น้ำมันดิบ

ปิโตรเลียม (ละติน: petroleum, petra (หิน) + oleum (น้ำมัน) รวมหมายถึง "น้ำมันที่ได้จากหิน") หรือ น้ำมันดิบ เป็นของเหลวไวไฟที่เกิดเองตามธรรมชาติ ประกอบด้วยสารผสมซับซ้อนระหว่างไฮโดรคาร์บอนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกัน กับสารประกอบอินทรีย์ที่เป็นของเหลวอื่น ๆ ซึ่งพบในชั้นธรณีวิทยาใต้ผิวโลก เป็นเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ เกิดได้จากซากสิ่งมีชีวิต (มักเป็นแพลงก์ตอนสัตว์และสาหร่าย) จำนวนมากทับถมกันใต้หินตะกอนและได้รับความร้อนและความดันมหาศาล

การขุดเจาะน้ำมันเป็นวิธีการส่วนใหญ่ในการได้มาซึ่งปิโตรเลียม ซึ่งเป็นขั้นตอนหลังการศึกษาโครงสร้างธรณีวิทยา การวิเคราะห์แอ่งตะกอน และลักษณะหินกักเก็บปิโตรเลียม หลังขุดเจาะขึ้นมาแล้ว ปิโตรเลียมจะถูกกลั่นและแยกเป็นผลิตภัณฑ์บริโภคหลายชนิด ตั้งแต่แก๊สโซลีนและน้ำมันก๊าด ไปจนถึงยางมะตอยและตัวทำปฏิกิริยาเคมีซึ่งใช้ทำพลาสติกและเภสัชภัณฑ์ นอกจากนี้ ปิโตรเลียมยังใช้ในการผลิตวัสดุอีกหลายชนิด

ปิโตรเลียมมีธาตุองค์ประกอบหลัก 2 ชนิด คือ คาร์บอนและไฮโดรเจน และอาจมีธาตุอโลหะชนิดอื่นปนอยู่ด้วย เช่น กำมะถัน ออกซิเจน และไนโตรเจน ทั้งนี้ปิโตรเลียมเป็นได้ทั้ง 3 สถานะ คือ ของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ รวมถึงความร้อนและความดันของสภาพแวดล้อมในการเกิดและการกักเก็บปิโตรเลียม แบ่งตามสถานะได้เป็นสองชนิดหลัก คือ น้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ โดยแก๊สธรรมชาตินั้น ประกอบด้วยคาร์บอนตั้งแต่ 1-4 อะตอม

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 พบใช้บ่อยโดยหมายถึงน้ำมันแร่ที่ผลิตโดยกลั่นจากของแข็งอินทรีย์ที่ขุดขึ้นมา อย่างถ่านหินเทียน (cannel coal) หรือที่ภายหลังเรียกว่า หินน้ำมัน และน้ำมันกลั่นซึ่งผลิตขึ้น ในสหราชอาณาจักร การเก็บรักษา (และภายหลังรวมถึงการขนส่ง) น้ำมันเหล่านี้ถูกวางระเบียบโดยชุดของพระราชบัญญัติปิโตรเลียม นับตั้งแต่พระราชบัญญัติปิโตรเลียม ค.ศ. 1862 เป็นต้นมา

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

มีโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนแตกต่างกันสี่แบบพบในน้ำมันดิบ สัดส่วนร้อยละของแต่ละแบบนั้นแตกต่างกันไปในน้ำมันแต่ละชนิด ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของน้ำมันชนิดนั้น ๆ

น้ำมันดิบมีลักษณะปรากฏแตกต่างกันมากโดยขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของน้ำมัน ส่วนใหญ่มีสีดำหรือน้ำตาลเข้ม แม้อาจจะมีสีออกเหลือง ออกแดง หรือออกเขียวบ้าง ในแหล่งกักเก็บ น้ำมันดิบมักพบร่วมกับแก๊สธรรมชาติ ซึ่งเบากว่า เกิดเป็นแหล่งปิโตรเลียมที่มีทั้งแก๊สและน้ำมัน (gas cap) เหนือปิโตรเลียม และน้ำเกลือซึ่ง หนักกว่ารูปแบบน้ำมันดิบส่วนใหญ่ โดยปกติจะจมลงข้างใต้ น้ำมันดิบอาจพบในรูปกึ่งของแข็งซึ่งผสมกับทรายและน้ำ ดังที่พบในทรายน้ำมันอธาบาสกา (Athabasca) ในแคนาดา ซึ่งมักเรียกว่าเป็น ยางมะตอยดิบ ในแคนาดา ยางมะตอยถูกมองว่าเป็นน้ำมันดิบรูปแบบที่เหนียว สีดำ คล้ายกับน้ำมันดินซึ่งหนาและหนักเสียจนกระทั่งมันต้องได้รับความร้อนหรือละลายก่อนที่จะไหลได้เวเนซุเอลามีปริมาณน้ำมันในรูปทรายน้ำมันโอริโนโค (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 น้ำมันดับระดับเบากว่าให้ผลผลิตผลิตภัณฑ์เหล่านี้มากที่สุด แต่แหล่งสำรองน้ำมันเบาและกลางของโลกได้หมดไปแล้ว โรงกลั่นน้ำมันจำเป็นต้องผ่านกระบวนการน้ำมันหนักและยางมะตอยเพิ่มขึ้น และใช้วิธีการอันซับซ้อนและแพงในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ เพราะน้ำมันดิบที่หนักกว่ามีคาร์บอนมากเกินไปและมีไฮโดรเจนไม่พอ กระบวนการเหล่านีโดยทั่วไปแล้วมีทั้งการนำคาร์บอนออกจากหรือเพิ่มไฮโดรเจนเข้าไปในโมเลกุล และใช้การแตกโมเลกุลด้วยสารเร่งปฏิกิริยา (fluid catalytic cracking) เพื่อเปลี่ยนโมเลกุลที่ยาวและซับซ้อนในน้ำมันเป็นโมเลกุลที่สั้นกว่าและเรียบง่ายกว่าในเชื้อเพลิง

ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูง การขนส่งที่ง่ายและค่อนข้างอุดมสมบูรณ์ ทำให้น้ำมันกลายเป็นแหล่งพลังงานที่สำคัญที่สุของโลกตั้งแต่กลางคริสต์ทศวรรษ 1950 ปิโรเลียมยังเป็นวัตถุดิบสำหรับผลิตภัณฑ์เคมีหลายชนิด 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

ปิโตรเลียมเป็นการผสมกันของไฮโดรคาร์บอนต่างชนิดกันจำนวนมาก ซึ่งที่พบได้มากที่สุดในโมเลกุลเป็นอัลแคน (โซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง) ไซโคลแอลเคน อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน หรือสารเคมีที่ซับซ้อนกว่าอย่างแอสฟัลทีน ปิโตรเลียมแต่ละอย่างมีการผสมกันของโมเลกุลเป็นเอกลักษณ์เฉพาะ ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี เช่น สีและความหนืด

แอลเคน หรือที่รู้จักกันว่า พาราฟิน เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวที่เป็นโซ่ตรงหรือโซ่กิ่งที่มีเฉพาะธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบ มีสูตรทั่วไปว่า CnH2n+2 โดยทั่วไปมักมีคาร์บอน 5 ถึง 40 อะตอมต่อโมเลกุล แม้จะมีโมเลกุลที่สั้นกว่าหรือยาวกว่าบ้างในสารผสม

แอลเคนตั้งแต่เพนเทน (C5H12) ถึงออกเทน (C8H18) ถูกกลั่นเป็นแก๊สโซลีน แอลเคนตั้งแต่โนเนน (C9H20) ถึงเฮกซะเดคเคน (C16H34) ถูกกลั่นเป็นเชื้อเพลิงดีเซล น้ำมันก๊าด และเชื้อเพลิงเจ็ต แอลเคนที่มีอะตอมคาร์บอนมากกว่า 16 อะตอมสามารถถูกกลั่นเป็นน้ำมันเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่น ไขพาราฟินเป็นแอลเคนที่มีอะตอมคาร์บอนประมาณ 25 อะตอม ขณะที่ยางมะตอยมี 35 หรือมากกว่า แม้เหล่านี้โดยทั่วไปจะถูกแยกโดยโรงกลั่นสมัยใหม่เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีค่ากว่า โมเลกุลที่สั้นที่สุด คือ มีอะตอมคาร์บอนน้อยกว่า 4 อะตอม อยู่ในสถานะแก๊สที่อุณหภูมิห้อง เหล่านี้เป็นแก๊สปิโตรเลียม ขึ้นอยู่กับปริมาณความต้องการและมูลค่าของการเอาลับคืน แก๊สเหล่านี้จะถูกทำให้ลุกไหม้ไป (flare) ขายเป็นแก๊สปิโตรเลียมเหลวภายใต้ความดัน หรือใช้เป็นพลังงานแก่เตาเผาของโรงกลั่นเอง ช่วงฤดูหนาว (C4H10) ถูกผสมเข้าสู่บ่อแก๊สโซลีนในอัตราสูง เพราะแรงดันไอที่สูงของบิวเทนช่วยสตาร์ดขณะเครื่องเย็น (cold start) ด้วยถูกทำให้เป็นของเหลวภายใต้ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย มันเป็นที่รู้จักกันดีว่าให้พลังงานแก่ไฟจุดบุหรี่ แต่ยังเป็นแหล่งเชื้อเพลิงหลักในประเทศกำลังพัฒนาหลายประเทศ โพรเพนสามารถทำให้เป็นของเหลวภายใต้ความดันเล็กน้อย และใช้บริโภคได้แทบทุกอย่างที่เกี่ยวกับพลังงาน ตั้งแต่การทำอาหารไปจนถึงการให้ความร้อนและการขนส่ง

ไซโคลแอลเคน หรือที่รู้จักกันในชื่อ แนพทีน เป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวซึ่งมีวงแหวนคาร์บอนหนึ่งวงหรือมากกว่า ซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนเกาะอยู่ตามสูตร CnH2n ไซโคลแอลเคนมีคุณสมบัติเหมือนกับแอลเคนแต่มีจุดเดือดสูงกว่า

อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนเป็นไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวซึ่งมีวงแหวนเชิงระนาบหกคาร์บอนหนึ่งวงหรือมากกว่า ที่เรียกว่า เบนซินริง ซึ่งมีอะตอมไฮโดรเจนเกาะเข้าตามสูตร CnHn อะโรมาติกไฮโดรคาร์บอนเมื่อเผาไหม้แล้วให้ควันเขม่า และมีกลิ่น บางชนิดเป็นสารก่อมะเร็ง

โมเลกุลที่แตกต่างกันเหล่านี้ถูกแยกโดยกลั่นลำดับส่วนที่โรงกลั่นน้ำมัน เพื่อผลิตเป็นแก๊สโซลีน เชื้อเพลิงเจ็ต น้ำมันก๊าด และไฮโดรคาร์บอนอื่น ตัวอย่างเช่น 2, 2, 4-ไตรเมทิลเพนเทน (ไอโซออกเทน) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในแก๊สโซลีน มีสูตรเคมี C8H18 และทำปฏิกิริยากับออกซิเจนแบบคายความร้อน ดังสมการด้านล่าง

การเผาไหม้ปิโตรเลียมหรือแก๊สโซลีนอย่างไม่สมบูรณ์ก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่เป็นพิษ การเผาไหม้ในที่ขาดออกซิเจนส่งผลให้เกิดคาร์บอนมอนออกไซด์ เนื่องจากอุณหภูมิสูงและความดันสูงที่เกี่ยวข้อง ไอเสียจากการเผาไหม้แก๊สโซลีนในเครื่องยนต์รถยนต์จึงมักมีไนโตรเจนออกไซด์ ซึ่งเป็นตัวการในการเกิดหมอกควันแบบโฟโตเคมี

ปิโตรเลียมเป็นเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ เกิดจากการกลายเป็นซากดึกดำบรรพ์ของอินทรีย์วัตถุ เช่น แพลงก์ตอนสัตว์และสาหร่าย ซึ่งซากดึกดำบรรพ์จำนวนมากของอินทรียวัตถุเหล่านี้ยังอยู่ ณ ก้นทะเลหรือทะเลสาบ ผสมกับตะกอน และถูกฝังอยู่ใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน เมื่อมีการทับถมกันสะสมเพิ่มขึ้นที่ก้นทะเลหรือทะเลสาบ ก็จะเกิดความร้อนและความดันอย่างรุนแรงเกิดขึ้นที่ชั้นต่ำกว่า กระบวนการนี้ทำให้อินทรีย์วัตถุเกิดการเปลี่ยนแปลง โดยขั้นแรกจะเปลี่ยนเป็นเคอโรเจน ซึ่งพบในหินน้ำมันทั่วโลก จากนั้นเมื่อเคอโรเจนได้รับความร้อนมากขึ้น ก็จะเปลี่ยนแปลงต่อเป็นไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของเหลวและแก๊สผ่านกระบวนการชื่อ ช่วงการกำเนิด (catagenesis) การกำเนิดปิโตรเลียมเกิดขึ้นจากการสลายไฮโดรคาร์บอนด้วยความร้อนในปฏิกิริยาดูดความร้อนเป็นหลักที่อุณหภูมิ และ/หรือ ความดันสูง หลายปฏิกิริยา

ในสภาพแวดล้อมซึ่งอุดมไปด้วยสารอาหาร อย่างอ่าวเม็กซิโกและทะเลทีทีสโบราณ ซึ่งอินทรีย์วัตถุปริมาณมากที่จมลงสู่ก้นมหาสมุทรเกินกว่าอัตราที่เกิดการย่อยสลาย อันส่งผลให้อินทรีย์วัตถุปริมาณมากถูกฝังอยู่ใต้สิ่งที่ทับถมตามมาอย่างชั้นหินที่ก่อตัวขึ้นจากโคลน ตะกอนอินทรีย์วัตถุมหาศาลนี้ภายหลังจะถูกความร้อนและเปลี่ยนแปลงภายใต้แรงดันเป็นน้ำมัน

นักธรณีวิทยาศึกษาพบพิสัยอุณหภูมิซึ่งน้ำมันก่อตัว โดยต่ำกว่าอุณหภูมิต่ำสุดซึ่งน้ำมันจะยังคงอยู่กักเก็บไว้ในรูปของเคอโรเจน และสูงกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่น้ำมันจะเปลี่ยนเป็นแก๊สธรรมชาติผ่านกระบวนการแยกสลายด้วยความร้อน บางครั้ง น้ำมันอาจกำเนิดที่ความลึกมาก ซึ่งอาจมีการเคลื่อนตัวและถูกกักไว้ในระดับที่ตื้นกว่ามาก

นักธรณีวิทยาจำนวนน้อยยึดถือสมมติฐานที่ว่าปิโตรเลียมกำเนิดจากอนินทรีย์วัตถุ โดยมีหลักการว่า ไฮโดรคาร์บอนน้ำหนักโมเลกุลมากที่กำเนิดขึ้นจากอนินทรีย์วัตถุเกิดขึ้นภายในโลก และเป็นแหล่งสะสมปิโตรเลียมสำคัญ สมมติฐานดังกล่าวเดิมเสนอโดย นิโคไล คูไคยาฟเซฟ (Nikolai Kudryavtsev) และวลาดีมีร์ พอร์ฟิริเยฟ (Vladimir Porfiriev) ในคริสต์ทศวรรษ 1950 และล่าสุด โทมัส โกลด์ เสนอแนวคิดชีวภาคร้อนใต้ทะเลลึก (deep hot biosphere) ที่คล้ายกัน แต่สมมติฐานดังกล่าวมิได้อธิบายเส้นทางการสังเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งจำเป็นนำพาอนินทรีย์สารวัตถุไปใต้ผิวน้ำมัน, การสังเกตพบร่องรอยทางอินทรีย์ในเคอโรเจนและน้ำมัน และไม่มีแหล่งสะสมน้ำมันถูกพบตามสมมติฐานดังกล่าว

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

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 เป็นการหาพื้นที่ซึ่งอาจมีชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมอยู่ โดยสามารถแบ่งขั้นตอนได้เป็นดังนี้

ทั้งนี้ วิธีการทั้ง 3 วิธีการดังกล่าวข้างต้นนี้ ทำให้ทราบได้ว่าโครงสร้างที่พบนั้นมีความเหมาะสมแก่การเป็นแหล่งกักเก็บน้ำมันมากน้อยเพียงใด แต่ไม่ได้บ่งชี้ชัดเจนว่าชั้นหินนั้นจะเป็นชั้นหินกักเก็บน้ำมันหรือไม่ โดยสำรวจมีวิธีแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับลักษณะภูมิประเทศ หลังจากได้ข้อมูลการสำรวจแล้วจะกำหนดแผนการเจาะเพื่อพอสูจน์การมีการสะสมของปิโตรเลียมต่อไป

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 ต่อหลุม[ต้องการอ้างอิง]ซึ่งถือว่าเป็นการลงทุนที่สูงและมีความเสี่ยงมาก เพราะหากเราขุดไปแล้วพบปริมาณน้ำมันหรือแก๊สธรรมชาติที่ไม่คุ้มค่าในเชิงพาณิชย์ การลงทุนนั้นก็สูญเปล่า แต่ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาและทันสมัยมากยิ่งขึ้น ระยะเวลาในการขุดเจาะลดลงเหลือเพียง 4-5 วันต่อ 1 หลุม และใช้งบประมาณน้อยลงกว่าเดิม

หลังจากที่มีการขุดเจาะเอาปิโตรเลียมขึ้นมาแล้ว ปิโตรเลียมที่ได้ก็จะผ่านเข้าสู่กระบวนการต่าง ๆ บนแท่นเพื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาตินั้น เพื่อนำเอาน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติไปใช้ในการผลิต

ในกรณีที่ของหลุมที่ไม่ได้ใช้ประโยชน์แล้ว จะมีการอัดซีเมนต์ลงไปตามท่อผลิต เพื่อป้องกันไม่ให้ของไหลที่มีอยู่ในชั้นหินไหลไปสู่ชั้นหินอื่น ซึ่งอาจไปทำลายชั้นหินกักเก็บปิโตรเลียมใกล้เคียง หรือเข้าไปปนเปื้อนกับชั้นน้ำใต้ดินได้

เมื่อแยกเอา น้ำ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และสารปนเปื้อนอื่น ๆ ออกจากน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติ น้ำมันดิบจะถูกส่งผ่านไปยังสถานีแยกปิโตรเลียมเพื่อแปรสภาพให้เป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปชนิดต่าง ๆ ที่เหมาะสมใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

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

เนื่องจากผลิตภัณฑ์ที่ได้อาจมีคุณภาพที่ไม่ดีพอ จึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างของน้ำมัน ให้น้ำมันที่ได้มีคุณภาพที่ดี เหมาะแก่การนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบต่าง ๆ

เป็นการกำจัดสิ่งแปลกปลอมออกจากน้ำมันน้ำมันที่ได้มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแล้ว ซึ่งสิ่งแปลกปลอมที่สำคัญจะเป็นสารจำพวกกำมะถัน ซึ่งจะใช้วิธีการฟอกด้วยไฮโดรเจน หรือฟอกด้วยโซดาไฟเพื่อเป็นการกำจัดสารนั้นออก

คือการนำผลิตภัณฑ์ที่ได้มาเติมหรือผสมสารที่เหมาะสม เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปตามที่ต้องการ เช่น การผสมน้ำมันเบนซินเพื่อเพิ่มเลขออกเทน หรือผสมน้ำมันเตาเพื่อให้ได้ความหนืดตามที่ต้องการ

อุตสาหกรรมปิโตรเคมี คืออุตสาหกรรมที่นำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่ได้จากการกลั่นน้ำมันดิบและจากการแยกแก๊สธรรมชาติมาใช้เป็นวัตถุดิบเพื่อผลิตเคมีภัณฑ์ต่าง ๆ แบ่งได้ดังนี้

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

ผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี คือ ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตได้ โดยมีวัตถุดิบหลักมาจากการปิโตรเลียม ซึ่งมีหลากหลายประเภทมาก ตั้งแต่พลังงานต่าง ๆ เช่นน้ำมัน หรือ แก๊ส แล้ว อีกทั้งใช้เป็นวัตถุดิบตั้งต้นในโรงงานอุตสาหกรรม เช่น ก๊าซต่าง ๆ ไปจนกระทั่งเม็ดพลาสติก เส้นใยสังเคราะห์ อะไรก็แล้วแต่ที่มีต้นกำเนิดมาจาก ปิโตรเลียม อาจกล่าวได้ว่าเป็น ผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมี ทั้งสิ้น เชื้อเพลิงปิโตรเลียม มีหลายรูปแบบ กล่าวคือ

จากข้อมูลสารสนเทศด้านพลังงานของประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประมาณการใช้ปิโตรเลียมในปี 2554 มากว่า 87.41 ล้านบาร์เรลในแต่ละวัน