在含油气盆地演化史研究中，油气运移是一个复杂的过程，由于遗留下的踪迹较少，难以对其进行模拟，又涉及多个学科，因此油气运移路径示踪一直是油气成藏研究中的难题。油气运聚成藏定位技术，即对油气运移的示踪以及聚集空间分布的预测，是研究油气从生烃、运移、聚集及保存等一系列过程中非常关键的技术，无论是对优选勘探目标、重建油气藏形成演化过程、预测油气富集区，还是对丰富与深化油气成藏理论都具有非常重要的实践意义和理论意义。近年来国内外学者在油气运移方面投入了大量研究工作，取得了丰硕的成果，但是其中部分示踪方法的研究仍是石油地质研究中的薄弱环节，有待进一步探索。基于前人的一些主要成果，对油气成藏定位进行系统梳理和综述，认为油气成藏定位主要经历 2 个阶段，从定性描述阶段发展到定量刻画阶段，并尝试将油气运移示踪的方法分为 4 个大类。
作为重要的流体矿产，石油与天然气共有的特征就是具有运移性。油气运移贯穿了整个油气成藏历史，在生、排、运、聚、散等各个环节中均起到纽带作用，是石油地质学中研究的关键问题之一。QIN 等和 SUN 等也认为油气运移是油气成藏研究的关键。干酪根晚期热降解生油学说的提出及成功应用奠定了现代石油地质学的基础，地质勘探家才真正开始从油气的角度出发，综合考虑油气的成藏过程，系统地分析油气成藏的基本要素（生、 储、盖、运、圈、保），并从盆地形成演化的角度研究油气运移过程中的相态、动力、通道、方向、距离及时间等问题，从而恢复油气成藏的过程。不论是石油地质学、还是与其有关的成藏动力学，都是为预测有利勘探区和油气增储上产而服务。
研究油气资源的空间分布规律、准确预测待发现油气资源的运移路径及其聚集位置不仅能够减少勘探风险、优选勘探目标，而且对提高勘探效益有着重大意义。随着石油需求量的不断增加，简单的单旋回盆地中的油气已难以满足人们的生产需求。因此，地质学家将油气勘探目标转向更深、更老、更复杂的叠合盆地。如中国的三大克拉通盆地，是目前国内油气资源最丰富的盆地，与单旋回盆地相比，叠合盆地中的海相层系具有年代老、埋深大、成烃过程长、演化程度高、成藏期次多与构造运动复杂等特点。在多旋回地质构造背景下，由于经历了反复抬升剥蚀和沉降埋藏演化过程，致使现今保存下来的油气藏大多遭受次生地球化学作用影响，使得油气性质变得复杂，给油气成藏过程和油气田分布预测带来了极大的困难。在烃源岩生排烃至油气聚集成藏这一漫长的动态过程中，油气运移与输导体系的研究是一个涉及学科面广、难度很大的复杂问题，也是成藏过程的关键，目前关于油气在地下的运移路径、方式等还没有特别清晰的认识，尤其是深层碳酸盐岩地层。因此，如何有效地判别油气的运移路径并对其有效输导体系进行精细刻画显得尤为重要，不仅对探明油气的分布规律、恢复油气成藏过程、预测有利勘探区，而且对发展和完善成藏机理有着重大的实践和理论意义。
经过调研，通过对以往地质学家在油气示踪方面研究成果的梳理，发现油气成藏定位主要经历了2个阶段：定性描述阶段和定量精细刻画阶段（表 1）。笔者认为指示油气运移路径、刻画输导体系的方法大致可以分为 4 类：①流体势指示油气运移方向； ②传统地球化学分析方法示踪油气运移；③原油微量金属元素及同位素示踪油气运移；④地层水矿化度及同位素示踪油气运移。
单位物质所具有的总机械能称为势，对于流体而言，就是流体势。20 世纪中叶，HUBBERT为了描述地下流体的能量变化和运移规律，首次将流体势理论引入石油地质学中。此 后 ENGLAND等对其流体势的概念进行了改善，引起了国内外学者的重视。流体势不仅为地下孔隙中的流体流动提供基本动力，同时决定着流体的运移方向，影响了地下流体的富集 与分散。HUBBERT与ENGLAND 等所提出的流体势最根本的区别在于两者的定义标准不同，前者是以单位质量的流体为标准，称为质量势［式（1）］；后者则以单位体积的流体为标准，称为体积势［式（2）］，最为常用。由 式（2）可知，流体体积势能值的大小主要受流体埋深、密度、界面张力以及岩石孔隙喉道半径等因素共同控制，即体积势能会随着埋深、密度、界面张力的增大，岩石孔隙喉道半径的减小而增大。定义中反映了在油气运移过程中主要的力的作用，因此流体势可以反映地下油气的运移情况。许多学者根据流体势等值线图来描述油气的运聚，并且这对未知的、隐蔽的油气聚集区的预测和评价具有一定的指导作用。
式中：Φ 为流体势，g/J；g 为重力加速度，m/s²；z 为测点 相 对 于 基 准 面 的 距 离 ，m；p 为 测 点 孔 隙 压 力 ，MPa；ρ 为流体密度，g/cm³；v 为流速，g/L；σ 为两相界 面 张 力 ，mN/m；θ 为 界 面 角 度 ，° ；r 为 孔 喉 半径，m。
20 世纪 80 年代以来，随着盆地定量分析技术、盆地模拟技术以及成藏动力学的兴起与发展，盆地流体势与油气成藏的关系已逐渐成为石油地质学的热点问题。研究盆地流体势不仅能够指导油气成藏系统的划分，而且可以明确盆地的演化史，指明油气的运移方向和聚集区域（表 2）。地下油气在流体势的影响下，遵循由高势区向低势区方向运聚这一基本规律，油气流体势高势、低势区域势场的特征为油气藏分布规律的认识提供了前提条件，一般流体势图上的低势闭合区或者汇聚流指向区为油气聚集的有利区。
因而流体势被广泛地应用于油气二次运移的研究，指导油气的勘探开发，根据其高低可判别油、气、水的流动方向和聚集地带。由此可见，成藏期的流体动力控制着油气的运聚成藏，流体势可以可靠地辨识有利油气聚集区。
石油与天然气在运移的过程中会发生一系列物理变化和地球化学变化，引起这些变化的主要原因有层析作用（或称吸附作用）、氧化作用、分馏作用等。一方面，含油气盆地勘探程度不断深入，勘探技术手段不断更新与发展，探井数量也越来越多，这使得获取丰富的井下资料（如钻井岩心、原油及流体包裹体样品等）成为了可能；另一方面，分析测试技术的进一步提升与精确，使得地球化学示踪技术在油气运移研究的应用上有了跨越式的进展（表 3）。就目前而言，示踪油气运移的传统地球化学方法主要有以下 5 类：①油气组成与物理性质；②生物标志化合物；③含氮化合物；④含硫化合物；⑤碳同位素。
烃源岩在盆地演化过程中会发生多次生排烃，排出的油气在运聚过程中，其成分会呈现出不同的变化规律。因此，原油的化学成分、物理性质在空间上的变化对于分析油气运聚和分布特征具重要的参考价值。一般来说，早期烃源岩热演化程度较低，其生成的原油成熟度较低；反之晚期较高热演化程度的烃源岩生成的原油成熟度较高。此外，不同成熟度的原油之间具有很慢的混合速度，致使这种原生的差异性一般可以保留至今。由此可见，原油沿运移方向其成熟度不断减小，因此应用原油成熟度的平面分布特征，可以对原油的运移路径和方向等进行研究。
在油气运移过程中，以层析作用和运移分异作用为主时，沿油气运移方向，石油中的重组分含量（胶质+沥青质）相对减少，轻组分含量相对增加；石油的密度、黏度和含蜡量降低；以氧化作用为主时，沿油气运移方向，油气组成与物理性质则表现出相反的特征。除此之外，烃类组分也具有一定的示踪意义，一是低分子正构烷烃，如 CH4具有最强的渗透、扩散能力，因此沿运移方向其相对含量逐渐增加，而矿物和围岩对重烃组分具有较强的吸附能力，故重烃组分（C2+）逐渐减少；二是对于分子量相同的组分（如iC4、nC4），一方面，分子有效直径较小者（如iC4=5.278 Å），极性较小，与矿物岩石表面的作用力相对较弱，而分子有效直径较大者（如 nC4=5.784 Å）则相反；另一方面，iC4具有比nC4更大的扩散系数。由此可知，在运移因素占主导地位时，天然气会呈现富集异丁烷的趋势，即iC4/nC4值随着运移距离的增加而增大。
油气分子在大小、结构、极性等方面存在差异，这必然会导致油气在运移的过程中产生一定程度的运移分异效应（地层色层效应）。因此，生物标志化合物对油气的运移及确定成藏时油气充注方向的研究具有重要价值。生物降解作用对于生物标志化合物表征的原油成熟度影响较大，所以在示踪油气运移时，必须选用适用于较宽的成熟度范围且具有很强的抗生物降解能力的生物标志化合物，如三环萜烷、五环萜烷等。由于三环组分比五环组分易于运移，故运移距离较远的油气富含三环组分，即三环萜烷/五环萜烷值沿油气运移方向增大。此外，萜烷系列化合物参数，如 C29Ts/（C29Ts+17α-C29降藿烷）值、Ts/（Ts+Tm）值、三环萜烷/［三环萜烷+17α（H）-藿烷］值，也可用于示踪石油运移和 充 注 过 程 ，这 些 值 沿 着 油 气 运 移 方 向 逐 渐 减小。由于极性小的化合物通常容易运移而富集在运移远的原油中，故三芳甾烷/（三芳甾烷+单芳甾烷）值随运移距离增大而减小。另外，尽管甾烷参数中的 αββ/ααα 和 ααα20S/20R 同为成熟度指标， 但 SEIFERT 等依据液相色谱分析结果提出，ββ构型比 αα 构型的甾烷运移得更快。因此，这一对指标有可能成为判识原油运移距离的指标。
甾烷、萜烷等烃类生物标志化合物组成和分布的分异效应可用于判别油气运移，20 世纪 90 年代初，国内外学者注意到原油中极性含氮化合物在运移中会发生分馏作用，认为非烃化合物（特别是吡咯类含氮化合物）也是极为有效的油气运移指标。刘洛夫等首先将该方法引入国内，并进行了一系列探索研究。其中咔唑类、烷基咔唑类和苯并卡唑类的吡咯类氮化合物已被证明是充油方向、充油距离和充油途径的有效示踪剂。作为原油及烃源岩中的一种非烃组分，含氮化合物的分馏作用已成为研究石油二次运移的一种重要手段。石油在运移过程中，会出现咔唑类的地色层分馏效应，原油中含氮化合物（如含有氮原子杂环的咔唑类分子）的极性较强，围岩表面对其具有较强的吸附作用，即氮原子上键合的氢原子与地层中的有机质或黏土矿物上的负电性原子构成氢键，使得部分咔唑类分子滞留于输导层或储层中，导致其浓度沿油气运移方向逐渐降低，不同异构体之间的丰度比值存在差异。
咔唑类地色层分馏效应的表现形式有 3 种：①原油中含氮化合物的绝对丰度（μg/g）沿着油气运移方向逐渐降低。②依据咔唑类分子中氮原子周缘烷基取代位的差异性，分为“屏蔽” 型、“半屏蔽”型和“暴露”型 3 类异构体。沿着油气运移方向，通常具有“屏蔽”型相对富集，“暴露”型减少的特征。③由于苯环与咔唑并合的碳位差异，形成不同的苯并咔唑结构异构体，常见的有似线状的苯并［a］咔唑和半球状的苯并［c］咔唑。二者相比，苯并［a］咔唑线性分子运移速度相对较快，而苯并［c］咔唑半球状分子运移较慢。因此沿着油气运移方向，线性分子异构体相对富集。
吡咯类含氮化合物在凝析油和轻质油中含量低，限制了其应用。此外，有机相、沉积环境、烃源岩热成熟度及储层次生改造等因素也可能对吡咯类氮化合物的含量和分布产生影响。硫苯类芳香族化合物是原油和烃源岩中有机硫化合物的主要形式之一，其中硫原子被纳入多环芳香族碳氢化合物，包括苯并噻吩（BTs）、二苯并噻吩（DBTs）及其烷基衍生物和苯并萘噻吩（BNTs），由于噻吩类化合物在原油中含量较高，在分离、定量过程中参数值更加可靠，因此在油气运移示踪领域具有较好的应用前景。
在以往的研究中，烷基 DBTs 主要应用于油类和烃源岩的成熟度评价，烃源层的有机质类型和沉积环境研究。根据其成熟程度和迁移分馏效应 ，WANG 等认为甲基二苯并噻吩类（MDBTs）与二甲基二苯并噻吩类（DMDBTs）同分异构体的相对含量（即 4-/1-MDBT、2、4-/1、4-DMDBT、4、6-/1、4-DMDBT）可以作为示踪剂，指示油的迁移方向和途径。此外，总 DBTs 浓度也被证明是一种实用的油液充填方向跟踪指标。
稳定碳同位素在油气运移过程中会有一系列的变化，因此在确定油气运移方向、判别油源方面得到了突飞猛进的发展，其主要是基于同位素的分馏效应。C、H、O 等元素都含有多种稳定同位素，由于同位素之间的质量差异，在一些物理化学过程中，它们的物理化学性质会显示出细微的差别，会引起同位素丰度发生变化，导致同位素在不同化合物中以不同比例分布，即同位素分馏。目前认为，重质的芳烃、极性化合物和沥青质沿运移方向，13C 相对减少而富集 12C，轻饱和烃中 13C 则随运移距离的增加而相对富集。总体而言，在油气运移过程中 13C 轻微消耗。除此以外，CAROTHERS等研究发现低成熟度天然气中的 CO2参与形成的自生方解石的碳同位素组成较轻，反之亦然。陈安定等根据实验模拟，证明天然气的运移会造成明显的碳同位素分馏。基于这一特征，碳同位素被广泛应用于天然气运移路径示踪研究中。天然气在地下的存在方式多种多样，导致其运移过程中碳同位素的分馏受不同的因素控制。一方面，以游离相运移的天然气，碳同位素的分馏主要受“质量分馏效应”控制，由于 12C 分子质量相对于 13C 小，对应的扩散能力相对较强，因此在运移方向上逐渐富集 12C 轻同位素；另一方面，以水溶相运移的天然气，碳同位素的分馏主要受“溶解分馏效应 ”控 制 ，天 然 气 中 12C 与 13C 组 分（主 要 指 CH4 与CO2）在水中的溶解能力存在差异（13C 组分更易溶于水），可根据其相对含量判断天然气的运移，即沿油 气 运 移 方 向 表 现 出 逐 渐 富 集 12C 轻 同 位 素 的 特征。利用上述原理，能够较好地反映含油气盆地中油气的运移方向，除此以外，天然气运移过程中的碳同位素分馏也与运移距离、输导层物性等外部环境条件有关。因此在对具体的盆地进行分析时，应当结合该盆地的地质背景以及相关的成藏要素。目前 δ13C1、δ13C2—δ13C1、δ13CCO2 及储集层中自生方解石的碳同位素常用于示踪天然气运移路径。
在对油气示踪的研究过程中，油气本身就含有丰富的运移指示剂。因此，我们可以直接从原油中提取有效的运移指示剂的相关参数，从而达到示踪的效果（表 4），比如原油中的一些金属元素、同位素，含有丰富的信息，随着分析手段的提高，使得分离获取这些元素及其同位素成为可能。
原油中存在 40 多种微量金属元素，不同性质的烃源岩、原油中含有的微量金属元素种类以及浓度存在差异。随着研究工作的深入，在复杂的油气成藏条件下，面对有机地球化学方法的多解性，常用的示踪油气运移指标的可靠性得到质疑。因此有必要重视微量金属元素在原油中的丰度、赋存状态及石油地球化学意义的研究，其各方面的应用已逐渐引起了研究者的关注，主要分为 2 个方面：一是判断油源；二是判断油气运移路径。李扬等和王祥等研究认为，原油中金属元素主要以水溶性无机盐、石油酸盐、卟啉类化合物、非卟啉类化合物等方式存在于沥青质等重质成分中。这些微量金属元素中，指示油气运移的主要包括 V、Ni、Cu、Cr、Al、Mg、Mn 和 Ti 等，其中重金属元素 V、Ni可占微量元素总含量的 50%~70%，且石油中 V 和Ni的含量大于岩石圈中 V 和 Ni的平均丰度。
金强等认为烃源岩中的有机质在沉积过程中富集了多种微量金属元素，生成的油气可继承其特有的微量元素，并保存在油气藏、油气苗及沥青中。这些微量元素像人体的基因一样记录着母源信息，不因油藏破坏、氧化等作用的发生而变化，可以随着原油长距离运移。原油中微量元素的丰度和种类首先与生物的种类有关，其次主要受烃源岩沉积环境和油气运移的影响。在迁移过程中，微量元素的绝对数量可能发生变化，但微量元素之间的相关性保持一致。因此，利用金属微量元素在成藏过程中绝对变化和相对稳定的特征，可以研究油气的运移规律。V 和 Ni 作为原油中主要的微量金属元素，它们主要以 Ni、V 卟啉的形式存在于树脂或沥青质中。在运移过程中，Ni 和 V 会与围岩交换，由于围岩和地下流体的作用以及盖层封闭能力的影响，Ni 和 V的绝对变化量难以确定。一般来说，V 和 Cu 主要富集在沥青质中，而 Ni主要存在于树脂中。沥青质的极性比树脂的强，当烃类运移时，与树脂相比，沥青质更容易被岩石颗粒吸收，因此沿着油气迁移方向，V/Ni 值呈逐渐下降的趋势。因此，V/Ni值可以作为追踪油气运移途径的重要依据。
由于已知铀与沉积物中的有机碳含量呈正相关，特别是富碳的黑色页岩，因此探索原油中的铅同位素作为烃生成和运移的示踪剂似乎是一个值得进一步研究的途径。虽然 Pb、U 和 Th 可以在原油和地层水之间分馏，但 Pb 同位素比较稳定，不会发生分馏，这种独特的性质使 Pb 同位素成为指示生烃和油气运移特别有用的标志。与 C、N、S、V 和Ni 等元素的稳定同位素相比，使用 Pb 同位素的一个主要优点是，Pb 同位素在百分比水平上的变化是由 238U、235U 和 232Th 的放射性衰变造成的，这与热力学同位素效应相比小一到两个数量级。此外，由于铅同位素的变化受多种放射性系统的控制，它们的解释不依赖于所测得的父/子值。因此，U-Th-Pb 同位素系统似乎特别适合于研究石油的生成和运移。不过，就目前来看，Pb 同位素示踪油气仍处于探索阶段，还没有成熟的实践应用。
稀有气体包括 He、Ne、Ar、Kr、Xe 等，按照其来源，可以分为 3 类：①大气衍生的非放射性惰性气体，如 20Ne 和 36Ar；②来源于深部地壳、储层或烃源岩的放射性惰性气体，如 4He、21Ne、40Ar；③幔源惰性气体，如 3He 等。稀有气体同位素在矿床学中的应用主要集中在成矿流体的示踪和年代学研究 2 个方面。在天然气中含量虽然很少，但是却蕴含了丰富的地球化学信息。在运移过程中，基于稀有气体同位素的分离与分馏，从而使得在油气运移过程中，轻重稀有气体的比例会发生相应的变化，使其在识别油气运移方面取得了重要进展。樊然学报道了 4He/40Ar值可以用来示踪油气运移，由于 4He较 40Ar 轻，因此沿着运移方向4He/40Ar值增大。刘全有等提出可以用3He/4He 值来追踪油气运移，沿着运移方向，4He 丰度相对增加，其值略微减小，并且结合现有天然气运移指标，验证了稀有气体示踪油气运移的可靠性。WANG 等认为 4He/40Ar值对运移距离较大的天然气示踪效果比较明显，运移距离较短时意义不大。
地层水作为含油气盆地中盆地流体的重要组成部分，见证了盆地从沉积形成、到构造演化、再到最终定型的整个过程，以各种形式与油气共存于地下岩石孔隙空间中，既可以作为油气运聚的载体，也可以提供油气运移所需的驱动力。地层水中元素及其同位素的地球化学特征和变化涵盖了油气生成、运移和聚集过程的地球化学场和动力场信息，对研究油气运移、油气保存条件等一系列油气勘探开发中的关键问题提供了重要线索。此 外，作为成藏流体的重要组成部分，地层水参与了成藏的各个阶段。因此，地层水的研究对深入了解油气的成藏过程具有十分重要的意义。地层水常用的地球化学指标包括矿化度、常量元素、微量元素以及同位素等，就指示油气运移来讲，主要包含总矿化度、碘同位素等（表 5）。
有机质演化生烃的过程始终在地下水环境中进行，油气的运移和聚集与地层水密切相关。一般来说，高矿化度地层水常与还原环境伴生，有利于油气的保存；而低矿化度地层水常与氧化环境相伴生，油气易逃散，基于这一特征可以发现矿化度升高的方向似乎揭示了油气运移、聚集的方向。从迁移规律来看，高矿化度分布区一般流体势低，为地层水的泄流区；从流体势角度分析，高矿化度分布区也被认为是低势区。因此根据上述结论，再结合含油气盆地的构造特征，利用地层水矿化度和水型在平面及垂向上的差异分布，在一定程度上可以指示油气运移的路径、方向及其聚集位置。根据前人研究成果，发现地层水矿化度高值区与相应的油藏分布具有较好的一致性，但需要注意的是，根据地层水矿化度判断油气的有利聚集区时，需要结合钠氯系数、变质系数、脱硫系数和碳酸盐平衡系数等离子比值进行共同分析。
碘是一种稳定的嗜生物元素，盆地流体的碘浓度可以作为与富有机质沉积物相互作用的示踪流体。海水中的碘含量为 0.05×10−6。海洋颗粒碘的含量一般在（200~1 300）×10−6之间。在成岩作用中，由于这种富碘的有机质分解并将碘释放到水相 ，沉 积 孔 隙 水 中 的 碘 含 量 增 加 了 250×10−6 以 上。原油的碘含量较低，认为碘在烃源岩有机质成熟过程中被释放到邻近的孔隙水中，因此在油田水等与烃类相关的流体中发现了高含量的碘。这就是为什么溶解的碘可以作为油气运移的指标。
油气定位技术对于成藏过程重建、对圈闭预测及油田的勘探开发至关重要。近半个世纪以来，从最开始的流体势、油气物理性质、地层水矿化度等方法的简单示踪，到含氮、含硫化合物以及同位素的精准示踪，油气定位技术已经有了非常大的进展。在对古老的叠合盆地的油气藏进行定位的过程中，一方面由于盆地演化过程复杂、发育多套烃源岩、存在多期成藏，油气运移路径错综复杂；另一方面不同油气运移示踪指示参数适用于不同的地质条件，具有不同的优势，且各自存在局限性，因此单凭一种方法难以准确地恢复油气的运移路径，需要多种方法相互结合、相互补充。在进行油气成藏定位、重建过程中，应该做到实际地质背景与地球化学资料相结合、直接与间接研究相结合、石油地质与其他学科相结合，提高对油气示踪解释的合理性与精确性。
除此以外，我们应该尽可能发挥不同油气示踪方法的优点，规避自身的局限性，针对不同地质情况下的油气藏，选择合理的示踪方法解决具体的地质问题。随着科学技术的不断提高以及对油气勘探的不断深入，我们应当在现有方法的前提下，尽可能地去探索更加准确可信的油气示踪参数。
本文作者: 薛 楠, 吕修祥, 朱光有, 韦佳启, 汪 瑞, 李 峰, 贺 涛, 吴郑辉, 陈 晓, 欧阳思琪｡本文转自《天然气地球科学》2022年,内容不做商用,仅用于信息传播,如有侵权,请与我们联系｡
