我国是油气储存与开采大国之一。为了能提高油气资源的开采量,降低储层岩石的破裂压力,国内外学者对于各种压裂技术都有了一定的研究。但液氮作为压裂液或者是将液氮作为泡沫进行压裂,国内外研究相对比较少。将液氮作为压裂液注入到岩石储层中,岩体面临着冻结和融解的循环过程。在这个循环过程中,水的相变和成岩颗粒之间的各向异性都会造成岩石微结构的损伤,进而降低岩体的承载能力,直至岩石破坏,从而降低了岩石的破裂强度。因此,通过室内试验研究冻融条件下岩石的损伤演化规律,对于降低储层的破裂压力,提高油气资源的开采具有现实意义。本文紧密围绕岩石冻融试验力学特性、微观力学试验以及损伤破坏机理开展研究,通过冻融循环试验、单轴抗压与抗拉试验探讨岩石的冻融损伤力学特性;开展冻融前后样品XRD、SEM和CT扫描等微观结构的分析;研究冻融作用下岩石的力学损伤演化机理,建立岩石在冻融作用下的损伤演化方程,本文主要研究工作如下:(1)对灰岩、红砂岩和煤岩进行了饱和状态下的液氮冻融循环试验,分析了三种岩石的冻融破坏行为以及劣化模式,发现灰岩、红砂岩和煤岩主要代表的三种冻融损伤劣化模式有裂纹、断裂模式和破碎模式,此三种劣化模式会同时出现在同一种岩石上。在此基础上,对经历不同冻融次数后岩石的波速、孔隙、含水率等物理量变化规律进行了探讨。(2)开展了XRD与SEM扫描测试,获得了岩石样品在冻融前后的矿物成分、表面图像与内部微观结构图像。对测试参数与图像进行分析,获得了岩石性状特征,为岩石的细观损伤检测和细观参数分析奠定了基础。(3)选取煤岩作为试验对象,进行液氮冻融循环试验,并在冻融前后对岩石进行XRD、SEM和CT扫描测试。通过分析岩石物理力学参数和CT参数,分析了冻融前后样品内部结构模型,探讨了液氮冻融条件下的冻融细观特征变化以及裂缝扩展特征,揭示了冷冻作用下岩石样品的损伤机理。(4)对液氮进行不同冻融循环次数后的灰岩进行单轴压缩试验和拉伸试验,获得了岩石冻融循环后的破坏和强度的变化规律。基于损伤力学基本理论,选取波速、弹性模量以及密度与波速双参数为损伤变量。对试验结果进行数据拟合,获得了灰岩的波速,弹性模量与以及密度与波速耦合作用下与冻融次数的拟合关系表达式。其中密度与波速的拟合值更能真实反应冻融循环下灰岩单轴抗压强度。