超低温液氮体积压裂具有不消耗水资源、储层伤害小、对环境无污染和返排迅速等优点,有望代替水力压裂成为开采页岩油气藏的关键技术,近些年来日益受到广泛关注。温度是影响液氮压裂效果的关键,一方面,液氮低温冻结面积越大,有助于在更大的范围内提高页岩储层的脆性,而高脆性是形成较大储层改造体积的关键;另一方面,液氮对页岩的冷冲击作用使岩石内部产生显著的冻结损伤,这在增加缝网复杂程度的同时也有利于低温液氮对深部储层进行冻结。因此,研究液氮浸没下页岩的温度-应力场动态分布及演变规律,对于探讨液氮压裂的核心作用机制以及其应用于现场实际的可行性,具有十分重要的意义。本文首先采用Span-Wagner模型和Vesovic模型对氮的物性参数进行计算,归纳总结氮的物性参数随温度、压力改变的变化趋势,基于计算结果研究在室内实验或现场施工条件下氮流体的相态变化规律,提出液氮压裂井临界深度概念。然后通过液氮冻结页岩测温实验获取岩石温降曲线,利用反传热法求解液氮与岩石冻结面间的沸腾换热系数;通过多次冻融循环后液氮冻结页岩测温实验,研究冻结损伤对页岩中冷冲击传递的影响。之后通过页岩低温力学性质室内实验,对页岩从室温(20℃)至液氮温度(-196℃)的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比进行测量,分析其随温度下降的变化趋势;采用基于页岩力学性质的脆性指数计算公式,评价液氮对页岩的低温增脆效果。最后基于热力耦合本构、三区域模型和水冰相变理论,建立考虑相变潜热影响下的岩石温度-应力场控制方程,利用Abaqus软件模拟液氮作用下页岩温度应力场随时间变化规律并与实验结果相对照,分析液氮冻结的作用机制与特点,以期对现场应用提供理论指导。研究表明:(1)氮的临界压力为3.40MPa,室内条件下液氮受热后随即汽化,其温度从而始终稳定在-196°C,因此室内液氮冻结损伤页岩属大容器饱和沸腾传热;压裂施工井筒和地层中,受地层热传递影响液氮温度上升从液态变为超临界态,在50MPa压力下,氮流体从-196°C升至200°C时,体积增加5倍,粘度下降90%;(2)室内液氮冻结条件下,岩石在核态沸腾阶段温度下降最为迅速,最大沸腾换热系数达到3056W/(m?K),岩石含水量较低时孔隙水对温度场的影响较小,多次冻融循环能够进一步加速液氮对页岩的冷冲击,岩石完全冻结时间下降40%;(3)页岩温度从20°C降至-196°C,单轴抗压强度上升80%、杨氏模量增加55%、泊松比下降20%,岩石脆性增加40%,液氮对原始页岩的增脆幅度要略高于干燥页岩;(4)随与冻结面距离的增加,液氮对页岩冷冲击的影响衰减迅速,距离冻结面越近处岩石温度下降越为剧烈,距离冻结面越近处岩石温度下降越快,冻结面处温度下降最为剧烈其峰值能够达到-17.9°C/s,岩石含水对冻结温度场的影响较小;液氮冻结所产生的收缩应力峰值最大可以达到22MPa,能够对页岩内部造成显著的冻结损伤。