柴达木盆地东部石炭系分布广泛、厚度大,出露多套厚层泥页岩,是潜在的页岩气有利勘探对象。但研究区石炭系基础地质研究薄弱,本文在野外露头剖面精细测量、岩芯观察描述的基础上,运用沉积学、地球化学及多种实验测试手段对柴东石炭系展布、沉积环境、沉积相平面展布及泥页岩储层特征进行研究。柴达盆地东部地区石炭系是在持续海侵背景下形成的一套海陆交互相沉积,坳陷内部石炭系厚度大并向盆地边缘减薄。沉积相类型以碳酸盐台地相和滨岸相沉积为主,包括了开阔台地、局限台地、台缘浅滩、滨岸浅滩、滨岸潮坪、滨岸沼泽等多种沉积相类型及多种岩相组合关系,其中晚石炭世克鲁克组时期潮坪—泻湖沉积模式是泥页岩最有利的沉积相带。通过对泥页岩样品的主量、微量、稀土元素和共生碳酸盐岩的碳、氧同位素组分含量、比值特征等地球化学指标进行系统分析,泥页岩SiO₂含量较高,平均为51.33%,CaO的含量均值为3.27%,MgO的含量均值为1.73%。微量元素含量变化具有相同的趋势,与上地壳平均值接近,轻稀土元素分布为右倾型,而重稀土元素为平坦型,揭示了研究区受单一物源影响且源区风化程度不高。石炭系泥页岩沉积于半咸水-咸水的轻度缺氧的水体环境中,古盐度值Z平均值为142,海水水温为21.40℃,处于热带气候,石炭纪沉积水体经历了浅→深→浅→深的变化过程,在克鲁克组早期的泻湖环境达到最大盐度值,沉积了一套厚度较大、有机质含量较高的泥页岩。柴东石炭系泥页岩具有高脆性的特点,黏土矿物含量在35%左右,以高岭石和伊利石为主。总有机碳含量TOC平均值为2.09%,有机质类型以Ⅱ₂型为主,有机质成熟度处于高成熟演化阶段(Ro为1.1%~2.5%)。泥页岩类型可划分为黏土型泥页岩、长英型泥页岩、灰质泥页岩和炭质泥页岩四类,泥页岩孔隙类型按其成因类型划分为自生孔隙和次生孔隙,其中自生孔隙可分为基质间孔和矿物颗粒晶间孔,次生孔隙分为有机质孔、溶蚀孔隙和微裂缝。通过高压压汞法、氮气吸附法和二氧化碳吸附法对泥页岩微观孔隙结构进行全尺度表征,泥页岩微观孔隙结构复杂,大孔孔径主要分布在100~200μm范围内,中孔孔径主要分布在3~5nm范围内,微孔孔径主要分布0.45~0.65nm、0.8~0.9nm和1.2~1.6nm范围内,大孔是泥页岩孔体积的贡献主体,中孔次之,微孔贡献最少。而微孔对比表面积的贡献最大,贡献率高达55.98%。总有机碳含量控制着泥页岩微孔的发育,黏土矿物含量影响中孔和微孔的发育,脆性矿物的含量主要控制大孔的发育。泥页岩孔隙的平面和三维可视化微观特征显示,泥页岩粒间溶孔最为发育,占总面孔率的42.87%,微裂缝次之,占总面孔率的46.20%,有机孔发育最少,仅占总面孔率的10.28%。三维可视化分析显示泥页岩中重矿物(黄铁矿)常以不规则椭球状或撕裂的短条带出现,粒径以微米级大小的颗粒为主,有机质在泥页岩中分布不均匀,体积仅占测试样品总体积的3.29%左右,中密度基质(黏土矿物、长英质矿物和碳酸盐类矿物)含量最高。泥页岩中孔隙的形状不规则,以棱角状为主,且以孤立的封闭孔隙为主,孔隙发育位置与有机质的分布具有一定的对应关系。柴东地区石炭系克鲁克组泥页岩样品进行等温吸附实验测得吸附气量平均为3.96m~3/t,含气量平均为0.409m~3/t,泥页岩吸附气量与总有机碳含量TOC、有机质成熟度Ro、黏土矿物含量及微孔的比表面积具有很好的正相关性。优选海陆交互相页岩气综合评价指标,指出柴达木盆地东部石灰沟地区克鲁克组底部厚层泥页岩为页岩气勘探目标层。