塔里木盆地是在前震旦纪变质结晶基底上发育起来的大型叠合盆地。本文研究目的层系志留系是在奥陶世末期高隆剥蚀带、斜坡过渡带和坳陷带三种古地貌背景下发育的一套以三角洲相、滨岸相、潮坪相和陆棚相为主的碎屑岩层系,主体分布于北部坳陷区,向周边古隆起超覆,现今残余面积约23.6×104km2,以广泛分布的沥青砂岩和钻井中众多油气显示、局部获工业性油气流而备受勘探界关注。然而,盆地内志留系地层大部分为上古生界-中新生界地层所覆盖,且随盆地一起经历了晚古生代以来的多期构造运动叠加改造,油气藏发生了多期油气充注、破坏、调整且保存于复杂成藏体系之中。正是由于盆地构造的特殊性和复杂性,从而制约了志留系储层油气成藏规律的进一步认识。本论文以石油天然气地质学基础理论为指导,以成岩序次研究为基础,以流体包裹体系统分析为核心,综合利用地质、钻井、地震及相关地化分析化验资料,从整个盆地志留系研究入手,以构造演化、沉积充填为背景,以油气充注历史再现为主线,重点探讨不同地区多期构造活动控制的多期油气充注、破坏、调整和再充注的复杂油气成藏过程。结合塔北、塔中和塔西南三个地区典型油气藏解剖,厘定不同地区志留系油气成藏主控因素并探讨不同地区油气成藏模式,为志留系下一步油气勘探提供理论依据。获得主要成果性认识如下:(1)盆地内不同地区典型钻井油砂抽提物的饱和烃特征、碳同位素特征对比分析结果表明,塔北、塔中北斜坡带志留系原油与塔河奥陶系原油在饱和烃组成、碳同位素特征等方面具有较高的相似度,推测塔北和塔中北斜坡地区志留系原油烃源岩与塔河地区奥陶系烃源岩具有较好的亲缘关系,而塔西南巴探5井志留系原油虽然与上述原油的碳同位素组成特征较为相似,但却在饱和烃组成上表现出一定的差异性,据此推测塔西南地区志留系原油可能同样为海相还原环境烃源岩的产物,但母质类型可能存在一定的差异。本研究认为寒武系-奥陶系两套烃源岩对塔里木盆地志留系原油均有贡献。(2)不同地区志留系流体包裹体系统分析结果表明:塔北地区发育“四幕三期”油气成藏,第一期油充注时间为440.0-400.0Ma,以粒间广泛分布的固体沥青为代表;第二期油充注时间为247.8-220.2Ma,以发蓝绿色和黄绿色荧光油包裹体为主;第三期油充注时间为14.5-2.8Ma,以发蓝绿色荧光油包裹体为主。塔西南地区发育三期油气成藏,第一期油充注时间为440.0-422.0Ma,以粒间分布的固体沥青为代表;第二期油充注时间为261.9-254.6Ma,以发蓝绿色荧光油包裹体为主;第三期油充注时间为8.2-1.1Ma,以发蓝绿色荧光油包裹体为主。塔中北斜坡发育“五幕三期”油及一期天然气成藏,第一期油充注时间为440.0-395.0Ma,以广泛分布的沥青及早期发蓝绿色荧光油为代表;第二期油充注时间为265.2-213.6Ma,以发黄绿色和蓝绿色荧光高成熟油包裹体为主,以发橙黄色和橙红色荧光低熟油包裹体为辅:第三期油充注时间为4.6-0.4Ma,以发蓝绿色荧光油包裹体为主;期天然气充注时间为5.2-0.3Ma。结合盆地内不同地区寒武系-下奥陶统和中-上奥陶统烃源岩生排烃史,推测第一期油主要来自于寒武系-下奥陶统烃源岩;第二期发蓝绿色和黄绿色荧光较高成熟度的油主要来自于寒武系-下奥陶统烃源岩,而发橙黄色和橙红色荧光较低成熟度的油主要来自于中-上奥陶统烃源岩,该期为主成藏期;第三期发蓝绿色荧光油主要来自于中-上奥陶统烃源岩,天然气主要来自于寒武系-下奥陶统烃源岩。(3)综合流体包裹体分析结果和典型油气藏解剖,认为塔里木盆地志留系油气成藏主要受以下三个条件所控制:①有利的古构造低势区是油气聚集场所——志留系沥青砂岩主要分布在塔北、塔中及塔西南三大古隆起区,说明古构造控制着油气运移方向;②沟通志留系储层与下伏或邻区深层烃源岩或油气藏的断裂——志留系油气主要来源于奥陶系-寒武系烃源灶,而寒武系与志留系之间存在多套泥岩盖层,因此断裂是油气垂向运移的主要通道,钻井和流体包裹体观察结果显示,断裂带附近的储层油气显示较好;③盖层条件——盖层是圈闭能否形成的关键因素,盖层条件控制着志留系储层油气的分布,较高级别的油气显示均分布在优质盖层以下。而志留系油气成藏规模则受储层物性所控制,砂体横向上连通性好、纵向上厚度大、储层物性较好的地区通常发育大规模油气藏。本论文主要创新点:(1)运用单烃类包裹体PVTx-t约束技术,进一步系统厘定塔里木盆地不同构造带志留系油气充注幕次、成藏期次和成藏时期,为不同区块差异构造演化和差异充注导致的油气分布非均质性提供直接佐证。(2)运用“显微冷热台+显微荧光光谱+冷阴极发光”一体化技术,分析碎屑岩储层中不同赋存状态沥青、游离油和包裹体油成因与关联性,并结合宏观尺度上的岩芯观测和典型油气藏解剖,深入探讨多源、多期充注和调整、改造的复杂油气成藏机理,为研究区成藏主控因素确定和成藏模式建立莫定基础。