渤海湾盆地致密砂岩油气储量丰富,勘探开发潜力较高,但存在超低渗、孔隙结构复杂、微-纳米孔喉系统以及单井自然产能极低的特征,准确全面表征致密砂岩孔隙结构在减小勘探风险、有效评估开发潜力以及调整开发方案等方面具有重要意义。本论文选取东营凹陷西南部高89区块沙四上亚段滩坝砂和樊154区块沙三中亚段重力流沉积两类致密砂岩储层为研究对象,综合利用铸体薄片、扫描电镜、X-衍射、常规物性、高压压汞、恒速压汞和核磁共振等测试手段,系统开展了储层岩石学、成岩演化、物性和全尺度孔喉系统研究,在此基础上形成了致密砂岩全尺度孔喉系统表征方法、改进了致密砂岩双孔隙结构模型,引入机器学习建立了研究区致密砂岩孔隙结构综合分类评价方法。研究区沙四上和沙三中亚段致密储层砂岩类型以岩屑长石砂岩为主,杂基含量较高,成分成熟度较低,粒度主要为细-极细粒,结构成熟度中等,沉积物粒度较细是致密储层形成的基础。成岩作用及演化阶段分析显示,研究区致密砂岩处于中成岩A期,主要成岩作用包括压实、胶结及溶蚀作用。单砂体顶、底接近泥岩处受泥岩压实排水影响,主要发育碳酸盐胶结作用,形成差储层和非储层。单砂体中间部位胶结作用较弱、溶蚀作用较强,可形成相对优质储层。物性研究表明,研究区主要发育中-特低孔、超低渗(致密)储层,孔-渗相关性较好。铸体薄片和扫描电镜观察显示,研究区致密砂岩主要发育原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔、晶间孔和杂基孔。储层孔隙结构研究表明,研究区致密砂岩主要发育纳米级喉道,孔喉比相对较大,可动流体饱和度较低。储层物性主要受孔隙和喉道大小控制,喉道较细和孔喉比较大是致密砂岩整体渗透率较低的主要原因。为解决单一储层孔隙结构表征方法无法准确获取致密砂岩全尺度孔径分布难题,本论文提出了高压压汞、恒速压汞和核磁共振结合的致密砂岩全尺度孔喉系统表征方法,可在几个纳米到数百微米的尺度范围内更准确的确定致密砂岩全尺度孔隙和喉道半径分布,实现更精细全面的刻画致密砂岩孔喉系统。全尺度孔喉系统表征结果显示,研究区致密砂岩孔隙半径主要分布范围0.6-30μm,以微米级为主,喉道半径主要分布范围0.03-1μm,主要为纳米级。研究区致密砂岩喉道体积大于孔隙体积,揭示了大量孔喉尺度差异不大的纳米级储集空间的存在。研究区致密砂岩高压压汞和核磁共振分形曲线一般呈两段式,结合铸体薄片和扫描电镜观察,认为致密砂岩孔喉系统存在大小、形状、连通性以及孔喉配置关系不同的两种孔隙结构类型,分别可以用网状结构和树状结构孔隙结构模型表示。网状结构由不同大小的孔隙和喉道相互连接而成,以大孔细喉为主要特征。树状结构中孔隙和喉道尺度差异不大,可以用树枝状模型表示。原生粒间孔、粒间溶孔和铸模孔主要表现为网状结构的孔隙部分,网状结构的喉道部分主要为颗粒间的片状-弯片状喉道。晶间孔和杂基孔主要呈树状结构。粒内溶孔表现为双重孔隙结构属性。在溶蚀作用较强、胶结作用较弱的相对优质储层中,颗粒间的片状-弯片状喉道较粗,大于大部分粒内溶孔的孔径,流体充满颗粒间的片状-弯片状喉道及其连通孔隙后,才会按照孔隙大小依次进入粒内溶孔,粒内溶孔主要表现为典型树状结构。相对较差储层中,颗粒间的片状-弯片状喉道较细,小于大部分粒内溶孔的孔径,流体在进入颗粒间的片状-弯片状喉道后可直接进入大部分粒内溶孔,粒内溶孔主要作为网状结构的孔隙部分存在。研究区致密砂岩孔隙度主要由树状孔隙提供,体积占比平均值62.8%,网状孔隙次之,体积占比平均值37.20%。但网状孔隙渗透率贡献率平均值达93.35%,是致密砂岩渗滤能力的主要贡献者。利用机器学习中的无监督学习和监督学习,分别开展了基于岩心和测井资料的致密砂岩储层孔隙结构分类评价。无监督学习评价结果显示研究区致密砂岩可分为5种孔隙结构类型。监督学习可使用非线性模型,在解决致密砂岩储层孔隙结构测井评价这一非线性分类问题上比线性方法准确率更高。交叉验证显示基于四种监督学习分类器和集成学习的分类方法在研究区致密砂岩中准确率超过90%。对比储层孔隙结构分类评价结果与实际生产资料,二者吻合度较高。