¿Por qué el petróleo es insoluble en agua?

Pues mira, esta no es una respuesta, es una aclaración, la solubilidad de una sustancia en otra no está en función directamente de la densidad, si tiene que ver, pero no es dominantemente suficiente, de hecho, si solo se basara en esto la solubilidad no podríamos mezclar casi ninguna sustancia; el hecho es que la solubilidad depende en gran medida de las interacciones intermoleculares de las dos sustancias, las llamadas fuerzas de Van der Waals, también conocidas como puentes de hidrógeno, dipolos, dipolos momentáneos, etc. es decir la solubilidad estará definida por la polaridad que tengan las moléculas, rápidamente te puedo decir que la polaridad es una característica en las moléculas a tener parcialmente localizados los electrones en una región que quedaría con carga parcial negativa y otra con carga parcial positiva, creando lo que se conoce por dipolo, este tipo de moléculas se les llama polares y debido a las interacciones electrostáticas entre ellas una sustancia polar disolverá a una polar y una no polar disolverá a una no polar.
Existen varios grados de polaridad dependiendo de la molécula, esto hace que algunas si se disuelvan y otras no, en el caso del petroleo, es una mezcla de hidrocarburos, que por regla general son no polares y por tanto no se disolverán en una sustancia polar como lo es por definición el agua.
Espero haberte ayudado, si te queda alguna duda házmela llegar.