ทฤษฎีการกำเนิดและการสะสมตัว

      ปิโตรเลียมมีต้นกำเนิดมาจากสารประกอบอินทรีย์ทั้งของพืชและของสัตว์ที่สะสมตัวปะปนกับตะกอนชนิดต่าง ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตะกอนที่มีอนุภาคขนาดเล็กหรือตะกอนจำพวกคาร์บอเนตซึ่งตกตะกอนสะสมตัวอยู่ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีพลังงานต่ำและขาดแคลนออกซิเจนตามบริเวณแอ่งบนพื้นผิวโลกทั้งบนบกและในทะเล  ภายหลังจากที่ตะกอนสะสมตัวและทับถมฝังจมลงในแอ่งตะกอนเป็นเวลานานหลายล้านปีก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของความร้อนจากภายในโลกและความกดดันที่เพิ่มขึ้นจากตะกอนที่ทับถมตัวอยู่เบื้องบน ตะกอนก็จะเปลี่ยนแปลงไปเป็นหินตะกอน  ส่วนสารประกอบอินทรีย์ประเภทที่ระเหยหรือละลายน้ำได้ง่ายก็จะถูกขับออกไปจากหินตะกอนในช่วงเวลาระยะแรก ๆ ของการเปลี่ยนแปลง คงเหลือไว้แต่สารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่เป็นของแข็งที่เรียกว่า "คีโรเจน" (Kerogen) คีโรเจนบางชนิดถือได้ว่าเป็นสารต้นกำเนิดที่สำคัญของปิโตรเลียม 

      ปัจจัยสำคัญที่สุดที่ทำให้สารต้นกำเนิดปิโตรเลียมหรือคีโรเจนแปรสภาพไปเป็นปิโตรเลียม คือ อุณหภูมิซึ่งอุณหภูมิขั้นต่ำสุดที่มีความจำเป็นในการเกิดปิโตรเลียมในสภาพของแอ่งตะกอนโดยทั่ว ๆ ไปก็คือระดับ ๑๒๐ องศาฟาเรนไฮต์ สภาพอุณหภูมิดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อตะกอนซึ่งมีสารอินทรีย์ปะปนอยู่ในปริมาณที่มากเพียงพอในหินตะกอนได้ทับถมตัวจมลงใต้ผิวโลกลึกลงไปยิ่งเป็นบริเวณแอ่งตะกอนที่มีตะกอนสะสมตัวทับถมกันหนาและจมตัวลึกลงไปมากเท่าไรอุณหภูมิใต้ผิวโลกบริเวณนั้นก็จะยิ่งเพิ่มสูงมากขึ้นตามไปด้วย  อย่างไรก็ดีที่ระดับความลึกไม่มากนักนั้นอุณหภูมิของบริเวณดังกล่าวจะไม่สูงพอที่จะทำให้เกิดน้ำมันดิบ สารอินทรีย์จากพืชและสัตว์บางส่วนจะสลายตัวไปโดยการทำงานของแบคทีเรียทำให้เกิดแก๊สชีวภาพในปริมาณที่มากพอสมควรซึ่งส่วนใหญ่เป็นแก๊สมีเทน (Methane) เกือบทั้งสิ้น แก๊สเหล่านี้บางทีเรียกชื่อว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas) หรือแก๊สสวอมป์ (Swamp gas) หรือแก๊สมาร์ซ (Marsh gas) และสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วมากที่ระดับตื้น ๆ การสลายตัวของสารอินทรีย์โดยแบคทีเรียแล้วเกิดเป็นแก๊สชีวภาพจะลดปริมาณน้อยลงเรื่อย ๆ เมื่อตะกอนทับถมตัวจมลึกลงไปจากระดับผิวดินตามลำดับ  ในแอ่งตะกอนโดยทั่ว ๆ ไปนั้นน้ำมันดิบจะเกิดขึ้นในระดับอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ แต่ที่ระดับอุณหภูมิ ๑๙๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเป็นระดับอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด  นอกจากนี้ปัจจัยเรื่องเวลาหรืออายุของตะกอนก็มีความสำคัญมากเช่นกัน  ยิ่งตะกอนมีอายุมากเท่าไรระดับอุณหภูมิที่จำเป็นในการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวในตะกอนนั้น ๆ ไปเป็นปิโตรเลียมจะมีค่าต่ำลงเท่านั้น ตะกอนที่มีอายุน้อยต้องการอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงเพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ที่สะสมตัวปนกับตะกอนไปเป็นปิโตรเลียม สำหรับ "น้ำมันหนัก" (Heavy oil) ซึ่งหมายถึง น้ำมันดิบที่มีลักษณะหนืดหรือมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ ต่ำ จะเกิดจากการแปรสภาพสารอินทรีย์ที่ระดับอุณหภูมิต่ำกว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ "น้ำมันเบา" (Light oil) หรือน้ำมันดิบที่ค่อนข้างเหลวและมีค่าความถ่วง เอ พี ไอ สูง ซึ่งเกิดจากการแปรสภาพของสารอินทรีย์ ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงกว่า 
      โดยทั่ว ๆ ไปแล้วจะต้องใช้เวลาหลายล้านปีเพื่อแปรสภาพสารอินทรีย์ไปเป็นปิโตรเลียม หินต้นกำเนิดปิโตรเลียม (Source rock) ที่มีอายุน้อยที่สุดซึ่งสามารถให้กำเนิดปิโตรเลียมได้จะมีอายุในสมัยไพลโอซีน (Pliocene period) หรือประมาณ ๑.๘ ถึง ๕ ล้านปี โดยหลักการเบื้องต้นนั้นถ้าสภาพอุณหภูมิของหินต้นกำเนิดมีค่าสูงกว่า ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ น้ำมันดิบก็จะแปรสภาพไปเป็น      กราไฟต์ (Graphite) และแก๊สธรรมชาติ สารอินทรีย์และถ่านหินก็จะแปรสภาพไปเป็นแก๊สธรรมชาติด้วยในระดับอุณหภูมิที่สูงดังกล่าวนี้จะมีแก๊สธรรมชาติเกิดขึ้นในอัตราที่รวดเร็วมากมีชื่อเรียกว่า แก๊สเทอร์มอล (Thermal gas) ซึ่งในกระบวนการเกิดแก๊สเทอร์มอลนี้จะเกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สเปียก (Wet gas) ขึ้นมาก่อนและเมื่อระดับอุณหภูมิสูงขึ้นอีกก็จะเกิดแก๊สธรรมชาติชนิดแก๊สแห้ง (Dry gas) ตามขึ้นมาที่ระดับความลึกซึ่งมีอุณหภูมิระหว่าง ๑๒๐ ถึง ๓๕๐ องศาฟาเรนไฮต์ จะเกิดน้ำมันดิบซึ่งมีชื่อเรียกว่า ออยล์วินโดว์ (Oil window) เหนือช่วงระดับความลึกนี้จะเป็นบริเวณที่เกิดแก๊สธรรมชาติที่เรียกว่า แก๊สไบโอเจนิก (Biogenic gas) นอกจากนี้ ใต้ระดับความลึกที่เกิดออยล์วินโดว์ก็จะเกิดแก๊สเทอร์มอลขึ้นด้วย 

      ช่วงระดับความลึกที่เกิดน้ำมันหรือออยล์วินโดว์นั้นจะแตกต่างกันออกไปในแต่ละบริเวณ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอัตราการแผ่รังสีความร้อนของเปลือกโลกบริเวณนั้น ๆ ซึ่งโดยทั่ว ๆ ไปแล้ว ในแอ่งตะกอน จะมีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ๑.๔ องศาฟาเรนไฮต์ ทุก ๆ ความลึก ๑๐๐ ฟุต และระดับความลึกที่เกิดน้ำมันจะอยู่ในช่วง ๕,๐๐๐ ถึง ๒๐,๐๐๐ ฟุต แต่ระดับความลึกดังกล่าวนี้อาจเปลี่ยนแปลงไปตามอายุของตะกอนอีกด้วย  แอ่งตะกอนหลายแอ่งไม่มีปิโตรเลียมเลย ทั้งนี้มิได้หมายความว่าไม่เคยเกิดปิโตรเลียมขึ้นในแอ่งตะกอนนั้น ๆ แต่อาจเป็นเพราะปิโตรเลียมที่เกิดขึ้นไม่ถูกกักเก็บไว้ในแอ่ง กล่าวคือได้เคลื่อนย้ายตัวออกไป (Migration) ภายหลังจากที่ปิโตรเลียมเกิดขึ้นมาแอ่งตะกอนบางแอ่งอาจมีเฉพาะแก๊สธรรมชาติสะสมตัวอยู่ บางแอ่งอาจมีทั้งน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติสะสมตัวอยู่ร่วมกัน ความแตกต่างของสารอินทรีย์ที่ปะปนอยู่กับหินต้นกำเนิด (Source rock) ของปิโตรเลียมจะชี้บ่งชนิดของปิโตรเลียมที่เกิดขึ้น อาทิ สารอินทรีย์ที่เกิดจากพืชจะทำให้เกิดแก๊สธรรมชาติ ส่วนสารอินทรีย์ที่เกิดมาจากแหล่งอื่น ๆ ที่มิใช่ซากต้นไม้ เช่น สาหร่าย สัตว์ทะเล จะทำให้เกิดน้ำมันดิบ 
       เมื่อปิโตรเลียมในรูปของน้ำมันดิบและหรือแก๊สธรรมชาติเกิดขึ้นมาจากสารอินทรีย์ในหินต้นกำเนิดแล้วก็จะเคลื่อนย้ายตัวออกไปตามช่องว่างระหว่างอนุภาคของหินหรือรอยแตก เนื่องจากอิทธิพลของแรงกดดันของตะกอนที่ทับถมอยู่เบื้องบนและแรงดันจากการเพิ่มปริมาตรหลังจากที่สารอินทรีย์แปรสภาพไปเป็นปิโตรเลียม  โดยปิโตรเลียมจะมีทิศทางการเคลื่อนตัวขึ้นสู่เบื้องบนที่ระดับความลึกน้อยกว่าเข้าไปกักเก็บสะสมตัวในหินตะกอนที่มีความพรุนสูงกว่าหรือมีรอยแตกในเนื้อหิน ซึ่งมีชื่อเรียกว่า หินกักเก็บ (Reservoir rock) เมื่อมีหินตะกอนเนื้อแน่นที่ไม่ยอมให้ของไหลเคลื่อนตัวผ่านปิดทับอยู่เหนือหินกักเก็บปิโตรเลียมทั้งในรูปของน้ำมันดิบและหรือแก๊สธรรมชาติก็จะเกิดการสะสมตัว (Accumulation) ในเนื้อของหินกักเก็บตามช่องว่างเล็ก ๆ ระหว่างอนุภาคของหิน หรือรอยแตกในเนื้อหินบริเวณที่ปิโตรเลียมเกิดการกักเก็บและสะสมตัวกันเป็นปริมาณมากนั้นจะเรียกว่า "แหล่งกักเก็บ" (Trap)  เมื่อปิโตรเลียมในรูปของน้ำมันดิบและแก๊สธรรมชาติเคลื่อนตัวไปสะสมในแหล่งกักเก็บจะเกิดการแยกชั้นเนื่องจากความแตกต่างด้านค่าความหนาแน่นแก๊สธรรมชาติซึ่งเบาที่สุด ถ้ามีอยู่ในแหล่งกักเก็บจะพบในส่วนบนสุดลึกลงไปจะเป็นชั้นน้ำมันดิบและน้ำซึ่งอยู่ชั้นล่างสุด