页岩气储层的无水压裂技术可以有效解决水基压裂液造成的水锁效应和环境污染问题。针对我国页岩气储层黏土含量较高且主要分布在干旱缺水地区的特点,在现有氮气压裂技术研究的基础上,通过液氮预注来改善压裂效果,从而提高页岩气产量。本文综合采用试验研究、理论分析和数值模拟等方法对液氮预注后氮气压裂过程中页岩的损伤演化规律和破裂机理进行了系统研究,主要得到如下结论:(1)通过单轴压缩、劈裂拉伸和渗透性试验,研究了层理对页岩物理力学特性的影响,同时考虑液氮的冷却作用,研究了不同储层温度下页岩试样液氮作用后的拉伸、压缩特性和渗透率演化规律。结果表明:层理分布对页岩的抗压、抗拉强度、渗透率和破坏形式有较大的影响;液氮冷却作用后页岩弹性模量和拉压强度随温差增大近似呈指数下降,而渗透率随温差的增大近似呈指数增加,增大幅度达3个量级。(2)研制了高温高压三轴液氮辅助压裂实验系统,可实现高温高压三轴条件下页岩试样液氮预注后的氮气压裂实验,并研究了液氮预注时间、岩样温度和围压等对破裂压力的影响。结果表明:液氮预注能较大幅度的降低氮气压裂的破裂压力,最大降低幅度达65%;破裂压力随液氮注入时间和岩样温度的增加近似呈指数下降,而随着围压的增大近似呈线性增大。(3)借助于三维数字扫描系统,对试样破裂面进行三维重构,得到了破裂面的形貌特征,分析得到液氮注入后试样破裂面粗糙度明显增加,粗糙度提高表明岩样内部裂纹发育更加充分,所产生的裂隙空间能够连通更多的孔隙结构。借助于电镜扫描系统,得到了压裂岩样断口的细观形貌特征,温度应力引起的断口形貌特征表明液氮冷却作用下岩样内部裂纹萌生和扩展,从而强度降低,以致氮气压裂时所需的压力降低。其中,层状撕裂断口的出现是破裂面粗糙度增大的主要原因。(4)将页岩气储层氮气压裂视为应力场、渗流场及温度场的全耦合作用过程,建立了相应的热-流-固耦合模型,该模型考虑了液氮冷却作用下温差和热膨胀系数非均质性导致的温度应力及氮气的密度、粘度随温度和压力变化的特点。依据损伤对岩石弹模、热传导系数和强度的弱化作用及孔隙率和渗透率的增强作用,建立了考虑围岩损伤演化作用的钻孔围岩热-流-固耦合数值模型,并实现了钻孔围岩液氮预注后氮气压裂的数值求解,将数值计算结果与理论解、试验结果进行比较,有较好的印证性。(5)基于建立的热-流-固-损伤耦合数值计算模型,对液氮预注后不同储层条件下页岩氮气压裂的损伤演化规律进行了系统的研究。结果表明:液氮的注入使得钻孔围岩形成一系列沿层理的平行拉伸裂纹,当注入氮气压裂时,液氮冷却作用引起的裂纹在氮气的驱动下继续向前扩展,从而形成多条贯穿的主裂纹;液氮的注入时间主要影响损伤破坏范围,液氮的注入速度主要影响损伤破坏程度,而储层的温度对损伤破坏程度和范围均有较大影响。此外,地应力状态和层理倾角对压裂过程中裂纹的扩展方向有较大的影响。该论文有图151幅,表20个,参考文献223篇。