magnetic survey by aircraft, and gravity survey are carried out for wide-area geological surveys. Next, surface geological surveys and sampling are carried out at the places where underground deposits are exposed on the surface, and geochemical analysis, paleontological surveys, and sedimentological analysis are carried out to research and evaluate the stratigraphic age, rock properties, and oil production potential of source rocks. Seismic exploration, which is carried out as a detailed survey, uses explosives or machines to vibrate the crust on land, and receives and records the reflected waves from the underground strata to search for the presence of oil field structures (traps). In offshore areas, compressed air blasting is used as the seismic source. The results of these surveys are interpreted comprehensively to determine the location of the exploratory well, which is then drilled on the oil field structure. The depth of the exploratory well is usually 3,000 to 4,000 meters, but sometimes it can reach 5,000 meters. The cost of one well is 500 to 1 billion yen on land, and 3 to 5 billion yen offshore. Based on the results of the exploratory well, the profitability of the oil field is examined, and a decision is made whether to proceed to production and development, or to abandon the mining rights. The probability of discovering oil through exploratory wells is 1 in 10, and if the oil is large enough to be produced, this decreases to 1/4. In other words, even if 100 wells are drilled, only 2 to 3 will discover a commercial oil field. Oil exploration is a riskier business than any other.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

crude oil

Unrefined petroleum that is produced and extracted from underground is called crude oil. It is generally a viscous oily substance that is dark brown or dark green and contains some muddy water.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

composition

The main component is a complex mixture of various hydrocarbons with 5 to 40 carbon atoms, but it also contains dissolved gaseous hydrocarbons (wet natural gas), and also contains small amounts of sulfur, oxygen, nitrogen compounds, and small amounts of metal compounds as non-hydrocarbon components. These non-hydrocarbon components are particularly abundant in the high boiling point fractions.

Petroleum hydrocarbons are broadly classified into four types: paraffins, olefins, naphthenes (cycloparaffins), and aromatic hydrocarbons. Paraffin and naphthenic hydrocarbons are most abundant in crude oil, while aromatic hydrocarbons are relatively scarce. Olefinic hydrocarbons are easily produced when petroleum is thermally decomposed, but are rarely found in crude oil. The composition of these four types of hydrocarbons is clear in low-boiling fractions such as gasoline and kerosene, but high-boiling fractions such as heavy oil and lubricating oil consist of complex mixtures of "highly paraffinic components" in which one molecule has a long alkyl side chain attached to a single naphthenic ring, and "highly naphthenic components" in which several naphthenic rings are also attached to aromatic rings, making the distinction between the hydrocarbon groups unclear.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Properties

Generally, the specific gravity of hydrocarbons is lower for paraffins than for naphthenes, and for the same group, low boiling components are lower than high boiling components, so the specific gravity of crude oil correlates with its composition, and crude oil is often classified according to its specific gravity. Domestic crude oil is classified into light oil (0.830 or less), heavy oil (0.905 or more), and medium oil in between, depending on the specific gravity (D15/4°C/density ratio at 15°C to water at 4°C), with light oil being mostly paraffinic and heavy oil being mostly naphthenic. For imported crude oil, API degree established by the American Petroleum Institute is used. This value is calculated from the specific gravity (D60/60°F: density ratio at 60°F to water at 60°F) using the following formula:

Contrary to normal specific gravity, the lighter the crude oil, the higher the API grade, and a specific gravity of 1.0 is an API grade of 10. Paraffin-based crude oil is light and rich in paraffinic hydrocarbons, has a high yield of gasoline fraction, and although the octane number of straight-run gasoline is low, it can be used as a raw material for high-quality diesel and lubricants, and the residual oil contains a lot of paraffin wax. On the other hand, naphthene-based crude oil is heavy and rich in naphthenic hydrocarbons, has a low yield of gasoline fraction, but the octane number of straight-run gasoline is relatively high, and the residual oil contains a lot of asphalt. Intermediate-based crude oil shows intermediate properties between these two. In addition, crude oil with a high sulfur content is called sour crude oil, and crude oil with a low sulfur content is called sweet crude oil.

Middle Eastern crude oil, which is the main source of crude oil imported to Japan, is generally paraffin-based and mostly sour.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Crude oil reserves, production and consumption

The distribution of oil on the planet is extremely uneven, with the Middle East accounting for about 57% of the confirmed crude oil reserves of about 111.1 billion kiloliters (1984), and if North America, the former Soviet Union, and North Africa are added, more than 80% of the world's crude oil is concentrated in these four major regions. Meanwhile, the former Soviet Union, the United States, and Saudi Arabia alone account for nearly 50% of the world's annual crude oil production of about 3.15 billion kiloliters (1984). In recent years, other major oil-producing countries include the United Kingdom, which developed the North Sea oil fields, and Mexico, which has rapidly increased its oil production. The majority of this crude oil production can be considered to be equivalent to oil consumption, but the United States consumes about 900 million kiloliters of oil per year, and if we add the former Soviet Union and Japan, which come second, about 50% of the world's oil is consumed by these three countries alone. Before World War II, the United States was an oil exporting country, but now, due to a sharp increase in consumption, it only meets about 65% of its demand with domestically produced oil, making it the world's largest oil importer (the United Kingdom became a self-sufficient and exporting country with the development of the North Sea oil fields). The Soviet Union, which completely met its demand with domestically produced oil and supplied oil to other socialist countries, is also questionable as to whether it will be able to continue to be completely self-sufficient in the future. In any case, while the United States is the largest oil producing country, Japan, the world's third largest oil consuming country, has very little oil resources (about 450,000 kiloliters per year) produced in the oil fields of Niigata, Akita, and Yamagata prefectures, and imports about 99.8% of its demand from the Middle East and other regions.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Recoverable years

The ratio of proven reserves R to annual crude oil production P (R/P) is called the recoverable years, and is used as a guide to estimate the lifespan of an oil field and petroleum resources; in 1984, this value was about 35 years worldwide. However, considering that the recoverable years in 1950 were about 20 years and in 1960 were about 35 years, it is not possible to immediately judge the lifespan of petroleum from this value. This is because, while the world's crude oil production and oil consumption have traditionally increased year by year, new oil fields that exceed production have been developed and proven reserves have been updated year by year, so the recoverable years have not fluctuated significantly and have remained in a state of equilibrium. However, since the 1970s, the amount of new oil fields discovered in the Middle East, the world's largest oil treasure trove, has dropped sharply, and while new oil fields have been developed in the North Sea, Alaska, Mexico, China and other regions during this time, the scale of these developments is still smaller than the enormous amount developed in the Middle East, and the increase in the world's proven crude oil reserves has gradually plateaued. On the other hand, as mentioned above, the oil crisis of 1973 caused oil consumption (production) to decline or plateau between 1974 and 1976 for the first time in the history of oil, and the increase has since slowed. The oil crisis caused a global economic recession, but it also promoted conservation in oil consumption and had the effect of extending the lifespan of oil, if only somewhat.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Ultimate Reserves

The total amount of crude oil reserves on the earth, including undiscovered oil fields, is called the ultimate reserves, compared to the confirmed reserves of developed oil fields. Although the true value cannot be known, Moody's estimates the ultimate reserves to be 304 billion tons based on geological and statistical calculations, assuming that in the future it will be possible to drill offshore oil fields to a depth of 2000 meters and that the oil recovery rate will be up to 40%. Of this, 48 billion tons were produced by 1976, and the remaining estimated reserves for that year were 256 billion tons (155 billion tons with a 95% probability of discovery, and 460 billion tons with a 5% probability). Considering the increase in the world's total energy consumption due to the rapid increase in the world population in the future, it is estimated that the remaining reserves will only be enough for a few decades to meet the demand for oil, and it is believed that oil's main role in energy will end by the first half of the 21st century.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Petroleum Refining

Although crude oil can sometimes be used as fuel as it is (raw burning of crude oil), most of it is refined into various petroleum products.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Distillation of crude oil

First, the crude oil is distilled at atmospheric pressure to remove moisture and impurities, and then it is separated into distillation gas, naphtha, kerosene, and diesel fractions, and the high boiling point fraction that is not distilled becomes atmospheric residual oil. This atmospheric distillation process of crude oil is called topping. The crude oil passes through pipes in a pipe heating furnace (pipe still) at high speed and is heated to the required temperature of about 350°C, and then it is injected into the slightly lower stage of the fractionator. The fractionator is a tall steel tower with dozens of trays inside, and the higher the tray, the lower the temperature is maintained, and the components with lower boiling points condense on the upper trays. There are various types of tray structures, such as bubble cap type and valve type, but currently the valve type tray is the most common, which has many risers (holes) with valve-shaped lids to support the condensate. Oil vapor rising from the lower stages of the distillation tower passes through the riser, pushing up the valve and passing through the condensed liquid on the tray. This gas-liquid contact causes fractions with different boiling ranges to condense on each tray depending on its height, and distillation is carried out continuously. Distillation gases that do not condense in the tower and naphtha, the lowest boiling point fraction, are distilled as oil vapor from the top of the tower, and the naphtha is cooled and condensed. Intermediate fractions such as kerosene and diesel are taken out as side streams from trays at appropriate heights in the tower. The highest boiling point fraction that does not vaporize in the tower is taken out from the bottom of the tower as residual oil. Usually, naphtha is further fractionated into light naphtha and heavy naphtha, and diesel is often separated into its heavy fraction as heavy diesel. The distillation temperatures (boiling point ranges) of each fraction are approximately: light naphtha: 25-100°C, heavy naphtha: 80-200°C, kerosene: 150-270°C, diesel: 200-350°C, heavy diesel: 300-350°C, and atmospheric residual oil: 350°C or higher.

As mentioned above, the distillation temperature is not strictly fixed, but is adjusted appropriately within the range that meets each product standard according to the type of crude oil and the production plan of each refinery. The intermediate distillates such as kerosene and diesel obtained as side streams from the distillation tower are always in contact with the vapor of low boiling point components on the tray, so some of them are dissolved. Since the distillation is incomplete in this state, they are passed through a stripper once, where steam is blown in to evaporate the dissolved low boiling point components, and then sent back to the tray one level above. This operation is called stripping. The residual oil obtained by atmospheric distillation of crude oil is mainly used as it is for heavy oil production, but some of it is further distilled under reduced pressure to produce lubricating oil, asphalt, paraffin wax, etc.

The reason why residual oil is distilled under reduced pressure is because it would crack if it were distilled at a higher temperature, and generally a reduced pressure of 10 to 100 mm of mercury is used. A vacuum distillation apparatus is similar to an atmospheric distillation apparatus for crude oil, except that it is equipped with a vacuum system, and its main components consist of a pipe heating furnace and a vacuum rectification tower. The principle of rectification is exactly the same as that of atmospheric distillation, except that the boiling points of each component decrease under reduced pressure. In this case, vacuum diesel (heavy diesel) is distilled from the top of the tower, and three to four lubricating oil fractions of various viscosities are distilled from the side of the tower depending on the height of the tray, and asphalt is extracted from the bottom of the tower. The various fractions from the tower side are stripped through a stripper, just like in the case of atmospheric distillation. In addition to producing lubricating oil, vacuum distillation of residual oil is also used to separate vacuum diesel as a feedstock for catalytic cracking, and as a pretreatment for the indirect desulfurization of heavy oil. Through fractional distillation of crude oil by atmospheric distillation and residual oil by vacuum distillation, all of the raw materials for fuel oils, lubricants, etc. are obtained. These are sent to various refining processes to produce various petroleum products.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Manufacture and use of various petroleum products

Fuel oils, lubricants, and other products produced using petroleum and natural gas as raw materials are called petroleum products.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

gasoline

Among petroleum products, gasoline requires the most complicated process, and in terms of volume, it is mainly produced for automobiles. Automotive gasoline needs to be mainly composed of isoparaffins and aromatic hydrocarbons with high octane numbers, but naphtha, which is the gasoline fraction in crude oil, is mainly composed of normal paraffins and naphthenic hydrocarbons with low octane numbers, and cannot be used as gasoline as it is. Automotive gasoline is usually prepared by appropriately blending gasoline produced by various methods, such as reformed gasoline, catalytic cracking gasoline, straight-run light gasoline, isomerized gasoline, hydrocracked gasoline, thermal cracking gasoline, and alkylate.

Reformed gasoline is a high-octane gasoline made by catalytically reforming heavy naphtha with a platinum-rhenium catalyst to change its chemical structure, and is used as the main ingredient for gasoline for automobiles. The main reaction is aromatization by dehydrogenation of naphthenic hydrocarbons, and it contains a lot of aromatic hydrocarbons. Catalytic cracking gasoline is a high-octane gasoline obtained by catalytically cracking heavy diesel (vacuum diesel) with a zeolite or silica-alumina catalyst. It is rich in isoparaffins and isoolefins, and is the second main ingredient for gasoline for automobiles after reformed gasoline. Straight-run light gasoline is gasoline refined by sweetening (removal of mercaptans, a foul-smelling acidic substance) or hydrorefining light naphtha, which has a relatively high octane number among naphtha fractions. It cannot be used alone due to its insufficient octane number, but it can be used as a blending material for high-octane gasoline.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Liquefied Petroleum Gas

Liquefied petroleum gas (LPG), mainly consisting of propane and butane, is recovered in gas recovery equipment from crude oil distillation gas and by-product gases from catalytic reforming, catalytic cracking, and hydrocracking, and is used as fuel for households. Note that although propane and butane are normal paraffins, they have a relatively high octane number due to their small molecular weight, and are also used as fuel for automobiles (mainly taxis).

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Kerosene, diesel

It is mainly used as a household fuel for stoves and cooking stoves, and diesel is used as fuel for small high-speed diesel engines in diesel automobiles as well as for trains and ships, and the production of these is easier than that of gasoline.

The main purpose of refining is to remove sulfur, a harmful polluting component, and for this purpose, hydrorefining is carried out. This is a process in which sulfur, oxygen, and nitrogen compounds are selectively decomposed and removed using a cobalt-molybdenum catalyst under hydrogen pressure, and is also used in refining light straight-run gasoline.

[Nobuyoshi Hara and Shunji Sato]

Jet fuel

The jet fuel for jet aircraft is actually called aviation turbine fuel oil, and there are kerosene and naphtha types. The former mainly contains kerosene fractions, while the latter mainly contains heavy naphtha fractions, and is produced by hydrogenation and refinement of these. Jet fuel is a stable fuel with a high calorific value, and of course it has nothing to do with octane number.

[Hara Nobuyoshi and Sato Shunji]

heavy oil

Heavy oil is prepared by mixing atmospheric pressure residual oil and heavy diesel oil, and in Japan it is divided into three types of products: A, B, and C heavy oil, and in this order the amount of diesel oil is smaller (heavy oil C is mostly atmospheric pressure residual oil), and gradually it becomes a product with a high viscosity and high sulfur content. Heavy oil A is mainly used for large diesel engines such as marine use, while heavy oil C is mainly used for power and general boiler fuel, while heavy oil B is used for both purposes.

になったんです。 English: The first thing you can do is to find the best one to do.

Since Japan's imported crude oil is mainly from the Middle Eastern countries, which is high in sulfur, desulfurization of heavy oil for pollution prevention is carried out first in various countries, and desulfurization of C heavy oil, which has the highest sulfur content, is carried out to 1% or less for electricity and 2% or less for general use. Sulfur is recovered from hydrogen sulfide generated by the hydrogenation and desulfurization of kerosene, light oil and heavy oil.

[Hara Nobuyoshi and Sato Shunji]

Lubricants

Lubricating oils are used for all mechanical friction parts for anti-friction, and there are a huge variety of products depending on the application. These oils of material with different viscosity and purification levels are produced from each lubricating oil fraction obtained by vacuum distillation of atmospheric residual oil, and are prepared in a modest manner to make many products. Material oils for general lubricating oils are purified by removing solvents from each fraction and treating clay. Solvent dewaxing is an operation in which the raw material oil is treated and cooled with solvents that are difficult to dissolve waxes, such as methyl ethyl ketone and liquefied propane, and the wax content with a high freezing point is precipitated, and paraffin wax is produced by this operation. Narrowing is an operation in which unstable components that are easily oxidized are adsorbed and removed with active clay.

Furthermore, high-grade lubricating oils, such as lubricating oils for internal combustion engines, which require high viscosity index and excellent stability, are extracted before removal, and remove highly naphthenic components that have inferior properties. As the solvent, phenols and furfurals, which are easily dissolved in naphthenic components, are mainly used, and the removed naphthenic components are for heavy oil preparation. Furthermore, high-grade lubricating oils often remove unstable components by hydrogenation purification, instead of clay treatment.

Depending on the application, various additives such as antioxidants, freezing point depressants, and viscosity index improvers are appropriately added to the lubricating oil. Furthermore, grease is produced by mixing the lubricating oil with a metal soap, and the low viscosity lubricating oil fraction is highly refined to produce colorless, transparent liquid paraffin.

[Hara Nobuyoshi and Sato Shunji]

Other petroleum products

In addition to the above, oil refining also uses a coking method using harsh pyrolysis of heavy petroleum fractions, producing oil coke as an electrode material and carbon material for metallurgy, and pyrolytic gasoline and decomposed light oil are produced by producing by-products. Furthermore, paving material and asphalt as a waterproofing agent are produced from the reduced pressure residual oil.

[Hara Nobuyoshi and Sato Shunji]

Japan's oil situation

になったんです。 English: The first thing you can do

になったんです。 English: The first thing you can do This balance was once well, but due to the development of the petrochemical industry, naphtha was shortfall, and now we are importing some petrochemical naphtha. During the period of high economic growth before the oil crisis, petrochemical naphtha exceeded gasoline consumption, but in the midst of a low growth era, this reversed, and its consumption decreased along with heavy oil.

In 1974, the IEA (International Energy Agency) of the OECD (Institution of Economic Cooperation and Development) planned to mutually restrict crude oil in emergencies in response to the unstable oil supply and demand since the oil crisis, and recommended that member countries be stockpiled with 90 days of consumption by 1980. Based on this, Japan enacted the Oil Stockpiling Act in 1975 (Showa 50), requiring private companies to stockpile 90 days of processing volume, and each oil company established large oil stockpiling bases in Kiire, Kagoshima Prefecture, Okinawa, Hokkaido, and other areas, achieving this stockpiling in March 1981. Meanwhile, the government proposed a plan to achieve a stockpile of 30 million kiloliters in 1978, and began stockpile tanker in the same year, and established six semi-government and semi-private oil stockpile companies from 1979 to 1982 (Mutsou Ogawara, Aomori Prefecture, Eastern Tomakomai, Hokkaido, Oga, Fukui Port, Fukui Prefecture, Shirashima, Fukuoka Prefecture, and Kamigoto, Nagasaki Prefecture). In 1983, the company began storing the stockpile base (tanker stockpile ended in 1985), and achieved the plan in 1989. In 1987, the company proposed that the national stockpile would be from 30 million kiloliters to 50 million kiloliters and the private stockpile would be from 90 to 70 days, and the national stockpile would reach 50 million kiloliters in 1998. In addition, in 2005, national oil and gas stockpile bases were completed in three locations, including Nanao, Ishikawa Prefecture.

As of 2007, the following 12 national oil reserves and oil reserves operating domestically are the following 12 stations: Hokkaido Joint Stockpile, Eastern Tomakomai, Mutsu Ogawara, Kuji, Iwate Prefecture, Kuji, Akita, Niigata Joint Stockpile, Fukui, Kikuma, Shirashima, Kamigoto, Kushikino, Kagoshima Prefecture, and Shibushi, Kagoshima Prefecture. Japan's oil reserves, combined with national and private stockpile, are 92.18 million kiloliters, 182 days' worth (captured as of the end of December 2007).

[Hara Nobuyoshi and Sato Shunji]

"New Petroleum Encyclopedia" edited by the Petroleum Society (Asakura Shoten, 1982)" ▽ "Petitor Handbook" edited by the Nippon Oil Co., Ltd. (1982)" ▽ "New Petroleum Refining Process" edited by the Petroleum Society (1984)"

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

天然に地下から産出する原油およびこれを精製加工して得られる各種液体燃料、潤滑油などの石油製品petroleum productを総称して石油という。石油はいうまでもなく、現代、エネルギー源として、また化学工業原料として、もっとも重要な資源である。地球堆積(たいせき)層に取り込まれた古代生物中の有機物に由来し、石炭と同じく化石燃料の一種である。petroleumという語はラテン語のterta（岩、石）を語源とし、ギリシア語のpetros（岩）とoleum（油）からつくられた。

［原　伸宜・佐藤俊二］

石油利用の歴史と用途の拡大

石油の歴史はきわめて古く、メソポタミア、ペルシアなどの地方では、少なくとも紀元前3200年ころから人々に知られていたことを証する石油の遺跡がある。古い記録では『旧約聖書』にノアの箱舟の防水用としてアスファルトを使うことが記されており、日本でも668年（天智天皇7）に越(こし)の国（新潟県）から燃ゆる水、燃ゆる土を朝廷に献上したことが『日本書紀』に記されている。この燃ゆる水はまた「くそうず」とよばれ、臭水、草生水などの文字があてられた。当時はもちろん地表に自然にしみ出た原油やアスファルトが採取されたにすぎない。

　13世紀ころ、ビルマ、カスピ海沿岸などで、幼稚な手掘りによる原油の採掘が始められたといわれ、16～17世紀ころには簡単な石油の精製も行われたようである。日本でも1613年（慶長18）、越後(えちご)の真柄仁兵衛(まがらにへえ)が蘭引(らんびき)と称する簡単な蒸留装置により灯油を得た記録がある。

　その後1848年イギリスの化学者J・ヤングは、炭坑から湧出(ゆうしゅつ)した原油あるいは石炭乾留タールから、初めて蒸留と化学処理による灯油、潤滑油などの製造を研究して特許を得た。ヤングの方法はアメリカに伝わり、石炭油coal oilとよばれて、従来の植物油、動物油にかわり、原油や石炭から精製灯火用燃料（灯油）の製造が広まった。

　日本でも1850年（嘉永3）、新潟の蘭医山下真斎(しんさい)が、原油から薬用に灯油を製造したと伝えられている。しかし19世紀前半ころまでは、石油は灯火用、防水用、潤滑用、薬用などとして、一部の産油地域でわずかに利用されたにすぎない。

　石油産業が今日の大をなすに至った発端は、1859年、アメリカのセネカ石油会社の技師E・L・ドレークがペンシルベニア州オイルクリークで、初めて綱式機械掘りによる油井の掘削に成功（深度21メートル）したことである。これが近代油井の第1号とされ、同年が世界石油産業誕生の年とされている。

　日本では明治時代に入って、灯火用として植物油に勝る灯油の有望性に着目した石坂周造（1832―1903）が、1871年（明治4）義兄山岡鉄舟らの援助を受けて長野石炭油会社を設立し、アメリカから油井掘削機を購入して、長野県、新潟県、静岡県（相良(さがら)）にかけて試掘を進めたが、結局は失敗した。日本で初めて近代的油田の形を整えたのは新潟県尼瀬(あまぜ)油田である。この油田は加藤直重らにより1880年以来手掘り井の試掘が進められ、1886年に順調な採油に成功した。続いて1888年に尼瀬油田の本格的開発を目的として日本石油会社が設立され、1890年アメリカから綱掘り式掘削機を導入して生産を拡大し、初めて近代的油田の形態に発展した。これが日本の近代石油産業の誕生とされる。しかしなお19世紀後半の石油の用途は灯火用としての灯油の生産が主体で、ガソリン留分はむしろ危険な副産物としてその廃棄に苦労していたのである。

　石油の用途が一変し、著しく多様化したのは、19世紀末ないし20世紀初頭以来で、その最初の動機となったのは、1879年アメリカのT・エジソンによる電灯の発明、1883年G・ダイムラーによるガソリン機関自動車の発明、1893年R・ディーゼルによるディーゼル機関の発明などであった。さらに第一次、第二次世界大戦で石油の重要性が高まり、石油産業の発展に大きい影響を与えた。

　まず20世紀に入り、電灯の普及により石油ランプは後退して灯油の需要が減少したが、重油やアスファルトが利用され始め、自動車の発展によりそれまでの廃棄物のガソリンは重要な石油製品となった。とくに1903年H・フォードがフォード自動車会社を設立し、数年内に独自の量産方式を確立して以来、ガソリンの需要は激増した。さらに第一次大戦を契機として航空機は急速に発達し、これに伴い高オクタン価ガソリンの製造もしだいに発展した。一方、汽船、軍艦などはしだいにディーゼル化が進み、船舶用燃料も石炭からしだいに重油に転換した。また第一次、第二次大戦の間に小型高速ディーゼル機関が著しく進歩し、自動車、機関車、トラクターなどの燃料として軽油の利用も増大した。これらの内燃機関の進歩に付随して、潤滑油もしだいに多品種化、高級化の道をたどっている。

　初め灯火用として登場した灯油は家庭用燃料に変身し、とくに第二次大戦後大きい用途を開拓した。同様に戦後家庭用燃料として普及したものに、石油精製で副生する液化石油ガス（LPG）がある。また第二次大戦後、航空機の主力はプロペラ機からジェット機へ移り、ジェット燃料も重要な石油製品となった。同時に自動車エンジンは戦時中の航空エンジンを上回るなど高性能化し、高オクタン価ガソリンが用いられるようになった。

　1950年代から中東地域に世界最大の油田が開発され、石油は各国で安価大量に入手できるようになった。かくしてエネルギー源の王座は石炭から石油へ大きく転換して石油大量消費時代に入り、いわゆるエネルギー革命を引き起こした。一方、石油化学工業の発展で、化学工業原料としても、石炭から石油への転換が並行して進行した。

　この当時、中東油田の開発など、自由世界の石油利権は大部分アメリカ、イギリスなど国際石油資本8社（メジャー）の支配するところであったが、1960年サウジアラビア、イラン、イラク、クウェート、ベネズエラの石油輸出5か国はOPEC(オペック)（石油輸出国機構）を結成し、その後加盟国も13か国に増え、しだいに資源ナショナリズムを強化して発言力を加えた。とくに1970年ころから国際石油資本8社の利権を削減して原油価格と供給量の自主調整権を握るようになり、1973年10月、第四次中東戦争に際し、一方的に原油公示価格の大幅値上げ（約4倍）を宣言し、いわゆる第一次石油危機（オイル・ショック）を招来した。さらに1979年、イラン革命が引き起こした第二次石油危機により、原油価格はますます暴騰した（第一次危機以前に比べて約20倍以上）。これらは世界経済に大きく影響を与え、激増を続けていた石油消費量も頭打ちとなったが、なお石油は世界エネルギーの総量の約42％を占め、これに石油系天然ガスを加えると約64％に達している。なお近年、イギリス（北海）、メキシコなど非OPEC国の原油増産と世界的な石油消費節減により、石油価格は1983年をピークとして急速に低下に転じている。

［原　伸宜・佐藤俊二］

成因

石油はいろいろな地質時代の地層から産出するが、約60％は中生代（2億4700万年前から6500万年前まで）に属するといわれている。その成因については、1800年代から無機起源説と有機起源説とで論争が続いた。炭化水素が無機化学的に合成できることから、無機起源論者は、炭化水素が地下深所で炭素と水素から合成されたとする地球深部説か、地球創世時にすでに炭化水素が存在していたとする宇宙説を主張し、いずれの炭化水素も長い年月をかけて効率的に集積して石油になったと考えた。有機起源論者は、動植物の遺体からなる有機物が化学作用により原油を生成するとし、実験的に堆積岩の有機物質から原油状のものを抽出し有機説を唱えた。

　この論争に決着をつけたのは、現存する原油中に生物体からしか由来しないような物質（生物指標、バイオマーカー）が微量ながら発見された事実であった。たとえば、ヘミン（赤血球のヘモグロビン）やクロロフィル（植物の葉緑素）の誘導体であるポルフィリン類、そのほかコレステリン、カロチン、テルペンの誘導体のように光学活性を有する有機物が原油中に認められた。これにより石油の有機起源説は確固たるものとなった。

　石油の起源となった有機物は、太古の海や湖の底にたまったプランクトンや藻類、あるいは河川によって運び込まれた陸上生物の遺骸(いがい)などに由来し、土砂とともにすこしずつ堆積した。堆積物は時間の経過とともに地下深く埋没し、比重の関係で土砂のなかでもっとも細粒の粘土といっしょに堆積した有機物は、岩石化した頁岩(けつがん)中に濃縮される。とくに有機物を多く含んだ頁岩を石油根源岩とよんでいる。石油根源岩中の有機物のうち約90％はケロジェンkerogenという有機溶媒に不溶な固体で高分子化合物の集合体が占めている。このケロジェンは、ギリシア語のkeros（石油またはワックスをつくるもの）に由来している。残りの約10％は有機溶媒に可溶な有機物で、抽出性有機物またはビチューメンとよばれ、炭化水素はこのビチューメンに含まれる。生体有機物は炭水化物、タンパク質、脂質、リグニンより構成され、少量の炭化水素および色素も含んでいる。これらの成分が微生物によって、糖、アミノ酸、脂肪酸などの単体に分解される。その後、堆積物に取り込まれて、これらの一部は脱炭酸、脱アミノ作用によって炭化水素に変換され、ビチューメンとして保存されるが、大部分は縮合して腐植を形成し、還元環境下で縮合重合を繰り返してケロジェンに変化する。ケロジェンを熱乾留すると石油様物質を生成すること、世界の油田地域で地下のある深度から石油を発見していることなどから、石油根源岩中のケロジェンが埋没に伴う地温の増加によって石油炭化水素を生成するというのが最近の成因説である。なお、ケロジェンに変化する前の有機物質の相違によって、石油を生成しやすい（藻類など）タイプ、ガスを生成しやすい（陸上の高等植物など）タイプに分類される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

探鉱

石油が根源岩中で生成されたままでは、石油を生産することはできない。頁岩は粒子が細かく、すきまも非常に小さいため石油が動けないのである。生産可能な石油は、油層に濃集して蓄えられていなければならない。油層は地下の空洞ではなく、すきま（孔隙(こうげき)）を十分有した砂岩あるいは石灰岩などの岩石の層である。この岩石を貯留岩という。石油を貯留するためには、貯留岩を、石油が他に移動することを妨げる緻密(ちみつ)な岩石（帽岩）で覆うような構造が必要である。

　このような構造をトラップといい、代表的なものは背斜型トラップである。石油の探鉱は、この地下に存在するトラップを探し出すことであるが、数百あるいは数千平方キロメートルの広大な地域において、しかも数千メートルの地下に眠っている石油を発見することは非常に困難な仕事である。石油を開発するには、まず、対象地域の事前調査、鉱業権申請、利権交渉、入札などの手順を踏み、鉱業権を取得する。探鉱の初期段階においては、広域の地質調査のために、航空写真解析、航空機による磁気探査および重力探査などの概査が実施される。次に、地下に分布する堆積物が地表に露出する箇所において地表地質調査、サンプリングが行われ、地化学分析、古生物調査、堆積学分析が実施され、層序の年代、岩石の物性、根源岩の産油ポテンシャルなどの研究評価が行われる。精査として実施される地震探鉱は、陸上では火薬または機械等で地殻に震動を与え、地下の地層面からの反射波を受信記録して、油田構造（トラップ）の存在を探す。海域では震源として圧縮空気の発破を用いている。これらの調査を総合的に解釈して、試掘位置を決定し、油田構造上に掘削する。試掘の深度は3000～4000メートルが多く、ときには5000メートルにも達することがある。1坑井当りの費用は、陸上で5～10億円、海上では30～50億円かかる。試掘の結果から、油田の採算性を検討し、生産・開発に移行するか、鉱業権を放棄するかを判断する。試掘によって石油を発見する確率は10本に1本の割合で、さらにその石油が規模の点で十分生産の対象となりうる場合は4分の1に減少する。すなわち、100本の井戸を掘ったとしても商業規模の油田を発見できるのは、2～3本ということになる。石油の探鉱は、他のどのような事業よりもリスクの高い事業である。

［原　伸宜・佐藤俊二］

原油

地下から産出、採取されたままの未精製の石油を原油crude oilという。一般に黒褐色または黒緑色の粘稠(ねんちゅう)な油状物質で、多少の泥水分を含む。

［原　伸宜・佐藤俊二］

組成

主成分は炭素原子数5～40程度の複雑な各種炭化水素混合物であるが、このほかにガス状炭化水素（湿性天然ガス）も溶存し、また非炭化水素成分として若干の硫黄(いおう)、酸素、窒素化合物や少量の金属化合物を含有する。これらの非炭化水素成分は、とくに高沸点留分ほど多い。

　石油炭化水素を大別すると、パラフィン、オレフィン、ナフテン（シクロパラフィン）、芳香族炭化水素の4種に分類され、原油中にはパラフィンおよびナフテン炭化水素がもっとも多く、芳香族炭化水素は比較的少ない。オレフィン炭化水素は石油が熱分解すると容易に生成するが、原油中にはほとんど含まれていない。これら4種の炭化水素組成はガソリン、灯油などの低沸点留分では明確であるが、重油、潤滑油などの高沸点留分では、1分子が1個のナフテン環に長いアルキル側鎖が結合した「パラフィン性の高い成分」や、数個のナフテン環のほかに芳香族環も結合した「ナフテン性の高い成分」などの複雑な混合物よりなり、炭化水素種族の区別は不明確となる。

［原　伸宜・佐藤俊二］

性状

炭化水素の比重は一般にナフテン系よりもパラフィン系が低く、また同一種族では高沸点成分よりも低沸点成分が低いため、原油の比重はその組成と相関関係があり、原油は比重の大小により分類されることが多い。国産原油では比重（D15/4℃/4℃の水に対する15℃における密度比）の値により、軽質油（0.830以下）、重質油（0.905以上）、この中間の中質油などに分類され、軽質油はパラフィン系が多く、重質油はナフテン系が多い。輸入原油に対してはアメリカ石油協会が制定したAPI度が使われる。この値は、比重（D60/60°F:60°Fの水に対する60°Fにおける密度比）から、次式によって求められる。

API度は通常の比重とは逆に、軽質のものほど大きい値となり、比重1.0ではAPI度10となる。パラフィン基原油は軽質でパラフィン系炭化水素に富み、ガソリン留分の得率が多く、直留ガソリンのオクタン価は低いが、良質の軽油、潤滑油原料となり、残油にはパラフィンろうが多く含まれている。一方、ナフテン基原油は重質でナフテン系炭化水素に富み、ガソリン留分の得率は少ないが、直留ガソリンのオクタン価は比較的高く、残油にはアスファルト分を多く含む。中間基原油はこれらの中間的性質を示す。このほか硫黄分の多い原油をサワー原油、硫黄分の少ない原油をスイート原油という。

　日本の輸入原油の主力の中東系原油は、一般にパラフィン基でサワー原油が多い。

［原　伸宜・佐藤俊二］

原油埋蔵量・生産量・石油消費量

　地球上の石油の分布は著しく偏在しており、原油の確認埋蔵量約1111億キロリットル（1984）のうち約57％は中東諸国が占め、これに北アメリカ、旧ソ連地域、北アフリカを加えると、世界の原油の80％以上はこれら四大地域に集中している。一方、世界の原油年産量約31.5億キロリットル（1984）のうち50％近くは旧ソ連地域、アメリカ、サウジアラビアのだけで占められている。近年このほかに北海油田を開発したイギリス、急速な石油増産を進めたメキシコが有力な産油国として加わっている。この原油生産量の大部分は石油消費量に相当するとみなせるが、アメリカは年間約9億キロリットルの石油を消費し、これに次ぐ旧ソ連、日本を加えると、世界石油の約50％はこれら3国だけで消費されている。第二次大戦前アメリカは石油輸出国であったが、現在では消費量の激増により、自国産の石油で需要の約65％を満たしているにすぎず、世界最大の石油輸入国となっている（イギリスは北海油田の開発で自給・輸出国に転じた）。自国産石油で需要を完全に満たし他の社会主義国に石油を供給していたソ連も、将来は完全自給を続行できるか否かは疑問とされている。ともかく、アメリカは最大の石油産出国であるのに対して、世界第3位の石油消費国である日本は、新潟・秋田・山形各県の油田地帯に産する石油資源はきわめて乏しく（年間45万キロリットル程度）、需要の約99.8％を中東地域その他から輸入している。

［原　伸宜・佐藤俊二］

可採年数

原油年産量Pに対する確認埋蔵量Rの比(R/P)を可採年数とよび、油田の寿命、石油資源の寿命を推定する目安としており、1984年におけるこの値は全世界で約35年であった。しかし1950年当時の可採年数は約20年、1960年のそれは約35年であったことからみても、この値からただちに石油の寿命を判断することはできない。これは、従来世界の原油生産量および石油消費量は逐年増大してきた反面、一方では生産量を上回る新油田が開発され、確認埋蔵量も年々更新されて、可採年数は大きい変動がなく、ほぼ平衡状態を保ってきたからである。しかし、1970年代から世界最大の石油の宝庫である中東地域の新油田発見量が激減し、この間、北海、アラスカ、メキシコ、中国などで新油田の開発があったが、規模は中東地域の莫大(ばくだい)な開発量に及ばず、世界の原油確認埋蔵量の増加はしだいに頭打ちの傾向にある。他方、前述のように1973年に起こった石油危機の影響で、1974～1976年にわたり、石油史上初めて石油消費量（生産量）の低下ないし頭打ちがおこり、その後の増加も鈍化している。石油危機は世界的に経済不況を引き起こしたが、石油の消費節約を促進し、石油寿命を多少でも引き伸ばす効果をもたらした。

［原　伸宜・佐藤俊二］

究極埋蔵量

開発済みの油田に対する確認埋蔵量に対して、未発見の油田を含めた全地球の原油埋蔵量を究極埋蔵量とよぶ。もとよりその真の値を知ることはできないが、ムーディーは、将来海底油田の掘削が水深2000メートルまで、採油率が40％まで可能になると仮定し、地質学的・推計学的にこれを算定して究極埋蔵量を3040億トンと推定している。このうち1976年までに480億トンが生産され、同年の残存推定埋蔵量は2560億トン（発見確率95％で1550億トンから、確率5％で4600億トン）である。今後世界人口の急増による世界総エネルギー量の増加を考えると、この残存埋蔵量は石油需要をまかなうには数十年程度と推定され、エネルギーに占める石油の主役は、21世紀前半までには終わると考えられている。

［原　伸宜・佐藤俊二］

石油精製法

原油をそのまま燃料として使用することもあるが（原油の生だき）、大部分はこれを精製して各種の石油製品とする。

［原　伸宜・佐藤俊二］

原油の蒸留

　まず原油は水分や夾雑(きょうざつ)物を除いたのち、常圧蒸留により、蒸留ガス、ナフサ、灯油、軽油の各留分に分別し、留出しない高沸点留分は常圧残油となる。この原油の常圧蒸留操作をトッピングtoppingとよぶ。原油はパイプ式加熱炉（パイプスチル）中のパイプを高速で通って350℃程度の所要温度に加熱されたのち、精留塔のやや下段に噴射送入される。精留塔は鋼製の高い塔で、塔内に数十段のトレイ（棚）があり、高いトレイほど温度が低く保たれ、沸点の低い成分ほど上段のトレイ上に凝縮する。トレイの構造は泡鐘型、バルブ型など各種のものがあるが、現在ではバルブ型トレイが主体で、これには凝縮液を支えるためのバルブ型の蓋(ふた)がついた多数のライザー（孔）がある。精留塔下段より上昇する油蒸気はライザーを通り、バルブを押し上げてトレイ上の凝縮液をくぐり抜ける。この気液接触により、各トレイ上にはその高さに応じて沸点範囲の異なる留分が凝縮し、連続的に精留が行われる。塔内で凝縮しない蒸留ガスおよび最低沸点留分のナフサは、塔頂より油蒸気として留出し、冷却されてナフサは凝縮する。灯油、軽油などの中間留分は、それぞれ塔内の適当な高さのトレイから側流として取り出す。また、塔内で気化しない最高沸点留分は、残油として塔底から抜き出される。通常、ナフサはさらに軽質ナフサと重質ナフサに分留され、また軽油もその重質分を重質軽油として分けることが多い。各留分の分留温度（沸点範囲）はだいたい、軽質ナフサ約25～100℃、重質ナフサ約80～200℃、灯油約150～270℃、軽油約200～350℃、重質軽油約300～350℃、常圧残油約350℃以上である。

　以上のように各分留温度は厳密に一定したものではなく、原油の種類、各製油所の生産計画などに従って、それぞれの製品規格に適合する範囲内で適当に調整される。なお精留塔の側流として得られる灯油、軽油などの中間留分は、トレイ上で常時低沸点成分の蒸気と接触しているため、その一部が溶解している。このままでは精留が不完全であるため、これをいったんストリッパーに通し、水蒸気を吹き込んで溶存低沸点成分を蒸発させ、これを一段上のトレイへ送り返す。この操作をストリッピングstrippingという。原油の常圧蒸留で得られる残油はおもにこのまま重油製造材料に用いられるが、一部はこれをさらに減圧蒸留して、潤滑油やアスファルト、パラフィンろうなどの製造が行われる。

　残油の蒸留を減圧下に行うのは、このままさらに高温で蒸留すると熱分解してしまうからで、一般に水銀柱10～100ミリメートル程度の減圧が用いられる。減圧蒸留装置は減圧系統が付属しているほかは、原油の常圧蒸留装置と類似しており、主要部はパイプ式加熱炉と減圧精留塔からなる。減圧下に各成分の沸点が低下する点を除くと、精留の原理は常圧蒸留とまったく同一である。この場合は塔頂から減圧軽油（重質軽油）が、また塔側からはトレイの高さに応じて3～4留分の各種粘度の潤滑油留分が留出し、塔底からはアスファルトが抜き出される。塔側流の各種留分は常圧蒸留の場合と同じように、ストリッパーを通してストリッピングを行う。また潤滑油の製造のほかに、接触分解原料油としての減圧軽油の分取や、重油の間接脱硫法の前処理としても、残油の減圧蒸留が行われる。以上の原油の常圧蒸留および残油の減圧蒸留による分留で、すべての燃料油、潤滑油などの素材が得られ、これを多くの精製工程へ送って各種石油製品が製造される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

各種石油製品の製造と用途

石油、天然ガスを原料として生産される燃料油、潤滑油などを石油製品という。

［原　伸宜・佐藤俊二］

ガソリン

石油製品のなかでももっとも複雑な工程を必要とするのはガソリンで、量的に自動車用ガソリンの製造が中心となる。自動車用ガソリンとしては、オクタン価の高いイソパラフィンや芳香族炭化水素を主成分とする必要があるが、原油中のガソリン留分にあたるナフサは、オクタン価の低いノルマル・パラフィンやナフテン炭化水素が主成分であり、このままではガソリンとして使用できない。通常、自動車用ガソリンは、改質ガソリン、接触分解ガソリン、直留軽質ガソリン、異性化ガソリン、水素化分解ガソリン、熱分解ガソリン、アルキレートなど、各種製法によるガソリンを適度に配合して調製される。

　改質ガソリンは、白金‐レニウム触媒により重質ナフサを接触改質してその化学構造を変えた高オクタン価ガソリンで、自動車用ガソリンの主材料に用いられる。その主反応はナフテン炭化水素の脱水素による芳香族化で、芳香族炭化水素を多く含む。接触分解ガソリンは、ゼオライト系またはシリカ‐アルミナ触媒により、重質軽油（減圧軽油）を接触的に熱分解（クラッキング）して得られる高オクタン価ガソリンで、イソパラフィン、イソオレフィンに富み、改質ガソリンに次ぐ自動車用ガソリンの主材料となる。直留軽質ガソリンは、ナフサ留分中比較的オクタン価の高い軽質ナフサをスイートニング（悪臭酸性物質のメルカプタン類の除去）または水素化精製により精製したガソリンで、これ単独ではオクタン価不足で使用できないが、高オクタン価ガソリンへの配合材となる。

［原　伸宜・佐藤俊二］

液化石油ガス

原油の蒸留ガス、接触改質・接触分解・水素化分解などで副生するガスから、ガス回収装置でプロパン、ブタンを主とする液化石油ガス（LPG）が回収され、家庭用燃料に使用される。なお、プロパン、ブタンはノルマル・パラフィンであるが分子量が小さいため、比較的オクタン価が高く、自動車用（おもにタクシー）燃料としても使用される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

灯油、軽油

おもにストーブ用、こんろ用などの家庭用燃料として使用され、軽油はディーゼル自動車のほか鉄道用・船舶用などの小型高速ディーゼル機関用燃料として使用され、これらはガソリンの製造に比べると簡単である。

　精製の主目的は公害上の有害成分である硫黄分の除去で、これには水素化精製が行われる。これは水素加圧下にコバルト‐モリブデン系触媒により、硫黄、酸素、窒素化合物を選択的に分解除去する操作で、軽質直留ガソリンの精製にも応用されている。

［原　伸宜・佐藤俊二］

ジェット燃料

ジェット機用のジェット燃料は正しくは航空タービン燃料油といわれ、これには灯油型とナフサ型がある。前者は灯油留分、後者は重質ナフサ留分を主とするもので、これらを水素化精製、調合して製造される。ジェット燃料は発熱量が高く安定な燃料で、もちろんオクタン価とは関係がない。

［原　伸宜・佐藤俊二］

重油

重油は常圧残油と重質軽油の混合によって調製され、日本ではA・B・C重油の3種の製品に分け、この順に軽油配合量が少なくなり（C重油は大部分常圧残油）、しだいに粘度が高く硫黄分の多い製品となる。A重油はおもに船舶用など大型ディーゼル機関用燃料、C重油はおもに電力用・一般ボイラー用燃料として使用され、B重油は両用途に使用される。

　重油の脱硫は困難で、かつては未精製で使用されたが、現在ではすべて脱硫処理が行われている。重油配合用の重質軽油は既述のように水素化精製により脱硫されているが、常圧残油も配合前に水素化脱硫を行う。この水素化脱硫は原理的に灯油・軽油の水素化精製と同一であるが、触媒にはおもにニッケル‐モリブデン系が使用される。常圧残油は硫黄分が多いうえ、触媒を汚染劣化させるアスファルト分および金属化合物を含むため、通常の水素化精製よりもはるかに困難で、過酷な条件と多量の触媒の消費を伴う。この困難を避けるため、常圧残油の減圧蒸留により減圧残油（アスファルト分）を除いた留出油を灯油・軽油と同様に水素化精製したのち、減圧残油と合する方法も行われる。前者の方式を直接脱硫法、後者の方式を間接脱硫法とよび、日本では両方式が併用されている。

　日本の輸入原油は硫黄分の多い中東系が主であるため、公害防止上重油の脱硫は各国に先駆けて行われ、硫黄分のもっとも多いC重油では、電力用1％以下、一般用2％以下まで脱硫処理が行われている。なお、灯油・軽油や重油の水素化精製・脱硫操作で発生する硫化水素から硫黄が回収される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

潤滑油

潤滑油はすべての機械摩擦部に減摩用として用いられ、用途によりきわめて多種類の製品がある。これらは常圧残油の減圧蒸留で得られた各潤滑油留分から、粘度および精製度の異なる材料油を製造し、これを適度に調合して多くの製品とする。一般潤滑油用の材料油は、各留分の溶剤脱ろうおよび白土処理によって精製される。溶剤脱ろうは、メチルエチルケトン、液化プロパンなどろう分を溶解しがたい溶剤で原料油を処理冷却し、凝固点の高いろう分を析出させる操作で、この操作によりパラフィンろうが副生する。白土処理は、酸化されやすい不安定成分を活性白土で吸着除去する操作である。

　また内燃機関用潤滑油など、粘度指数が高く安定度のよい性質が要求される高級潤滑油の材料油は、脱ろう前に溶剤抽出を行い、これらの性質が劣るナフテン性の高い成分を除去する。この溶剤としては、ナフテン成分を溶解しやすいフェノール、フルフラールなどがおもに用いられ、除去されたナフテン成分は重油調合用とする。また高級潤滑油では、白土処理にかわり、水素化精製による不安定成分の除去が行われることが多い。

　潤滑油には用途により、酸化防止剤、凝固点降下剤、粘度指数向上剤など、各種の添加剤が適宜加えられる。また潤滑材料油と金属せっけんの混合によりグリースが製造され、低粘度潤滑油留分を高度に精製して、無色透明の流動パラフィンが製造される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

その他の石油製品

以上のほか、石油精製では重質石油留分の過酷な熱分解によるコーキング法も行われ、電極材料、冶金(やきん)用炭素材料としての石油コークスを製造し、この際、熱分解ガソリン、分解軽油が副生する。また減圧残油からは舗装材、防水剤としてのアスファルトが製造される。

［原　伸宜・佐藤俊二］

日本の石油事情

石油資源の乏しい日本では、需要の約99.7％を海外から輸入しているため、この原油輸入量はほぼ石油消費量に対応している。第一次石油危機の1973年（昭和48）まで、世界の石油消費量は10年ごとに倍加する上昇を示したが、日本ではこの高度成長時代に消費量は6年ごとに倍増する勢いを示した。この1973年に日本の原油輸入量は過去最高の約3億キロリットルに達したが、その後は頭打ちからさらに低下を続け、年間消費量は2.0億～2.2億キロリットル程度となっている。かつて日本の総エネルギー中に占める石油依存率は77.4％（1973年度）にも達したが、石油危機後、石油代替エネルギーの導入や石油備蓄などエネルギー安定供給確保のための政策が行われたことにより省石油が進み、石油依存率は徐々に低下し2000年度（平成12）では51.8％（資源エネルギー庁調べ）となった。

　石油製品の消費構造は各国によってかなり異なり、日本では石油消費量（販売量）に占める各製品の内訳（2000）は、ガソリン23％、ナフサ19％、ジェット燃料2％、灯油12％、軽油17％、重油24％などとなっている。日本は諸外国に比べて用途別では産業用が多く、民需用が少ないため、重油と石油化学用ナフサの比率が高く、ガソリン比率が低いことが著しい特徴である。たとえばアメリカではガソリンの比率が40％以上を占めているのに比べ、日本では23％（1984年当時は15％）にすぎない。日本の自動車数はアメリカに次ぎ世界第2位であるが、駐車施設、道路事情などでその実動率が低いことを示している。日本の輸入原油のナフサ（ガソリン留分）得率は平均22％程度で、ガソリン製造原料としては余剰となり、この分が石油化学工業原料として利用されている。かつてはこのバランスがとれていたが、石油化学工業の発展でナフサが不足となり、現在では石油化学用ナフサを一部輸入している。石油危機以前の高度成長時代、石油化学用ナフサがガソリン消費量を上回っていたが、低成長時代に入りこれが逆転し、重油とともにその消費量が減少した。

　1974年OECD（経済協力開発機構）の下部機構IEA（国際エネルギー機関）では、石油危機以来の不安定な石油需給に対応し、非常時の原油相互融通を計画し、加盟各国に1980年までに消費90日分の石油備蓄を勧告した。これに基づき日本では1975年（昭和50）石油備蓄法を制定して、民間企業に処理量90日分の備蓄を義務づけ、各石油会社では各製油所のほか、鹿児島県喜入(きいれ)、沖縄、北海道などに大型石油備蓄基地を設け、1981年3月にこの備蓄を達成した。一方、政府では、1978年には3000万キロリットルの備蓄を達成する計画を提唱、同年タンカー備蓄を開始、1979～1982年にかけ半官半民の石油備蓄会社6社（青森県むつ小川原、北海道苫小牧(とまこまい)東部、秋田県男鹿(おが)、福井県福井臨港、福岡県白島(しらしま)、長崎県上五島(かみごとう)）を設立した。1983年より備蓄基地による保管を開始（タンカー備蓄は1985年終了）、1989年計画を達成した。なお、1987年には国家備蓄を3000万キロリットルから5000万キロリットルに、民間備蓄を90日から70日にすると提言し、国家備蓄は1998年に5000万キロリットルを達成している。また、2005年には石川県七尾など3か所に国家石油ガス備蓄基地が完成した。

　2007年現在、国内で稼動している国家石油備蓄基地および石油共同備蓄基地は以下の12基地である。北海道共同備蓄、苫小牧東部、むつ小川原、岩手県久慈(くじ)、秋田、新潟共同備蓄、福井、愛媛県菊間、白島、上五島、鹿児島県串木野(くしきの)、鹿児島県志布志(しぶし)。国家・民間備蓄をあわせた日本の石油備蓄量は9218万キロリットル、182日分（2007年12月末時点の保有量）である。

［原　伸宜・佐藤俊二］

『石油学会編『新石油事典』（1982・朝倉書店）』▽『日本石油株式会社編『石油便覧』（1982・石油春秋社）』▽『石油学会編『新石油精製プロセス』（1984・幸書房）』