生物标志物在石油领域的应用进展
陈 菲
（中国石油石油化工研究院）
田松柏 刘相李
（中国石化石油化工科学研究院）
【摘 要】 生物标志物的结构稳定，具有明显的特异性，使其在石油领域的应用日益广泛。文章简单介绍生物标志物的种类、来源及部分生物标志物的结构。详细归纳生物标志物在石油地质、石油勘探开采、石油污染监测以及石油炼制过程的应用。在此研究的基础上，展望了生物标志物在石油领域的发展潜力、发展方向，指出研究生物标志化合物将有助于对石油的分子水平认识。
【关键词】 生物标志物；石油；姥鲛烷；植烷；烃指纹技术
1 前言
石油中的生物标志物来源于沉积物或者岩石中的生物体，是生物自身合成的，它们在有机质演化的过程中，较少甚至没有发生变化，基本保持原始生化组分碳骨架。其分子结构具有明显的特异性和稳定性。生物标志物具有和古生物化学类似的功能，通常也称之为“地球化学化石”或“指纹化合物”等 [ 1 ] 。随着分析仪器的更新以及分析技术的不断进步，对生物标志物的了解进一步深入，应用范围逐步扩展到如溢油鉴定、生物降解程度鉴定、有机地球化学研究等多方面，并且形成了较为系统的研究体系。在石油炼制方面也有初步的探索。本文简单介绍了生物标志物在石油各个领域的应用，包括石油地质、石油勘探开采、石油污染监测以及石油炼制方面的应用现状及进展，并探讨了生物标志物未来的发展趋势和发展潜力。
2 生物标志物的种类
石油的组成异常复杂，其中的生物标志物可以分为烃类生物标志物和非烃类生物标志物。目前研究表明，非烃类生物标志物的应用相比较烃类生物标志物而言，并没有显示出更高的实用价值，它们多数是烃类生物标志物的前身。非烃类生物标志物是指含有硫、氮、氧等杂原子的有机化合物，如开链脂肪酸类、开链醇类、开链酮类等含氧类化合物；烷基硫醚类、烷基硫醇类、具有直链或异戊间二烯链的硫杂环类等含硫化合物，甾萜烷系列中也含有甾类含硫化合物和萜类含硫化合物。除此之外，噻吩类杂环化合物也非常丰富 [ 2 ] ，如二苯并噻吩等。含氮的卟啉系列标志物是典型非烃类化合物，它们在石油中的存在形式多以镍、钒等金属配合物存在，结构极其复杂，属于金属四吡咯化合物族，其主要来源于动植物中血红素、叶绿素的降解。根据结构中所含侧链基团的不同进行分类，可分为两个主要系列：脱氧叶红初卟啉（DPEP）、初卟啉（ETIO） [ 3 ] 。卟啉类标志物具有明显的规律性和特征性，与生油岩、地质环境等关系密切，对其特征性的研究，可以认识有机质成熟度、古地质环境、石油运移及油源对比等方面的信息。
鉴于烃类生物标志物的应用广泛，且具有较高的应用价值，本文着重介绍烃类生物标志物，常见的有多环萜烷、姥鲛烷、植烷、正十七烷、正十八烷、多环萜烷、甾烷、藿烷、降藿烷等 [ 4 ] ，根据结构的相似性，烃类生物标志物大致可以分为以下四类。
2.1 无环类异戊二烯类烷烃
无环类异戊二烯类烷烃是指分子结构中含有异戊二烯结构单元但并无苯环及其他环状结构的一类标志物。一般可以将其分为两个系列，即碳数在20以下的 n C 15 法呢烷、 n C 19 姥鲛烷和 n C 20 植烷等及 n C 25 ～ n C 40 的烷烃。这类烷烃在石油中丰度较高，其中使用较为成熟的是姥鲛烷和植烷（见图1）。它们主要来源于藻类和高等植物中叶绿素的 α -侧链植醇，其次来源于细菌以及类胡萝卜素。在弱氧化沉积环境中， α -侧链植醇先被氧化生成植烷酸，在脱羧、加氢作用下则形成姥鲛烷；在沉积环境为还原环境下，植醇保持 n C 20 的骨架，进行加氢还原后形成植烷。姥鲛烷和植烷因所形成的地质环境不同成为指示有机质沉积环境中氧化还原条件的重要参数 [ 5 ] 。
图1 植烷和姥鲛烷的分子结构式
2.2 正构烷烃系列
正构烷烃类生物标志物与其他生物标志物比较含量较高，大部分集中在轻组油样中，主要来源于活的生物体或蜡质、脂肪酸等脂类化合物。正构烷烃的分布存在奇偶碳优势，偶碳优势常出现在蒸发岩系和碳酸盐中。在还原环境中由醇、正构脂肪酸以及植烷醇、植烷酸还原加氢而成，在总的正构烷烃分布中不占优势。高分子量的奇碳优势主要源自 n C 25 ～ n C 33 的正构烷烃，大部分来源于高等陆源生物的角质蜡，在富含高等植物碎屑岩系有机质以及其生成的原油中含量较高。中低分子量 n C 15 ～ n C 21 的正构烷烃来源于水生浮游生物和藻类，由底栖藻类或浮游生物 n C 16 或 n C 18 的脂肪酸通过还原脱羧形成。常出现在深湖相和海相沉积有机质生成的烃类有机物中。目前奇碳优势的程度主要由碳优势指数（carbon perference index，CPI）和奇偶优势值（odd-even predominance，OEP）来衡量，根据来源的不同，正构烷烃的总体分布趋势、碳数分布范围、分布特征等可以实现油源对比、油-油鉴别、油指纹鉴别等。
2.3 甾、萜烷系列生物标志物
甾、萜类生物标志物在石油中丰度较大，是一组具有旋光性和对称异构的多环环烷烃的总称，甾烷的前驱体是甾醇，甾醇加氢脱羟基后转变为甾烷，保持了相同的碳碳骨架。常见的有规则甾烷、芳香甾烷、重排甾烷和甲基甾烷等，典型甾烷类化合物基本结构见图2。重排甾烷的主要形成机理是在黏土中酸性物质的催化作用下，由于油岩的沉积环境和成熟度等条件，规则甾烷发生重排形成更加稳定的结构。若重排甾烷的含量高，则大量规则甾烷都发生重排，可指示出母质沉积环境为氧化环境，若含量低则可以表明有机质的沉积水体偏碱性环境 [ 6 ] 。一般认为 n C 28 、 n C 29 甾烷来源于陆生高等植物，而 n C 27 的甾烷主要来源于藻类和低等水生植物。可以根据甾烷在烃源岩中的碳数分布情况来进行油源对比或追踪原油的母质来源 [ 7 ] 。萜类化合物指结构式为异戊二烯单位倍数的烃类及其含氧衍生物，是异戊二烯以各种连接方式所构成的一种天然有机物，一般均遵循异戊二烯规则，包括半萜、二萜、三环萜、四环萜以及五环三萜类，具有重要的应用意义，其基本结构见图3。在原油、煤、沉积岩中，不同的萜类化合物具有不同母质来源，陆源母质中有比海相母质中更多的倍半萜前生物，认为它们来源于藻类和微生物。半萜烷主要是由高等植物中的 β -桉叶油醇脱羟基加氢形成的，如桉叶油烷，其含量可以反映烃源岩或原油的成熟度，若成熟度较低则倍半萜的含量较高；成熟度高，倍半萜的含量低。三萜烷主要来源于浅水环境下的细菌、真菌等物质。若其含量高，表明菌类物质输入到成油母质中，在某种程度上可以反映原油的运移情况 [ 8 ] ，而且抗生物降解能力较强 [ 9 ] 。四环萜由五环三萜类经过热解或生物降解形成，是碳酸岩和蒸发岩环境的标志物。原油中四环萜、五环三类萜的丰度较高，根据其分子结构骨架特征分为藿烷系列及非藿烷系列，主要差别在于藿烷系列基本结构为四个六元环及E环为五元环，而非藿烷系列E环为六元环（见图4），藿烷系列化合物主要来源于蕨类植物，其前驱体是活生物细胞中的细胞膜成分，由于细胞膜是典型的两层两性类脂结构，结构稳定，以致藿烷抗生物降解的能力强。藿烷若受到风化作用后形成降藿烷，其结构更加稳定。非藿烷系列主要有伽马蜡烷、羽扇烷和奥利烷等。奥利烷大多出现在白垩系和新地层当中，18 α （H）-奥利烷就是典型高等植物输入特征标志化合物。高含量伽马蜡烷是咸水沉积环境的标志物 [ 10 ] 。
图2 部分甾烷类生物标志物分子结构
图3 部分萜烷类生物标志物分子结构
图4 藿烷与非藿烷分子结构
2.4 烷基化多环芳烃类
烷基化多环芳烃类（PHAs）主要是苯环以不同的排列方式（簇状、角状或线状）而构成的稠环化合物（见图5），常见的有萘、芴、菲、蒽、苝等。以环状存在的烷基化多环芳烃类结构稳定，不易被破坏，抗风化能力强，生物降解后会表现出独特的特征 [ 11 ] ，多数来源于陆生植物。可以根据其分布，以及异构体的变化来判断生物降解和风化，是烃指纹技术中重要的一类生物标志物 [ 12 ] 。在石油炼制过程中，其烷基化的位置也可以影响相关同分异构体的反应速率，借助这一特性可以探究芳烃类化合物在加工过程中的反应途径。
图5 多环芳烃类生物标志物分子结构
3 生物标志物的应用
3.1 生物标志物在石油地质及石油勘探中的应用
生物标志物在石油地质方面应用较为成熟。生油岩的原始有机质决定石油组成，在漫长的藏储时间里，在温度、细菌降解、溶解、吸附和扩散等各种物理化学作用下，石油的组成和特性会发生变化，而生物标志物结构稳定，不会轻易改变，它的基本结构及含量保持着原始有机质的信息，使得石油和生油岩之间具有良好的可比性，参考价值较高。根据生物标志物结构的变化、结构特征和分布情况，可获得石油起源、油源对比、油-油对比、成熟度、生物降解、沉积环境等信息 [ 13 ] ，同时为石油勘探和开采提供理论依据，石油地质的研究指导石油勘探开采的发展，两者密不可分。
3.1.1 生物标志物参数
生物标志物参数在石油地质方面使用较多，使用最早且最频繁的生物标志物参数是姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）值，它是初步判断沉积环境的参数，由于植烷是还原环境产物，姥鲛烷是氧化环境产物，Pr/Ph可作为判断有机质古环境氧化还原性的参数 [ 14 ] ，同时还可以得到介质盐度的信息（见表1）。植烷和姥鲛烷与相邻正构烷烃（ n C 18 和 n C 17 ）的比值——Ph/ n C 18 和Pr/ n C 17 可评价有机质的降解程度。若Ph/ n C 18 和Pr/ n C 17 值很低，比值在0.1～0.5，则显示原油未遭受到生物降解影响。其基本原理是，若有机质遭受到了强烈的细菌微生物降解作用或热作用时会发生生物降解，类异戊二烯烃结构比正构烷烃稳定，正构烷烃先发生降解，类异戊二烯烃能基本保留下来，其比值会随着两种标志物含量的变化而变化。在演化程度低的有机质中表现明显，当受到细菌微生物降解时，会出现异常高的Ph/ n C 18 和Pr/ n C 17 比值，正构烷烃几乎完全被降解，标志物姥鲛烷、植烷的含量变化不大。利用甾烷的绝对含量和生物标志物的体积参数可对原油进行降解程度的划分，但是对于生物降解的原油并不准确，因此，原油发生生物降解后，应重新探讨原油性质、生物标志物参数。
表1 不同沉积相Pr/Ph变化
在判断烃源岩、原油成熟度方面，较常用的参数有两类。
（1）萜烷类 ①22 S/ （22 S +22 R ）（表示22号碳原子为手性碳原子的 R 、 S 构型，22 S 构型萜烷与22 S -和22 R -构型的萜烷之和的比值，22 S 和22 R 是一组对映体），随着成熟度的增加，比值逐渐由0增加到0 . 6，在0 . 5 ～ 0 . 54表明生油岩初步进入生油阶段，0 . 57 ～ 0 . 62表示已达到或超过了主要生油阶段；② βα -莫烷 / αβ -藿烷及 ββ -藿烷，随成熟度的增加，比值减小，在原油中的值最低，为0 . 05，在成熟的生油岩中比值小于0 . 15，在未成熟的沥青质中高达0 . 8；③三环萜烷 / 17 α （ H ）-藿烷，随着成熟度的增加逐渐增加，但受烃源岩输入因素的影响较大；④Ts/（Ts+Tm）值[18 α （H）-22，29，30-三降藿烷（Ts）、17 α （H）-22，29，30-三降藿烷（Tm）]，沉积环境的不同对其有一定的影响，可有效评价同一有机质中相同源岩原油的成熟度。
（2）甾烷类 ①20 S/ （20 S +20 R ）（表示甾烷以20号碳原子为手性碳原子的 R 、 S 构型的化合物），基本依据是甾烷的异构化作用，随成熟度的增加逐渐增加，0 . 52 ～ 0 . 55为平衡状态，指示原油较成熟，但不适合作为生油岩开始生油阶段的成熟度评价指标；② ββ / （ ββ + αα ）（ ββ 表示有两个 β 氢的生物标志物， αα 表示有两个 α 氢的生物标志物），随成熟度的增加逐渐增加，特征明显，0.67～0.71为平衡状态，指示原油较为成熟。Hackley等 [ 15 ] 指出利用镜质体反射的方法判定成熟度并不准确，应该使用生物标志物参数进行判定，尤其是甾烷和萜烷系列对原油及烃源岩的成熟度有较好的指示作用。
生物标志物种类繁多，随着分析技术的不断进步，在研究不断深入的过程中，越来越多的生物标志物被发现，并在实际应用中起到良好的指示作用。Moldowan等 [ 16 ] 对40种海相和湖相原油进行测定，发现只有典型海相原油中存在C 30 甾烷标志物，指出C 30 甾烷的存在可以作为判断海相原油的指标。尚慧芸等 [ 17 ] 的研究表明伽马烷可作为陆相原油的特征生物标志物。罗斌杰等 [ 18 ] 于1986年发现苯并藿烷系类生物标志物，并首次鉴定出C 31 苯并藿烷，丰富了生物标志物信息。在对新西兰原油进行表征时，利用藿烷类成熟度参数对原油成熟度进行判定：Tm/Ts为2.54～4.16、C 30 αβ /C 30 βα [C 30 αβ 指17 α （H），21 β （H）-藿烷，C 30 βα 指17 β （H），21 α （H）-藿烷]为5.00～5.67、C 32 22 S/ 22 R [表示17 α （H），21 β （H）-30，31-二升藿烷（22 S ）与17 α （H），21 β （H）-30，31-二升藿烷（22 R ）的比值]为0.77～1.73，均为原油不成熟标志 [ 19 ] 。孟凡巍等 [ 20 ] 提出利用C 27 甾烷/C 29 甾烷值可以区分前寒武纪和古生代的烃源岩沉积环境。C 28 甾烷/C 29 甾烷（甾烷指数）可以划分原油的形成时代，C 28 甾烷/C 29 甾烷的值会随着地质年代的增长而增加，在下古生界或更古老的原油中，甾烷指数小于0.5；在下侏罗纪石油中，甾烷指数在0.4～0.7之间；而下侏罗纪系直到中新世，甾烷值高于0.7。Li等 [ 21 ] 指出C 30 -17 α （H）-重排藿烷可作为油源对比、油-油对比、成熟度以及划分石油系统的生物标志物。实验中利用重排藿烷作为地球化学工具对中国南海北部第三系湖盆的石油系统进行研究。随着烃源岩埋藏深度的增加，C 30 -17 α （H）-重排藿烷/[C 30 -17 α （H）-重排藿烷+C 30 -17 α （H）-藿烷]（DI）值增大。同时，DI和其他指示烃源岩成熟度的参数有良好正相关性，如二甲基萘比值（DNR）、甲基二苯并噻吩比值（MDR）、4，6-二苯并噻吩/4，1-二苯并噻吩、甲基菲比（MPR）等。若石油中的DI值高于所测定烃源岩的DI值，则可初步判断原油来自更深的源岩层中。使用这些参数区分了第三湖盆的两个石油系统，上石油系统有相对高的成熟度，石油和天然气含量较高，重排藿烷含量低；下石油系统有较高的重排藿烷量和CO 2 量，石油和天然气产量低。Alberdi等 [ 22 ] 探讨了18 α （H）-奥利烷的起源、应用及使用局限性，18 α （H）-奥利烷结构稳定，不易生物降解，在成熟的原油中丰度高，可作为成熟原油的指标。根据其前驱体对岩石年龄的敏感度可划分石油系统，采用18 α （H）-奥利烷/[17 α （H）-藿烷+18 α （H）-奥利烷]（奥利烷指数）值可评价原油成熟度，高成熟度原油中藿烷含量低，奥利烷指数高，随着原油成熟度的降低，奥利烷指数随之下降；奥利烷指数大于0.2则表示有陆源有机质的输入；若原油中的奥利烷丰度很低，很可能是油层迁移的产物，由此也可根据奥利烷的含量推测油层迁移的情况。
另外，利用两种或两种以上的生物标志物诊断参数作交会图，可使油-油对比、烃源岩、沉积环境的判断更加准确。Zhang等 [ 23 ] 利用C 30 4-甲基甾烷/C 29 -甾烷值与双杜松烷/三环萜烷值交会图（见图6），找到了油样与文昌组烃源岩的相关性，并结合其他交会图（C 29 -三环萜烷/C 30 -三环萜烷值与双杜松烷/C 30 -藿烷交会图），将东部珠江口盆地的原油划分为两个组。同组原油来源于同一种烃源岩，性质大致相同。Hwang等 [ 24 ] 利用丛藻粒烷/姥鲛烷值与丛藻粒烷/C 29 -正构烷烃值交会图将苏门答蜡油分为五个组（见图7），通过对比五组原油的生物标志物信息确认了其烃源岩。生物标志物交会图是对生物标志物参数的进一步优化，通过综合多种生物标志物对特征相似的原油进行分组，能使油源对比、油-油对比等更加方便快捷。
图6 C 30 4-甲基甾烷/C 29 -甾烷值与双杜松烷/三环萜烷值交会图
图7 苏门答蜡油中丛藻粒烷/姥鲛烷值与丛藻粒烷/C 29 -正构烷烃值交会图
3.1.2 生物标志物在认识沉积环境、烃源岩及原油中的应用
生物标志物大量存在于烃源岩及原油中，对生物标志物进行研究可以更清楚地认识石油地质环境，如判定沉积环境类型、烃源岩成熟度、油气运移、油气形成条件及原油成因等，得到原油的基本性质，为石油勘探过程指明方向，提供理论依据。
近些年的研究表明，生物标志物在实际应用中发挥重要作用。张枝焕等 [ 25 ] 总结了中国新生界咸化湖相烃源岩的有机地球化学性质。正构烷烃类标志物具有偶碳优势，一般是湖相蒸发岩盆地高盐度环境沉积岩的主要特征；植烷优势明显；萜类化合物含量较低，但三环二萜类分布完整，C 19 ～C 30 均存在；C 33 ～C 35 藿烷系列含量逐渐增加；伽马蜡烷含量高；甾烷系列主要为C 19 ～C 23 的规则甾烷、C 27 ～C 29 的重排甾烷。咸化湖相盐碱度高，不利于重排，因此，重排甾烷含量低于规则甾烷；甲藻甾烷的出现说明陆相生油也可能出现甲藻甾烷，对甲藻甾烷作为海相生油的标志应重新探讨。了解新生界烃源岩的生物标志物信息，是推测油生气潜力的依据。咸化湖相烃源岩有机质类型好，能够生成较好的生油岩，存在生成油气的基本条件。Tenhaven等 [ 26 ] 使用生物标志物对古沉积环境进行认识，认为生物标志物信息反映沉积环境的沉积时间，是认识古沉积环境的重要工具。实验中使用GC-MS结合FID和FPD检测器对古沉积环境的生物标志物参数进行了测定，姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）<0.1；伽马蜡烷、C 22 烷烃及角鲨烷的丰度高；藿烷系列中14 β （H）、17 β （H）-藿烷的含量高于14 α （H）、17 α （H）-藿烷，主要为C 35 系类；甾烷系列主要为四甲基甾烷，指示有甲藻类输入，表明沉积环境的耐盐碱性好；多环芳烃类生物标志物主要为噻吩类化合物，均属于古沉积环境的标志，实现了利用生物标志物信息对石油沉积环境进行认识。
薛海涛等 [ 27 ] 对虎林盆地古近系原油的地球化学特征进行研究，使用GC-MS分析原油中的生物标志物，结果显示，甾萜烷系列中C 29 甾烷居多数，伽马蜡烷含量低，推测是陆源高等植物在淡水氧化环境下的有机输入，原油中姥鲛烷优势异常高，碳同位素组成偏重，初步判别可能是煤成油，加之虎林盆地古近系多为成煤的滨浅湖和沼泽环境，推测虎林盆地有可能是煤成油和煤成气的重要地区。
包建平等 [ 28 ] 根据塔里木盆地新海相原油的生物标志物的含量及分布特征，探讨了原油成因类型、烃源岩层种类以及地质和地球化学意义。具体来说，对三种类型的塔里木原油分析，正构烷烃系列具有轻组分优势，无碳数优势，显成熟油特征；Pr/Ph为1.0～1.6，形成于还原沉积环境，与塔里木地区陆相生油有差异性，塔里木地区的烃源岩有寒武系烃源岩和奥陶系烃源岩 [ 29 ] 。原油中三环萜烷和四环萜烷含量丰富，四环萜烷丰度较高，三萜烷呈现出C 19 >C 20 >C 21 >C 23 >C 24 >C 25 >C 26 阶梯式分布，有机质类型偏向腐殖型，而中上奥陶统烃源岩C 27 R 、C 28 R 、C 29 R 呈现V形分布，四环萜烷的丰度较高，并且大于三环萜烷，伽马腊烷含量低，没有大于C 31 的藿烷系列，C 29 降藿烷含量丰富等特征，与所探讨的原油中生物标志物信息有可对比之处，由此判断此原油属海相生油，并且基本属于奥陶统烃源岩。包建平等 [ 30 ] 还利用生物标志物特征确定渤海凹陷原油的成因类型并进行划分。实验发现不同原油的伽马蜡烷和四环萜烷的含量有显著差异，其余差异不大，利用这两种物质组成的相关参数，如伽马蜡烷/C 30 藿烷（伽马蜡烷指数）、C 24 四环萜烷/C 26 三环萜烷（C 24 Te/ C 26 TT）及伽马蜡烷/C 31 升藿烷，对渤海凹陷原油根据成因类型进行了划分。Hauser等 [ 31 ] 研究了8种科威特原油的生物标志物特征，重点对藿烷类生物标志物进行分析研究，表明原油中藿烷类生物标志物的分布比甾烷类生物标志物分布更具有应用意义，指出科威特原油来自中度成熟的油藏并发生了生物降解。
王广利等 [ 32 ] 利用生物标志物在原油中的分布特征和组成，对义和庄凸起及其北部斜坡带的油气运聚情况进行分析研究，区分了七种不同族群的石油，通过生物标志物参数，进行油源对比，确定了烃源岩的类型。如族群1类的生物标志物特征是姥鲛烷优势；萜烷系列的伽马蜡烷丰度低，甾烷异构化参数C 29 S/ （ S + R ）（指C 29 甾烷所有 S 构型与 S 构型和 R 构型之和的比值）为0.46～0.55，属成熟原油，与烃源岩的生物标志物参数进行对比，结果一致，表明石油来源于四扣洼陷沙第三段烃源，同理对族群2～7类进行油源对比，根据油源的烃源岩位置，对比族群类石油产地，再结合地质背景，大致得出油气的基本运移方向和聚集趋势，义和庄凸起的多期不整合面和长期继承性发育的断层为油气运移提供了通道，成为油气运移的主要方向。为开采义和庄凸起及其北部斜坡带的油气提供了理论依据。认识油气运聚的情况可为石油勘探开采指明方向，若在成熟度不高的油样中出现异常高的异胆甾烷及三环二萜类生物标志物，则指示为明显的运移效应。
彭兴芳等 [ 33 ] 研究了鄂尔多斯地区原油的烃源岩母质来源及有机质的输入问题，石油中Pr/C 17 为0.15～0.7，Ph/C 18 为0.1～0.6，Pr/Ph处于姥植均势，推测有机质形成于淡水～微咸湖水还原环境。伽马蜡烷为0.1～0.2，含量低，受淡湖水沉积影响较大，根据C 29 αα S/ （ S + R ）[C 29 αα S 指24-乙基，5 α （H），14 α （H），17 α （H）-胆甾烷（20 S ），C 29 αα R 指24-乙基，5 α （H），14 α （H），17 α （H）-胆甾烷（20 R ）]和C 29 ββ / （ αα + ββ ）（C 29 ββ 指含有两个 β 氢的碳原子数为29的甾烷，C 29 αα 指含有两个α氢的碳原子数为29的甾烷）甾烷评价参数判断原油及烃源岩的成熟度（见表2），判断此地区的原油为高成熟原油。
表2 原油及烃源岩成熟度的甾烷参数评价表
3.1.3 生物标志物在油层连通性、混源油判定方面的应用
油藏连通性的判断对提高油藏注水开发效果和开发井网部署具有重要的意义，是钻井时需考虑的重要因素，了解油藏的连通性，可降低石油勘探开采风险，是油藏管理的基础。相同油层间的原油生物标志物信息基本相同，不同油层间的原油中，生物标志物信息存在差异，根据这一原理可以用原油中生物标志物的特征判断油藏间的连通性。Pomerantz等 [ 34 ] 用生物标志物信息结合沥青质的含量对油藏间的连通性进行研究，实验选取不同油层深度（深度跨度53m）的三个油样，且油样的黏度、密度和沥青质含量都有明显差异，油样中的正构烷烃的分布完整指示基本未受到生物降解，C 25 -降藿烷丰度高指示严重降解，生物标志物整体具有相似性，根据这两种标志物在油样中的分布特征及含量初步判断是两期充注的混油。并且首次注入的原油严重降解，沥青质含量较高。随着油样埋藏深度的增加，由于重力作用沥青质沉积，使得埋藏越深的油样沥青质含量越高。根据三种油样生物标志物信息及沥青质含量，可以推断原油由同一烃源岩产生，只是注入时期不同，证明其油层间具有相通性。
认识混源油的性质并确定不同油源的原油贡献比例，是对比油源、研究油气运聚、划分油气成藏体系或含油气系统的重要依据。在石油勘探开采过程中，若对混合原油油源认识不清，会影响烃资源量的评价以及对源岩层位的确认，并对勘探部署工作造成误导。地下油气藏中混源油普遍存在，利用地球化学参数进行油源对比及类型分类时，常因混源油类型出现矛盾现象。因此，对混合原油的认识（混合比例的确定及其混源油的判识）在石油勘探开采方面具有重要意义。目前，将混油主要分为四种类型：①不同有机相原油混合；②正常原油与生物降解原油混合；③成熟原油与未熟-低熟原油混合；④高成熟天然气与原油混合。未熟-低熟原油与成熟原油混合现象较为普遍，常用来反映成熟原油的生物标志物参数有C 30 莫烷/藿烷、甲基萘指数及甲基菲指数等。反映未熟-低熟原油的生物标志物有热稳定性较低的5 β （H）-粪甾烷、脱羟基维生素E系列、胡萝卜烷系列等。Moldowan等 [ 35 ] 通过生物标志物的绝对含量判别原油是否为混源原油。Peter等 [ 36 ] 使用C 25 -降藿烷、C 27 -降胆甾烷、 β -胡萝卜烷及C 24 -正丙基胆甾烷等生物标志物判定了苏格兰布罗拉地区的原油为白垩系海相源岩生成油和泥盆系湖相生成油的混油。Jia等 [ 37 ] 利用生物标志物及同位素对塔里木盆地混合原油的成熟度及生物降解性进行了判定。Zhang等 [ 23 ] 对中国珠江口盆地东部珠三凹陷混源原油进行研究，混油中有较高的Pr/ Ph峰面积比值，C 19 三环萜烷和双杜松烷丰度较高，代表了典型的恩平组湖沼相烃源岩的贡献，但其中存在C 30 4-甲基甾烷，它是文昌组岩石中特有的生物标志物，因此判定此混源原油是恩平组煤系源岩和第三系文昌组海相源岩的共同作用生油。王培荣等 [ 38 ] 提出利用三芳甾烷/三芳甲藻甾烷、伽马蜡烷/C 31 升藿烷（ S + R ）、4-甲基甾烷/C 29 规则甾烷等生物标志物参数组合，有效区分了渤中坳陷的三套烃源岩层，并确定了用于判断该区是否为混源油的3个生物标志物参数的下限值。判断原油是否为混油还可根据烃源岩单一的原油中轻、中、重烃分段成熟度应该大体一致的原理，若轻、中、重三段烃类化合物出现明显的差异，则可能是混源油引起的。
随着分析测定技术的进步，从分子水平来剖析原油的组成成为可能，通过对成藏地质中生物标志物的研究，可了解原油的精细组成，确定油藏成藏时间与形成期次，在多个烃源层共同产油的情况下，计算不同烃源岩层对油藏分期充注产油的贡献率，为勘探开采工作提供重要理论依据。生物标志物参数定量法是目前计算不同源岩层对混油贡献率的主要方法，不同原油混合后，会改变某些生物标志物信息，如正常原油与未熟-低熟原油混合后，甾类成熟度参数大幅度降低。利用此类标志物建立数学模型，带入相关数据计算，即可求得每种原油在混油中的贡献率。
陈建平等 [ 39 ] 研究利用生物标志物定量计算多烃源层叠合盆地混合原油中的各类原油的贡献比例。实验中采用准格尔东部原油和彩南原油进行混合，选取C 19 -三环萜烷/C 21 -三环萜烷及C 29 -Ts/C 29 -藿烷两组参数利用数学模型进行定量计算，准确获取每种原油的贡献率。杨杰等 [ 40 ] 利用生物标志物半定量法研究塔里木盆地北部隆起混合原油，其油气类型复杂，储层内的混合作用及多期充注的现象比较普遍，属于正常原油与生物降解原油的混合，早期注入原油遭受严重的生物降解，生物标志物信息表现为异戊二烯类及正构烷烃类含量基本没有，三芳甾烷和C 25 -降藿烷丰度较高；后期注入原油的正构烷烃和异戊二烯类呈完整分布，三芳甾烷和C 25 -降藿烷的含量极少，由此根据三芳甾烷的相对含量和正构烷烃、C 25 -降藿烷的绝对含量进行定量计算，获得油藏内两期充注原油的各自贡献率。Chen等 [ 41 ] 对19种萜烷类和16种甾烷类生物标志物做多元线性回归分析，选择C 24 四环萜烷/C 26 三环萜烷、C 28 /C 29 甾烷、 β -胡萝卜烷、C 19 /C 21 三环萜烷等标志物参数，对几种可能参与生油的烃源岩贡献率进行计算，最后认为阜康凹陷区侏罗系烃源岩是彩南油田的生油主力。由于生物标志化合物参数受到多种因素的影响，注水开发过程也会造成原油组分的严重丢失，参数的选取会影响各原油、各烃源岩贡献率的计算，找出不受成藏过程、注水开发以及成藏后改造影响的生物标志物参数是克服这些局限性的关键。
3.1.4 生物标志物应用局限性
生物标志物在石油地质及勘探开采方面的发展日益成熟，但应用中仍存在局限性。由于生物标志物种类繁多、结构复杂、分子量大，想要清楚认识生物标志物还有许多工作要做。目前，在石油、油页岩、烃源岩、干酪根中都可以检测到多种生物标志物，但对它们前驱体以及来源的了解较少。生物标志物经过上万年的演变，虽大致确定它们基本来源于生物体，但对其结构变化的途径还存在很多不确定的因素 [ 42 ] 。另外生物标志物随着环境的变化或时间的推移发生生物降解后，会改变特定生物标志物的结构和含量，影响使用生物标志物对油-岩对比、油-油对比、烃源岩判定等。这些因素影响了生物标志物在实际过程中的应用。
了解生物标志物的生物降解规律，可在应用中避免生物降解带来的干扰因素。原油中的正构烷烃及多环芳烃类侧链在生物降解过程中易发生断裂，表现出较差的生物降解性能。生物标志物的抗生物降解能力由强到弱顺序一般为：卟啉、芳构化甾烷、重排甾烷、藿烷、甾烷、类异戊二烯烷烃、正构烷烃。详细地说，甾萜烷类生物降解性由强到弱顺序为：重排甾烷>C 27 甾烷>三环萜烷>五环萜烷>降藿烷（C 29 -Ts）～C 29 αββ 甾烷。C 27 ～C 29 甾烷随碳数的增大抗降解性逐渐减弱；相同碳原子的立体异构不同，抗降解能力不同，甾烷立体异构体由强到弱的顺序为：20 R ααα 甾烷>20（ R + S ） αββ 甾烷>20 S ααα 甾烷。C 31 ～C 35 萜烷类随着碳原子增加抗生物降解能力增强，22 R 异构抗生物降解性强于22 S 异构；C 31 -藿烷及C 32 -藿烷抗生物降解能力强于C 34 -藿烷和C 35 -藿烷。多环芳烃类小分子量生物标志物比较大分子量的生物标志物更易发生降解，烷基化萘类生物标志物在9号位和10号位的烷基化产物抗生物降解能力要强于1号位和6号位的烷基化产物 [ 43 ] 。以上的生物标志物均可以评估原油的生物降解程度。总之，生物标志物的前驱体在沉积环境中不断发生变化，经过芳构化、烷基化、重排的产物更加稳定，抗生物降解能力更强。
在使用生物标志物时应根据原油生物降解情况选择相应的生物标志物参数，避免因生物降解因素导致的错误判断。Tissot等 [ 44 ] 指出存在于石油沥青基质及干酪根中的生物标志物在某种程度上可以避免生物降解，而沥青质和干酪根联系密切，其热裂解后的正构烷烃分布及总组成相似。Peng等 [ 45 ] 研究沥青质和干酪根中的生物标志物特征后，指出沥青质与干酪根中的生物标志物特征相关性良好。典型生物标志物在两种物质中的相关程度由好到坏依次为：甾烷/异戊二烯类、藿烷/伽马蜡烷、甾烷、异戊二烯类、正构烷烃类。可推断原油中沥青质和生油岩沥青类似于干酪根的碎片，来自干酪根键的早期断裂，释放出较小的碎片，溶于石油溶剂中，随着沉积环境的不断演化而形成沥青质，这就意味着沥青质是干酪根演化过程中的中间产物，初步认识了沥青质的来源。沥青质中含有丰富的生物标志物，并不易降解，而且随着原油降解程度加深，黏度不断增加，烃类的含量下降，胶质和沥青质的含量却增加，可以通过沥青质中的生物标志物信息对严重降解的原油进行油源分析。
3.2 生物标志物在石油污染监测方面的应用
随着石油化工工业、海上石油勘探开发及船舶运输等行业的迅猛发展，原油供应量和需求量持续增加，在近20年中，有458起在700t以上的重大溢油事故，严重威胁海洋生态环境 [ 46 ] 。原油泄漏后，若没有及时采取相应的措施，原油会不断沉积风化形成黑色或褐色的焦油球，它是一种致癌物质，会严重危害海洋生物及人类健康。因此，对石油污染监测的研究具有重要意义。英国、葡萄牙、比利时、挪威、德国和丹麦等国家共同成立了欧洲海上溢油鉴定系统；美国早在1978年就成立了原油鉴别实验室 [ 47 ] ；日本海上保安试验研究中心下属的分析课题组主要负责溢油鉴别的工作。这些工作不但促进海洋溢油鉴别技术的发展，在海洋行政管理中也发挥了重要作用。油指纹鉴别是目前针对溢油鉴别较为成熟的技术。通过分析污染油的指纹信息，再与原油信息、烃源岩信息相对比，确认污染油的来源，正确处理溢油事故，确认污染程度以及评估对附近水体的影响 [ 48 ] 。多年来，将烃指纹技术应用于溢油鉴别的研究颇受关注，随着研究的不断深入，也愈加成熟。
3.2.1 溢油鉴别参数
溢油鉴别参数指在污染油中的生物标志物参数，它能够代表原油的信息，在追溯污染源方面起到关键作用。如C
29
～C
30
藿烷、C
28
20
R
/C
28
20
S
，C
27
20
R
/C
28
20
R
以及C
28
20
S
/[C
26
20
R
+C
27
20
S
]的三芳甾烷系列，都是追溯油源有效的生物标志物参数
[
49
]
。Zakaria等
[
50
]
有效利用了C
29
/C
30
（C
29
和C
30
藿烷的比值）、∑（C
31
～C
35
）/C
30
[∑（C
31
～C
35
）表示碳原子数从31至35升藿烷的总和]参数比值以及升藿烷指数，成功对马六甲海峡的溢油事故进行了鉴别。Barakat等
[
51
]
在研究埃及苏伊士海岸的溢油过程中发现一些有效的生物标志物参数，如
/菲、
/二苯并噻吩、三环萜烷指数（C
19
～C
30
三环萜烷浓度与总萜烷浓度比值）、孕甾烷指数（C
21
～C
22
孕甾烷浓度与总甾烷浓度的比值），都能够清楚显示出原油和成品油的差别。倪张林等
[
52
]
运用C
29
/C
30
、Tm/Ts、C
29
αββ
/（
αββ
+
ααα
）[C
29
αββ
指24-乙基，5
α
（H），14
β
（H），17
β
（H）-胆甾烷，C
29
ααα
指24-乙基，5
α
（H），14
α
（H），17
α
（H）-胆甾烷]、C
27
αββ
/C
29
αββ
[C
27
αββ
指5
α
（H），14
β
（H），17
β
（H）-胆甾烷]四种参数比值分析了舟山群岛的原油并进行区分。程海鸥
[
53
]
利用C
29
/C
30
、Tm/Ts、C
29
αββ
/（
αββ
+
ααα
）、C
27
αββ
/C
29
αββ
、C
28
αββ
/
（
αββ
+
ααα
）[C
28
αββ
指24-甲基，5
α
（H），14
β
（H），17
β
（H）-胆甾烷，C
28
ααα
指24-甲基，5
α
（H），14
α
（H），17
α
（H）-胆甾烷]五种参数对东海溢油样品进行分析，成功判定了原油来源。Yim等
[
54
]
利用多环芳烃类生物标志物（甲基菲指数、二苯并噻吩指数）指示原油风化程度。这些实例均说明了生物标志物的应用对溢油鉴定具有重要的意义。
除了常规的生物标志物参数可以作为追溯油源的指标外，还有一些“特定”的生物标志物，由于它们并不普遍存在于所有的原油中，只出现在某种特定沉积环境下或特定烃源岩所形成的原油中，这些标志物的存在可以说明其油源及烃源岩特征，如C 30 17 α （H）-重排藿烷、 β -胡萝卜烷、碳数大于40的藿烷、双杜松烷及4-甲基甾烷等 [ 55 ] 。生物标志物参数也为后续的溢油鉴定奠定了基础，成为现今溢油鉴定必不可少的工具。
3.2.2 生物标志物在海洋溢油鉴定中的实际应用
烃指纹技术随着生物标志物参数的发展也愈加成熟，成功应用于溢油鉴定中，并可对某区域是否受到石油污染做出准确判断。Ekpo等 [ 56 ] 通过测定出尼日利亚的尼日尔河三角洲中出现17 α （H）-藿烷及18 β （H）-奥利烷典型的石油中生物标志物，判断此地带已受到石油的污染。韩彬等 [ 57 ] 对来自渤海相近石油平台的六种原油的指纹规律进行了研究，指出来自相近的石油平台或是同一石油开采平台不同油井的原油，其指纹信息具有相似性，需要找出有差异性的对比参数加以区分，经定性定量分析，显示 n C 18 /Pr和 n C 17 /Ph有较大的差异，C 29 甾烷、升藿烷、莫烷、伽马蜡烷、 n C 19 ～ n C 22 的正构烷烃及烷基化二苯并噻吩等也有一定差异，用于指纹信息相似油样的溢油鉴定。Hu等 [ 58 ] 对渤海表层沉积物中的生物标志物进行了研究，通过分析正构烷烃分布，甾萜类化合物的组成特征以及碳优势指数等指纹信息，对渤海海域的污染情况做出了评估。研究数据中正构烷烃平均碳链长度及姥鲛烷/植烷比值均低于其他地区，指示水体中已有石油烃的输入。其次，C 27 -18 α （H）-三降藿烷与C 27 -17 α （H）-三降藿烷的比值（Ts/Tm）、 ααα C 29 甾烷20 S/ （22 S +22 R ）和C 31 升藿烷22 S/ （22 S +22 R ）等值表明表层沉积物中有机质的成熟度偏高，指示出有石油烃类的输入。将各个指纹参数进行数据归一化处理后得到了石油污染的替代性指标，划分出石油污染严重地区，为后续污染鉴定奠定了基础。
不同石油在形成过程中经历了不同的沉积环境和沉积时间，原油呈现出的生物标志物指纹不同，因此生物标志物参数是追溯油源最有效的工具。Mulabagal等 [ 59 ] 对取自于阿拉巴马州海岸线的焦油球中的生物标志物含量及特征进行测定，焦油球是原油严重风化后的产物，其中正构烷烃已不存在，类异戊二烯类严重降解，可利用焦油球中的甾、萜烷类、多环芳烃类等抗风化能力较强的生物标志物追溯油源。实验数据显示，焦油球中的甾烷及萜烷类生物标志物参数与墨西哥海湾深海油井爆炸所泄漏的原油相似，尤其是藿烷参数Ts/Tm、C 29 /C 30 的含量及分布，确定焦油球来自墨西哥海湾的漏油，初次根据C 30 αβ -藿烷的定量数据确定大部分焦油球的风化程度为轻微风化，推测焦油球是在漂移过程中发生了蒸发及溶解等风化过程。成功利用生物标志物参数定量判断了阿拉巴马州海岸线附近焦油球的来源。Suneel等 [ 60 ] 利用生物标志物信息并结合同位素质谱技术追溯了印度果阿海岸焦油球的来源。指出焦油球中的五环三萜类生物标志物是对比油源过程中的有效工具，并提出利用正构烷烃及多环芳烃中低分子量物质含量/高分子量物质含量（L/H）对焦油球的风化程度进行判定。若L/H值低于原油中的L/H值，则表示原油已被风化，根据相差的大小程度决定原油风化程度。同时重点对比了藿烷参数（C 29 -藿烷/C 30 -藿烷、C 31 ～C 35 藿烷分布），确定了焦油球来源。
生物标志物广泛存在于石油中，可鉴定油源，区分原油，判断油样溢出后的风化程度等。随着人类活动对石油产品的需要，原油泄漏事故频发，从轻质油到重质油，都需要利用生物标志物进行溢油鉴定。甾烷类、萜烷类、多环芳烃类及藿烷类大分子生物标志物，在较重的原油中可大量检测到，但在轻质原油中的含量低甚至没有。金刚烷生物标志物相对于甾、萜类生物标志物分子量较小，结构稳定，热稳定性高于其他生物标志物，是生物标志物等多环烃类在热力作用下经过强Lewis酸催化剂形成的，结构稳定，经过键的断裂使得分子量较小，大量存在于轻质原油中，可作为轻质原油溢油鉴定的指标 [ 61 ] 。Wang等 [ 62 ] 采用GC-MS对9种双金刚烷化合物和17种单金刚烷化合物进行定性分析，并对100多种原油和不同成品油（包括瓦斯油、凝析油、柴油、渣油、润滑油等）中的金刚烷化合物进行定性定量比较，得到了一系列的金刚烷溢油鉴别诊断参数，诊断效力较强的参数有：1-MA/2-MA、1-MA/1，2-DMA、1-MA/1，3，4-TMA、1，4-DMA/1，3，4-TMA、1-MA/1，2，5，7-TeMA、1，3，5-TMA/1，3，6-TMA、1，3，5，7-TeMA/1，2，5，7-TeMA、1，3，5-TMA/1，2，5，7-TeMA（MA指一甲基金刚烷；DMA指二甲基金刚烷；TMA指三甲基金刚烷；TeMA指四甲基金刚烷）。利用这些诊断参数成功对荷兰某港口的溢油事故进行了鉴别分析，确定了油源。双金刚烷的热稳定性及抗风化能力均优于单金刚烷，可重点应用。实验后期使用甾、萜类生物标志物对实验结果进行验证，并证明其结果的正确性，认为金刚烷化合物可作为一种新的溢油鉴别指标。
在溢油鉴别过程中，不能仅依靠生物标志物参数追溯油源，同时还要结合生物标志物的整体分布及定量情况。对于某些原油，其生物标志物参数差别不大，但其总体分布呈现出较大差异，大多生物标志物参数为比值形式，在使用时自动忽略了生物标志物含量问题。因此，在进行油源对比时，要注重综合生物标志物定性、定量及分布特征，共同对泄漏原油进行分析。Wang等 [ 61 ] 详细综述了生物标志物在原油及石油产品（轻馏分油、中馏分油、重燃料油、润滑油）中的分布特征。Beiger等 [ 63 ] 利用三环和五环萜类生物标志物对加拿大纽芬兰地区的润滑油污染事故进行鉴定，指出来源于不同油源的润滑油中，生物标志物参数无明显差异，但萜类化合物的分布特征明显不同。利用环萜类化合物的总体分布特征作为指示润滑油污染的工具，确定了原油风化程度，追溯到了油源。
3.2.3 生物标志物在鉴定已风化原油中的应用
生物标志物在海洋溢油鉴定中广泛应用，值得注意的是原油泄漏后被暴露在水、空气、光以及大量微生物的环境中时会发生蒸发、氧化、乳化、生物降解等一系列过程，这些变化统称为风化 [ 64 ] ，风化使得某些生物标志物的结构及含量发生变化，组分丢失，导致指纹信息发生变化。在溢油鉴别的过程中应首先判断原油是否已经发生了风化，再进行溢油鉴定 [ 65 ] 。
风化程度可根据生物标志物信息大致分为轻度风化、中度风化及重度风化三种类型。轻度风化原油中正构烷烃含量降低，BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）及C 3 -苯的侧链基本丢失。中度风化原油中正构烷烃发生严重降解，出现小分子量的异戊二烯结构，BTEX及C 3 -苯含量基本为零，萘含量有所下降。重度风化原油中正构烷烃及环烷烃基本消失，多环芳烃及其同系物发生严重降解 [ 61 ] 。
生物标志物的抗风化能力类似于抗降解能力，在3.1.5部分对不同种类生物标志物的抗生物降解能力有简单介绍。石油泄漏后发生风化作用是不可避免的，因此，在海洋溢油鉴定中，对风化原油中生物标志物的认识尤为重要。研究者们已对不同风化程度的原油进行了研究，指出根据原油的风化程度不同，在追溯油源时选择的生物标志物参数不同，要具体情况具体分析。李芸等 [ 66 ] 对短期风化的原油组成进行分析。原油风化主要集中在前24h，为短期风化最严重时段，正构烷烃及多环芳烃发生明显变化，大于C 18 的正构烷烃基本无变化，可作为短期风化后溢油鉴别标志物。韩彬等 [ 67 ] 在模拟风化的条件下，对渤海原油中的生物标志物风化后的变化规律进行探讨。着重对多环芳烃类风化规律进行研究，模拟条件下风化三十天后，三芳甾烷、甾烷和藿烷的结构稳定，含量基本保持不变，表现出较强的抗风化能力。而多环芳烃系列生物标志物中为萘、芴类风化较严重，菲类及二苯并噻吩类浓度基本没有发生变化，表现出较强的抗风化能力。Wang等 [ 68 ] 利用指纹技术对大连海岸溢油90～120天后的残油进行分析，对风化原油中生物标志物参数的可靠性进行探究。实验表明，随着风化时间加长，正构烷烃类生物标志物含量逐渐减少，而姥鲛烷、植烷等生物标志物的含量变化相对较慢。根据这一规律对相关参数进行测定比较，发现Pr/Ph、 n C 18 /Ph、Pr/（Pr+Ph）、 n C 17 /（Pr+ n C 17 ）、 n C 18 /（Ph+ n C 18 ）、 n C 19 + n C 20 / n C 19-20 和（ n C 21 + n C 22 ）/（ n C 28 + n C 29 ）等参数均表现出明显的变化，指示这些参数用于风化后的海洋溢油鉴定并不可靠。而Ts/Tm、C 31 22 S/ （22 S +22 R ）（指22 S 和22 R 构型的升藿烷）、C 32 22 S/ （22 S +22 R ）（指22 S 和22 R 构型的二升藿烷）、C 33 22 S/ （22 S +22 R ）（指22 S 和22 R 构型的三升藿烷）、C 30 βα /C 30 αβ [指17 β （H），21 α （H）-藿烷和17 α （H），21 β （H）-藿烷]、C 29 αβ /C 30 αβ 、C 27 -藿烷/C 29 -藿烷、C 29 20 S/ （20 S +20 R ）、C 29 ββ / （ ββ + αα ）[C 29 ββ 指17 β （H），21 β （H）-降藿烷，C 29 αα 指17 α （H），21 α （H）-降藿烷]等参数基本不变，提供的数据更加可靠，更适用于海洋溢油鉴定。Juyal等 [ 69 ] 分析原油的生物标志物特征，指出17 R （H），21 β （H）-C 25 -降藿烷可以作为指示原油严重降解的指标。徐恒振等 [ 70 ] 将生物标志物参数和风化时间联系起来，对不同水体环境中的不同油类中的姥鲛烷、植烷、萜烷、甾烷等特定的生物标志物进行测定，指出原油风化两个月内可以利用姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）值指示石油的降解程度；原油风化一年或在室内自然放置四年内可以利用萜烷比值参数及甾烷比值参数追溯油源。Wang等 [ 71 ] 分析了加拿大切达巴克托湾的Arrow油轮6号燃油泄漏22年后的油样，原油中大部分的饱和烷烃及多环芳烃均不存在了，比较了15种甾烷、32种萜烷和生物标志物，发现在总的色谱峰中C 29 藿烷[17 α （H），21 β （H）-30-降藿烷]、C 30 藿烷[17 α （H），21 β （H）-藿烷]的丰度最高，表明C 29 藿烷、C 30 藿烷的抗风化能力极强，可以认为C 29 /C 30 比值是最可靠的油源指标，其他被检测到的参数还有Ts/Tm、C 23 -藿烷/C 24 -藿烷、C 32 22 S/ 22 R 、C 33 22 S/ 22 R ，也可作为可靠的油源指标。这为海洋溢油鉴定风化原油提供了理论依据。这为尽量避免风化带来的追溯油源过程中的不确定因素，Taki等 [ 72 ] 将甾、萜烷类生物标志物与原油中的镍、钒含量相结合来区分原油，镍、钒金属多存在于卟啉类生物标志物中，基本不会受到风化的影响，结合镍、钒金属含量可在某种程度上避免风化带来的影响。实验中成功对41种油样进行区分、归类，方便后续溢油鉴定研究。
生物标志物在监测环境污染方面应用越来越广泛，主要集中于定性的研究，对其定量的研究较少。对风化后污染油的研究不够彻底，还有大量的生物标志物在风化后的变化情况是未知的，应在今后的研究中加以补充 [ 73 ] 。先进的分析仪器及不断更新的分析技术，使得对生物标志物的了解更加透彻，不断推进着生物标志物在溢油鉴定方面的发展。
3.3 生物标志物在石油炼制中的应用
生物标志物在石油炼制中处于初步探索阶段。对石油中生物标志物进行分析测定，可为工艺研究提供基础数据和必要依据。在石油加工工艺过程中，随着反应深度的不断增加，目标指纹化合物的浓度或结构会发生一定的改变，这种改变可以指示原油反应深度、部分化合物的反应难易程度等，起到分子探针的作用。多环芳烃类生物标志物也可作为工艺研究中的模型化合物。张全信等 [ 74 ] 选择多环芳烃类生物标志物在加氢裂化工艺中作为模型化合物，对反应机理、反应途径、动力学模型、产物分布、催化剂等方面进行研究。但生物标志物还是主要在石油加工过程中起指示作用。
Peter等 [ 75 ] 选用圣华金河谷原油作为原料，研究不同种类生物标志物在原料和各个加工工艺产品中的含量。研究结果表明在直馏馏分油中，生物标志物分布主要受相对挥发度影响，从煤油、柴油到减压渣油，生物标志物含量依次增加。加氢裂化过程中，高温高氢分压下，单芳和三芳类固醇含量减少，甾烷含量增加，萜烷含量基本保持不变；使用减压渣油作为加氢精制的原料，发现加氢精制后的产品中生物标志物的含量和原料减压渣油基本相同；在催化裂化过程中，各种生物标志物含量均减少，但分布比例不变。而在焦化汽油中各种生物标准物含量均远远低于原料和其他炼制产品。
Russell等 [ 76 ] 研究了生物标志物在减黏裂化工艺中的应用。在减黏裂化工艺中，随裂解温度的增加，裂解深度也随之增加。根据这一理论依据，分别在420℃、430℃、450℃无水裂解条件下进行热裂解反应，并测定生物标志物参数的变化。温度增加长链正构烷烃更易断链，短链正构烷烃/长链正构烷烃值逐渐增加，表明短链正构烷烃/长链正构烷烃值与裂化深度呈正相关；同一碳数的重排甾烷比规则甾烷在热力学上更稳定，随温度增加，重排甾烷/甾烷值逐渐增加，表明其与裂化深度呈正相关；在原料中基本无三环萜烷，藿烷有良好丰度，经420℃的热裂解，藿烷量明显减少，三环萜烷明显增加，在430℃和440℃重复同样的实验，三环萜烷/藿烷值从原料中值为0逐渐增加到0.5，表明三环萜玩/藿烷的值与裂化深度呈正相关；萘/苝值也指示大分子量的芳烃的裂化程度加深，随温度增加，萘/苝值增加，表明萘/苝值与裂化深度呈正相关。得到生物标志物参数与裂解深度的关系后进行有5%水含量、430℃条件下的热裂解实验，相对于无水热裂解实验，短链正构烷烃/长链正构烷烃的值升高，同样，规则甾烷/重排甾烷值、藿烷/三环萜烷值、萘/苝值均升高，指示与有水条件相比，无水条件的裂化程度加深。实验将含水量由5%减少到1%，使用同样的生物标志物参数进行比较分析，发现裂化程度更深。最后选择在原料中加入1%的水裂解为最佳工艺条件。生物标志物对裂化深度比较敏感，并成功监测了减黏裂化工艺中的裂化深度。
Marcano等 [ 77 ] 对焦油砂在350℃的温度下进行三天的热裂解，将焦油砂分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分进行监测，油砂沥青质中的正构烷烃及异戊二烯类烷烃整体分布不完整，随着热裂解的进行，逐渐形成碳数高达C 30 的异戊二烯类，如姥鲛烷、植烷等，黏度较大。油砂沥青质随热裂解程度的加深，逐渐减少，胶质量无大的变化，饱和分和芳香分的比例显著增加，初步判断沥青质是热裂化过程中烷烃和芳烃的主要来源。研究中通常使用单环甾烷、三环甾烷及藿烷指数监测热裂化反应，在此热裂化反应过程中，逐渐产生甲基菲、甲基蒽类生物标志物，并随裂解程度的加深其含量呈线性增加（见图8），可对热转化反应进行良好的监测。
图8 甲基萘、甲基菲含量随裂解时间增加呈线性增加图
MP—甲基菲；MA—甲基萘
蔡新恒 [ 78 ] 采用GC/MS结合选择离子检测和解析技术，发现塔河减压渣油减黏裂化残渣中具有较丰富的萜烷和藿烷生物标志物、萘噻吩、二苯并噻吩、苯并萘噻吩以及四～六环芳烃。随着减黏裂化反应苛刻度增加，萜、藿烷生物标志物的含量逐渐减少，多环芳烃和苯并萘噻吩的含量逐渐增加。而且发现，减黏裂化残渣中三降藿烷Tm含量变化与裂化转化率之间具有很好的关联，因此，可以用它来指示裂化反应进行的程度。
史得军等 [ 79 ] 考察了模型化合物和五种不同减压馏分油的催化裂化过程，发现随着催化裂化深度的增加，模型化合物产物中 α 和 β 位置取代的烷基萘含量不断增加，其中 β 位取代的烷基含量升高更快，这可能与空间位阻和分子筛孔道有关。五种减压馏分催化裂化的数据表明，烷基萘参数与催化裂化转化率线性关系良好，而烷基菲参数与减压馏分油转化率没有明显的线性关系。
刘四威等 [ 80 ] 对催化裂化过程中生焦的生成进行探讨，发现多环芳烃类生物标志物的含量变化对生焦反应起到关键性作用。随着催化裂化反应的进行，单环、双环及多环芳烃经环化缩合反应向重芳烃方向转化，由于苯环的特殊结构再加之催化剂的酸性位作用，易吸附在催化剂表面不易脱附，逐渐演化为焦炭前驱体，最后生成焦炭。催化裂化加工过程中多环芳烃含量增加，焦炭产率也会逐渐增大，两者呈现良好的正相关关系。因此，可以利用多环芳烃类生物标志物的含量变化指示焦炭产率变化趋势。
王威等 [ 81 ] 以蜡油和常压渣油为原料，研究催化裂化过程中正构烷烃的转变规律。催化裂化反应中，长链烷烃发生断裂反应，生成碳链短的烷烃或者烯烃，含量降低。而短链烷烃较难断裂，并且含量会随着长链烷烃的断裂反应不断增加。王威等的研究结果表明，碳原子数大于20的正构烷烃，断裂反应速率高于生成速率，在催化裂化过程中含量不断减少；而碳原子数小于17的正构烷烃，生成速率高于断裂反应速率，在催化裂化反应过程中含量增加。作者进一步研究不同转化深度情况下平衡碳数的变化情况，平衡碳数指该碳数正构烷烃裂化反应和生成反应速率大致相同，反应过程中含量保持不变，发现平衡碳数随着转化率的提高而不断减少。
在催化裂化过程中，一方面由于存在缩合反应，多环芳烃含量减少；另一方面，存在环烷烃的氢转移反应、烯烃的芳构化反应、带侧链多环芳烃的裂化反应使多环芳烃含量增加。王威等
[
81
]
研究了萘、芴、菲、蒽、苯并蒽和
等多环芳烃在不同转化率下产物和原料中质量分数的关系，发现二环三环类芳烃萘、芴、菲随着催化裂化转化率增大含量增加；而苯并蒽和
的质量分数随着转化率的增加而降低。这说明大部分二环三环芳烃在催化裂化过程中以生成反应为主，含量增加；而四环芳烃则以缩合反应为主，随着反应进行，质量分数减少。
王威等 [ 81 ] 研究藿烷类化合物在不同转化率下催化裂化产品的分布，选用17 α （H）-22，29，30-三降藿烷（Tm）和18 α （H）-22，29，30-三降藿烷（Ts）质量分数的比值作为参数，发现催化裂化条件下 w （Tm）/ w （Ts）随着转化率的提高而降低，且线性关系良好，可以通过测定 w （Tm）/ w （Ts）比值来预测转化率。
凌凤香等 [ 82 ] 研究了渣油加氢过程的族组成变化，其中多环芳烃类、噻吩类等生物标志物对工艺反应起到指示作用，并参与工艺加氢能力的判断。两种渣油原料油经加氢工艺后，测定第一反应器（一反）、第二反应器（二反）、第三反应器（三反）工艺段的产品样品成分组成，1号原料油经加氢工艺处理后，一至六环环烷族和环烷基苯族的含量均增加，且增加的趋势为三反最大，一反最小；噻吩类、多环芳烃类的含量减少，减少趋势为三反减少量最多，一反最少，数据表明工艺运转过程中，主要发生开环及环加成反应，加氢能力由大到小依次为三反>二反>一反，对2号原料油进行相同实验，噻吩类、多环芳烃类的含量减少，环烷基苯族及环烷族均增加，得到相同结果。确定装置的加氢能力从三反、二反、一反依次降低，为工艺研究和催化剂研制提供依据。
蔡新恒等 [ 83 ] 选取萜烷类生物标志物作为特征分子研究渣油接触裂化产物的分布情况，发现在不同的渣油原料和接触剂条件下，稳定的多环萜烷类生物标志物对热作用和催化作用比较敏感，可以作为烃指纹化合物来指示反应类型和裂化反应深度。
4 结语
由于生物标志物本身所特有的结构稳定优点，使它在石油领域得到了非常广泛的应用，通过对生物标志物分子的认识解释了宏观现象的变化，实现了对原油分子水平的认识。生物标志物在石油地质、石油勘探开采及海洋溢油鉴定中的应用较为成熟，在石油炼制过程中的研究处于初步探索阶段，尚未成熟化、系统化，可作为今后生物标志物的重要研究方向。
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