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来源 | 大地采集者，ID: Hydrocracking
编辑 | 扑克投资家，转载请注明出处
二十一世纪没想到那么快就过了十七年了，世界的经济中心也越来越明朗，一个发达国家和世界的霸主——美国，一个发展中国家和屌丝的代表——中国，两者是世界经济的两台发动机起到了缺一不可的作用。成为世界的发动机，创造大量财富的同时，那么也意味着要消耗不可计量的资源，中美两国就是世界原油需求及炼油产能最大的两个国家。其中中国的炼油产能约为7亿吨/年，美国的炼油产能约为9.5亿吨/年。本文主要梳理美国油气行业相关情况。
一、美国油气行业概况
得益于美国的页岩气革命，美国的油气行业在经历2008年以来的低迷期之后，在2010年油气开始迎来了大发展，减少了国内炼油业对于进口原油的依赖度。美国鹰格、贝肯等等几个页岩油产区的产量持续上升（其中import只是做一个估算，具体看后面的论述）。
图1. 美国原油生产及消耗
说到美国油气资源，大家都很熟悉的，但首先要说页岩油，页岩油和油页岩是有区别的。
页岩油是储存在页岩夹层之中的原油，而油页岩是一种固体可燃烧的有机岩石，经过处理可以提出石油的。
2007年美国借鉴页岩气开发的经验，在北达科他州和蒙大拿州的Bakken石油大规模水力压裂开采出了石油，并获得了巨大的成功，随后在Eagle Ford、Niobrara也获得了成功。
图2. 美国页岩油主要产区
1. Bakken
位于Williston盆地，跨域加拿大延伸至美国的北达科他和蒙大拿，是美国的第二大油田，储量为584亿方，约400-500亿吨（第一大是阿拉斯加的Artic National Wildlife Refuge油田，储量1600亿方）。
图3. Williston盆地
其主要特征是面积分布大，无明确的油水界面、低孔渗等等。进行水力压裂时，一般的水平段长度在400-1350米，平均长度为1050米，每个水平段压裂级数在4-20级，平均为8级。
大多数使用裸眼封隔器和投球滑套完井。
2. Eagle Ford
从美国-墨西哥边界到德克萨斯西南部的地区，地层深度为1800-4500米，厚度大约90--120米。开发主要技术是：水平井钻井和多级水力压裂。
多数水平井采用了12-21级的压裂。射孔段总长为1000-2380米。
Eagle Ford页岩层非均质严重，岩性、储层物性差异较大。各井在压裂施工时的参数也有较大的不同。
图4. agle Ford页岩层
3. Niobrara
位于科罗拉多东北。堪萨斯西北和怀俄明东南部。深度为1200-4200米，基本采用水平井技术。
图5. Niobrara地区
美国的主要是三个页岩油油田都是属于致密油-低孔低渗透，裂隙相对发育。
4. 页岩油和传统原油的差别
传统原油大多数API都在35以下的，而页岩油其API大多数都在40以上。那么API的不同会导致怎样的问题呢？
图6. 原油API和酸值
下图就显示了，不同API的原油，其组分的收率情况。
图7. 不同原油收率
图8. 不同原油收率（二）
一般来说页岩油的汽油-石脑油组分较多，按照上图可知，其汽油组分大约为60%-80%左右，剩余的柴油和蜡油组分；而一般炼油加工的API为31的原油，汽油组分有30%左右，柴油组分大约有20%。页岩油与一般原油的最显著的区别就是汽油-石脑油组分较多。
二、美国炼厂分布情况
美国共有约136家炼厂，常压装置加工能力约9.3亿吨/年，炼常压装置平均规模约600万吨/年，炼厂加工的进口原油API约为28，硫含量约1.87%，为典型的高硫重质原油。
图9. 美国原油区域划分
表1. 美国各区炼厂数量及产能
由上图及上表可知，美国最重要的产能位于美国中部及美国墨西哥湾区，两者的产能合计约7亿吨，约占美国总产能的80%左右，其中墨西哥湾区的产能约占美国炼厂总产能的50%左右。
1. PADD1区
Philadelphia、Trainer、Delaware City三个炼厂是该区最主要的炼厂，产能都在1000万吨以上，其中三个炼厂非常有特色的。
Philadelphia以本地原油为主，炼厂为带焦化的全加氢型炼厂，产能是该区最大的。
Trainer以进口欧洲及加拿大低硫原油为主，也是带焦化的全加氢型炼厂，其焦化装置规模合计500万吨/年，加氢裂化装置规模也时500万吨/年。
Delaware City为加工进口高硫原油为主，其特色是重整装置、催化裂化装置规模大，重整装置产能为700万吨/年，催化裂化装置产能为600万吨/年。
图10. 美国PADD1区
由于Appalachian Moutains的缘故，该区域可视为一个独立的供需区域，不能与PADD2、3区的原油、成品油管线交换，只能通过铁路还有轮船运输。炼厂大多数都集中在Washington和New York附近，有一些小型的炼厂只有几十万吨，但别人做的很有特色的，该区域炼厂的尼尔森系数大多数为6-8。
图11. 美国PADD1区炼厂
2. PADD2区
Whiting、Wood River、Saint Paul是该区产能较大的三家炼厂，加工的原油大多数为加拿大混合油，原油API23左右，硫含量2.0%以上。三个炼厂
Whiting是该区最大的炼厂，也是美国第六大炼厂。其产能为2000万吨以上，设置的焦化装置约为500万吨/年，并且其催化裂化装置产能也很大，约为800万吨/年。特别是其焦化装置，三炉六塔的流程，绝对是一个经典的设计。
Wood River就比较中规中矩，产能1800万吨，是全加氢型的炼厂，也有焦化装置。
Saint Paul产能1400万吨，全加氢行的炼厂，焦化装置规模约400万吨，配置有渣油加氢--催化裂化的组合工艺。
图12. 美国PADD2区
该区域主要的产能在五大湖区及Oklahoma附近，该区域的炼厂不管是装置结构及规模都算比较新建的，估计其整体的尼尔森系数可达7-9，部分炼厂有可能达到11，加工的油种以加拿大管输原油为主，因为大多数炼厂都配置有焦化装置。
图13. 美国PADD2区炼厂
PADD2起到了承上启下的作用，它的下方就是PADD3区，美国最大的炼厂产能所在区域。而且很多管道都经过该区的Oklahoma州，也是库欣油库的所在地。
3. PADD3
作为老美产能最大的一个区域，该区域的地位非常重要，极大影响了美国的炼厂行业，不光是每年夏季飓风对其炼油的影响，而且还有库欣库存的影响，从而影响美国的油气行业。该区域加工的原油很多都是中东进口高硫原油、墨西哥重质油以及加拿大重质混合油，原油API最低达到18左右，平均约26，硫含量最高3.72%，平均为2.20%。因为加工中东原油的缘故，每年的夏季飓风就会对炼厂的加工负荷产能影响了。
该区域可以说各个炼厂的地位都比较重要，实在要按照产能来说的话，区域产能较大的三个炼厂（也是美国产能前三的炼厂）为Port Arthur、Baytown和Garyville炼厂，产能都是3000万吨/年左右的，分别属于Motiva Enterprises LLC、Exxon Mobil Corp和Marathon Petroleum Corp。那么该区域产能累计比较大的几个公司有Exxon、Valero和Marathon，三个集团的产能约2亿吨/年。
图14. 美国PADD3区各集团产能
Port Arthur炼厂，美国第一大炼厂，产能达到惊人的3200万吨/年，加工的原油大多数是中东及墨西哥重质原油，相应的装置结构中焦化装置规模较大，加氢裂化产能400万吨，重整产能约650万吨，焦化装置产能约800万吨，都是世界级的规模，预计能提高500万吨/年的柴油及400万吨/年的汽油，以及400万吨/年的航煤，有渣油加氢装置，预计尼尔森系数达到13。
Baytown炼厂，美国第二大炼厂，产能为3000万吨/年，加工的原油大多数是加工的原油比排名第一的炼厂略好，因此其焦化装置的产能仅为400万吨/年，但是其尼尔森系数并不低，也有10.5。相应的主要装置产能有：柴油加氢800万吨，加氢裂化200万吨，重整650万吨。
Garyville炼厂，美国第三大炼厂，产能为2800万吨/年，加工的原油大多数为中东及加拿大重质原油。加氢裂化产能500万吨，重整产能680万吨，催化裂化产能720万吨，溶脱产能为200万吨，其尼尔森系数为10。
该区域的炼油业高度发达，平均尼尔森系数达到了9-10。很多炼厂都是全加氢型炼厂，重整装置的规模很大，也有油品调和配套相应的烷基化装置。但是，由于其炼厂结构偏重质化，如果要进行轻质化改造，就需要新建装置或者在下一个检修周期内改造常减压装置。
图15. 美国PADD3区炼厂
4. PADD4
该区域的产能只有约4000万吨/年，可以说是美国炼油业最不发达的地区，炼厂加工的原油为当地原油及加拿大混合原油，原油平均API为28，硫含量为1.5%。
图16. 美国PADD4区炼厂
该区域基本上以小炼厂为主，不做过多的说明了。
图17. 美国PADD4区炼厂分布
5. PADD5
该区域的产能约1.63亿吨/年，加工的原油主要是欧洲的进口原油及小部分中东原油，原油API为23，硫含量1.2%，大部分的炼厂都集中在沿海，该区域的炼厂因山脉阻隔的因素而自成一派。
图18. 美国PADD5区炼厂分布
El Segundo、Carson及Richmond三个炼厂是该区域排名前三的炼厂，主要加工重质原油，该三个炼厂的产能都在1200万吨/年，主要都在加利福利亚州，该区域还有一个主要炼厂集中区域为Washington，其它的阿拉斯加和夏威夷扥等都是一些燃料型的小炼厂。
6. 其它
美国炼厂总体而言，很多大型炼厂都是加工重质高硫原油的焦化加氢型炼厂，多数炼厂的尼尔森系数为9。湾区的炼厂为高度复杂的全加氢型炼厂，有些炼厂带有配套的化工装置，一体化的程度约有60%，因而湾区的尼尔森系数大多数为10以上。就美国炼厂的轻质化改造而言，PADD2区及PADD3区的改造难度较大，需要从整个炼厂的装置结构及能力考虑，才能得出更好的改造方案，特别是一些加工重质油的炼厂，其改造需要考虑的因素较多。
三、美国原油供需情况
因近几年美国页岩油革命的影响，美国进口的轻质原油逐渐减少，取而代之的是本土生产的页岩油，但与此同时，美国进口原油总的API及重质油数量却是增加了。
下面一个图表，展示了全球各区域炼厂加工原油的结构。
图19. 各国炼厂加工能力
可以看到，美国大多数加工的原油都是中质原油以及重质原油，其比例约为40-50%，如果再加上“酸油”，那么美国加工劣质原油的比重达70%。那么美国每年进口及消耗的原油情况到底如何呢？
图20. 美国炼厂加工能力
美国自2001年以来，原油产量一直维持约6000千桶/天的产能，而原油加工量为16000千桶/天，其余要进口的原油约为10000千桶/天。2012年开始，其国内原油产量增加（主要是页岩油），最高达到10000千桶/天，平均为8000千桶/天；相应的原油进口量也由高峰期的约10000千桶/天，降至目前的约8000千桶/天。这表明，美国原油的产量增加，减少了对于进口原油的依赖程度。
图21. 美国原油库存
按照上图可知，随着美国原油产量的增加，美国原油的库存也直线上升，由之前的约800000千桶，上升至目前的约1200000千桶。增加了约50%。而原油产量由之前的6000千桶上升至目前的约9000千桶，也增加了约50%。可以初步判断，美国页岩油的繁荣，不仅降低了美国原油对外的依存度，也增加了美国的原油库存。虽然顶出了大部分的轻质原油，减少了轻质原油的进口，但是由于美国炼厂至少50%都是加工中质及重质原油的，很大部分原油不能进入炼厂的常减压装置加工，只能转化为美国的SPR进行储备。
图22. 美国原油进口
美国进口的原油API大多数是在30以下的，约占了整个原油进口量的64%左右，API为30以上的原油约占整个原油进口量的35%,API为40以上的凝析油约有1%。那么可以初步得出一个结论，美国至少需要进口的重质原油有5000-6000千桶/天，并且美国过剩的约4000千桶/天的轻质原油，将对世界的轻质原油供需产生影响。美国目前做出的应对措施有：
（1）对美国炼厂进行轻质油适应性改造，增加相应的常减压拔头装置。但是，改造还有两个核心问题要解决，一是价格，二是下游装置的适应性。
（2）对原油进行简单处理之后，再以石脑油的名义进行出口。目前美国炼厂比较倾向于该方案。
就美国的原油供需关系来说，美国的原油供应还是没能满足美国炼厂的原油需求，目前存在的原油过剩是结构性过剩，美国对于原油的需求还是没有减少的。为了消化其结构过剩的原油，美国将对炼厂进行轻质化适应性改造或者出口原油。
四、近两年美国炼厂发展的趋势
1. 炼厂加工原油API情况
虽然从历史趋势来看，美国炼厂自1985年以来加工原油的API由33左右降至2015年的32左右，但是有几点需要注意的：第一，美国炼厂近几年以来加工的API都是32以下的，历史API平均为31.15。第二，出去进两年的页岩油繁荣的因素外，美国近十年加工原油的API都是31以下的。第三，PADD3区域加工原油的API都是31以下的。
图23. 美国原油API
美国湾区PADD3的情况又如何呢？其加工的原油API由1985年的34降至2015年的32，降幅达到2，其中历史最低达到29左右，其作为美国炼油行业最为集中、产能最大的区域，加工的原油重质化趋势很明显。但是，我们也可以看到，其加工油种也受到页岩油革命的冲击，在2013-2015年原油API上升了1个点。
图24. 美国PADD3原油API
那么，下面我们将美国指标性的PDAA3区加工的原油API与美国炼油全行业加工的API进行对比。
图25. 美国PADD3与全美原油API对比
我们可以看到，整个PADD3区就是美国炼油行业及加工原油变化的典型代表。美国近五年加工的原油API显著下降，达到30左右，是典型的重质型炼厂，预计其加工都是高硫、高渣油收率的中东、加拿大混合油以及玛雅原油。但是，由于页岩油革命，美国炼厂近两年加工原油的API呈上升趋势，已经上升至32，一只脚迈入了中质型炼厂的门槛。那么炼厂的情况又如何呢？
图26. 美国加工原油比例
2. 炼厂页岩油适应性改造
进入二十一世界以来，美国炼油行业基本没有很大的变化及发展，新增的产能很少，一个手掌都能数的清楚的。但是，随着美国页岩油革命以及IEA环保法规的日趋严格话，美国炼厂近两年的改造及扩能的工程项目越来越多，特别是美国炼厂（尤其是湾区）的轻质化改造已经提到日程表上。
美国炼厂近期最主要的趋势就是针对国内页岩油增加，炼厂进行的一些适应性的改造。虽然页岩油可以顶出一部分国外的进口轻质原油，但是，由于美国大多数炼厂都是按照高硫重质原油设计的（至少有60%左右的炼厂），那么大量的轻质原油还需要进行处理的，要不然美国的石油库存迟早要憋高。美国炼厂当前只有两条路可走，一是从源头解决问题，减少页岩油产量或者将页岩油出口至美国境外，二是从需求上解决问题，炼厂进行适应性改造。从上表可以知，炼厂改造要成本的，不花钱的东西，大多数都是不好的东西。
炼厂的适应性改造大体可以归纳为三类，一是不花钱的改造，只能从调整常减压装置的进料的API上下功夫，当然效果相对不好的，炼厂适应性差。二是花小钱的改造，在常减压装置上个拔头塔或者下游增加轻油的加工装置，例如汽油加氢装置。该类改造花点小钱，炼厂能抗一定的原油波动，但是相对的效益也不高。三是花大价钱的改造，全厂的装置结构进行大改造，投资很大，收益就要看原油价格了，而且政策风险也很大，但是加工原油的适应性就强了。具体看下图，近期美国炼厂的改造还是以新建一套拔头油塔或者说装置为主。
图27. 美国改造产能
除了和炼厂加工原油的适应性有关外，炼厂的改造肯定还有金钱的因素。美国炼厂的一个改造周期或者新建时间至少要36个月，一个装置的建设周期为24个月左右。那么大多数美国炼厂都要担心至少2年左右的政策风险了。如果炼厂进行中等规模的适应性改造，至少每桶成本增加4刀，如果是大规模的炼厂改造，那么成本增加8刀都有可能，尤其在近期的低油价下，每一个美元都要用在刀刃上，炼厂才有可能生存下去。因此，很多炼厂都是采取“中庸之道”，进行中等规模的改造，也就是增加一套凝析油拔头装置而已，很少炼厂会进行大规模的轻质油适应性装置改造。
3. 炼厂油品质量升级
2017年开始，美国使用更为严格的油品质量标准即“Tier3”，该标准的汽油硫含量必须为10ppm以下。而目前美国的汽油硫含量为30ppm（中国北上广的油品已经达到美国2017年要制定的标准了）。
受美国油品升级影响的炼厂大概有108家，其中60%炼厂将在两年内完成油品质量升级，主要是新建汽油加氢装置。整个湾区的炼厂质量升级更为紧迫及难度更大，因为湾区加工的大多数为重质原油，产品质量升级难度大。一是要从源头对原油进行挑选，一些低十六烷值和低辛烷值的油种会剔除，那样就会增加炼厂的采购成本；二是新建蜡油加氢处理装置，以满足催化裂化装置进料或者将焦化蜡油脱硫的目的；三是新建能够将汽油硫含量脱得更低的汽油加氢装置；四是对全厂的硫平衡进行重新计算并新建相应的脱硫装置。
例如，美国马拉松石油公司，它近期对下属炼厂进行了以下的改造内容。一是Kentucky炼厂新建了一套35000桶/天的凝析油分离装置。二是Canton炼厂新建一套25000桶/天的凝析油分离装置。三是Robinson炼厂改造蒸馏装置、改造加氢裂化装置。四是Galveston Bay炼厂新建加氢裂化装置。
总的来说，美国炼厂近几年的动作主要有两个：一是炼厂原油适应性的改造，一是针对2017年Tier3标准的炼厂油品质量升级改造。
五、美国炼厂利润情况
来看一张图，美国近几年来进口原油的构成，其中有两个现象，一是国内原油的比重在增加，一是进口重质原油的比重在增加。这也侧面印证了美国的原油总量是过剩的，但是结构上没有过剩，必须进口大量的高硫原油进行调和。那么，问题来了，为啥非要加工重质原油呢？加工轻质原油不是很好吗？
图28. 美国重质原油进口比例
来看一组数据，世界主要几个地方的原油期货价格情况：
WTI | BRT | OMN | |
DEC | 46.5 | 49.47 | 45.59 |
JAN | 47.33 | 50.13 | 47.3 |
表2. 主要原油期货价格（2015年）
就选取BRT和OMN进行一个对比，首先是价格的差异，BRT比OMN贵2美金一桶，远期贵约3美金一桶。日处理30万桶/天的炼厂，其成本按照2美金一桶的价差来算，那么一天就可以省60万美金，一年就是21900万美金。也就是说，买好油和买“差”油相对比，买“差”油每年可以节约2亿美金的采购费用，如果炼厂规模大的话，那么节约的费用更加可观。
图29. 美国轻重原油价差
按照历史趋势来说，轻质原油和重质原油的价格走势都是一样的，但是，轻质原油与重质原油之间的价格差异还是有的，肯定是一分钱一分货，轻质原油按照历史走势来看，价格还是高于重质原油的。例如Dubai和Nigerian进行对比，近十年以来两者的维持在2.82美金左右，最高的时候价差为5.17美金，最低的时候也有0.28美金。这是原油方面，重质型炼厂的采购利润。
因此，就炼厂而言，肯定是采购重质原油比较划算，那么炼厂的加工利润又如何呢？
图30. 炼油毛利
根据BP能源2015年公布的数据来看，绝大部分时间，炼厂加工重质油的毛利都是高于轻质原油的。美国炼厂十年以来，加工重质原油的毛利最高达到了25美金/桶，低的时候也有-1.15美金/桶，平均而言也有6美金/桶。如果炼厂加工轻质原油呢？美国炼厂十年以来，轻质原油毛利最高达到了7.92美金/桶，低的时候也有1.48美金/桶，平均而言只有4美金/桶。特别是在油价高企的2013--2014年，加工重质油的利润普遍高于加工轻质原油，两者的利润差，最高达到了10美金/桶，啥概念呢？一个30万桶/天的炼厂，光是凭轻重原油的利润差，一年的炼厂的利润差别就是10亿美金啊，这样下来，用个3--4年，多增加的利润就能新建一个炼厂了。
2014年美国菲利普66利润为37亿美金，排名世界第19位；瓦拉罗利润为27亿美金，排名世界30位。这两个炼厂都是以加工重质原油为主的炼油企业。其中菲利普66其上游已经完全分离，是一个仅有炼厂和销售终端的能源企。
六、总结
美国炼厂还是以加工重质原油为主，目前页岩油产量比需求大，导致库存原油结构不合理，原油总量过剩，预计将来美国将允许部分凝析油或者页岩油出口。
同时，美国炼厂也会根据原油的走势及美国政府的政策，采取符合自身利益的炼厂改造措施。
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