为了研究致密油储层的三维孔隙结构,以鄂尔多斯盆地延长组S113井粉砂质页岩样品为研究对象,采用XRD衍射实验、TOC测试、岩石热解实验、FE-SEM、氮气吸附和高压压汞实验对该井样品的矿物成分、有机地化特征、孔隙类型和孔隙结构参数等储层特征进行评价。然后选取有代表性的样品进行微米CT、纳米CT和FIB-SEM等多尺度扫描实验,并对扫描结果进行图像预处理、图像分割、孔隙网络模型构建、孔隙结构定量计算以及绝对渗透率模拟,从而对致密储层样品进行三维孔隙结构多尺度表征。研究区致密油样品以黏土矿物层间粒内孔为主。样品经过抽提后S1和S2的大幅下降表明较大的可动油比例;抽提前后氮气吸附结果指示样品中可动油主要存在于2～4 nm和60～100 nm范围的孔隙中。基于最大球算法和中轴线算法两种算法提取了致密油样品的孔隙网络模型。通过对比这两种孔隙网络模型,发现基于最大球算法的孔隙网络模型展示的三维孔喉空间信息和孔隙喉道定量参数更全面,准确性更高。以基于最大球算法的孔隙网络模型为基础,计算了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间的孔隙、喉道大小以及配位数等孔隙结构参数。根据分割的孔隙相数据体,定量计算了孔隙长宽比、圆球度等孔隙形貌参数,并分析了微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中不同形貌孔隙的发育情况;同时,定量计算了孔隙方位角和极角,绘制出孔隙方位角和极角的玫瑰图,评价致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中的优势孔隙。总体而言,优势孔隙方向与层理面之间的夹角较小。对比分析了氮气吸附、纳米CT和微米CT三种技术在孔隙测量方面的优势,绘制了典型致密油样品的全孔径分布曲线,计算了微米孔和纳米孔的体积百分比。结合三维孔隙网络模型和连通孔体积百分比定量评价了致密油样品在微米CT、纳米CT以及FIB-SEM三维孔隙空间中孔隙连通性,发现在这三种尺度下,尽管非连通孔在数量上都占据绝对优势,但这些孔隙体积都比较小,而连通孔的体积大多较大,这三种技术评价的连通孔体积百分比分别为10.22%、50.75%、90.51%。因此致密油样品的孔隙连通性在FIB-SEM的观测尺度下最好,在纳米CT的观测尺度下居中,在微米CT的观测尺度下最差。在此基础上,构建了孔隙连通性的二维概念模型,以便直观地理解致密油储层岩样的三维多尺度孔隙连通性特征。最后,利用FIB-SEM三维孔隙空间开展了流动模拟,计算典型致密油样品的绝对渗透率为0.41m D,并通过渗流流线场展示了渗流的优势通道。