我国不少含油气盆地是典型的叠合盆地,经历了复杂的构造运动,导致其中的油藏发生了复杂的次生蚀变,包括早期生物降解作用和晚期热蚀变作用的叠加,也即本论文中所提到的叠加次生蚀变作用。油藏中原油复杂的化学组成在生物降解和热蚀变叠加作用影响下的变化过程难以被捕捉,目前研究程度较低。本论文通过生物降解模拟实验和黄金管封闭体系热模拟实验,综合运用高分辨率和高灵敏度的电喷雾电离-傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(ESIFT-ICRMS)以及其他常规的分析测试手段和方法,揭示了原油的化学组成在叠加次生蚀变作用影响下的变化过程和机理。本论文首先以江汉盆地低熟原油为例,综合运用ESIFT-ICRMS和气相色谱-质谱联用(GC-MS)研究了原油中含杂原子极性化合物的组成。结果表明,原油复杂的化学组成可以被GC-MS结合ESIFT-ICRMS较为全面地表征:江汉盆地低熟原油中含有丰富的极性有机硫化物,并且其中的硫原子主要以环状结构存在。这些极性有机硫化物很可能是由沉积可溶有机质中一些包含活跃官能团(如共轭的C=C双键)的前驱体在成岩阶段早期经由分子内硫化作用形成的。本论文还通过好氧生物降解模拟实验揭示了江汉盆地低熟原油的生物降解过程和机理,发现了在轻度–中度生物降解作用的影响下,原油中富氢的正构烷烃几乎被完全移除。原油中的有机硫化物也会在生物降解过程中不断减少,并且环状结构越少的有机硫化物会越快地被移除。这些有机硫化物的生物降解途径与正构烷烃类似,即通过侧链的末端氧化形成含硫的有机酸。本论文的生物降解模拟实验结果和前人的研究都表明原油中的富氢有机质如正构烷烃等会在生物降解过程中被优先消耗。这必然会影响残余原油在后期热蚀变作用下的生气潜力和热稳定性。为了揭示不同程度生物降解对原油生气潜力和生气时机的具体影响,本论文以同源但生物降解程度不同的原油样品为实验对象,进行了黄金管封闭体系热模拟实验以及生烃动力学数值模拟。结果表明,轻度–中度的生物降解会导致残余原油生气潜力的明显降低。同时,在Easy%R_o为1.6–2.5的范围内,生物降解原油的产焦率是正常原油的2–4倍,因此在利用储层残余固体沥青的量反推原油裂解气资源量时如果不考虑生物降解作用的影响就可能会造成高估。此外,生烃动力学计算的结果表明,遭受了中度和严重生物降解的原油热稳定性变差,相较于正常原油会在更早的热演化阶段二次裂解生气。一些油藏在叠加次生蚀变作用的影响下,虽然没有大规模裂解生气,但是原油的化学组成发生了不同程度的改变。本论文还利用GC-MS和ESIFT-ICRMS分析了热模拟实验残余液态烃中烃类化合物和含杂原子极性化合物的变化。在烃类生物标志化合物中,常用的油源对比指标如C_(27–29)规则甾烷的分布会在中度生物降解阶段失效,而TT_(23)/H_(30)和H_(29)/H_(30)的比值会在严重生物降解阶段失效。同时,这些参数又都会被Easy%R_o≥0.91的热成熟作用改造而失去指示油源的意义。相比之下,三环萜比值TT_(23)/(TT_(23) TT_(24))既抗严重生物降解又耐热蚀变,适合用于叠合盆地油藏的油源对比工作。常用的热成熟度指标也会受到早期生物降解的影响。中度生物降解会导致甾烷异构化指数C_(29)ααα20S/(20S 20R)和C_(29)αββ/(ααα αββ)的升高以及甲基菲指数MPI-R的降低,而严重生物降解会导致萜烷类热成熟度指标如C_(32)升藿烷异构化指数22S/(22S 22R)发生变化。这些差异会在热成熟作用下逐渐减小。例如,中度–严重生物降解原油中的甲基菲指数MPI-R在Easy%R_o为0.91–2.11的范围内与正常原油差别不大。含杂原子极性化合物中,中性氮化合物和有机酸的分布受叠加次生蚀变作用的影响最大。生物降解会导致原油中有机酸的相对富集和中性氮化合物的相对减少,而热成熟作用则恰好相反。在中性氮化合物中,生物降解和热成熟作用都会导致咔唑类化合物相对苯并咔唑和二苯并咔唑减少。此外,脂肪酸要比环烷酸更容易受到生物降解作用的影响,而脂肪酸的热稳定性又要高于环烷酸。基于不同DBE值有机酸含量的主成分分析可以快速区分样品间相对的生物降解程度和热演化程度。