致密砂岩气是非常规天然气勘探与开发的重要对象,但与常规天然气相比,致密砂岩的气水分布关系非常复杂,这种复杂的气水分布关系严重制约了致密砂岩气的勘探和开发,因此研究致密砂岩的气水分布特征、主控因素及成因机制对于指导致密砂岩气的勘探和开发具有十分重要的理论意义和实际意义。本文以鄂尔多斯盆地大牛地上古生界山西组—下石盒子组致密砂岩气藏为典型研究对象,采用核磁共振、高压压汞、微米CT和非常规油气运移聚集模拟实验与测试方法,从砂体（层）—岩心—孔喉多尺度综合研究了致密砂岩的气水分布特征、主控因素及成因机制。论文首先通过致密砂岩气藏的沉积储层、测井地质和天然气地质研究,确定了砂体（层）尺度下气水分布关系、类型和特征,探讨了气水分布的宏观地质主控因素;第二,开展了地质条件下,真实致密砂岩岩心气驱水物理模拟,揭示了岩心尺度气水分布形成过程、临界条件及天然气聚集特征;第三,结合核磁共振、高压压汞和微米CT,探讨了孔隙结构和流体赋存特征对气水分布的影响机制;最后,综合生烃史和天然气充注期以及气水界面形成和迁移的动力学机制,确定了不同气水分布关系的形成过程,揭示了孔喉—岩心—砂体多尺度气水分布的成因机制。致密砂岩中存在气水倒置型、残余水型和边、底水型三种气水分布类型。气水倒置型在单井上主要表现为沿垂向向上出现气层—气水同层—水层的气水变化,在剖面和平面上表现为由低部位至高部位出现气区—气水过渡区—水区的气水变化。残余水型和边、底水型在单井上分别表现出沿垂向向上出现气水同层—气层和水层—气层的气水变化,残余水型在剖面和平面上表现为气区为主,气水过渡区零散分布于构造低部位的特征,边、底水型表现为水区连片集中分布于构造低部位的特征。生烃强度、储层物性和源储压差是砂体（层）尺度下气水分布的三个主控因素。其中,生烃强度是气水分布的物质因素,生烃强度25×108m3/km2基本控制了气藏含气范围;储层物性是气水分布的赋存因素,孔隙度7.2%、渗透率0.41mD控制了含气区和水区的边界。源储压差是气水分布的动力因素,源储压差18.5MPa是含气区和水区的动力界限。在生烃强度控制气藏含气范围和含气性条件下,储层物性与源储压差分布的耦合关系及其变化决定了气水分布关系、类型和样式。岩心尺度下致密砂岩渗透率与充注动力耦合控制了气水分布形成过程及临界条件,决定了气水分布类型及其含气饱和度增长过程与大小。气水倒置型气水分布多形成于低渗储层中,渗透率0.38mD是其形成的物性上限,其一般表现出低含气性、含气饱和度快速增长的特征;残余水型和边、底水型气水分布一般形成于相对高渗储层中,含气性较高,存在快速增长—稳定和缓慢增长—稳定两种含气饱和度增长模式。孔隙结构和微观流体赋存特征控制了气水渗流特征和渗流能力,决定了气水分布类型的形成条件与含气潜力。随孔喉半径增大,连通性变好,可动毛管水比例升高,气水倒置的临界充注压力与残余水与边、底水形成的临界压力条件降低,含气饱和度增大。因此,大孔中粗喉型孔隙结构易于形成高含气性的残余水型与边、底水型气水分布,中小孔中细喉型孔隙结构易于形成低含气性的气水倒置型气水分布。综合气水分布关系形成过程、气水界面处动力学机制及生烃史与天然气充注史的研究,认为气水倒置的形成主要经历了早侏罗世（210Ma～200Ma）天然气充注—气水倒置形成、早侏罗世至晚白垩世（200Ma～100Ma）气水界面推进—气水倒置扩张和晚白垩世（100Ma）至今气水倒置定型三个阶段,而上气下水的形成主要经历了早侏罗世天然气充注、早侏罗世至晚白垩世天然气稳定运移—上气下水形成和晚白垩世至今上气下水定型三个阶段。砂层、岩心和孔喉尺度的耦合研究表明致密砂岩气水分布具有“孔隙结构和微观流体赋存特征决定形成条件与含气潜力,充注动力与渗透率耦合控制形成过程、类型及天然气聚集特征,源储压差与物性耦合影响分布关系与样式”的成因机制。