本文以华北型石炭二叠纪煤田太原组和山西组主采煤层上部赋存的厚层砂岩含水层为主要研究对象,在了解和熟悉研究区域地质背景的基础上,综合应用物性分析、高压压汞、离心核磁共振、铸体薄片、扫描电子显微镜以及CT三维重建多种分析测试技术,并结合现阶段致密砂岩孔隙度和渗透率方面的研究成果,对5个取样点(32块岩样)分别进行垂直地层与水平地层两个方向上的孔隙度和渗透率试验研究,经实测数据、模拟结果对比研究发现:1、微观结构是由岩样有机质及孔隙两部分来体现,岩样渗透率与孔隙度是直接相关的,而孔隙度又是通过有机质沉积接触关系决定的,换言之,有机质的沉积作用是孔隙度含量的主控因素,而孔隙度的含量又在一定程度上影响着渗透率。致密砂岩含水层岩石孔隙具有结构复杂,低渗透性,孔隙间连通度较弱等特点。基于孔隙结构复杂,实验室测定砂岩渗透率过程繁琐,测量准确度和稳定性较差,需经过多次测试验证。本文通过收集研究区已有的资料,利用实测试验法和模型分析法,发现致密砂岩孔隙结构情况是影响渗透性的主要因素,岩心样本孔隙度也呈现一定的分形特征,随着分形维数的增大,砂岩的粗糙程度也在逐渐增大,这直接导致了连通孔隙间的导水通道复杂性。2、实测试验法中,经数据整理、分析及图像、铸体薄片鉴定后,发现岩样垂直方向与水平方向存在一定差异性。总孔隙的孔隙度范围0.35%~6.17%,渗透率范围0.00017mD~0.06953mD,孔径区间范围0.0000038)~18.5425158),通过比对压汞法与核磁法的测试结果,发现渗透率贡献程度最高的孔径区间为0.0238)~0.458)(即该部分孔隙连通性极好),但由于该部分孔隙占比少,故导致岩样整体渗透性较弱,究其原因,可从铸体薄片及扫描电镜的观察统计结果上得到印证。细观岩样微观结构,以细粒岩屑石英砂岩为主,岩屑含量较高,石英次之,而大量长石因蚀变现象或溶解作用而造成含量偏低,填隙物含量较高且分布不均,以高岭土、菱铁矿、粘土矿物为主,岩样中有少量的石英加大边,黑云母菱铁矿化较为普遍,部分岩样含有少量重金属矿物(如锆石、榍石等)。随着埋深的增加,碎屑颗粒呈定向排列明显,原生孔隙被逐渐压缩,而孔隙度与渗透率之间大体上是呈正相关,造成该现象的主要因素是由岩样压实、胶结及溶蚀共同作用,导致的砂岩致密性增强,孔隙度减少,孔隙通道变得复杂,渗透率普遍较低,虽然溶蚀作用对孔隙体积量的增加具有一定建设性,但溶蚀发生位置是不确定的,且通过扫描电镜还发现,随着放大倍数的增涨,调节明暗对比度后,岩心内部多数是以封闭不连通状态存在的。因此,结合物性、压汞及核磁三种实测结果,可进一步做出推论:总孔隙中,孤立孔隙多,连通孔隙少,且由于溶蚀的特殊现象造成的连通孔隙呈局部层状结构分布,最终导致了孔隙间的连通性不够,才形成了垂直方向与水平方向上的渗透率差异性。3、模拟试验法中,基于实测结果的推论,对岩样进行X-微米CT扫描重建工程,得到三维数字岩心模型。该模型能够真实反映岩心的微观孔隙结构特征,总孔隙中,孤立孔隙占主导地位,连通孔隙的数量少且呈局部层状发育和分布,少有两端贯通孔隙出现。其中最大球算法(球棒模型),简单的球与棒,形象地反映出连通孔隙和导水裂隙间的相互关系,且操作方法不仅简便,还能将岩心微观孔隙结构参数实现定量表征,模型计算结果同压汞法及核磁法的测试数据十分吻合,从模拟的角度,论证实测结果的推断,也使研究更加地科学和严谨。该论文有图118幅,表15个,参考文献91篇。