泥页岩由于其复杂的沉积作用和成岩作用,发育大量的微纳米级孔隙,导致泥页岩具有有效孔隙度低,渗透率极低、非均质性强和孔隙结构复杂等特点,因此页岩气的勘探开发面临许多挑战。目前,对于泥页岩储层的评价尚有很多不完善的地方,对于泥页岩的微观结构认识还不够清楚,而孔隙微观结构特征是储层研究的核心内容,孔隙结构直接影响储层的储集能力和渗流能力,间接影响着油气井的产能和采收率,因此需要对泥页岩的微观孔隙结构进行更加深入的认识。本文通过物理实验和数值分析相结合的方式对川南龙马溪组泥页岩的微观孔隙结构特征进行定性和定量表征,取得了以下成果和认识：(1) 综合利用扫描电镜、X衍射、氦孔法、岩屑压力衰减法、甲烷等温吸附和核磁共振等实验方法获得川南龙马溪组泥页岩岩石学特征、有机地化特征、储集空间特征和物性特征的认识。(2) 通过高压压汞实验、氮气吸附实验和核磁共振实验获得川南龙马溪组泥页岩的孔隙类型、孔隙体积、比表面积和孔径分布等孔隙结构特征参数；通过高压压汞和氮气吸附实验结果对核磁共振T2谱进行拟合,得到T2谱与孔径分布之间的转换系数为4.56;利用核磁共振实验结果重构伪毛管压力曲线并对孔隙结构特征参数进行了计算,发现本区川南龙马溪组泥页岩物性较差,孔隙结构非常复杂,流体渗流非常困难,需要后期水力压裂等生产措施对其进行储层改造。基于实验结果,系统分析了矿物组分含量、有机质含量、热成熟度、孔隙体积、比表面积和平均孔径之间的相关性,特别针对微孔、介孔和宏孔分别探讨了其发育的控制因素,发现川南龙马溪组泥页岩孔隙主要以介孔(2nm≤d≤50nm)为主,TOC和粘土矿物含量是控制泥页岩孔隙结构特征的主要因素。(3) 利用马尔科夫链蒙特卡罗法(MCMC法)建立了川南龙马溪组泥页岩的数字岩心模型,结果显示MCMC法适用泥页岩数字岩心模型的建立,三维模型与二维原始图像的一致性较好,但是分辨率对于数字岩心模型的影响很大,针对于不同研究需要选取适合的分辨率。利用最大球法对三维数字岩心模型的孔隙网络进行了提取,结果显示孔隙网络模型与三维数字岩心模型一致性较好。利用泥页岩的孔隙网络模型计算出来孔隙结构参数,发现随着分辨率降低,模型质量变差。总体来讲泥页岩孔隙网络模型连通性较差,配位数少。(4) 利用分形几何原理,计算得到孔径分布分形维数,通过FHH模型计算得到孔隙表面分形维数,对扫描电镜图像和重构的三维数字岩心使用计盒维数法得到孔隙空间分布的分形维数,并对不同分形维数之间的相关性进行了探讨。在此基础上分析了矿物组分含量、有机质含量和孔隙结构参数对分形维数的影响,详细讨论了微孔、介孔和宏孔对分形维数的影响。发现粘土矿物含量、TOC、孔隙体积对分形维数影响较大,其中微孔体积对分形维数影响较大。对孔隙结构参数的分形表达式进行推导,发现均具有分形特征。(5) 利用孔隙结构参数建立了新的绝对渗透率预测模型,利用逾渗理论模拟了孔隙级流动,计算得到泥页岩孔隙网络模型的绝对渗透率,计算结果与气测渗透率一致性较好。本文研究获得了泥页岩微观孔隙结构特征的认识,建立了川南龙马溪组泥页岩的数字岩心模型。对四川盆地龙马溪组页岩气藏的勘探开发具有重要的理论和实际价值。