鄂尔多斯盆地大牛地气田下二叠统山西组是该气田重要的产气层位之一，储层非均质性强，是典型的致密砂岩气藏。本文以岩心、野外露头、测井和地震资料为基础，结合古生物、薄片、扫描电镜以及常量元素、微量元素和碳氧同位素分析测试等手段，开展了大牛地气田山西组层序地层、沉积相和储层精细评价研究。有别于前人关于山西组较为宽泛的层序地层划分方案，将其划分为四个三级层序，自下而上分别是SQ1、SQ2、SQ3和SQ4。四个层序界面的识别以野外露头不整合面为主要特征，以岩心沉积特征与测井曲线的响应为识别依据，将山西组内部砂砾岩与下伏煤层的突变面作为层序界面。各层序内初次海泛面的识别是露头剖面沉积特征为基础，以岩心沉积特征与测井响应为依据，应用元素地球化学和稳定同位素地球化学分析为识别标准，将相对海平面上升过程中发育的细粒沉积物底界作为初次海泛面，将细粒沉积物顶界的发育的凝缩层作为最大海泛面。四个层序的高位体系域以发育煤层和多个向上变粗的准层序组叠加样式为主要特征。将山西组地层中的砂砾岩、暗色泥岩和煤层分类进行沉积相研究，识别出了三种沉积相类型：过渡相—辫状河三角洲前缘沉积、海相—滨浅海泥质沉积以及陆相沼泽—煤层沉积。在过渡相-辫状河三角洲前缘亚相中识别出四种微相类型：水下辫状河道、水下辫状河道间、河口坝和席状砂。对比野外露头剖面沉积特征，首次提出四个层序的低位体系域发育四个期次进积型辫状河三角洲沉积；海侵体系域发育四个期次逐渐海退式滨浅海泥质沉积；SQ1、SQ2和SQ3的高位体系域发育陆相沼泽沉积，SQ4高位体系域发育辫状河三角洲前缘沉积。提出控制大牛地气田山西组砂岩储层致密化的地质因素有：进积型的辫状河三角洲前缘沉积特征、压实作用和碳酸盐胶结作用，提出控制优质储层形成的地质因素是与煤层排烃过程有关的溶蚀作用。以四个层序低位体系域沉积微相类型和致密化程度为评价标准，将山西组储层划分为3个类别8个等级。