中国南方针对下志留统龙马溪组和下寒武统牛蹄塘组两套海相页岩气已经进行了卓有成效的勘探与开发。但两套页岩的产气效果却存在较大差别,其中龙马溪组页岩产气量大,稳产时间长;牛蹄塘组页岩产气量小,产量递减时间短。前人已有研究表明,页岩具有多种类型的微纳米孔隙,而这些不同类型的微纳米孔隙对赋存页岩气起到至关重要的作用。本论文以中国南方重庆地区龙马溪组和牛蹄塘组海相页岩样品为研究对象,通过页岩储层有机碳含量测试、全岩XRD分析、等效镜质体反射率测试、场发射扫描电子显微镜观察、聚焦离子束扫描电子显微镜观察、聚焦离子束氦离子显微镜观察、纳米CT测试和氮气等温吸附等测试,对页岩储层微纳米孔隙储集能力和页岩气富集主控因素进行了较全面和系统的分析。龙马溪组页岩和牛蹄塘组页岩的TOC含量普遍大于2%,均属于富有机质海相页岩;页岩储层总体矿物类型可以分为三大类,分别是硅质矿物、碳酸盐矿物和粘土矿物,其中硅质矿物含量最高;龙马溪组页岩相对牛蹄塘组页岩具有较低的碳酸盐矿物含量和较高的粘土矿物含量。龙马溪组页岩的等效镜质体反射率在2%~3%左右,属于过演化阶段;牛蹄塘组页岩等效镜质体反射率在3%~4%,达到了变质期阶段。页岩微纳米孔隙的储集能力分为烃类气体的赋存能力和使烃类气体形成有效渗流的连通能力两部分。本文首先依据孔隙在页岩矿物基质中赋存的位置将孔隙类型划分为粒间孔、粒内孔和有机质孔。龙马溪组页岩的微纳米孔隙类型主要为有机质孔;牛蹄塘组页岩主要发育粒内孔和粒间孔。利用孔隙信息提取及多重分形几何原理计算三类孔隙的奇异指数差值,结果表明:粒内孔奇异指数差值最大,非均质性最强,粒间孔次之,有机质孔奇异指数差值最小,非均质性最低。提出孔径变化速率将不同类型微纳米孔隙的非均质性特征与烃类气体的赋存能力建立联系,孔径变化速率越大,孔隙分布非均质性越强;有机质孔隙孔径变化速率最小,气体赋存能力最大,粒内孔隙孔径变化速率最大,气体赋存能力最低;粒间孔隙的气体赋存能力介于有机质孔隙和粒内孔隙之间;牛蹄塘组页岩有机质孔由于过高的热演化程度而发生坍塌,在上覆围岩的压实作用下,导致数量急剧减少,孔径变小。龙马溪组页岩热演化程度适中,有机质孔隙大量发育,导致其微纳米孔隙连通性明显优于牛蹄塘组页岩;页岩中的孔隙连通性由有机质孔隙发育数量和孔径大小决定,即有机质孔隙贡献了页岩中绝大部分的连通性孔隙,使页岩气在储层中形成有效渗流;过高的热演化程度会导致富有机质页岩的有机质孔隙急剧减少,使其孔隙连通性变差,储集能力降低。在页岩微纳米孔隙储集能力评价及控制因素的研究基础之上,提出了页岩优势储集相划分和页岩气“三元富集”模式。物质基础、适宜热演化及良好保存条件共同构成了页岩气“三元富集”模式的要素;深水陆棚亚相能够沉积TOC含量大于2%的优质页岩,是保证页岩气富集的物质基础;适宜的热演化程度能够保证页岩有机质孔隙的大量发育期和生烃高峰期进行最佳匹配,为页岩气生成之后第一时间得到有效赋存提供必要的储集空间;较少的断裂发育、区域分布的致密盖层及页岩良好的顶底板封闭条件能够有效减缓页岩气的扩散,使页岩气富集成藏。针对南方下志留统龙马溪组页岩气的勘探开发应重点寻找保存条件良好的地区;下寒武统牛蹄塘组页岩气的勘探应集中在热演化程度较低(2%﹤R_o﹤3%)且保存条件较好的地区。