由于石油和天然气在化学组成和分子结构上有着许多相似之处，它们又都是由有机质在相同的条件下变成的，有人就把石油和天然气比作“双胞胎”。它们不仅从诞生起就密切相处，在一定的条件下还能互相溶解。初次生成的石油、天然气和水的关系也很密切。早在油气还在生油母质中孕育时，就被水所包围，油气生成以后，它们仍然保持着密切的关系。有的气溶解在油中，有的气溶解在水中；有的气呈微小的气泡分散在水中，油也呈分散的小滴、薄膜混杂在水中；有时，在微小的气泡中含有油，在分散的油滴或薄膜中也溶解有气。
在压力和毛细管力的作用下，刚进入储油层的油、气和水仍然保持着在生油层中那种相互混杂的密切关系，但一遇到适当条件它们就会分开。油、水分离：混在一起的油和水因密度不同而发生分离的现象叫重力分异。这种现象在生活中是常见的：一碗刚煮好的肉汤，由于沸腾过程中的搅拌、混合作用，全部水里都混合着分散的油珠。静置一会儿后，汤的表面就出现了一层飘浮的油膜。时间一长，汤下部就变成了几乎没有油的清水了。
这就是油和水互不相溶，而且油比水轻，总向上浮，水比油重，总向下沉。这个例子说明，液体处于静止状态时最有利于重力分异；搅混得越剧烈，分异就越困难。两种互不相溶的液体发生重力分异的原因，在于一种液体对另一种液体有浮力。油滴或油块越大，它排开的水就越多，受到水的浮力就越大。
重力分异又称密度分异。在油气藏的混合作用下，由于重力与浮力的驱使，油气藏内部流体按照密度差异，自上而下逐渐形成气顶、油柱和底水，在油柱内部也同样呈现出自上而下原油密度逐渐增加的分布现象。实际上，油气藏的混合作用与重力分异都是相对的，有的油气藏原油的密度分异并不明显，而且气顶、油柱和底水之间的气—油界面与油—水界面也常常分别成为一个过渡带，即气—油过渡带与油—水过渡带。
油和水从生油层进入充满水的储油层后，并不是停在原地进行重力分异的。由于岩层内压力的不平衡，油和水还要继续向压力低的地方流动。油和水的重力分异就在这个流动过程中进行。在弯弯曲曲的缝缝洞洞中流动的液体，运动速度很慢，搅拌作用很弱，并不妨碍油、水的重力分异，油、水在渗透性岩层中渗流得越远，分离得越彻底。
油气分离：油气分离和油水分离的道理一样，由于密度不同，受浮力的作用，游离存在的天然气将上浮到油的上面，溶解在油和水中的天然气则只有当它从溶剂中脱出后，才能和油、水发生重力分异。水能溶解的天然气不多。溶解着天然气的水进入储油层后，因压力降低，能将气大部分脱出。石油溶解天然气的能力比水大得多。比如溶解甲烷（CH4，天然气的一种主要成分）的能力，石油是水的10倍。而溶解气要从油中脱出，则只有当石油的压力低于饱和压力时才行。
石油溶解天然气的能力随着压力的增大而增强，但是有一个限度。当达到这一极限后，即使压力再增加，石油也几乎无力再溶解天然气了，也就是说，石油中溶解的天然气这时已达到饱和，这个极限压力叫作饱和压力。换句话说，当石油所承受的压力高于它的饱和压力时，只要它还没有饱和，就能继续溶解天然气，而已经溶解在油中的气则不可能脱出来；当压力稍低于饱和压力，溶解在油中的气就开始脱出。压力越低于饱和压力，脱出来的溶解气也越多。
储油层中的压力比生油层低，有时甚至比饱和压力低。在这种条件的储油层中，溶解气就将从油中脱出，呈游离状态。在比较大的孔隙中，游离气和油就会发生重力分异。
原来密切相处的油、气、水进入储层之后，就这样逐渐分离。它们一面分离，一面又在压力差的作用下向压力低的地方渗流，走上了新的旅途。人们把油、气离开生油层进入储层的那一次搬迁叫作“初次运移”，进入储层以后的运动则叫作“二次运移”。