对于中国而言，目前所生产的原油远不能满足本国的需求，2014年中国进口原油3.08亿吨，是历年来最高的，同比去年增长9.4%，也是涨幅最高的一年。实际上从1993年开始，中国已经成为石油净进口国，而且对国外资源的依赖程度越来越高。为了缓解这种现状，我国高度重视对非常规油气资源的勘探开发和利用。我国的油页岩资源储量丰富，作为常规能源的代替能源，潜力非常巨大。在目前政府对环保要求越来越苛刻的大背景下，对于油页岩的勘探和开发采取地下原位开采的方式成为必然选择。而地下冷冻墙技术是油页岩地下原位开采过程中的一个关键技术，其作用主要有两点，一是防止开采区以外的地下水流入到开采区内，这样就可以保证开采区内的油页岩可以被正常加热从而热解产生油和气，二是防止开采区内部的油页岩被热解后生成的油气产物泄露到开采区外面，这样既可以减少油和气的损失，又能防止开采区外部被污染。由于油页岩矿区的开采范围一般都很大，考虑到在加热区与冻结区之间还存在缓冲区，故所需要的地下冷冻墙的直径相应的会更大。再加之油页岩埋藏深度一般较深，那么要形成一个满足地下原位开采条件的地下冷冻墙就会是一个非常庞大的工程，其冻结时间一般要2年甚至更久，能量消耗大，工程费用高。因此，如何优化冻结过程中的各个影响冻结壁形成的冻结参数，合理的加快地下冷冻墙冻结壁的交圈速度，从而缩短工期，尽可能的降低成本，节约经费是冷冻墙工程必须要研究和解决的问题。本文通过理论和实验研究的方法来寻求解决此问题的办法。介绍了影响地层温度场分布的土体的热物理性质，并以此为基础，运用能量守恒定律推导得出了地下冷冻墙温度场的导热微分方程。然后分别研究了埋管换热器内壁为恒温条件和恒热流密度条件两种情况下的地下冷冻墙温度场的数学描述和其数值解法，其中恒温条件下可以视为稳态温度场导热问题，而恒热流密度条件下则视为非稳态温度场导热问题。最后将此数学描述的基础理论应用到地下冷冻墙的实际工程中，在简单论述了地层冻结过程之后，分别计算了埋管换热器的换热能力及其冻结时间，给出了冻结壁的平均冻结温度，并最终得出了地下冷冻墙温度场的数学模型和其单值条件。利用ANSYS软件分别对载冷液的流量、冻结孔的间距、冻结孔的孔径以及冻结方式对冻结壁交圈时间和温度场分布的影响规律进行了模拟分析。并模拟分析了各参数的最优耦合。得出以下结论：在保持冻结孔间距、孔径和冻结方式不变的情况下，增加载冷液的流量可以减少冻结壁的交圈时间，但是当其流量增加到一定程度后，继续增加流量对冻结壁交圈时间的影响并不明显；在保持载冷液流量、冻结孔孔径和冻结方式不变的情况下，增加冻结孔的间距会增大冻结壁的交圈时间，而且间距越大，其交圈时间的增加量就会越大；在保持载冷液流量、冻结孔间距和冻结方式不变的情况下，增加冻结孔的孔径会减少冻结壁的交圈时间，而且此时间-孔径的曲线几乎是线性的；在保持载冷液流量、冻结孔间距及孔径不变的情况下，采用局部冻结的方式进行冻结会减少冻结壁的交圈时间；得到最优组合实验为：载冷液流量为20m3/h，冻结孔间距为1m，冻结孔孔径为90mm。根据实验的需要建立了油页岩原位开采地下冷冻墙温度场的实验平台，并在实验平台上进行了相应的实验，最终得到的结论与模拟计算所得到的结论基本一致。但是，实验所需的冻结壁交圈时间总体上比模拟计算所需的时间更短。经过理论分析、模拟计算和实验研究，得出如下结论：在保持其他各参数不变的情况下，冻结壁的交圈时间随着载冷液流量的增大而减小，但随着流量的增大，其交圈时间的减小幅度会越来越小；在保持其他各参数不变的情况下，冻结壁的交圈时间随着冻结孔间距的增大而增大，而且随着冻结孔间距的增大，其交圈时间的增大幅度会越来越大；在保持其他各参数不变的情况下，冻结壁的交圈时间随着冻结孔孔径的增大而增大，且二者几乎是线性的变化关系；另外，局部冻结的冻结方式会减少冻结壁的交圈时间，而且更节能，更环保；而最优组合实验为：载冷液流量为20m3/h，冻结孔间距为1m，冻结孔孔径为90mm。