随着非常规油气资源的大规模开发,水力压裂的广泛应用不仅消耗大量淡水资源,还引起地下水污染等环境问题。许多国家已禁止将水力压裂用于油气开采,因此急需一种环保高效的无水压裂技术来代替常规水力压裂。液氮压裂作为一种以液氮为压裂液的无水环保压裂新技术,是水力压裂的潜在替代选项。然而目前液氮压裂领域的研究还很匮乏,一方面液氮超低温(-196℃)环境下储层岩石的力学性质变化规律及损伤机制还不明确,另一方面液氮压裂过程中裂缝的起裂和扩展规律尚无清晰认识。基于上述问题,本文通过研发新型试验设备,创新试验方法,开展了不同饱和条件致密砂岩在液氮超低温环境下的孔隙力学特性及液氮压裂应用研究。首先通过不同饱和条件致密砂岩在常温及液氮超低温实时作用下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验,对其宏观拉压力学性质的变化规律进行了探究。在液氮超低温环境下,致密砂岩的抗拉强度、抗压强度、弹性模量等力学参数,均随含水饱和度的增加呈先减小后增大再减小的趋势。然后为了明确宏观力学性质变化背后的微观机制,分别采用数字图像相关方法、核磁共振试验、微观电镜扫描试验,对液氮超低温作用下不同饱和条件致密砂岩的热变形特征,以及孔隙和微观结构的演化规律进行了观测分析。在宏观力学性质变化的同时,不同饱和条件致密砂岩均出现呈条带状分布的不可恢复损伤变形区,致密砂岩在液氮超低温作用前后的孔径分布和总孔隙度也发生显著变化,且液氮超低温作用后致密砂岩的微观结构出现多种形式的破坏。接下来从孔隙力学角度出发,根据前期不同尺度下的试验研究结果,对液氮超低温环境下发生在不同饱和条件致密砂岩内部的复杂物理力学耦合过程进行了理论分析和推导。液氮超低温环境下,致密砂岩孔隙水所对应的临界相变温度随孔径减小而降低,孔隙水多级相变导致的膨胀压力与岩石基质收缩变形共同作用,加之强结合水相变以及毛细管力效应的影响,是导致致密砂岩宏观力学性质变化以及岩石结构改变的根本原因,这为后续液氮压裂等相关应用研究提供了理论指导。最后在上述液氮超低温环境下致密砂岩孔隙力学特性研究的基础上,提出了液氮压裂三阶段模型,并开展了液氮压裂相关数值模拟和物理试验研究(依托自主研发的液氮压裂试验设备),对液氮压裂过程中裂缝的起裂和扩展规律进行了探究。致密砂岩在液氮压裂试验过程中形成了由主裂缝、分支裂缝以及空间裂缝共同构成的复杂裂缝网络,其裂缝形态复杂程度远大于水力压裂试验所形成的单条裂缝,与液氮压裂三阶段模型相吻合。