Aardolie

AARDOLIE Aardolie, ook ruwe olie of petroleum, een mengsel van vnl. vloeibare koolwaterstoffen, dat op diverse plaatsen op verschillende diepten in de aardkorst wordt gevonden en ontstaan is uit organische resten. De kleur van de in de natuur gewonnen ruwe olie kan variëren van bruingeel tot zwart. De doordringende geur kan afkomstig zijn van de koolwaterstoffen maar ook van andere verbindingen, bijv. zwavel- en stikstofverbindingen. Door de aanwezigheid van paraffine of van asfaltbitumen kan ruwe olie bij gewone temperatuur vast of halfvast zijn. De relatieve dichtheid kan liggen tussen 0,72 en ca. 1. Aardolie wordt in de industrie verwerkt tot een grote verscheidenheid aan handelsproducten, waarvan het grootste gedeelte (bijna 90%) in de vorm van benzine, kerosine, gas- en stookolie als brandstof gebruikt wordt. Daarnaast zijn aardoliefracties ook een belangrijke grondstof voor smeerolie en oplosmiddelen en voor de petrochemische industrie. GESCHIEDENIS VAN HET OLIEGEBRUIK Aardolie en aardolieproducten zijn reeds lang bekend. De Soemeriërs wonnen al op primitieve wijze aardolie. In Europa waren in de middeleeuwen plaatsen bekend waar olie uit de grond opwelde of uit rotsen sijpelde. In de 15de eeuw bestond een levendige handel in deze olie, die als geneesmiddel en later ook voor het smeren van wagenwielen werd gebruikt. De moderne aardolie-industrie ontsprong aan de vraag naar betere verlichting. De Canadese arts en geoloog Abraham Gesner (1797–1864) ontdekte in 1852 dat door droge destillatie van asfaltgesteente een goede lampolie kon worden verkregen, die hij naar het Griekse woord voor was kerosine noemde. In 1853 stichtte hij in New York twee fabrieken voor de productie hiervan. Doordat in de eerste helft van de 19de eeuw bij grondboringen naar water of zout enkele malen aardolie was gevonden, kwam de Amerikaanse industrieel George Henry Bissell (1821–1884) op de gedachte dat het mogelijk moest zijn door grondboringen naar aardolie te zoeken. Hij stichtte hiertoe in 1854 de eerste Amerikaanse oliemaatschappij, de Pennsylvania Rock Oil Company, en in 1858 de Seneca Oil Company. Nadat hij een oliemonster van een natuurlijke sijpelplaats door de chemicus Benjamin Silliman jr. had laten onderzoeken (1854–1855) en deze had aangetoond dat hieruit door destillatie een uitstekende lampolie kon worden verkregen, gaf hij aan kolonel Edwin Laurentine Drake opdracht met boringen te beginnen. Met een door hem zelf ontwikkelde boorinstallatie bereikte Drake op 27 aug. 1859 in Oil Creek Valley bij Titusville (Pennsylvania) een diepte van 21 m. De volgende ochtend bleek zijn put zich met aardolie te hebben gevuld. De aardolieproductie van deze eerste put bedroeg 8 à 10 barrels per dag (ca. 1500 liter). Dit succesvolle initiatief vond navolging. Binnen enkele jaren ontwikkelde zich een zo omvangrijke aardolieproductie dat het aanbod van lampolie aanzienlijk werd overtroffen door de vraag ernaar, hetgeen reeds in 1861 tot een sterke prijsdaling leidde. Deze petroleumcrisis noopte tot rationalisatie van het aanvankelijk zeer oneconomische vervoer. De Amerikaan John Davison Rockefeller sr. wist door het gebruik van pijpleidingen, het bewerkstelligen van voordelige contracten met de spoorwegmaatschappijen en door het bundelen van de zeer vele kleine raffinaderijen de moeilijkheden te overwinnen. De door hem in 1870 opgerichte Standard Oil Company werd de eerste van de grote oliemaatschappijen. Aanvankelijk werd van de ruwe aardolie alleen de afgedestilleerde kerosine gebruikt. Minder belangstelling had men voor het residu, dat echter al vrij spoedig werd gebruikt als brandstof onder ketels. Op dit gebied maakten de Russen meer vorderingen dan de Amerikanen. In Rusland werden de eerste oliebronnen geslagen in 1873 bij Bakoe. De pioniers waren daar de Zweedse gebroeders Ludwig en Robert Nobel, die o.a. de destillatietechniek verbeterden, het transport organiseerden en ook het eerste tankschip bouwden en op de Kaspische Zee in dienst stelden (1879). Bij de eeuwwisseling was Rusland met 10,8 miljoen ton per jaar de grootste aardolieproducent ter wereld. Rond de eeuwwisseling ontstond door de opkomst van de auto een groeiende vraag naar benzine, een product dat men voordien als ongewenst afval aan de fakkel moest verbranden. Reeds in 1913 was de vraag naar benzine zodanig toegenomen dat de opbrengst hiervan uit de ruwe aardolie vergroot moest worden door het invoeren van het kraken. Ook werden nieuwe productiegebieden ontsloten, waarbij de in 1890 opgerichte Koninklijke Nederlandsche Petroleum Maatschappij (in 1907 opgegaan in de Koninklijke/Shell Groep) onder de initiatieven van Henry Deterding een belangrijke rol speelde. Naast Rockefellers Standard Oil ontwikkelde de 'Koninklijke' zich tot een van de grootste olieconcerns.
Strategische betekenis van aardolie De beide wereldoorlogen hebben de strategische betekenis van aardolie aangetoond. Olie werd een factor in de internationale politiek. De Verenigde Staten verwierven in 1922 belangen bij de ontwikkeling van de olieproductie in Mesopotamië (Irak, Perzië). De Russische aardolie (genationaliseerd) verdween van de internationale markt. De scherpe concurrentie leidde tot overeenkomsten tussen de grote olieconcerns over vervoer, afzet, patenten, enz. (1928, 1932). Mexico nationaliseerde de olieproductie in 1938, Perzië in 1951. In 1956 verstoorde de sluiting van het Suezkanaal de aardolievoorziening van West-Europa in vrij ernstige mate. Sedertdien zijn echter voorraden gevormd en werden de transportfaciliteiten uitgebreid, zodat de hernieuwde sluiting van het Suezkanaal in 1967 niet tot moeilijkheden in de Europese energievoorziening heeft geleid. In 1960 verenigden de aardolieproducerende landen van het Midden-Oosten en Venezuela – die samen 85% van de aardolie-export leverden (toen voornamelijk bestemd voor de West-Europese en Japanse markt; sinds ca. 1970 importeren echter ook de Verenigde Staten in toenemende mate uit deze landen) – zich in de OPEC. Later traden Qatar, Indonesië, Aboe Dhabi, Algerije, Nigeria, Ecuador en Gabon nog toe. De kwetsbaarheid van de Europese energievoorziening bleek toen de landen van het Midden-Oosten in verband met hun conflict met Israël in 1973 een olieboycot instelden, waardoor bij de verbruikerslanden tijdelijk olietekorten optraden en de olieprijzen omhoog schoten (Eerste oliecrisis). Door de Eerste Golfoorlog tussen Irak en Iran ontstond in 1979 een Tweede oliecrisis. Als reactie op beide oliecrises zijn de Westerse landen eigen aardoliereserves versneld in exploitatie gaan nemen (o.a. uit het continentaal plat van de Noordzee) en kwam er meer aandacht voor duurzame SAMENSTELLING EN EIGENSCHAPPEN De koolwaterstoffen, die het hoofdbestanddeel van aardolie vormen, behoren tot de volgende reeksen: a. alkanen voornamelijk van de benzeenreeks. Verder zijn in geringe hoeveelheden aangetoond: alkenen (olefinen), terpenen, naftaleen en antraceen. Het totale aantal verbindingen dat in aardolie voorkomt, wordt geschat op ca. 500. Veel van deze verbindingen worden als nadelige bestanddelen beschouwd. Het grootste deel van de koolwaterstoffen in aardolie is vloeibaar; ook vaste koolwaterstoffen, zoals paraffines en asfaltbitumen, en gasvormige, zoals methaan (erin opgelost), kunnen evenwel aanwezig zijn. Door aanwezigheid van de genoemde vaste stoffen kan (ruwe) aardolie bij gewone temperatuur vast of halfvast, en daardoor moeilijk verpompbaar zijn. Ook de vloeibare koolwaterstofbestanddelen met hoog molecuulgewicht zijn zeer viskeus (dik-vloeibaar) en maken oliën met grote percentages daarvan eveneens moeilijk verpompbaar. Transport van zulke oliën via pijpleidingen vereist daarom in koude streken soms ingewikkelde verwarmings- en isolatievoorzieningen van het leidingsysteem. De waardering van de commerciële waarde van ruwe olie geschiedt aan de hand van de relatieve dichtheid, het vlampunt en het zwavelgehalte van de olie. De relatieve dichtheid, in oliekringen vaak nog 'soortelijk gewicht' genoemd en uitgedrukt in graden API (API = 141,5/dichtheid bij 15,6 o;C - 131,5), is een van de meest waardevolle gegevens, want de prijs van de aardolie hangt er direct van af. Een lage dichtheid betekent nl. een hoog gehalte aan (de dure) benzinefractie. Dergelijke aardolie haalt een hoge prijs als ze bovendien nog zwavelvrij is. Het 'stolpunt' (Eng.: pour point), de temperatuur waarbij de aardolie ophoudt te vloeien, geeft informatie over mogelijke moeilijkheden bij winning, verwerking en transport. Een hoog stolpunt betekent dat de aardolie tijdens pijpleidingtransport, en ook bij de afscheiding van gas en water uit de ruwe olie, verhit moet worden, wat apparatieve voorzieningen behoeft. De verstijving van de ruwe olie is meestal een gevolg van aanwezige paraffine. Het vlampunt kan variëren van 80 °C tot minder dan 0 °C. Een laag vlampunt betekent een hoog gehalte aan vluchtige koolwaterstoffen (benzine) en derhalve een hoge prijs van de aardolie. Het zwavelgehalte gaat gewoonlijk omhoog met de relatieve dichtheid, de viscositeit en het vlampunt. Het zwavelgehalte ligt gewoonlijk tussen 0,2 en 3% (gew.) en is maximaal ca. 7%. Hoogzwavelige aardolie komt voor bij olievoorkomens nabij zoutpijlers of bij lagen die gips of anhydriet bevatten. Enkele landen hebben voorschriften die invoer van (ruwe) olie met hoog zwavelgehalte verbieden. De opgave over de aanwezigheid van gewichtsprocenten van de elementen zwavel, stikstof en zuurstof kan tot misvattingen aanleiding geven over de betekenis van zulke waarden. Een zwavelgehalte van 1% in kerosine komt overeen met 7% aanwezige mercaptan (alkanen met een –SH-verbinding). In de zwavelhoudende zwaardere fracties is de zwavel overwegend aanwezig in thiofenen (zwavelhoudende onverzadigde cyclische koolwaterstoffen), die aanzienlijke percentages kunnen bereiken. Dit feit werpt een bijzonder licht op het ontzwavelingsprobleem van zware aardoliefracties. De verwijdering van de zwavel door chemische raffinagemethoden, die verbindingen van zwavel met koolwaterstoffen verwijderen, gaat gepaard met een daling van het koolwaterstofaandeel in de aardolie, dus met koolwaterstofverliezen. Verwijderingsmethoden waarbij het zwavelatoom door katalytische hydrogenering uit het molecule van de organische zwavelverbindingen wordt gelicht (hydrogenerende ontzwaveling), beperken de materieverliezen. In de laagkokende fracties, zoals benzine, veroorzaken zwavelverbindingen stank en corrosie van de apparaturen waarmee ze in aanraking komen, hetzij in onverbrande toestand, hetzij na de verbranding in de uitlaten en schoorstenen van de apparaten en motoren, hetzij als vervuilers van de omgeving door het zwaveldioxide in de verbrandingsproducten. Verder verlagen zwavelverbindingen de gevoeligheid waarmee de benzine reageert op de toevoeging van een bepaalde hoeveelheid van een het octaangetal verhogend additief (dope). Bovendien vergiftigen zwavelverbindingen bij bepaalde raffinagewerkwijzen, zoals katalytische kraak- en reformeringsprocessen, de katalysator. Bij de hoger kokende fracties, zoals de middeldestillaten en de residustookolie, stoort het bij de verbranding optredende zwaveldioxide eveneens het milieu. Stikstofverbindingen hebben een storende invloed op de reuk, de kleurstabiliteit en het verouderingsgedrag van aardolieproducten. Aandacht verdienen ook de in aardolie voorkomende zuurstofverbindingen. De zuurstof kan in hydroxylgroepen van aromatisch karakter of in carboxylgroepen aanwezig zijn. Bij naftenische olie, dwz. Olie waarvan de benzinefractie veel naftenen bevat, komen ze voor in de vorm van nafteenzuren. Door middel van extractie met loog kunnen deze bijv. als metaalzout (naftenaat) uit de gasoliefractie worden verwijderd. Na reiniging worden ze als siccatief gebruikt. Anorganische bestanddelen in olie zijn te wijten aan onvoldoende ontwatering en ontzouting van de te velde gewonnen ruwe olie. Normaal is een asgehalte van 0,01–0,05%. Belangrijke bestanddelen zijn vanadium, nikkel en natrium. Het vanadiumgehalte kan vrij aanzienlijke bedragen aannemen: tot 0,12% (= 1200 mg/kg). Zowel vanadium als nikkel is ongewenst, daar ze bij hydrogenerende ontzwaveling van aardolieresidu's de katalysator vergiftigen. Het desbetreffende procédé is daarom alleen uitvoerbaar als het vanadiumgehalte beneden 100 mg/kg blijft. Verder kunnen de metalen, die bij de raffinage van de aardolie in het destillatieresidu achterblijven, bij gebruik daarvan als brandstof onder ketelvuren, in dieselmotoren en in gasturbines tot corrosie aanleiding geven, bijv. van de turbinebladen, als gevolg van aantasting door het laag smeltende natriumvanadaat. Daarom worden demetalliseringsprocessen toegepast, waarbij de metalen aan een goedkope katalysator worden gebonden en verwijderd. ONTSTAAN EN LIGGING Algemeen wordt aangenomen dat aardolie (behorend tot de petrobitumina, zie bitumen) van organische oorsprong is. De olie bevat verbindingen die nauw verwant zijn aan chlorofyl en hemine en verbindingen zoals cholesterol, caroteen, terpenoïden, enz., die alleen langs organische weg ontstaan. De chemische samenstelling van aardolie verschilt aanmerkelijk van die van de organische inhoud van recente sedimenten, een aanwijzing dat er een langdurig en complex vormingsproces heeft plaatsgehad, dat wordt aangeduid met de term oliegeneratie. De ontstaanswijze van aardolie stelt men zich op de volgende manier voor: het uitgangsmateriaal, kleine organismen die in grote hoeveelheden vlak onder het zeeoppervlak leven (plankton), zakken na het afsterven naar de bodem. In zeebekkens waarvan de diepere waterlagen zuurstofarm zijn, worden de organische resten afgebroken door anaërobe bacteriën, waarbij zuurstof- en stikstofverbindingen met klein molecuulgewicht worden afgesplitst waardoor de samenstelling van het overblijvende materiaal naar die van koolwaterstoffen tendeert. Dit onoplosbare materiaal wordt kerogeen genoemd. Op den duur, diep begraven in de tegelijk afgezette fijnkorrelige sedimenten, begint daarna, bij toenemende druk en temperatuur, een serie chemische omzettingen van het kerogeen, waarbij kleine oliedruppeltjes en gasbelletjes worden gevormd. Verdere compactie perst de olie en het gas uit het moedergesteente naar andere poreuze gesteenten, zoals zandsteen en dolomiet, waarin, geholpen door de circulatie van water, de soortelijk lichtere olie naar boven migreert, totdat de verdere migratie door een daartoe geschikte geologische structuur (een combinatie van ondoorlaatbare gesteenten en een vervorming van het lagenpakket) gestopt wordt, of totdat de oppervlakte bereikt wordt, waarbij de aardolie verloren gaat. In bepaalde randbekkens van oceanen en zeeën, bijv. de Zwarte Zee, de Golf van Mexico, enz., wordt naar men aanneemt nog steeds aardolie nieuw gevormd. Volgens de schattingen van Amerikaanse en Russische onderzoekers betreft het in totaal 8 à 12 miljoen ton per jaar (een minimale hoeveelheid vergeleken met de wereldconsumptie van ruim 3 miljard ton per jaar). Aardolie wordt aangetroffen in afzettingsgesteenten van verschillende geologische ouderdom. De producerende formaties stammen uit het Cambrium tot het Mioceen. Niet alle afzettingsgesteenten bevatten aardolie; de boor moet uitsluitsel geven of een gunstige structuur inderdaad aardolie bevat. Grote gebieden zijn arm aan aardolie (op de precambrische schilden met veel kristallijne gesteenten kan men bijv. geen aardolie verwachten), terwijl sommige gedeelten van Noord- en Zuid-Amerika, de Noord-Azië, het Midden-Oosten en Noord-Afrika over enorme voorraden beschikken. Ook continentale platten (ondiepe zeegebieden, grenzend aan het vasteland van de continenten) bieden vaak perspectieven (Perzische Golf, Golf van Mexico, Indonesië, Noordzee, bij Australië). Een groot deel van de toekomstige aardolie zal van deze offshore-gebieden afkomstig zijn. Aardolie komt voor als plaatselijke accumulaties (oliereservoirs of olievelden genoemd) in poreuze reservoirgesteenten die overdekt zijn met een ondoorlatend gesteente (het 'dak' van het reservoir), op plaatsen waar verdere migratie van de aardolie onmogelijk is. De meeste reservoirs zijn geassocieerd met structuren, zoals anticlinaal, zoutpijler, breuk en discordante afdekking (zie discordantie) van hellende lagen door een afsluitende jongere afzetting. Van boven naar beneden gaande door een reservoir treft men vaak eerst gas aan, dan aardolie en daaronder (meestal zout) zgn. randwater. OPSPORING EN WINNING Het opsporen van aardolievoorkomens begint met o.a. luchtfotogrammetrische verkenningen en geologische kartering, gevolgd door het toepassen van verschillende geofysische exploratiemethoden. Deze kunnen aanwijzingen geven over het aanwezig zijn van gesteenten en structuren die gunstig zijn voor het ontstaan van aardolieaccumulaties, maar geven geen uitsluitsel of in die structuren werkelijk olie (of gas) aanwezig is. Slechts een boring kan daarop antwoord geven. Tijdens het uitvoeren van een exploratieboring worden verschillende fysische eigenschappen van de doorboorde geologische formaties gemeten met behulp van in het boorgat neergelaten meetinstrumenten. Met speciale kernboren is het ook mogelijk monsters van het doorboorde gesteente zonder vergruizing naar boven te brengen en in het laboratorium te onderzoeken. De meeste opsporingsboringen hebben een negatief resultaat; gemiddeld levert één op de acht exploratieboringen een productieve put op; er komen echter ook gunstiger resultaten voor. In gebieden waar reeds een duidelijke kennis van geologie is opgebouwd en waar de modernste geofysische opsporingstechnieken worden toegepast (bijv. in delen van het Noordzeebekken), zijn succesratio's van 1:3 tot 1:5 niet ongewoon. Met behulp van driedimensionale technieken neemt de succesratio nog verder toe. De diepte tot waarop aardolie kan worden gewonnen, neemt steeds toe. Bij Caillou Island (Louisiana) wordt bijv. aardolie gewonnen op 6664 m diepte. De kosten van het boren nemen snel toe met de diepte van het gat. Hoewel exploratieboringen (naar aardgas, omdat aardolie op die diepte niet meer voorkomt) tot een diepte van meer dan 9000 m zijn uitgevoerd, concentreren de opsporingsactiviteiten zich bij voorkeur toch op plaatsen en diepten waar vooruitzichten zijn op goede resultaten bij bescheiden kosten. b. Als bij exploratieboring aardolie of aardgas in voldoende mate wordt aangetoond, worden voor de winning daarvan exploitatieputten geboord. Een producerende put is voorzien van kraan- en afsluitwerk, het spuitkruis, om de olie- en gasstroom te verwerken. Bij putten waarbij door water of gasdruk de aardolie vanzelf omhoogkomt, de 'spuiters', kan volstaan worden met een zeer eenvoudig spuitkruis ( 'christmas tree'). Dergelijke putten kunnen een productie leveren van 100 tot 2000 m3 per dag, die na verloop van tijd echter vermindert. Men spreekt van gasstuwing of gasdrive als de aardolie naar de producerende putten wordt gestuwd als gevolg van uitzetting van een gaskap. Bij niet of niet meer spuitende putten wordt de aardolie opgepompt door een putpomp, vaak de 'jaknikker'. De productie van een dergelijke put bedraagt meestal niet meer dan enkele m3 per dag. De putpomp kan niet alle aardolie aan het reservoir onttrekken. Ten gevolge van de oliewinning treedt nabij de producerende putten een kunstmatige drukverlaging op. Het toestromen van de aardolie uit het reservoir onder invloed van deze drukverlaging wordt depletie genoemd (v. Lat. deplere = ledigen). Doordat de aardolie in een reservoirgesteente veelal onder aanzienlijke druk staat, kan de aardolie grote hoeveelheden aardgas in oplossing bevatten. Bij de drukverlaging komt gas uit de oplossing vrij. Het gas beweegt zich echter sneller dan de aardolie, zodat het reservoirgesteente in sterkere mate van gas 'geledigd' wordt dan van aardolie. Productie door depletie levert dan ook zelden meer dan 30% van de oorspronkelijk aanwezige aardolie op. Men heeft diverse technieken ontwikkeld om een deel van deze achterblijvende aardolie alsnog te winnen. Deze methoden worden samengevat onder de naam supplementaire winning. Deze methode kan men 'secundair' toepassen, dus uitstellen tot na de beëindiging van de natuurlijke, 'primaire' winning. Vandaar dat ook vaak van secundaire winning wordt gesproken. Noodzakelijk is dit uitstel echter niet. Bij de klassieke supplementaire methoden wordt water of gas onder druk in de laag gebracht, hetgeen neerkomt op een kunstmatige vergroting of herstel van de natuurlijke productiekrachten. Het inpersen van grote hoeveelheden aardgas in een olieveld (repressuring) geschiedt bij voorkeur in de hoogste delen van de formatie (daar waar de oorspronkelijke gaskap aanwezig was); het inpompen van water (water flooding) geschiedt aan de laaggelegen flanken van het veld. Dit dient met overleg te gebeuren, vaak na het uitvoeren van simulatiestudies, want ingepompt water is geen ideaal voortstuwingsmiddel; het zoekt de weg van de minste weerstand, soms zonder de aardolie, die relatief meer weerstand ondervindt, voor zich uit te drijven. Aan de kwaliteit van het ingepompte water moet grote zorg worden besteed. Het zouten bevattende water, dat met de aardolie tijdens de olieproductie naar boven is gekomen, kan als regel niet zo maar worden teruggepompt, daar de aanraking met de zuurstof van de lucht chemische omzettingen (bezinksel) teweeg kan brengen. Verder is ook de ontwikkeling van algen ongewenst. Zonder voorafgaande reiniging van het water zouden meegevoerde algen en bezinksel de laag doen verstoppen en de olieproductie belemmeren. Het water wordt in sommige gevallen vóór het inpompen flink (over)verhit, omdat men van de hoge temperatuur ervan een verhitting van de aardolie en dus een vergroting van de vloeibaarheid (verlaging van de viscositeit) van de aardolie verwacht. Het ingepompte water wordt in de literatuur behalve als flankwater ook als randwater of vleugelwater aangeduid. Meer geavanceerde supplementaire winningstechnieken, bekend als tertiaire winning (enhanced oil recovery), die in een bepaald stadium van de winning van aardolie uit een reservoir kunnen worden toegepast, maken een grotere olie-opbrengst mogelijk. Goede resultaten worden verkregen door de temperatuur van het gesteente en daardoor ook van de aardolie in het reservoirgesteente te verhogen, waardoor de viscositeit van de aardolie en daarmee de weerstand tegen verplaatsing afneemt. Dit wordt bereikt door injectie van heet water of stoom, of door een klein gedeelte van de aanwezige aardolie ondergronds (dus ter plaatse) te verbranden (in-situ combustion) onder het inblazen van lucht. De hete verbrandingsgassen, vermengd met door de verhitting uit de aardolie gevormde vluchtige destillatie- en kraakproducten, trekken door de laag heen naar de afvoerputten en verwarmen de aardolie die zich vóór het zich langzaam voortplantende verbrandingsfront bevindt en drijven deze eveneens naar de afvoerputten. Andere tertiaire winningsmethoden bestaan uit het inpompen van oplosmiddelen (zowel vloeibaar als gasvormig), waarmee de aardolie dunner wordt gemaakt; het inpompen van chemicaliën die de oppervlaktespanning verminderen, waardoor de aardolie in het gesteente beweeglijker wordt; het inpompen van polymeren, waarmee het aanwezige water viskeuzer wordt gemaakt, waardoor dit in relatie tot de aardolie minder mobiel wordt en het een betere oliestuwende werking krijgt. Onder gunstige condities kan een olie-opbrengst uit de ondergrond van wel 70% worden bereikt. De ontwikkeling van deze verbeterde winningstechnieken wordt echter, vanwege de hoge kosten, in belangrijke mate bepaald door economische factoren. Vooral in de Verenigde Staten wordt een groot deel van de olieproductie met behulp van supplementaire methoden verkregen. Vanwege de hoge kosten laat men vooral zure aardolie in de bodem. Deze bevat namelijk veel stikstof, zware metalen en hoge zwavelgehalten. De olie is dik doordat hij veel complexe organische verbindingen bevat. Er wordt gewerkt aan technieken waarmee een mengsel van enkele soorten bacteriën in het aardolie bevattend gesteente gebracht wordt. Deze bacteriën, de extremofielen, zijn geselecteerd op hun vermogen onder hoge druk hetzij de complexe organische moleculen af te breken, hetzij de zwavel of zware metalen te verzamelen en op te slaan. Daardoor kan de aardolie dunner worden en is hij gemakkelijker te reinigen. VERWERKING Aardoliefracties De ruwe aardolie wordt aangevoerd per tanker, via een pijpleiding of per spoorwagon. Wateroplosbare zouten worden uitgewassen, waarna door destillatie bij atmosferische druk de volgende aardoliefracties afgescheiden worden: a. lichte bestanddelen en nafta (kooktraject tot ca. 200 °C); b. kerosine (180–250 °C); c. lichte en zware gasolie (200–300, resp. 275–375 °C), met het: d. atmosferisch residu als bodemproduct van de destillatiekolom. De relatieve hoeveelheden en de kwaliteit van deze fracties hangen af van de aard en samenstelling van de ingekochte ruwe olie. Het ontwerp van de raffinaderij is in die zin van belang dat niet elke raffinaderij elk type aardolie kan verwerken. Aanvankelijk had men alleen een nuttige toepassing, en dus belangstelling, voor de kerosinefractie, die als lampolie aftrek vond. Geleidelijk aan leerde men een steeds groter deel van de ruwe olie op te werken tot producten met een hoge toegevoegde waarde. Drijvende krachten daarbij waren de gestegen ruwe-olieprijzen en de om redenen van het milieu minder wordende afzetmogelijkheden voor zware stookolie. Deze laat zich niet goed ontzwavelen. De van de primaire destillatie afkomstige fracties worden nu verder verwerkt. De lichte bestanddelen en de nafta bestaan uit koolwaterstoffen met 1 tot 10 koolstofatomen met een relatief hoge waterstof/koolstof-verhouding. Deze fractie laat zich betrekkelijk eenvoudig ontzwavelen en ontstikstoffen: de in mercaptanen, thio-ethers, disulfiden en thio-aromaten c.q. stikstofhomologen aanwezige zwavel en stikstof worden door hydrogeneren omgezet in waterstofsulfide en ammoniak. Conversieprocessen De belangrijkste conversieprocessen na de primaire scheiding door destillatie bij atmosferische druk en vacuümdestillatie van het atmosferisch residu zijn: a. waterstofbehandeling (hydrotreating) Zwavelverbindingen worden grotendeels omgezet in waterstofsulfide dat door absorptie kan worden afgescheiden en via het Clausproces in zwavel wordt omgezet. R—S—R + 2H2 → 2 RH + H2S
Doel is het verkrijgen van zwavelarme brandstoffen om SO2-belasting van het milieu te voorkomen. Ook zuurstof en stikstof worden verwijderd, in de vorm van water respectievelijk ammoniak. Alkenen, die door polymerisatie tot ongewenste 'gum'vorming in benzine zouden leiden, worden omgezet in alkanen; b. alkyleren van C3- en C4-fracties tot hogerkokende en vertakte koolwaterstoffen, in essentie door de reactie van olefinen met isobutaan; c. isomeriseren van C5, C6 en C7 n-paraffinen tot hun vertakte isomeren; d. reformeren van de naftafractie een proces, waarbij onder invloed van een edelmetaalkatalysator n-paraffinen geïsomeriseerd, gecycliseerd en gearomatiseerd worden. Isomerisatie leidt tot vertakking, cyclisatie of ringsluiting en zet n-paraffinen om in naftenen (verzadigde koolwaterstofringen), en deze laatste kunnen onder het afstaan van waterstof overgaan in aromaten, zoals benzeen, tolueen of xylenen. N.B. Alkyleren, isomeriseren en reformeren leiden tot aardoliefracties met een hoger octaangetal; e. katalytisch kraken. Gasolie afkomstig van de atmosferische of de vacuümdestillatie wordt omgezet in (kraak)benzine. Deze hoogkokende aardoliefracties worden over een zeolietkatalysator bij temperaturen rond de 500 °C omgezet in koolwaterstoffen met een lager molecuulgewicht. Doordat geen waterstof wordt toegevoegd, ontstaan er ook alkenen; f. hydrogenerend kraken (hydrocracking) is kraken over een katalysator onder toevoeging van waterstof. Het is te beschouwen als een krachtige vorm van hydrotreating, waarbij zware aardoliefracties niet alleen ontzwaveld, maar ook lichter gemaakt worden; g. thermisch kraken is historisch gezien de voorloper van katalytisch kraken. Op de aardolieraffinaderij wordt het nog toegepast in de visbreaker en in de coker. Zware oliefracties gaan bij verhitting over in lichte en nog zwaardere fracties. De lichte hebben een hogere H/C-verhouding dan de voeding, en de zwaardere een lagere. In de visbreaker wordt door de vorming van lichtere fracties de viscositeit van zware stookolie verlaagd, met als doel het verstuiven in een brander bij niet te hoge temperatuur mogelijk te maken. In de coker loopt de H/C-verhouding van het zware product terug naar 0, en wordt op die wijze petroleumcokes gevormd. Thermisch kraken van LPG, nafta of gasolie onder verdunning met stoom is de bron van lichte olefinen (etheen, propeen, butadieen) voor de petrochemie. Een stoomkraker vormt dan ook het hart van een petrochemiecomplex. De belangrijkste opgave van de aardolieverwerkende industrie is het verminderen van de milieubelasting, zowel de directe die voortkomt uit de raffinaderijprocessen, als de indirecte die het gevolg is van het gebruik van de producten. Een verschuiving van de vraag in de richting van lichtere producten bij een gelijktijdige economische noodzaak om zwaardere en hoogzwaveliger aardolie te verwerken leidt tot meer gecompliceerde raffinaderijprocessen. In de Flexicokerraffinaderij van Esso wordt de H/C-verhouding van de producten opgevoerd door het onttrekken van koolstof, in het Hyconproces van Shell door het toevoegen van waterstof.
WERELDRESERVE De wereldreserve was in 1997 138,4 miljard ton, waarbij de aardolie uit teerzanden en olieschalies niet is inbegrepen. (De wereldvoorraden aan koolwaterstoffen uit teerzand en olieschalie worden geschat op het 500-voudige van de wereldreserve van aardolie.) Het wereldverbruik was in 1996 3,332 miljard ton, zodat er nog voor tientallen jaren aardolie is. Overigens wordt uit milieuoverwegingen getracht het gebruik van aardolieproducten efficiënter te maken. Het bij de verbranding van aardolie vrijkomende CO2 draagt namelijk in aanzienlijke mate bij aan het broeikaseffect. De grootste aardoliereserves bevinden zich in enige landen in het Midden-Oosten, vooral Saoedi-Arabië (26% van de wereldreserve!). Irak, Iran, Koeweit en de Verenigde Arabische Emiraten beschikken elk over ca. 9–10% van de wereldreserve. West-Europa (m.n. Noorwegen) en Groot-Brittannië hebben de beschikking over 2,038% van de wereldreserve. Dit is het kraken van aardolie en het hetzelfde als het kraken van benzine.