生物降解是最常见的油藏次生蚀变作用之一,也是世界上大多数稠油形成的主要过程。在原油的生物降解过程中,烃类化合物被微生物大量消耗掉,并生成大量的极性化合物,导致原油中的极性组分——胶质和沥青质的含量变高,同时原油的密度、酸度和粘度均增加,经济价值下降。在生物降解过程中,极性化合物本身也可能不断发生变化。前人已经对烃类组分的生物降解过程进行了大量研究工作,而对极性化合物的研究甚少,研究程度也很低,这是由于极性组分具有成分复杂、极性强、难汽化等特点,难以通过常规的仪器分析手段分析其化学组成和分子结构。在我国辽河盆地较多区块的油藏中,生物降解作用普遍发生且非常典型,加上辽河盆地的大部分区块油源相对比较简单,其他次生作用也比较少,因而非常适合作为油藏的生物降解过程和机理的研究对象。本论文选取具有典型由轻度至严重的自然生物降解序列的辽河盆地冷东油田稠油油砂作为研究目标,兼用气相色谱-质谱联用(GC-MS)、电喷雾电离-傅里叶变换-离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)和瞬时热解-色谱联用仪(Py-GC)等分别研究了原油的饱和烃、胶质和沥青质在化学组成和分子结构等方面的变化,以揭示原油的生物降解过程和机理。研究结果显示:1)随着生物降解程度的增加,辽河原油中的饱和烃组分逐渐减少,饱和烃中生物标志物的抗降解能力按强弱排序大致为:正构烷烃(最易降解)<无环类异戊二烯烃<甾烷<藿烷<重排甾烷<芳香甾(最难降解);2)辽河原油的脱沥青质组分主要含有N1,N1O1,N1O2,N1O3,O1,O2,O3和O4类化合物,而沥青质组分主要含有N1,N2O1,N1O1,N1O2,N1O3,N1O4,O2,O3,O4和O5类化合物,沥青质组分中检测到的极性化合物很可能是通过化学吸附和共沉淀作用存在于沥青质组分中,或是在沉淀沥青质过程中由于具有较高的极性而被沉淀下来;3)生物降解作用能够改变原油中的酸性和中性含氮化合物的分布,主要通过选择性地移除和富集具有不同抗生物降解能力的极性化合物。例如,随着生物降解程度的增加,O2类和N1O2类化合物明显地增加,但N1类和N1O1类化合物反而减少。由于原油的沥青质组分具有极其复杂的分子结构,因此对于沥青质的可生物降解性一直存在争议。本文结合沥青质的碱性水解实验,运用定量化瞬时热解(Py-GC)以及热辅助水解和甲基化(THM-GC)技术研究了7个具有不同生物降解等级的辽河原油沥青质,并根据热解产物的定量化信息,探讨了生物降解作用对沥青质分子组成和结构的影响。研究表明:1)沥青质大分子中绝大部分的直链烷基基团是通过C-C键和/或醚键连结在沥青质分子上的,而仅有很少的一部分(约1.4–6.0%)是通过氢键缔合和可水解的酯键连结在沥青质分子上。在轻度至中度生物降解阶段,通过氢键缔合和酯键结合在沥青质分子结构中的饱和脂肪酸和脂肪醇大部分被降解消耗;2)在重度至严重生物降解阶段,通过C-C键和醚键结合在沥青质分子结构中的直链烷基基团也能被生物降解改造;3)在生物降解过程中,通过不同键合方式结合在沥青质分子结构中的直链烷基基团的降解消耗以及更多具有环状结构的生物降解产物取代具直链结构的极性组分并结合进入到沥青质组分中,都会导致原油沥青质的化学组成和分子结构发生变化。本研究还对辽河盆地中央凸起南部潜山原油进行了好氧生物降解模拟实验,分析了辽河原油在轻度至中度的好氧生物降解过程中化学组分的变化,以及在此过程中原油族组分和正构烷烃单体的稳定碳同位素值的变化。并与以上研究结果进行对比,深入研究原油的生物降解机理和油藏的稠化过程。结果显示,饱和烃组分的消耗速率最快,正构烷烃的消耗速率高于异构烷烃,低碳数正构烷烃的消耗速率高于高碳数正构烷烃。正构烷烃单体(C14–C30)稳定碳同位素值在生物降解过程中较稳定,未产生明显的碳同位素分馏效应,但是随着原油化学组成的改变,生物降解过程中原油本身及其族组分的稳定碳同位素值均可能发生明显的变化。轻度至中度的好氧生物降解模拟实验的结果与前述具有辽河盆地冷东油田稠油油砂在轻度至中度生物降解阶段所反映的降解过程比较类似,这说明原油的好氧生物降解模拟实验在一定程度上能够反映油藏中原油的生物降解情况。