已有钻井表明我国上扬子地区海相页岩气具有较大的勘探开发潜力,同时揭示页岩的含气性具有强烈的非均质性特征。页岩的含气能力受页岩的生烃潜力、储集空间和后期的保存条件等因素影响。本论文运用有机地球化学、致密储层和含气性评价技术和研究方法,对上扬子东部下寒武统和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组两套富有机质页岩的地球化学、孔隙结构和含气性特征进行综合研究,在准确评价页岩含气性特征的基础上展开页岩气富集主控因素的分析,最后提出该复杂构造区页岩气核心区评价预测的方法。论文研究过程中取得的主要认识和成果有:页岩的地球化学特征决定页岩的生气能力。对两套富有机质页岩的地球化学特征研究发现,下寒武统页岩和上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩均具有较高的有机质含量,且下寒武统页岩的有机质丰度更高、高丰度段页岩(TOC>2%)的厚度更大。依据干酪根碳同位素值判断下寒武统页岩有机质类型偏向于Ⅰ型干酪根,上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩有机质类型介于Ⅰ型干酪根和Ⅱ型干酪根之间,偏向于Ⅱ型干酪根。下寒武统页岩等效镜质体反射率值介于2.92%–4.62%之间,平均值为3.91%,上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组页岩等效镜质体反射率值在3.08%和4.29%之间,平均值为3.61%之间。下寒武统页岩除成熟度更高、不利于页岩气的保存外,其高丰度页岩发育的规模和有机质的类型甚至要优于五峰组-龙马溪组页岩。页岩的孔隙结构特征决定页岩的储气能力。使用聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、高压压汞、气体吸附和氦孔隙度仪等技术方法研究发现,牛蹄塘组页岩内溶蚀孔和矿物粒间孔较为发育,有机质孔隙发育不均匀,孔隙呈扁平状或针孔状,孔隙半径集中在3~25nm,有机质比表面积较大,孔隙连通性较差,有机质孔隙度为1.59%以下,有机质孔隙度对岩石总孔隙度的贡献与TOC含量关系较小,页岩的总孔隙度主要来自于矿物基质孔;五峰组-龙马溪组页岩层间微裂隙、矿物粒内孔、矿物粒间孔和有机质孔隙均较为发育,腐泥碎屑有机质孔隙呈蜂窝状均匀发育,孔隙半径集中在3~100nm,孔隙连通性较好,FIB-SEM三维重构计算的有机质孔隙度在9.13~18.42%之间,岩石总孔隙度中有机质孔隙度的贡献受控于TOC含量。使用有机岩石学、古生物学和场发射扫描电镜结合的方法,首次识别了笔石有机质复杂的孔隙结构特征和笔石有机质主导的孔隙网络体系,明确了笔石有机质对上扬子地区龙马溪组高产气页岩储层的关键意义。笔石有机质孔隙的发育具有强烈的定向性,沿笔石条带长轴方向,笔石皮质纤维之间发育微裂缝和纳米级细长孔;垂直笔石条带切面方向,笔石皮质纤维之间发育管状纳米级孔隙。对扫描电镜图像的统计发现,笔石表皮的面孔率在1.62%至4.23%之间,平均值为2.51%。同时可将每个笔石体视作一个内部连通的有机质孔隙网络,这些厘米级的有机质孔隙网络沟通了纳米级有机质孔隙及微米级无机孔隙与微裂缝之间的通道,对页岩气的产出具有重要意义,也可能是五峰组-龙马溪组页岩气高产的一个重要因素。页岩的含气性是页岩气地质评价最重要的参数,决定着页岩气是否具有经济开发的价值。发明了一种精确测定页岩残余气含量的方法和装置。传统页岩残余气测定多使用球磨法,并采用排水法计量和收集气体,具有测量时间长、读数误差大、样品使用量大和残余气样无法采集等缺点。该发明基于理想气体状态方程,使用电磁震荡法粉碎页岩样品,通过测量粉碎前后釜体内气体温度和压力的变化实现精确测定页岩的残余气含量,同时具有操作时间短、样品使用量少和残余气样可采集等优点。从同位素地球化学的角度模拟计算了页岩脱气过程中的甲烷碳同位素分馏规律,从而为有效确定页岩气生产过程游离气/吸附气相对贡献比例和产量预测提供了一种地球化学方法。通过对上扬子东部下寒武统水井沱组和下志留统龙马溪组两套含气页岩长时间的储层温度和高温(90℃)解吸实验,发现页岩气解吸-扩散过程中甲烷稳定碳同位素随时间呈对数式变重,升高解吸温度后呈现相似的同位素分馏规律。使用同位素多组分吸附和双孔隙流动模型能够较好的模拟计算页岩脱气过程中的同位素分馏特征,表明页岩脱气过程中的同位素分馏受扩散和吸附/解吸双重作用。据同位素分馏模拟结果,也可获得页岩脱气过程中游离气/吸附气相对贡献比例并预测页岩的总产气量。基质渗透率是页岩气开发的重要参数。使用立方体样品加3D打印胶套的创新性方法测定了龙马溪组页岩的各向异性渗透率,并使用SEM Maps观察结合微米CT三维重建,解释了页岩各向异性渗透率的影响因素。测试结果显示龙马溪组三个不同岩性页岩样品平行层理方向的渗透率在98.3至3042.4nD之间,垂直层理方向的渗透率在5.5至17.3nD之间,平行层理方向渗透率与垂直层理方向渗透率的比值在6.35至51.47之间,表明页岩渗透率具有强烈的各向异性,尤其是平行层理和垂直层理方向之间。SEMMaps观察和微米CT三维重建结果显示,页岩层理间微裂缝较为发育,微裂缝的存在大大增加了页岩的渗透率,也是造成页岩各向异性渗透率的主要原因。发现了一种―糜棱化‖的纳米级有机质-粘土矿物粒间间隙,解释了渝东北复杂构造区高过熟海相页岩气保存的微观机制。从露头、岩心到薄片再到扫描电镜尺度下的连续观察并结合高压压汞和气体吸附实验发现,渝东北地区下寒武统富有机质页岩劈理域内发育了一种纳米级粒间间隙-层片间隙集合体-孔隙网络的“糜棱化”的孔隙体系。这些纳米级粒间间隙构成了页岩气赋存的主要空间,并使得下寒武统组页岩具有比表面积大、吸附能力强和排替压力高等特点,也是该复杂构造区页岩气得以保存的主要原因。在对上扬子东部两套页岩气生烃潜力、储层特征和含气性特征综合研究的基础上,针对研究区地处盆缘山区、构造条件复杂的特点,选取了地球化学,区块完整性与封闭性、地形条件、储层特征及含气性等五个方面共计18个指标来评价页岩气核心区构成要素。并以渝东北区块和涪陵区块为例,采用层次分析法对两个区块页岩气核心区构成要素进行比较分析发现,除生烃条件外,涪陵区块的构造完整性和封闭性、地形条件、储层条件和含气性条件均好于渝东北区块,涪陵区块更适宜作为页岩气的核心区块。