山西省榆社-武乡区块深层煤系“三气”资源调查项目取得重大突破,经国土资源部专家初步论证,预测其非常规天然气资源总量超过5000×10~8m~3,属超大型气田,具备建设大型天然气产业基地的资源条件。其中太原组煤层、暗色泥页岩和致密砂岩等均发育良好,具有较好的“三气”成藏地质条件,是煤系“三气”的重要有利产气层段。本文以榆社-武乡区块太原组中非常规天然气储层为研究对象,通过资料收集-实验测试-理论分析,对研究区太原组“三气”成藏条件、成藏特征等核心问题展开系统研究,结果表明:研究区太原组形成于海陆交互相沉积环境,通过对研究区层序界面与海泛面等关键层序界面的判别,建立了研究区晚古生代本溪期-太原期层序地层格架,划分出2个三级层序、4个体系域、9个准层序。研究表明太原组总厚度整体上表现出“西北大,东南小”的展布特征;研究区太原组埋藏深度介于400~1800m之间,埋深由南东向北西逐渐增大,且地层倾向为NW向。系统探讨了研究区太原组暗色泥页岩、煤岩和砂岩等“三气”物质基础和有机质丰度、类型、成熟度等地化特征。研究区太原组暗色页岩的矿物组成以石英或黏土矿物为主。黏土矿物包括高岭石、伊利石、绿泥石、伊蒙混层等。太原组煤岩显微煤岩组分以镜质组为主,有一定含量惰质组和极少的矿物杂质。太原组砂岩储层的碎屑组分主要为石英,其次为长石和岩屑组分。本有机质类型评价方法有干酪根元素分析法、岩石热解判识及干酪根的显微组分判识,都判断暗色泥页岩有机质类型为Ⅲ型。暗色泥页岩有机质丰度范围较大,平均值为2.91%。从R_O值来看,研究区太原组泥页岩都处于高成熟度阶段。总体上而言,太原组煤为低水分,中高灰分,中低挥发分,中高固定碳煤,煤级为贫煤-无烟煤。重点剖析太原组“三气”不同岩性储层孔裂隙及渗透性特征,讨论了不同类型储层渗透率的应力敏感性。高压压汞测试表明,煤储层的优势孔径大致分布在2~100nm和>10000nm的范围内;泥页岩的主要发育的微小孔和超大孔;致密砂岩储层孔径分布在10~10000nm,不同孔径的孔隙发育程度相对均匀。低温液氮实验表明,煤岩储层内小孔较为发育;泥页岩储层微孔发育较多;致密砂岩样品对应的孔径范围较广,孔径在5~100nm范围内均较为发育,表明液氮吸附实验表征范围内致密砂岩储层内小孔和微孔发育。分析了煤系“三气”赋存特征及含气性。依据垂向上岩性叠置特征,及实测含气量资料,将太原组源岩-储层-盖层组合类型划分为:泥岩-砂岩-泥岩组合、灰岩-煤-泥岩-砂岩-泥岩-灰岩组合、泥岩-煤-泥岩组合和泥岩-煤-砂岩-泥岩等四种组合类型,并提出了研究区太原组“三气”叠置成藏的优势组合类型。研究区埋藏-生烃史模拟揭示太原组经历了两期生烃作用过程:第一生烃过程为古生代晚期-三叠纪末,第二生烃作用则发生在早-中白垩世。基于太原组“三气”储层组合和空间分布特征以及成藏史演化特征研究,将太原组“三气”叠置成藏过程分为:晚石炭世-早三叠世早期、三叠纪、早中侏罗世、晚侏罗世-早白垩世、晚白垩-新生代五个阶段。由于研究区太原组各段岩性组合差别较大,其成藏模式也存在较大差异。晋祠段以页岩气-煤层气叠置成藏模式为主,西山段以页岩气-煤层气-致密砂岩气组合叠置成藏模式为主而山垢段以页岩气-致密砂岩气叠置成藏模式为主。论文研究成果不仅具有一定的理论意义,同时对于煤系“三气”共探共采具有现实意义。