石油和天然氣是非常寶貴的礦物資源，人們對石油和天然氣生成的認識，是在勘探和開發實踐中逐步加深的。石油和天然氣的生成問題是自然科學領域中爭論最激烈的壹個重大研究課題，是石油地質學界的主要研究對象之壹。
為了認識石油和天然氣是怎樣生成的，首先應該了解什麽是石油和天然氣。
（壹）石油和天然氣成分探秘
石油可分為天然石油和人造石油兩種。天然石油是從油氣田裏直接開采出來的，如克拉瑪依油田、塔河油田、大慶油田等開采出來的石油。人造石油是從油頁巖或煤幹餾出來的，如東北撫順和廣東茂名等地利用油頁巖幹餾得到的石油。石油在提煉以前稱為原油。從原油中可以提煉出汽油、煤油、柴油、潤滑油以及其他壹系列的石油化工產品，如乙烯、化肥等。
石油有哪些特性呢？從外觀上看，石油的顏色多種多樣，有的油田的石油是棕黑色的，像煙袋油，如克拉瑪依油田的；有的呈黑綠色，如獨山子油田的；還有淺棕黃色，如柯克亞油田的；有些油氣田采出來的石油無色透明，像清水壹樣，如巴楚地區的巴什托凝析油氣田和呼圖壁凝析油氣田的。
聞氣味也是認識石油的壹種方法。石油中含有汽油和煤油，所以可以聞到特殊的煤油味。有壹些石油中含有硫化氫，聞起來有壹股臭雞蛋味。還有壹些石油含有較多的芳香烴（壹種有機化合物），聞起來又特別香。
石油比水輕，又不溶於水。石油的相對密度（在20℃時，與同體積的水相比）介於0.75～1.0之間，相對密度小於0.9的石油稱為輕質石油，相對密度大於0.9的稱為重質石油。由於石油比水輕，又不溶於水，所以當石油遇到水時，就漂浮在水面上，呈現出五顏六色的油膜。
石油不像水那樣容易流動，具有壹定的黏性，黏度越大，越不容易流動。石油的黏度隨著溫度的增高而減小，有些石油在地面看起來很稠，很不容易流動，但是在地下比較高的壓力和溫度條件下，它的流動性可能是很好的。
以上幾點突出的物理性質，可以幫助我們去認識石油。物理性質是化學組成的反映，因此，要認識石油還必須認識它的實質，即它的化學組成。
有許多有用礦產的化學組成是比較簡單的，如煤，主要是由碳（C）組成的。石油的化學組成比較復雜，它既不是由單壹的元素組成的，也不是由簡單的化合物組成的，而是由多種元素組成的多種化合物的混合物。
石油是由碳（C）、氫（H）和少量的氧（O）、硫（S）、氮（N）等元素構成的。其中兩種主要元素碳和氫構成碳氫化合物，化學上稱為烴，這是取碳字中的“火”字和氫字中的“”而構成的。烴類是壹種有機化合物，它占石油成分的97%～99%，其余的成分是含氧的化合物、含硫的化合物和含氮的化合物。這些化合物只占1%～3%。在自然界裏，大多數含碳化合物中，除壹氧化碳、二氧化碳和碳酸鹽以外，都是有機化合物。所以說，石油是壹種復雜的有機化合物的大家族。
石油中的碳氫化合物，按照結構的不同分為三類：
（1）烷族碳氫化合物：它是通式為CnH2n+2的飽和烴，“n”表示碳的個數。在室溫下，C1—C4為氣態，C5—C16是液態，是石油的主要成分；C16以上的為固態，懸浮在石油中（表4-3-1）。
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表4-3-1 石油中的部分碳氫化合物
（2）環烷族碳氫化合物：通式為CnH2n，屬飽和烴。碳元素呈環狀結構，以五元環和六元環最多。
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在多數情況下，環烷族烴占石油成分的主要部分。
（3）芳香族碳氫化合物：通式為CnH2n－6，屬不飽和烴，包括苯、甲苯和二甲苯等。芳香烴具有強烈的芳香氣味，但是在大多數情況下，它在石油中的比例比較小。
還有其他不飽和的碳氫化合物混雜在石油中，如烯烴類（表4-3-1），但是數量很少，對石油的成分影響不大。
不同油田的石油，所含各類碳氫化合物的比例是不同的。新疆大多數油田的石油含烷烴較多，其次是環烷烴，芳香烴較少，屬於烷族－環烷族石油。
組成石油的碳氫化合物，在壹般情況下，有壹部分呈氣體狀態。在油田裏都含有壹定數量的這種氣體，稱為天然氣，或稱油田氣。
實際上，石油和天然氣是個“雙胞胎”，它們的生成物質和生成環境基本上是壹致的。因此，當我們了解了石油的特性以後，還應該了解天然氣的特性。
天然氣的成分也不是單壹的，是各種氣體的混合物，其中主要的氣體是氣態碳氫化合物，其次有少量的碳酸氣〔（即：二氧化碳（CO2）、壹氧化碳（CO）〕、氮氣（N2）、氫氣（H2）、氦氣（He）和氬氣（Ar）等，有時還有少量硫化氫氣（H2S）。
天然氣中的氣態碳氫化合物主要是烷烴類，而且以甲烷最多，壹般占氣體成分的80%～90%，另外還有少量的乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）等。在氣態的烷烴中，乙烷以上的烴類稱為“重烴”。不同的油氣田的天然氣中，重烴的含量是不同的（表4-3-2），重烴含量較高的天然氣稱為“濕氣”或稱富氣。含有很少量重烴的天然氣稱為“幹氣”或稱貧氣。幹氣常以氣田的形式出現，如塔裏木盆地的克拉2氣田。油田中的天然氣多為濕氣。
表4-3-2 天然氣、煤田氣和沼氣中各種氣體成分含量百分比
天然氣作為燃料已廣泛用於國民經濟當中，已利用天然氣煉鋼、發電等。在人口集中的城鎮利用天然氣取代煤炭作為清潔能源供居民燃燒使用。新疆的烏魯木齊、克拉瑪依、喀什、和田、阿克蘇、庫爾勒、石河子和呼圖壁等城鎮居民就已使用上了這種清潔能源，大大地改善了空氣質量，保護了人類的生存環境。
（二）石油和天然氣生成探秘
由於石油和天然氣的成分比較復雜，而且它們又能流動，現在發現的油氣礦藏往往並不是它們的出生地，這與煤、鐵等固體礦藏顯著不同。因此，長期以來，對於石油和天然氣的生成問題，有過許多激烈的爭論，直到現在對這個問題還在繼續實踐和認識。
從18世紀70年代到現在230多年來，人們對石油和天然氣的生成問題，先後提出了幾十種假說。這些假說中，大多數是根據實驗室裏試驗、天文觀測和勘探開發油氣田的實踐。把許多種假說歸結起來，可分為兩大學派，即：無機生成說和有機生成說。
1.無機生成的學說
無機生成說是根據實驗室內由無機物制成甲烷、乙烷、乙炔及苯等類碳氫化合物，認為石油和天然氣是由無機物變成的。在石油無機生成說中，又有碳化物說、宇宙說及巖漿說。現簡介如下：
（1）碳化物說：俄國著名化學家Д·И·門捷列夫在1876年提出。他認為在地球形成時期，溫度很高，使碳和鐵變為液態，互相作用而成碳化鐵，並保存在地球深處。後來地表水沿地殼裂縫向下滲透，與碳化鐵作用產生碳氫化合物，後來又沿著裂隙上升到地殼比較冷卻的部分，冷凝下來形成石油，並在孔隙性巖層中聚集而成油氣礦藏。
門捷列夫還指出：在“山脊”上升時期是地球成油最有利的時期，因為這時容易造成裂隙，成為地表水向下滲透和油氣向上運移的通道。他以當時大多數地表油氣苗顯示和油田都位於山脊附近的事實來論證自己的觀點。
（2）宇宙說：俄國天文學家В·Д·索可洛夫在1889年提出。當時天文學獲得了巨大成就，光譜分析證明彗星頭部氣圈中含有碳氫化合物，在其他行星（木星、土星等）大氣中也含有碳氫化合物，有的直接存在著甲烷氣體。
宇宙說主張在地球呈熔融狀態時，碳氫化合物就包含在它的氣圈中，隨著地球冷凝，碳氫化合物被冷凝巖漿吸收，最後凝結於地殼中而成石油。
由於碳化物說和宇宙說所依據的是由無機物制成簡單碳氫化合物的實驗，至今未找到任何實地證據說明在自然界中也發生過這樣的過程。所以，20世紀以來，上述的石油無機生成學說，逐漸被人們忘記。但是，到20世紀50年代，蘇聯地質界又再次興起無機生成思潮，就是巖漿說。
（3）巖漿說：1949年，蘇聯著名的地質學家Н·А·庫得梁采夫提出了石油起源巖漿說。他認為石油的生成是同基性巖漿冷卻時碳氫化合物的合成有關，這個過程是在高壓條件下完成的，因而可以促使不飽和碳氫化合物聚合而成飽和碳氫化合物。他還指出，因巖漿中形成石油的過程在不斷進行著，古老的油氣通過擴散作用早已消失。所以，所有的油藏都是年輕的油藏。並且依靠石油才在地球上產生了生物，石油中含有生物所需要的壹切元素。因此，石油不是來自有機物質，恰好相反，有機物質卻是來源於石油。
2.有機生成的學說
石油有機生成說也有早期成油說和晚期成油說兩種認識。
（1）石油有機生成早期成油說：早在1763年，俄國的化學家М·В·羅蒙諾索夫就提出了石油是煤在地熱作用下幹餾產生的有機生成說。今天用它來解釋歐洲北海的油氣田仍然有效。但實踐表明，很多地區的油氣田並不與煤***生。因此，人們開始把註意力轉向了混在沈積巖中的、在數量上比煤大得多但卻又分散的有機物質。經過多年對沈積巖中分散有機物質的野外觀察和實驗室研究，從地質、地球化學各個方面進行總結，逐漸形成了石油是由沈積巖中分散有機質生成的思想。20世紀40～50年代，石油地質工作者普遍認為：石油烴類是沈積巖中的分散有機質在成巖作用早期轉變而成的，這就是有機生成早期成油說。
早期成油說的論據有：①世界上發現的2萬多個油氣田，99.9%都分布在沈積巖中，而且與富含有機質的細粒沈積物相伴隨。②石油普遍具有旋光性，旋光性只有生物有機質才具有。③石油中的某些化合物明顯來自動植物機體，如卟琳化合物、姥鮫烷、植烷等異戊二烯類化合物及甾烷類等。④石油的碳同位素組成與動植物或生物成因的物質相似，而與非生物成因的物質差別較大。⑤實驗證明，動植物機體的結構，在適當條件下，能生成壹定數量的烴。⑥現代沈積和古代沈積中都有烴類物質存在。⑦在實驗中，用細菌作用於有機質，得到了少量比甲烷重的烴。
早期有機生成說在與無機生成說的鬥爭中，逐漸建立起從生油物質、生油母巖、成油環境到轉化條件等壹整套成油理論，為石油有機生成說打下了堅實的基礎。
（2）石油有機生成晚期成油說：1963年，Р·Н·阿貝爾松提出，石油是沈積物（巖）中不溶有機質，即稱之為幹酪根（Kerogen）的壹種物質，在成巖作用晚期，經過熱解生成的。這個學說認為，大量生油的時期，已經是含有大量有機質的沈積物處於成巖作用的晚期階段，同時生油原始物質主要是在巖石中。因此，人們常把這個學說簡稱為“晚期成油說”或“幹酪根成油說”。
晚期成油說認為：①根據原始有機質（幹酪根）類型，生成石油和天然氣的母源分為三類：Ⅰ類，腐泥型幹酪根，它是富含類脂物和蛋白質的分解產物，生成液態石油烴的潛力高，是生成石油的主要母源物質；Ⅱ類，腐殖型幹酪根，生成液態石油烴的潛力低，是生成天然氣的主要母源物質；Ⅲ類，過渡型幹酪根，介於上述二類之間，其生油或生氣能力取決於它與腐泥型或腐殖型的接近程度。②有機質轉化成石油和天然氣的過程，要經過壹個物理化學作用。有機體死亡之後沈入水底堆積起來或從大陸搬運到湖泊、海洋水底堆積起來，在搬運和沈積過程中，水中的遊離氧和氧化劑（NO2－、SO42－等）大量地氧化有機體的殘骸，使之成為CO2和H2O。加之，水對有機質中的可溶組分的溶解，只有壹部分有機質能夠到達水盆底，同礦物質壹起堆積起來，只有這部分有機質才能在適宜的環境條件下開始向烴的方向轉化。現已查明，向烴轉化過程中，生物化學作用、溫度、壓力和催化劑都起著重要作用。
（a）生物化學作用：與有機質轉化成油氣有關的生物化學作用有兩類，壹是細菌對有機質的分解作用，二是酵素的催化作用。
細菌的種類很多，按其生存條件可分為喜氧細菌、厭氧細菌和通氣細菌三種。對油氣生成來說，有意義的是厭氧細菌。厭氧細菌在缺氧的條件下，對有機質進行分解，產生穩定的分散有機質。在其他因素作用下，有機質可進壹步向石油轉化。
酵素，是動植物和微生物產生的壹種高分子膠體物質，是壹種有機催化劑。它在有機質改造中，可以加速有機質的分解，在有機質向油轉化過程中起著催化作用。
（b）溫度：無論是實驗室還是對含油氣盆地沈積巖剖面研究，都指出沈積巖中的有機質，在加熱溫度達400℃～500℃就能得到石油中的烷烴、環烷烴以及少量芳香烴及烯烴。因此，溫度對有機質轉化成油有決定性影響，只有當溫度增加到壹定門限值（成熟溫度），有機質才能大量轉化成石油。由於這個原因，凡地溫梯度較高的盆地，壹般地說，油氣就比較豐富，如塔裏木盆地。
（c）壓力：究竟在多大的壓力下，有機質才能生成石油和天然氣？至今還沒有得到正確的答案。不過實驗證明，中溫高壓有利於石油的生成，如，大約50℃這樣的中等溫度，在30～70兆帕壓力時，有機質就可以產生出石油烴。實驗還證明，在1500～3000米深處，是有機質向石油轉化的主要階段，即主要生油期。
從壹般化學反應來看，單純壓力作用，不利於低分子烴（尤其是氣態烴）生成，而有利於液態烴的保存，使之不易於甲烷化。故壓力對生成油氣作用的影響，不是表現在數量方面，而是主要表現在質量方面。