深埋碳酸盐岩岩溶储层是国内外油气勘探开发的重要目标,塔里木盆地中下奥陶统顶部发育广泛的不整合面,形成了典型的岩溶储集体,是我国重要的油气产层。然而,塔里木盆地中下奥陶统经历了极为复杂的构造演化过程和多期次叠加的成岩流体改造,储层的空间结构、分布规律异常复杂,岩溶成因类型、储层形成机制等方面的认识存在较大争议,严重制约了塔里木盆地中下奥陶统的油气勘探与开发。西德州二叠盆地下奥陶统Ellenburger群顶部亦发育大型不整合面,与塔里木盆地中下奥陶统具有相似的岩溶地质条件。然而,两者储集空间结构和分布规律差异性显著,分析该差异性机制将有利于认识塔里木盆地中下奥陶统岩溶储层成因机制。论文选取塔里木盆地塔中隆起、塔北隆起和二叠盆地中部盆地台地等三个典型的岩溶发育区,以岩溶水文学和地貌学、水文地质学、储层地质学、地震沉积学、测井地质学等多交叉学科理论为指导,将地质与地球化学、地球物理技术相结合,立足宏观和微观两个层次,分别阐述了三个地区中下奥陶统岩溶储层类型、结构、特征、分布规律以及岩溶储层分布主控因素；并结合成岩演化序列明确了孔隙介质类型、成岩流体类型及其来源、孔隙成因机制。进而,探讨了岩溶作用成因类型、期次和规模,从岩溶水文地貌系统的角度建立了储层发育的水文地质模式。同时,通过横向对比分别阐述了不同地区中下奥陶统岩溶储层分布规律和形成机制的差异性以及原因。主要取得了以下几个方面的认识：1.塔中隆起中下奥陶统发育裂缝、孔洞和孤立洞穴为主的岩溶储集体,并受到同生成岩环境下混合水、表生成岩环境下非承压大气淡水以及埋藏成岩环境下上升型流体的多期次叠加改造,分别形成了3种成因类型的岩溶作用。其中,混合水岩溶作用对孔隙的形成和保存贡献有限,非承压大气淡水岩溶作用和深成岩溶作用是储层发育的主要机制。2.从构造演化历史的角度厘定了塔中西北部中下奥陶统抬升暴露的时期处于早期成岩阶段。并识别了塔中隆起中下奥陶统成岩早期2种类型的岩溶作用：混合水岩溶作用和非承压型大气淡水岩溶作用。塔中隆起中下奥陶统成岩早期混合水岩溶和非承压型大气淡水岩溶分别发生与鹰山组沉积时期和抬升暴露时期(即加里东中期I幕)。3.从岩溶水文地貌系统的视角厘定了塔中隆起加里东中期I幕中下奥陶统水文地貌结构为无地表水系型。该水文地貌条件下在塔中中央主垒带和塔中北斜坡分别形成了“裂缝-渗流”型和“顺层-径流”型两种岩溶水文地质模式。4.塔北隆起塔河地区中下奥陶统自北东向南西方向形成了岩溶高原-岩溶斜坡-岩溶盆地等二级地貌单元,发育了地表-地下双重水系网络,属于地表-地下双重水系型水文地貌结构,岩溶演化阶段达到壮年期。5.塔北隆起塔河地区中下奥陶统在海西早期大气淡水岩溶作用下形成了一套综合性排驱系统,并识别出了5种古溶洞相类型。古溶洞系统呈现分支状和树枝状的平面网络形态,纵向上呈现多层性、多期性分布特征。古溶洞分布受到区域构造、断裂体系、排泄基准面以及水文地貌结构的控制,并分别在岩溶高原区和岩溶斜坡区形成了“向斜汇流”型和的“峡谷”型岩溶水文地质模式。6.二叠盆地中部盆地台地Ellenburger群是一套联合的垮塌古溶洞系统,可识别出9种古溶洞相类型。溶洞系统的形成经历了近地表暴露、浅埋藏垮塌和深埋藏垮塌等3个演化阶段。受非承压大气淡水和埋藏热液流体2种成岩流体的改造,在多期次构造作用-垮塌作用的耦合机制下形成了矩形式定向分布的古溶洞系统。7.塔中隆起中下奥陶统与二叠盆地Ellenburger群岩溶储层发育的差异性体现在前者以裂缝、孔洞和孤立洞穴为主,后者以联合垮塌古岩溶系统为主。储层发育差异性的形成机制包括：1)近地表大气淡水岩溶作用形成孔隙的保存情况不同；2)白云岩化作用的类型、期次和规模不同,影响了储集空间的支撑和保存；3)塔中隆起中下奥陶统不具备多期次构造作用和持续压实作用耦合形成的垮塌作用机制；4)塔中隆起中下奥陶统深埋条件下发育类型丰富的上升型热液流体,形成了类型更为多样的深成岩溶作用。8.塔北隆起塔河地区中下奥陶统与二叠盆地Ellenburger群岩溶储层发育的差异性体现在前者以分支状和树枝状古溶洞系统为主,后者以联合垮塌古岩溶系统为主。储层发育差异性的形成机制包括：1)近地表暴露条件下大气淡水岩溶作用的时间和规模明显不同；2)水文地貌结构的差异形成了不同的洞穴网络结构；3)岩溶垮塌作用的规模、作用不同；4)中深埋藏条件的热液流体活动性质不同,形成的储层发育特征不同。9.塔中隆起中下奥陶统在塔中中央主垒带的岩溶发育程度和规模不及塔中北斜坡。形成这种储层发育差异性的控制因素包括：水文地貌条件、鹰山组分段地层尖灭线、鹰山组地层产状和层理厚度以及构造作用。上述条件的差异性,在塔中隆起中下奥陶统形成了典型的岩溶水文地貌效应、尖灭带岩溶效应、岩溶地质边界效应和构造岩溶效应。