沉积有机质抑或干酪根向石油和天然气演化必须具备适当的温度、时间、细菌、催化剂、放射性等物理、化学及生物化学条件。
近几年来，世界各国的油气勘探经验和许多学者的研究成果，均证明温度和时间是在油气生成全过程中至关重要的一对因素，其他因素(如细菌、催化剂、放射性物质等)也有一定的影响。
(一)温度和时间
图5－16 洛杉矶盆地和文图拉盆地平均地温梯度(据Philippi，1965)
地球不断由内部向地表散发热量，从而使地壳形成一个温度向内递增的天然热场。地壳深度每增加100m时温度(℃)的增加值叫地温梯度。现代地壳平均地温梯度为3℃/100m，变化范围为0.5～25℃/100m。含油气盆地常见的地温梯度为2～5℃/100m。因此，沉积有机质随着埋深的增加必然经历温度逐渐升高的过程。
大量实际资料表明，当烃源岩达到门限温度时，干酪根才开始成熟，从而大量成烃。与门限温度对应的深度叫门限深度，温度与深度的关系取决于地温梯度。相同的门限温度在地温梯度大的地区出现得较浅，而在地温梯度小的地区出现得较深。据Philippi(1965)研究，洛杉矶盆地和文图拉盆地的新近系烃源岩门限温度都为115℃，但由于两盆地的地温梯度不同，其所对应的埋深分别为2440m和3660m(图5－16)。实际资料表明，生烃门限温度通常都在50～130℃范围(图5－17和图5－18)。通常，生油主要阶段的起始温度不低于50℃，终止温度不高于175℃。也即是说，地壳中的生油过程只出现于有限的温度和深度范围。而有机成气的温度一般不高于230℃。毋庸置疑，温度在沉积有机质成烃演化过程中起着决定性作用。
图5－17 国外若干典型盆地烃和非烃的生成和埋深的关系(据Tissot等，1979修改)
图5－18 中国若干盆地不同世代烃源岩埋深与油气生成关系图(据黄第藩，1991)
时间本身在很低的温度下不能起作用，如 Karwell ( 1956) 曾研究，下石炭统的莫斯科褐煤由于埋深从未达到过 200m 以下，意味着所经历的温度始终很低，则它不可能达到更高级的煤化阶段。反之，门限温度的高低主要与有机质的持续受热时间或地质时代有关，图 5 －17 和图 5 －18 表明，烃源岩时代老则门限温度低，时代新则门限温度高，这说明时间和温度之间是有密切联系的，即时间可以补偿温度，但与温度相比，时间居次要地位。
从理论上讲，干酪根热演化成烃受控于化学反应动力学机制，它虽实际上是复杂的多级平行反应，但热解实验结果表明，从总体效果来看，干酪根热解作用基本遵循化学反应动力学的一级反应 ( Tissot，1969) ，即反应速率与反应物浓度的一次方成正比，方程如下:
石油与天然气地质学
式中:C表示干酪根的浓度;K为反应速率常数;t为时间，负号表示反应物浓度随生成物增加而减少。
从式(5－1)中可看出，反应速率取决于反应速率常数和反应物浓度，而反应速率常数主要受温度的控制。大量的实践表明，温度每增加10℃，反应速率(K)可增加1～2倍，即(Kt+10℃)/Kt=2～4，据此推算，若增加1倍，那么在相当于150℃深处的反应速率比地下50℃埋深时反应速率快1000倍。1889年Arrhenius提出了反应速率常数与温度的经验关系式，即著名的阿仑尼乌斯方程:
石油与天然气地质学
式中:K为温度T时的反应速率常数;A为频率因子即单位时间、单位容积内分子碰撞次数;E为活化能(J/mol);T为绝对温度;R为气体常数;e为自然对数的底。
反应速率常数(K)与时间的关系可用式(5－1)积分得到。以C0和C分别代表反应物原始浓度和t时间反应物的浓度，将式(5－1)移项定积分则:
石油与天然气地质学
温度和时间的相互关系可用式(5－2)和(5－3)联立表示即:
石油与天然气地质学
将上式等式两边取自然对数得:
石油与天然气地质学
将上式中A和C0/C视为常数则:
石油与天然气地质学
从(5－6)式可知，反应时间的对数(lnt)与反应温度的倒数(l/T)呈线性关系。
从上述(5－1)、(5－2)、(5－3)、(5－6)式可知，干酪根热演化成烃的反应速率主要与反应速率常数(K)有关，K与温度的影响呈指数关系，与时间的影响呈线性关系，而温度和时间可以互补。
图5－19 石油生成的时－温关系(据Connan，1974，引自陈荣书，1994)
理论和实践都表明，温度和时间有补偿作用，即低温长时间与高温短时间的作用可达到同样的成熟度效果。前述Tissot在实验室中对干酪根高温快速热模拟与自然界干酪根低温慢速热演化有着几乎同样的结果也证明了这一点。康南(Connan，1974)根据世界上若干含油气盆地烃源岩的门限温度和所经历时间的实际资料绘制了石油生成的时温关系图(图5－19)，得到的关系式为:
石油与天然气地质学
式中:t的单位为Ma;T的单位为K。
从图5－19可看出，沉积有机质的时代越新即所经历的受热时间越短，则生油门限温度越高;时代越老受热时间越长，则门限温度越低。图中的时－温线的斜率是由活化能决定的。图中的虚线是据镜质体反射率提供的信息加上的，虚线给出了油气生成过程开始与结束的界限。地温达不到门限值，无工业石油生成，温度超过油相或气相消失界线，则油气被破坏。因此，基于温度和时间的综合作用，有利于生烃并保存的盆地应该是年轻的热盆和古老的冷盆。
(二)细菌
细菌对有机质的成岩作用和石油及天然气的生成以及降解过程起重要作用。
细菌在自然界有很强的生存适应性和繁殖能力。它们遍布于大多数的天然水系和埋藏较浅(＜1000m)的沉积物中。细菌的生存和消亡、抑制和活跃受养料、湿度、温度、水循环和介质的pH值、Eh值以及毒性代谢物所控制。
在沉积物中，细菌活动的总趋势一般随埋深增加而减弱。在垂向上不同类型的细菌出现连续分带现象，即从浅到深为喜氧菌带、厌氧硫酸盐还原菌带和厌氧碳酸盐还原产甲烷菌带。
在浅水沉积物中，细菌最活跃且分布广泛。据调查，在现代沉积物和土壤顶层细菌的含量为0～500g/m3(一亿个细菌相当于有机质1mg)。自地表往下，喜氧细菌含量在几米深处已极少，并逐渐为厌氧细菌所代替。通常认为适宜细菌生存或保持其活动的温度一般小于100℃。另外，在80～100℃左右时或成岩作用晚期，干酪根中释放的酚类对细菌有毒害，甚至可起到杀菌的作用。
细菌通过酵素可使许多不稳定的原始生化组分被分解和消化。在喜氧条件下主要游离产物为H2O、CO2以及NH3、硫酸盐和磷酸盐离子;在厌氧条件下主要游离产物为CH4、H2S、H2O以及NH3和磷酸盐离子。实验和野外资料研究表明，有机质经细菌作用后还可直接产生沥青物质。此外，细菌本身也是良好的生烃原始材料，有的细菌还可在自身细胞中合成少许固态高分子烃类。由于生存条件的限制，细菌的生物化学作用主要出现在成岩作用的早－中期。
(三)催化剂
成烃演化过程中，最主要最有现实意义的催化剂是粘土。已知蒙脱石型的粘土催化活力最强。从根本上说，催化剂的作用主要是一种复杂的自由表面能现象，被催化剂所吸附的各种原子在催化原子的激发下变得活跃起来，从而有利于结合成新的化合物。在有机质生烃过程中催化剂可以改变其原有结构，断开其C—C和C—H键，进而分裂出较轻的烃。
图5－20 正十六烷热裂解和催化裂解所需要的时间(据Goldstein，1980)
根据实验资料，在100℃下裂解正十六烷，用高活力催化剂只需几个月，用低活力催化剂需1000年。而单纯热裂解所需的时间已超过了地球的年龄(图5－20)。在125℃以前热催化降解可能是主要的生油机制，而高温的凝析油和湿气可能主要靠热裂解产生，热降解反应的速率是由温度、反应物浓度以及催化剂的浓度和活力所决定的。总之，在有机质生烃转化过程中，催化剂的参与可加快成烃的反应速率，降低反应所需的活化能以及改造烃的性质。
水的存在可以严重降低粘土的催化活力。因此，沉积物中的粘土可视为低活性催化剂。纯碳酸盐岩通常被认为没有催化活力。所以生烃的碳酸盐岩常含有相当的粘土质点，但终不如页岩的催化效果好。也正因此，碳酸盐岩中的干酪根的活化能高于页岩中的同类干酪根。
另一类催化剂是酵素(酶)。酵素中含有某些活性组分，可起催化作用。沉积物中的酵素是与有机质同时积聚的，在分开有机质，并在将不溶(于有机溶剂)有机质转变成可溶有机质过程中起积极作用，但在地下深处如何评价尚有待进一步研究。
(四)放射性
实验表明，用α－射线轰击某些有机质可得到甲烷、二氧化碳和氢，轰击水可得到氧和氢。氧与有机质作用最后生成二氧化碳，氢可使有机质氢化或与二氧化碳化合成甲烷。甲烷在α－射线作用下可叠合成乙烷、更重的气态乃至液态烷烃。问题在于沉积岩中放射性元素含量太低。有人计算，假定每立方千米岩石中含有0.001%铀，有机质含量为1%时，在1Ma时间内，由放射性作用所生成的石油是18×104t。这个量级对于工业油藏形成意义不大。但实际上是否真的能起这么大的作用，也缺乏证据。瑞典前寒武系和美国泥盆系高放射性的黑色页岩附近并未发现大量游离石油。看来放射性不能视为影响成烃演化的重要因素。徐永昌研究员认为:“放射性元素所造成的局部地温增高将有利于有机质的热演化”。
(五)压力
对压力与成烃作用关系的研究，远不及温度。概括地说，压力对有机质成烃具有抑制或促进作用。随着时间的推移，无论模拟实验(Saigo，1986;Horvath，1987;丁福臣等，1991)，还是化学热力学理论分析和计算(何志高，1982)都明确指示，高压阻碍有机质成熟和成烃作用。Horvath(1987)则进一步明确指出:“短暂的降压更有利于加速有机质的成熟”。
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