在综合前人研究成果和已有勘探资料的基础上，综合运用了沉积学、层序地层学、储层沉积学、石油地质学等最新理论和进展，立足全盆地上古生界区域地质大背景，系统地分析了盆地上古生界层序地层、沉积体系及其成煤环境的特点。在此基础上，以基本成藏条件分析为手段，以高效储层分布及运聚成藏为线索，以气层分布及天然气富集规律为重点，系统地分析了盆地上古生界气藏成藏地质条件、成藏模式，高效储层形成机理及分布、天然气分布规律及有利勘探目标的预测与选择。在地层划分和对比基础上，把盆地石炭—二叠系上古生界划分为2个Ⅰ级层序(超长期基准面旋回)、8个Ⅱ级层序(相当于长期基准面旋回)、22个Ⅲ级层序。并根据不同层序的沉积特点，划分出3个沉积体系组、8个沉积体系(相)、22个亚相和40多个微相，深入详细地讨论了各类相、亚相、微相的特征和时空分布。在区域地质背景、古流向、轻、重矿物及微量元素分析的基础上，认为盆地北部可分3个主要物源区、盆地南部分为4个主要物源区，同时提出西部物源在盒8期以后开始补给的新认识。而且，首次从岩石地球化学特征上分析了南北物源区构造特征，认为其构造属性特征明显不同。在此基础上，揭示了各时期的古地理及其演化特征，提出了盆地在早二叠世发育扇三角洲及盒8期发育高建设性辫状河三角洲体系的新认识。认为早二叠世主要形成了障壁海岸、河流(或三角洲平原)及潮控三角洲这三种成煤模式。上古生界烃源岩在盆地东西各有相对生气中心，天然气属广覆型煤成气，具有连续生气、生气高峰东早西晚的特征。储集体呈“高填隙物含量、高成分成熟度和低结构成熟度”的岩石学特征。储层的储集性能明显受控于物源及沉积相。主要储层类型有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，并以Ⅱ、Ⅲ类储层为主。认为高效储层多出现在由快速海(湖)侵—振荡性进退(砂体进积)—低位相对平静期构成的准层序旋回中的高能水道沉积的粗粒、含砾粗粒、中—粗粒石英砂岩中。孔隙组合主要为粒间孔型、粒间孔+溶孔型及溶孔+粒间孔型。在区域分布上高效储层受沉积相、构造、物源及成岩作用控制。以有效烃源岩评价为起点，以油气的运移聚集为枢纽，以天然气成藏和分布为目标，提出了上古生界天然气以就近、择优、多层段聚集成藏模式为主，主要形成有三种成藏组合类型，而且不同成藏组合的成藏过程和主控因素不同。油气富集的主控因素是：①丰富的气源是岩性气藏富集的物质基础；②优质的三角洲储集体是天然气主要富集区；③受一定纬度控制的多期构造裂隙交汇部位是天然气高产的重要因素。盆地内上古生界天然气产区均具有多层含气的特点，但主要分布在靠近气源的山2、山1及盒8段，而且产气层由盆地中心向东、北、西部逐渐抬升。综合分析认为盆地中部陕北斜坡大型岩性气藏分布区仍是目前天然气勘探的主攻方向，西部的西缘逆冲带、天环坳陷是构造气藏勘探的重要领域，北部伊盟隆起和南部渭北隆起是天然气勘探的战略接替区。建议将苏里格庙以西和西南地区的三角洲平原及前缘砂体作为下一步研究和勘探的重点，对盆地南缘的三角洲砂体亦应加强研究和勘探。