沁水盆地石炭-二叠系广泛发育煤系地层,具有丰富的天然气资源。当前,沁水盆地天然气勘探的重点是煤层气,已在盆地南部建成千亿立方米规模的大型煤层气田。致密气研究的兴起,源于近年来在多个煤层气区块的勘探开发中,在上古生界多套砂层中发现良好的气测显示,引起了国内专家学者的重视。然而,目前关于沁水盆地上古生界砂岩储层的孔隙结构特征与储层物性控制因素不明确,储层成岩演化过程、致密气气层特征、成藏期次和成藏过程不清楚,限制了该区致密气的勘探。为此,本文基于X-射线衍射、铸体薄片、扫描电镜、高压压汞、有机地球化学、气体吸附、稀有气体检测和流体包裹体等实验分析测试方法,结合岩心、测井、气测和区域地质资料,对沁水盆地下二叠统山西组砂岩储层开展精细评价和致密气成藏特征研究,明确了砂岩储层的孔隙结构特征、储层物性主控因素以及储层成岩演化过程,定量评价了烃源岩的生烃潜力,查明了致密气的成藏过程。主要成果与创新如下:1.山西组砂岩储层储集空间以溶蚀孔、晶间孔和微裂缝为主,原生孔隙基本不发育。储层主要发育纳米级孔隙系统,孔隙直径主要分布于40⁶00 nm之间,以小孔(1 um),局部发育少量大孔(>1 um)。2.储层喉道直径小,孔隙结构复杂,排驱压力偏高,孔喉连通性不好,储层物性较差,为典型的致密储层。溶蚀作用可以改善储层物性,在局部形成甜点区。储层物性主要受孔隙结构和矿物组成的控制,喉道直径直接控制储层物性,而沉积作用则是控制储层物性的根本因素。3.建立了烃源岩游离气和吸附气计算模型,定量评价了烃源岩对天然气的储集能力。泥岩有较小的生烃能力和较大的储气能力,而煤岩有较大的生烃能力和较小的储气能力,两者的排气量分别为0.6×10¹² m³和11.96×10¹² m³,计算山西组致密气资源量为0.38×10¹²m³。4.山西组致密气存在2期成藏,对应的成藏时间分别为中-晚三叠世和晚侏罗世-早白垩世。储层成岩史与气体充注史研究表明,第1期成藏发生于储层致密之前,两者之间的关系为先成藏后致密;第2期成藏发生于储层致密之后,两者之间的关系为先致密后成藏。