1.石炭－二叠系烃源岩的分布
周口坳陷所在区域的石炭－二叠系是一套海－陆过渡相含煤沉积，为该区的主力烃源岩系，面积约8640km2，总厚约1000～1500m。其中含煤段厚约800～950m，煤层累计厚30～49m。石炭－二叠系具有生烃潜力的岩石主要有煤、暗色泥岩及部分灰岩，其中煤最为重要，暗色泥岩（含炭质泥岩）及灰岩次之。通过油源对比揭示，阜阳凹陷区的原油和石炭－二叠系的煤系烃源岩具有亲缘关系。阜阳凹陷区和鹿邑、倪丘集凹陷区的石炭－二叠系煤系烃源岩均具有厚度大、面积广、资源量也较大的特征。其次为谭庄－沈丘凹陷和襄城凹陷，舞阳凹陷只有局部分布。各凹陷暗色泥岩的厚度一般为50～150m，凹陷中部可达100～150m以上。
周口坳陷的石炭－二叠系勘探程度相对较低，已有的工作集中在鹿邑、倪丘集凹陷，先后有10多口探井见油气显示（表6-18）。其中，南12井获得4.86t/d的商业油流，周参7井、周参9井、周13井、周16井和襄5井等获少量天然气。根据碳同位素、芳烃稳定分子化合物、生物标记化合物、轻烃气相色谱等多方面对比，表明南12井油藏是石炭－二叠系自生自储油藏。
表6-18 周口坳陷石炭-二叠系源岩分组统计
2.烃源岩的有机地球化学特征
周口坳陷区的石炭－二叠系生烃地质条件和地球化学特征与整个华北地区基本相似，但因印支－喜马拉雅期构造作用的影响，亦存在着较大的差异。石炭－二叠系有机碳含量和生烃潜量（S1+S2）特征为：下部的太原组－下石盒子组高于上部的上石盒子组（表6-19），例如，周参南7井的太原组、山西组和下石盒子组有机碳平均值分别为1.46%、1.19%和0.57%，而上石盒子组为0.48%。在同一组煤岩和暗色泥岩中有机碳含量和生烃潜量也可相差数倍。
周口坳陷的太原组和山西组煤的氯仿沥青“A”高达2.63%～3.79%，烃含量为（5078～7626）×10-6，属好的烃源岩；石盒子组的氯仿沥青“A”和烃含量除上石盒子组较高外，其余均较低，属较差的烃源岩。在该套烃源岩的沥青族组分中，饱和烃含量特别低，仅为2.22%～3.36%，非烃、沥青占绝对优势。当然，在不同凹陷的同一套地层中，氯仿沥青“A”含量也有差别，总的看来以舞阳凹陷为最高，襄城、倪丘集凹陷次之，鹿邑凹陷为最低。
表6-19 周口石炭－二叠系有机碳含量分组统计 河南油田分公司石油勘探开发研究院.2004.中石化股份公司油田事业部勘探先导项目子课题“周口及外围盆地油气成藏条件与富集控制因素”.内部研究报告.
太原组和山西组主要煤层的生烃潜量（S1+S2）在144～219mg/g之间，氢指数（IH）在210～275mg/g之间，有机质类型属ⅡB型；石盒子组S1+S2在16～128mg/g之间，平均为21～68mg/g，比太原、山西组低1～10倍；而IH为114～443mg/g，大多数在228～272mg/g之间，与太原组和山西组煤不相上下，有机质类型也属于ⅡB型，少数为Ⅲ型和ⅡA型。
干酪根显微组分及元素测定表明，其来源以陆相高等植物为主，干酪根热解分析及其碳同位素分析也证实了这一结论。周口坳陷区的上古生界干酪根δ13CPDB一般在－22.11‰～－25.03‰之间，反映出形成于典型成煤沼泽环境中的腐殖－腐泥质干酪根特征，而太康隆起区的干酪根δ13C为－30.27‰～－29‰，为典型的海－陆交互相为主的混合有机质类型。
3.烃源岩的有机质成熟度与生烃演化
（1）有机质成熟度
周口坳陷区石炭－二叠系烃源岩的多项甾、萜类生物标志化合物演化参数一致显示，热稳定化合物占主要地位（表6-20），表明其演化程度已比较高，处于成熟阶段或更高。但某些地区的成熟度仅比下白垩统略高，如中部凹陷带诸凹陷的OEP 值大都在0.8～1.2之间。
表6-20 石炭-二叠系甾、萜烷热演化指标
石炭－二叠系的实测R。值由南向北有逐渐增高的趋势。谭庄－沈丘凹陷、倪丘凹陷等较低，大都为0.7%左右；襄城略高，为1%左右；鹿邑凹陷有机质Ro明显较高，为1.14%～2.8%。Tmax值及转化率S1/（S1+S2）亦如此，如南6井Ro为0.62%～0.86%，南14井为0.97%～1.35%，周参7 井为1.78%～1.98%，太康隆起上的太参2井Ro达3.11%～3.29%，由南向北Ro值大约每10km 增加0.14%～0.18%。Ro低值带呈弧形分布于中部坳陷带的南侧断阶带及斜坡区，高值区分布于鹿邑凹陷北部及太康隆起，与南华北北部的济源－开封－永城山西组高变质带相连，即中部坳陷Ro在0.62%～1.35%，主要处于成熟阶段，而北部的鹿邑凹陷处于高成熟阶段。
总之，周口坳陷发育区的石炭－二叠系暗色泥岩总体上具有有机质丰度较低、生烃潜量低、类型差和变化大的特征。其暗色泥岩厚度一般为50～150m，煤层大都厚10～40m。无论是从有机质丰度、生烃潜量和有机质类型看，煤都是石炭－二叠系的主力烃源岩，具有举足轻重的作用，且下部优于上部。此外，倪丘集凹陷太原组灰岩有机碳含量为1.34%，沥青“A”为0.08%，烃含量为175×10-6，生烃潜量为1.28m g/g，有机质类型属Ⅲ 陈晓东.1989.南华北中区倪丘集地区油气勘查阶段成果.内部研究报告.
（2）二次生烃问题
所谓二次生烃，是指因盆地隆升剥蚀，地温降低，生烃作用中途停止，而后再次回返沉降，地温增高，有机质再次生烃的过程。二次生烃是有条件的，其烃源岩要有一定的剩余生烃潜力，成熟度相对较低，只有这样才能生成足以形成工业油气藏的油气。
图6-13 周口坳陷石炭－二叠系埋藏史图
（据河南油田油田分公司石油勘探开发研究院，2004）
在周口坳陷的中部、北部凹陷带，代表性钻井的石炭－二叠系埋藏史图（图6-13）揭示，周口坳陷在印支期前，石炭－二叠系均处于稳定沉降埋藏阶段，最大埋深约2300～2700m,Ro可达到0.5%～1.2%左右，已进入生油阶段，此乃第一次生烃过程。在印支－燕山期，周口坳陷分布区发生了幅度、范围和持续时间不同的抬升与降温，造成生烃过程中断。到了古近纪，周口坳陷进入新的裂陷期，石炭－二叠系达到最大埋深（3000～7000m）；新近纪区内又整体沉降，煤系地层再度深埋900～1200m，从而出现二次生烃的条件。以南11井为例，所钻遇的石炭－二叠系有机质Ro值为0.69%～0.88%，平均为0.82%，正处于生油窗中，在第一次生烃阶段中，虽然已生成和排放了一部分烃，但仍有高达15～219mg/g的剩余生烃潜量。如果再遇二次生烃条件，即地温升至能重新激活有机质的程度，这部分剩余的生烃潜量仍可生成可观的烃类，特别是天然气。
经过印支、燕山、喜马拉雅三大构造运动的改造，石炭－二叠系盆地原型完全解体，被分割成大小不等、形状各异的块体，被掩覆于中、新生代盆地之下，造成石炭－二叠系在不同凹陷及同一凹陷的不同部位的埋藏史和受热史，以及各凹陷初始成熟度和门限深度都有较大差别（表6-21）。其中，谭庄－沈丘凹陷的二次生烃量可能最大，倪丘集、襄城和鹿邑凹陷次之，但这只是定性的估计。表6-22列举了各凹陷石炭－二叠系二次生烃综合状况。
表6-21 周口坳陷二次生烃初始成熟度及生烃门限深度
表6-22 周口坳陷石炭-二叠系源岩二次生烃综合评价
（3）源岩生烃动力学模拟实验
1）实验原理及方法：本次生烃模拟实验采用压力体系下干酪根生烃动力学实验设备和实验流程。该项技术是美国Chevron石油公司与Lawrence Livermore国家实验室、法国石油研究院（IFP）合作研制的动力学方法。该项实验与中国科学院广州地球化学研究所合作进行。
生烃动力学模拟实验的基本原理是：在干酪根生成油气的过程中，温度和时间的互补关系符合化学反应动力学（图6-14），因而可利用实验方法推导出有机质成熟演化及干酪根生成油气的动力学参数，再将这些参数外推到自然状态，便可预测所研究地层中油气的生成量及其组成特征。
图6-14 动力学生烃预测原理示意图
动力学方法在油气地球化学领域有多方面的实际应用，其中最重要的是准确地预测地层中的干酪根演化到已知的Ro值时，产生了多少油气，以及所产生的油气的组成特征。具体地说，动力学方法主要可应用在以下几个方面：①预测地层中现今及任一地质时期油气的生成量及其成分；②根据干酪根的动力学参数恢复待研究地层的古地热史；③对地层中成熟度较高的干酪根，可计算出已经生成的油气总量及尚存的生烃潜力；④判别地层中油气或有害气体（如CO2等）的成因及来源；⑤研究在一定地热史条件下油气的保存条件；⑥研究压力及矿物组分对油气生成及裂解的影响；⑦研究压力、温度的变化对岩石孔隙度等其他物理性质的影响。
图6-15 恒温热解实验中，甲烷产率与Ro的关系
利用动力学方法进行生烃预测与一般的热模拟实验既有联系，也有区别。一般的热模拟实验并不严格考虑热解温度－时间－生烃率之间的数学关系，因而实验结果不能预测在地质条件下实际的生烃量。例如，如果不用动力学方法，仅用一般的恒温热解的方法，采集Ro为0.30%的样品进行热解，分别令温度为300℃、350℃和400℃，通过不同的加热时间，使Ro达到0.7%，则图6-15显示，虽然热解使干酪根达到了同样的Ro，但产生的甲烷数量不同，温度越低，时间越长，产生的甲烷越多。可见，甲烷的产率随热解方式的变化而变化。实际上甲烷产率成了一个不确定的变量，因此，一般的热模拟实验不能解决上述问题，唯一的合理途径是应用动力学方法进行油气生成预测。这就是说，在一般的热模拟实验中，同一干酪根由于热解条件不同，虽然热解结束后达到了相同的Ro值，但在热解过程中产生的烃类数量是不相同的。除非将热解时间延长到和地质时间一样（这是不可能的），否则永远不可能知道该干酪根在地质演化过程中，当Ro值由0.3%上升到0.7%时，究竟生成了多少甲烷。而用动力学的热解实验，通过分析热解过程中温度－时间－生烃量的关系得出干酪根生烃的动力学参数－活化能分布及频率因子，再将这些参数外推到实际的地质条件，就可以相对准确地预测油气的生成量及其产物组成。
所使用的动力学研究设备及流程较之常规的方法有以下优点：①可进行单组分（例如C1,C2……）烃类的动力学研究；②压力可准确控制，而目前国内大多数研究者仍使用Rock-Eval来进行开放体系下干酪根生烃动力学的研究，这种方法所得的动力学参数不能反映高压下的天然地质条件；③常规的方法在将生烃动力学参数应用于地质条件时，没有考虑Ro的动力学，以至于在估计古地温史时产生较大的误差，直接影响了生烃动力学参数的应用效果，本方法的设备和流程有效地解决了这些问题；④分析精度高，可重复性好；⑤所得的动力学数据已经直接用于国外盆地模拟软件（例如Basinmod），可精确地恢复古地热史及预测所研究地层中烃类的生成量及组成特征。
源岩生烃动力学研究主要步骤包括热解、气体分析、Ro测量、动力学参数推导、气体产量预测等。数据处理及动力学参数推导采用美国Lawrence Livermore国家实验室编制的专用电脑软件，该软件功能强大，可进行高斯分布、平行不连续分布等多种方式的动力学参数推导，并可根据地质条件进行生烃预测。模拟样品采自周口坳陷谭庄－沈丘凹陷周16井的石炭－二叠系，采样深度为2386.89～2392m，岩性为灰黑色泥岩，TOC为1.96%,Ro为0.69%。实验条件如下：压力50MPa，起始温度200℃，分别以2℃/h和20℃/h的升温速率将样品加热到所需的温度。
2）石炭－二叠系烃源岩热模拟实验：实验结果得出了周16井上古生界样品C1和C2—C4生烃动力学参数——周口坳陷区上古生界暗色泥岩的生烃活化能分布及其频率因子（图6-16），它们是分别根据2℃/h和20℃/h的升温速率所获实验产率数据曲线，利用美国Lawrence Livermore国家实验室编制的专用电脑软件，推导出石炭－二叠系地层生烃动力学参数。本次模拟实验的关键是通过两组实验数据可以求得该样品生成烃类的动力学参数，并进一步求得该样品Ro的动力学参数（图6-16），利用Ro的动力学参数，结合所研究生油层在该地区的地质埋藏史，可以较为准确地恢复样品所在生油层古地热史，利用该地热史及烃类生成的动力学参数便可预测任一地质时期该套生油层的烃类产率，同时也可预测任一热演化程度下该套生油层的烃类产率。
从倪丘集凹陷上古生界烃源岩二次生烃C1、C2—C4产率曲线图可知，倪丘集凹陷上古生界烃源岩喜马拉雅期以前生烃量极少，印支期虽初次成烃但有机质降解微弱，生成的烃类量少，每克有机碳生成的烃类物质均小于3m L，其后经历了很长一段时间的沉积间断和剥蚀期，生烃作用近乎停止，真正大量生烃是从40Ma开始，并迅速进入生烃高峰，C1产率可达80～90mL/g有机碳，C2—C4的产率近10mL/g有机碳，说明该凹陷古近系沉积以前石炭－二叠系烃源岩并未达到其补偿深度，基本不具备二次生烃条件，只有古近－新近系盖上去以后，二次生烃才真正开始，反映出喜马拉雅期是其主力生烃高峰期，从而进一步证实倪丘集凹陷石炭－二叠系烃源岩二次生烃的有效性，是现今有效油气源岩，其有效性已为南12井工业性油藏所证实，反之，该油藏的存在验证了生烃动力学模拟实验的准确性与可靠性，充分证明倪丘集凹陷具备晚期成藏的烃类物质基础，只要具备有利保存条件的构造或圈闭，该凹陷极有可能成为周口坳陷晚期成藏最有利的区块，且油气的分布受喜马拉雅期构造所控制。
图6-16 周口坳陷周16井石炭-二叠系烃源岩生烃动力学参数
与倪丘集凹陷相比，谭庄－沈丘凹陷石炭－二叠系烃源岩二次生烃C1、C2—C4产率曲线有所不同，图6-17显示出该套生油岩从140Ma起就已开始生烃，燕山中、晚期达第一次生烃高峰，到喜马拉雅期C2—C4的产率基本保持平稳，而C1产率则继续攀升，到达第二次生烃高峰，这是高碳数分子裂解的结果，说明该凹陷石炭－二叠系烃源岩二次生烃作用在燕山中晚期就有一次高峰，是谭庄－沈丘凹陷上古生界烃源岩为5～6km 厚度下白垩统覆盖所致，其间有大量天然气生成，C1产率达40～60mL/g有机碳，C2—C4的产率达6～8mL/g有机碳，其后有短暂停顿，至喜马拉雅期古近－新近系沉积后到达第二高峰，C1产率达150m L/g有机碳，C2—C4的产率达9～10m L/g有机碳，总的来说，谭庄－沈丘凹陷的石炭－二叠系烃源岩从燕山期就已开始二次生烃，中间经历了多次短暂停顿，近乎连续生烃至今。由于燕山期生成的烃类及形成的油气藏在地质历史中易遭受破坏而难以保存，最具现实意义的有效烃源岩仍是以喜马拉雅期为二次生烃高峰的那部分残余有机质。
图6-17 周口坳陷各凹陷石炭-二叠系烃源岩二次生烃C1、C2—C4产率曲线图
鹿邑凹陷石炭－二叠系烃源岩在印支期就已进入第一次生烃高峰（图6-17），其间C1产率达20～25mL/g有机碳，C2—C4的产率为4～5mL/g有机碳，是三叠系覆盖所致。其后地壳抬升，有机质热演化长期停顿，间断时间长，剥蚀量大，所生成的天然气难以保存下来，对现今油气藏的形成不具实际意义。该套烃源岩在喜马拉雅期达到二次生烃高峰，C1产率达140～150m L/g有机碳，C2—C4的产率达10m L/g有机碳。由于印支期出现过一次生烃高峰，而所生成的大量天然气已经丧失，因此喜马拉雅期生成的天然气量要相应折扣，在进行资源量评价时应该考虑这一因素的影响。