[摘要] 碳、氢两种元素是石油与天然气的主要组成部分，由于它们的稳定同位素质量相对差别较大，其 物理、化学和热力学性质的差别也比较明显，在自然界的各种物理、化学和生物化学作用过程中，会发生
明显的同位素分馏作用，同位素分馏作用是引起同位素丰度发生变化的主要原因。石油与天然气的形成是
从生物有机质产生开始，直至其完全氧化而结束，其间受到多种因素的影响和控制，在这些变化过程中，
必然导致其碳、氢同位素分布的差异，因此，碳氢同位素在油气勘探中有着重要的作用。
[关键词] 碳；氢；同位素；油气勘探；油源对比
陆相原油同位素组成与海相原油同位素组成有一定的差别。陆相原油和海相原油在芳香烃和饱和烃碳同位素组成上具有明显的差异，符合如下方程：
陆相有机质来源的原油：δ13C芳=1.12δ13C饱+5.45
海相有机质来源的原油：δ13C芳=1.10δ13C饱+3.75
对这两个方程进行统计计算，并以统计参数CV（典型变量）来判别陆相和海相原油。CV=-2.53δ13C饱+2.22δ13C芳-11.65
当CV值大于0.47明显表现出陆相有机质来源的原油；CV值小于0.47表明为海相有机质来源的原油。
原油碳同位素除了判别海相原油与陆相原油外，还可以用来鉴别其他类型的原油。对于低熟石油（Ro<0.6％），因其形成取决于原始生烃母质以及特定沉积环境，也可以根据其碳同位素特征划分其成因。
煤成油很好地继承了生源母质的碳氢同位素组成特征，其碳同位素普遍偏重，主要与III型有机质或煤岩有关。
原油的碳氢同位素组成实际上主要受生成原油的源岩有机相控制。有机相受三个方面因素影响：有机质类型、来源和沉积环境，其中以有机质类型为主。因此，还可以利用原油或氯仿沥青A的族组分的他按同位素值划分有机相。
二、研究生物降解作用荷花淀教学反思
石油受到生物化学降解作用，其碳氢同位素组成都会发生变化，被细菌降解的原油与同源正常原油同位素相比，其规律变化如下：
⑴剩余烷烃富集重同位素13C和D;
⑵原油的δ13C值变化较小，也稍有利于富集13C和D;
⑶芳香烃的δ13C的值几乎不发生变化；
⑷非烃（杂环化合物）和沥青质有利于轻同位素的富集。
另外，W.J.Stahl（1980）进行的烃类细菌降解实验也证实了原油在生物降解过程中，碳同位素组成发生上述规律性变化。
对于天然气，遭受了微生物降解后，使残存的各种单体烃都逐渐富集13C和D，即δ13C、δD值会变大(D.D.Coleman，1981)。造成这一现象的原因在于长链烃类比短链烃类降解快；正构烷烃降解速度大于异构烷烃降解速度大于环烷烃降解速度（W.J.Stahl，1979）。许多研究结果表明（Lebedew等，1969；Coleman，1981；JamesA.T,1984；廖永胜，1988），可以用碳氢同位素的动力分流判别油气是否遭受过生物降解作用及降解的速度。
三、进行油源对比
碳同位素用于油源对比，主要依据碳同位素的母质继承性和油气生成演化过程中的同位素分流和变化规律。生油岩中抽提物的碳同位素组成相似或比抽提物轻；而如果生油岩
的有机质与原油在成因上有关，则抽提物的碳同位素值应比干酪根轻。天然气的碳同位素组成同一也有这种关系，同一源岩有机产物的碳同位素组成正常序列是：δ13C天然气<δ13C饱和<δ13C原油<δ13C芳香烃<δ13C非烃<δ13C沥青质<δ13C干酪根。若某天燃气的δ13C值比可能源岩的有机产烃
物系列中一些组分的δ13C值特别是饱和烃和原油的δ13C值重，它就不是该源岩的产物。（一）原油与氯仿沥青A及干酪根碳同位素对比
沥青质可以看作是液态干酪根，经试验证实与其生物先质干酪根在分子结构上存在相似性，因此氯仿沥青A可看作是干酪根与原油的中间产物，所以可以利用原油、氯仿沥青A和干酪根碳同位素进行油源对比。相同来源的原油、氯仿沥青A和干酪根，它们的δ13C 值有如下相关性：
δ13C干酪根-δ13C氯仿A=0~1.5‰
δ13C氯仿A-δ13C原油=0~1.5‰
如果它们之间没有成因关系，其δ13C值之差一般大于1.5‰，这是进行油源对比的基础。（二）原油和烃源岩氯仿沥青A的族组分碳同位素交汇图对比
在油源对比中，还可以利用原油与氯仿沥青A族组分的烷烃和芳香烃碳同位素关系图进行油源对比。
（三）原油族组分和干酪根的碳同位素类型曲线对比
原油族组分和烃源岩干酪根的太难同位素类型曲线，可对比原油与原油与生油岩的关系。如果把类型曲线外推倒干酪根区域，有下面关系：
Δ13C干酪根=(δ13C干酪根)测值-（δ13C干酪根）外推值<0.5‰
即可认为原油与干酪根所代表的烃源岩之间有成因关系。廖永胜（1987）提出有你钻井岩屑样品测定干酪根的δ13C值与类型曲线外推得出的干酪根δ13C值接近并满足上述关系时，可将这一深度干酪根确定为烃源岩。但是在实际油源对比工作中，还应把握如下先决条件：（1）δ13C烷烃 <δ13C芳香烃<δ13C非烃<δ13C沥青质<δ13C干酪根；
双盲（2）烃源岩和原油成熟度范围在0.5％~1.2％之内，对比效果好；
（3）原油未遭受过细菌的强烈降解作用；
（4）原油来源单一。
（四）原油和氯仿沥青A的族组分碳同位素类型曲线对比
利用原油族组分δ13C值与烃源岩氯仿沥青A族组分δ13C值组成的匹配曲线进行油源对比。两种曲线形态一致的对英国烃源岩和深度，就是原油的生油层和供油深度。但原油遭受强烈生物降解、水洗作用或混源情况下，这种方法不可取。
四、对天然气成因类型进行判识
（一）无机成因气和有机成因气的判识
无机成因气与有机成因气碳同位素组成不同，主要区别在以下两个方面：一是无机甲烷比有机甲烷的富含13C。有机甲烷与无机甲烷的δ13C1分界值为：δ13C1小于-30.0‰的是有机成因气，δ13C1大于-20.0‰的一般是无机成因气。二是无机成因气与有机成因气其甲烷及其同系物的碳同位素组成关系不同。有机成因烷烃气的碳同位素组成关系一般是正相关，即δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4，无机成因烷烃气的碳同位素组成关系时负相关，即δ13C1>δ13C2>δ13C3>δ13C4。
（二）不同成因天然气判识
1.甲烷碳同位素和烃类成分鉴别
利用甲烷碳同位素与烃组分指标C1/(C2+C3)值能很好鉴别不同成因天然气（戴金星，1992）。
2.天然气的甲烷、乙烷和丙烷同位素鉴别
天然气中甲烷碳同位素变化较大，但乙烷与丙烷的碳同位素主要受母质类型控制，因
此应用δ13C1与δ13C2值和δ13C1与δ13C3值相关分布图，能较好鉴别天然气的成因类型。
戴金星等（1986）依据甲烷经济区同系物的同位素组成建立起区分煤成气和油型气指标：
煤型气：δ13C1>-30.0‰；δ13C2>-25.1‰；δ13C3>-23.2‰
油型气：-55‰<δ13C1<-43.0‰；δ13C2<-28.8‰；δ13C3<-25‰
介于上述两者之间或者超出范围者，多数属于混合气。
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张义刚等人（1987）选择δ13C1和δ13C2-1值作为天然气划分依据，可以鉴别出生物气、热成气、深源气、瓦斯气和深层混合气。
3.天然气碳同位素类型曲线分类
天然气碳同位素类型曲线是指甲烷及其同系物的碳同位素组成的分布连线，包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。据廖永胜（1997）等研究认为，天然气碳同位素类型曲线能全面反映天然气特征，并指出我国天然气碳同位素类型曲线分布特征可以很好鉴别油型气、煤型气和混合气。
4.碳氢同位素分类
利用天然气中甲烷碳氢同位素曲线可以较好地划分天然气成因类型。但是应当注意根据天然气碳氢同位素曲线划分天然气成因类型要结合本盆地实际情况进行，切莫生搬硬套。
5.天然气氢同位素类型曲线分类
天然气氢同位素类型曲线是甲烷及其同系物的氢同位素分布曲线，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等。天然气氢同位素曲线与碳同位素曲线有着异曲同工功能。
五、研究天然气的成熟度
有机质在埋藏过程中，经历成岩作用、深成作用及变质作用阶段，随着热演化程度不断增加，形成了生物气、干酪根热解气和裂解气等，在这一演化过程中，始终存在着C—
C键、C—H键的断裂和聚合，使得天然气中的碳氢同位素组成不断发生变化，随着成熟度不断增高，越来越富集重同位素，这样就可以根据天然气碳氢同位素变化来研究天然气的成熟度。
（一）天然气烷烃成分碳同位素差值与天然气Ro关系
随着天然气热演化程度增高，12C—12C键与13C—13C键断开逐渐趋向一致，形成天然气烷烃组分之间的δ13C值相差逐渐缩小，因此可利用甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷之间
的δ13C值的相差关系在图版上可以得出天然气的成熟度（James，1983）。
（二）天然气中甲烷及其同系物δ13C值与天然气Ro关系
天然气中甲烷及其同系物的δ13C值随着有机质成熟度增大而增大，而且不同有机成因类型天然气气质岁Ro变化的分布范围具有明显分区性和分带性。W.J.Stahl（1980）和M.Schoell（1980）等研究北欧盆地和北美洲的天然气的δ13C值与Ro的相关关系时，提出了利用δ13C1计算油型气和煤型气成熟度的回归方程：
油型气：δ13C1=14.8lgRo-41‰
煤型气：δ13C1=8.6lgRo-28‰tfp
戴金星等（1986,1991）研究了
我国不同地区天然气δ13C1、δ13C2、
δ13C3与Ro的关系，提出了适合我
国天然气成熟度计算的回归方程：
油型气：δ13C1=15.8lgRo-42.21‰
煤型气：δ13C1=14.12lgRo-34.39‰
δ13C2=8.16lgRo-25.71‰
δ13C3=7.12lgRo-24.03‰
徐永昌等（1991）提出了
催化过渡带气概念并修改了煤
型气回归方程，提出了以下计
算天然气成熟度的公式：
油型气：δ13C1=21.72lgRo-43.31‰
煤型气：δ13C2=8.6lgRo-32.80‰
六、进行气源对比
气源对比是根据天然气的
地球化学特征，采用多种地球
化学参数、多种手段对比追索
研究区的可能烃源岩，这对于油气勘探具有重要的指导意义。利用天然气碳同位素进行气
源对比是常用方法之一，概况起来有以下几种方法。
a)类型判别法
首先根据天然气的碳氢同位素组成划分天然
气成因类型，再根据成因类型追索可能的气源岩。
一般生物气是在埋藏较浅的微生物繁衍的地层中
生成，煤型气是在煤系地层或煤层生成，油型气
是在以I型有机质为主的海相或陆相地层中生成，
长春理工大学bbs根据这一特征，再结合成熟度划分的地层深度、
时代、结合烃源岩条件可以进行气源对比。
b)图示法
Stahl（1980）建立了该方法模式图，图中深
度相差不大的三个油气储层内甲烷的δ13C值各不
相同，相差较大，说明成熟度明显不同。
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c)计算法
计算法利用戴金星等人（1991）提出的
δ13C1、δ13C2、δ13C3值与Ro值的线性关系式，计算出生成天然气源岩的成熟度，结合研究区烃源岩的成熟度特征来对比和判识具体的气源岩。
d)直接对比法
气源岩中的吸附烃是天然气在源岩中存留部分，与天然气有着完全相同的亲缘关系，为了直接追索对比天然气与源岩的关系，通过研究天然气与源岩吸附烃的碳同位素关系，从而确定气源岩的方法称之为碳同位素直接对比法。
我国应用天然气和源岩吸附烃碳同位素对比法烟具气源岩，已经得到了广泛应用并取得了良好效果。
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