北美“页岩气革命”推动了全球能源变革,并引发了石油地质理论与技术的突破与创新。页岩气勘探开发的关键问题是对储层的精确认识,国内页岩气大规模勘探十年来,页岩储层研究一直是油气地质研究的重点和热点问题。富有机质页岩具有极其复杂的矿物组分和成岩演化过程,因此具有较强的储层非均质性。储层发育控制因素和孔隙结构演化规律认识不清制约了对页岩气富集规律认识和产量评估。页岩储层研究当前仍然存在很多的问题,与常规储层相比,富有机质页岩孔径结构小(以纳米级孔隙为主)、孔径范围跨度大,这些特征对传统储层研究方法提出了挑战。如何合理表征富有机质页岩储层孔隙结构成为当前储层研究面临的主要问题。本文以鄂西地区大隆组富有机质页岩为研究对象,通过岩芯、薄片、SEM观察和流体注入法等手段,结合沉积地球化学方法对鄂西地区大隆组富有机质页岩岩相特征、成岩作用、储层特征和孔隙结构进行了研究。明确了大隆组页岩有机质富集机理,建立了鄂西大隆组页岩沉积模式,并探讨了大隆组页岩储层发育机理。通过以上综合分析研究,得出如下主要结论和认识:X-射线衍射分析显示大隆组页岩黏土矿物几乎全由伊利石构成;通过扫描电镜观察、X-射线衍射分析以及硅同位素分析等测试方法,在大隆组页岩中识别出陆源碎屑成因、生物成因和黏土矿物转化成因等3种石英类型;分别以页岩矿物组分含量和有机质含量的2%和4%为标准,建立了“有机质+矿物组分”为标准的页岩岩相划分方法,在研究区识别出高有机质硅质页岩、高有机质泥硅质页岩、高有机质钙硅质页岩、高有机质泥质页岩、高有机质钙硅质页岩、高有机质钙硅混合质页岩、中有机质硅质页岩和低有机质钙质页岩等8种岩相类型。其中,高有机质硅质页岩、高有机质钙硅混合质页岩和高有机质泥硅质页岩是鄂西地区大隆组主要的岩相类型。地球化学元素(U、Mo和V)以及莓状黄铁矿粒径指标均指示大隆组富有机质页岩沉积时海洋底层水体以缺氧-硫化环境为主,U_EF-Mo_EF相关性图显示晚二叠世鄂西地区为开放性沉积盆地。大隆组古生产力指示元素Cu/Al均值为17.59×10^-4,远高于秘鲁地区上升流Cu/Al值,表明晚二叠世鄂西地区具有极高的初级生产力。陆源或海洋表层输入有机质在被微生物分解过程伴随着氧气消耗,使底层水体缺氧,有利于有机质保存。Cu、Ni和V元素之间较好的正相关性表明底层海水缺氧由较高初级生产力控制。大隆组CIA值变化趋势表明晚二叠世气候曾有过显著降低过程,随后在晚二叠世末期气温快速上升。在气候变化驱动下,晚二叠世鄂西地区经历了不同的化学风化过程。大隆组有机质富集与古气候变化密切相关,快速升温增强了陆地化学风化过程,使海洋接受陆源营养物质供给急剧增加。在过量营养物质供应和CO₂供给作用下,华南地区晚二叠世整个海洋变得更加缺氧、酸化,造成华南地区初级生产力减少,终结了有机质富集过程。通过SEM观察、薄片观察结合X射线衍射和有机地球化学分析手段,对大隆组页岩成岩序列和成岩过程进行了研究。大隆组页岩识别出压实作用、胶结作用、溶蚀作用、黏土矿物转化作用、交代作用和有机质生烃作用等成岩作用类型。伊利石结晶度,镜质体反射率等成岩标志显示大隆组页岩已进入中成岩B期-晚成岩阶段。高分辨率扫描电镜分析显示大隆组黑色页岩发育粒间孔、粒内孔、有机质孔和微裂隙等孔隙类型。其中,次生有机质孔是富有机质页岩最重要的孔隙类型。大隆组页岩有机质孔多呈扁平状,部分为椭圆状、蜂窝状,孔隙孔径明显偏小,部分样品扫描电镜观察有机质孔隙不发育,分析认为是地层异常高压失压过早,有机质孔在上覆岩石压力作用下收缩变形的结果。分别采用CO₂吸附、低温N₂吸附和高压压汞(MIP)等三种实验方法相结合,对鄂西地区大隆组页岩孔隙结构进行了全孔径拼接研究,定量分析了大隆组不同岩相孔隙结构和孔径分布特征。分析结果显示微孔、介孔和宏孔在孔隙体积上分别贡献了59.1%、18.3%和22.7%;而微孔和介孔分别提供了总比表面积的30.7%和67.9%,构成了气体吸附的主要空间。页岩孔隙结构发育主要受矿物组分控制,有机碳含量与微孔呈较好正相关性,而黏土矿物与介孔相关性较好,表明有机质和粘土矿物均发育纳米级孔隙,有机质主要提供了微孔,而黏土矿物对介孔有较大的贡献。对比发现,大隆组高有机质泥硅质页岩孔隙结构参数对储层物性发育较为有利。研究区大隆组页岩储层质量发育受控于多种因素制约。优越的沉积环境是大隆组页岩高有机质碳含量的关键;晚二叠世鄂西地区极高的初级生产力控制了有机质富集,形成大隆组页岩有机质富集的“生产力保存模式”;构造作用决定了页岩地层埋藏史,大隆组页岩经历了早期深埋藏和后期快速上升以及强构造变形作用。早期快速埋藏有利于大隆组页岩有机质热生烃作用,在晚白垩世大隆组地层达到最大埋深,镜质体反射率平均值2.16%,显示大隆组页岩达到高成熟-过成熟阶段,对有机质孔发育极为有利。晚白垩世以来地层快速上升不利于储层异常高压的保存,大隆组页岩在地层抬升过程中较早的失压,使得有机质孔在上覆岩石压力作用下收缩变形,甚至消失,不利于有机质孔的保存。有机质热生烃有利于有机质孔的发育和酸性溶蚀作用进行,但胶结作用对孔隙有填充堵塞作用。钙质和硅质胶结顺序不同,同生-成岩期钙质胶结导致钙硅质页岩孔隙致密化较早发生,对有机质排烃产生影响,是钙硅质页岩有机质多呈散块状分部的重要原因,对有机质孔形成产生有重要影响。岩相影响了页岩原生孔隙形态和分布,不同岩相成岩过程差异制约了储层孔隙结构演化过程。综合分析认为大隆组页岩储层发育主控因素为晚二叠世鄂西较高的有机碳含量和特殊的构造-成岩作用。