页岩气是全球重要的非常规油气资源,其成藏及产出机理与页岩孔隙结构密切相关。含气页岩微观结构十分复杂,储渗空间以纳米级孔喉为主,利用高分辨率成像技术研究页岩孔隙结构是重要发展趋势。但如何利用图像分析实现孔隙结构定性描述与定量表征、分类评价的紧密结合是亟待解决的难题。以川东志留系龙马溪组和寒武系牛蹄塘组海相露头页岩为主要研究对象,分析了矿物组成、结构、有机质含量、成熟度等影响页岩孔隙发育的岩石学特征；刻画了页岩孔隙及微裂缝特征,定量表征了有机质孔隙结构参数,揭示了页岩气储渗空间微观本质特征；构建了页岩气储集空间与传质通道的数学及物理模型。分析了影响孔隙发育的页岩岩石学特征。页岩矿物组成以石英和黏土矿物为主,伊利石与伊/蒙间层矿物是主要的黏土矿物类型,碳酸盐矿物含量为0.3%-33%,泥级碎屑颗粒含量为40%-60%,有机质含量为4%-8%,成熟度R。值为1.6%-3.5%。不同层位页岩岩石学特征具有显著差异,导致孔隙度、渗透率明显不同。利用高分辨率图像刻画了页岩孔隙及微裂缝特征。微CT扫描发现,页岩中极少存在缝宽大于5μm的裂缝；扫描电镜图像分析表明,页岩基质孔隙类型可分为有机质孔、黏土矿物晶间孔以及矿物溶蚀孔,微裂缝主要以黏土片间微缝和粒缘缝的形式存在。黏土片间微缝长1-20μm,缝宽≤1μm,裂缝走向较为一致,分布连续,在上覆地层压力下易闭合；粒缘缝主要存在于泥级碎屑颗粒边缘,缝长5～10μm,缝宽0.05～0.2μm,碎屑颗粒呈相对集中分布时,其可成为重要的渗流通道。基于图像分析定量表征了页岩有机质孔孔隙结构参数。利用ImageJ图像处理软件对有机质场发射电镜图像分析表明,Ro值是影响有机质孔隙数量、面孔率大小以及平均孔径的决定性因素；在龙马溪组有机质中,90%以上孔隙小于100nm,孔径平均值约为30-60nm；孔隙具有一定方向性；10-100nm范围的孔隙孔径分布符合分形结构；有机质孔隙度上限值为1.7%,有机质孔最大贡献率只有37%。构建了页岩气储集空间与传质通道的数学及物理模型。基于图像法与压汞法等孔隙结构参数,建立了储集空间的多元线性回归数学模型,构建了3种气体传质通道物理模型。分析结果表明,有机质孔与伊/蒙间层矿物晶间孔是龙马溪组页岩吸附气、游离气主要储集空间,其内部同时存在渗流、扩散,而牛蹄塘组有机质成熟度过高,游离气主要储集空间为有机质孔,其内部以渗流为主；页岩主流喉道直径约为0.1μm,其对应渗流通道为黏土片间微缝与粒缘缝。基于高分辨率图像的定性与定量研究,能较全面地揭示页岩气储集空间与流动通道微观特征,为研究页岩气成藏机理与多尺度传质提供依据。