页岩孔隙结构特征是储层评价的核心内容,对于页岩生气条件、聚集机理以及赋存规律的研究意义重大。煤系页岩孔隙结构及含气性理论研究亟待深入和完善。论文以国内典型盆地多套煤系页岩钻井样为研究对象,综合运用野外调研、实验分析、图像处理、模型构建和数值模拟等方法,以煤系页岩结构特征和演化规律及其对页岩气赋存的影响为核心科学问题进行综合系统研究。论文取得主要成果和认识如下:基于野外勘查及钻井资料总结出我国煤系页岩广面积、多时代分布,单层薄(多<200m),埋深浅(多<2000m)。结合总有机碳(TOC)含量测定、Rock-eval岩石热解分析、镜质体反射率(Ro)测定、显微组分定量等有机地球化学与X射线衍射(XRD)矿物学分析实验研究,明确煤系页岩有机质较丰富,总体为0.9%～38.8%,大多数>2.0%;Ⅲ型有机质为主,δ13C值介于-26.7‰～-22.5‰;成熟度跨度大,Ro值为0.5%～3.5%,Tmax介于317～542℃;黏土矿物含量丰富,多介于60～80%,以伊蒙混层为主,而脆性矿物含量相对低,多<40%。利用SEM/FE-SEM电镜实验,提出孔隙分类抽提方法,甄别出不同类型孔隙并界定其各自特殊成因机制、几何形貌和空间展布特征,揭示煤系页岩6～80nm、200～350 nm和6～10 μm三峰态孔隙富集规律,分别占总孔体积的46.5%、13.7%和27.5%;明确粒间孔和有机质孔在孔隙系统中占据优势地位,平均面孔率分别为5.9%和5.2%。提出岩石物理模型,实现对多种类型孔隙的定量表征,明确煤系页岩中有机质层、脆性矿物及黏土层中孔隙度依次降低,分别为1.52%、1.36%和1.09%。联用高压压汞(HMIP)、低压N2和CO2吸附/脱附等流体注入技术,提出全孔径孔隙表征模型,实现不同尺度孔隙结构综合定量表征,揭示煤系页岩中发育大量纳米级孔隙,平均孔径为20.2～135.0 nm,且孔径更大的孔隙对孔体积贡献率更高,而对孔比表面积贡献率则呈相反,微孔和介孔在纳米尺度孔隙网络中占优势,分别占总孔隙面积的56.45%和41.06%,占总孔隙体积的41.30%和46.48%。指出10 nm孔径以下孔隙主导纳米尺度孔隙体系,孔容和比比面积分别占84.62%和96.37%。另外,N2吸附-脱附曲线形成B、C、E类型回滞环,指明狭缝形、锥形、墨水瓶形等混合孔隙形状是孔隙主要发育形态,这些孔隙开放性良好。联合N2吸附结果和FHH模型,完成煤系页岩孔隙非均质特征定量表征,主要用分形维数值D1和D2来衡量,二者分别为2.156～2.563和2.674～2.773,揭示煤系页岩分形特征显著,且页岩内部较表面具有更高的复杂性和非均质性。进一步结合有机质、岩矿和孔隙特征和成岩过程,通过参数拟合分析实验,阐明影响煤系页岩孔隙结构发育和分形特征的主控因素。研究发现,有机质直接控制微孔发育,黏土矿物主要影响宏孔发育;压实、胶结作用降低孔隙空间,溶蚀作用利于孔隙空间拓展;较小孔径的孔隙对于孔隙分形特征的影响更强,黏土和有机质的富集增强了孔隙非均质性。通过高压热模拟实验及自然演化样品分析实验,结合孔隙定性一定量表征方法及储层有机质及矿物分析技术,系统阐明煤系页岩不同类型、不同尺度也隙的结构演化规律,构建煤系页岩5段式孔隙演化模式。(a)阶段一(Ro<0.7%):宏孔为主,原始松散堆积的页岩基质所形成的粒间孔隙受到地层压力的作用而迅速被压实缩减。(b)阶段二(0.7%<Ro<1.3%):有机质生烃产生大量有机质微孔和介孔为主要特征,同时生烃产物中有机质酸会腐蚀易溶矿物产生大量溶蚀孔。(c)阶段三(1.3%<Ro<2.2%):首次裂解结束,油质充填有机质微孔和介孔,微孔和介孔被压实缩减。(d)阶段四(2.2%<Ro<2.7%):有机质二次裂解生烃形成新的有机质微、介孔,有机酸继续溶蚀成孔;(f)阶段五(Ro>2.7%):压实作用减缓,有机质孔逐渐因碳化而被破坏。结合分子动力学以及岩矿组构模型,利用CH4等温吸附实验,建立煤系页岩气含气量分析预测模型,揭示煤系页岩中吸附气占优势,含量为1.1～4.5 m3/t,比例占50%～85%。建立页岩气赋存特征模拟方法和预测模型,对不同孔径的孔隙中页岩气赋存特征进行模拟分析,明确孔径分布对气体赋存意义重大,揭示煤系页岩中仅在微孔中赋存吸附气,随着孔径增大,吸附气量降低,游离气含量增加渐趋稳定;在约3.5 nm处,两者含量均衡;达6.5nm时,吸附气含量降至较低(<0.01 m3/t)。结合地化、岩矿信息,明晰煤系页岩气富集、赋存主控因素,揭示有机质丰度、黏土矿物含量通过积极影响吸附气富集而影响页岩总的含气量,脆性矿物层中孔隙较大,一定程度上利于游离气的赋存。