页岩气作为一种清洁的非常规天然气资源,能够极大的缓解全球能源供应的压力,且已经成为具有商业价值的可推广新能源。众所周知,页岩气开采必须采用大规模水力压裂进行储层改造,才能实现经济高效开采。然而,大规模水力压裂极易引起水资源短缺和环境污染等问题,且压裂后很难形成复杂的裂缝网络。为解决页岩气开采中环境污染和储层改造效果差的负面难题,液氮无水压裂作为一项潜在的全新压裂技术,为页岩储层改造提供了新思路,其有望成为非常规油气资源开采的关键技术。但是,该压裂技术正处于提出和探索阶段,压裂增效机理和影响因素尚不明确。鉴于此,本论文综合采用物理实验、理论分析和数值模拟等研究手段,对液氮作用下页岩增脆-损伤机理及井眼围岩起裂压力变化规律进行了研究。主要研究结论如下:（1）选取渝东南志留统龙马溪组页岩露头作为研究对象,通过超声波、渗透率、核磁共振、扫描电镜、三轴压缩和巴西劈实验分别对液氮处理前后不同层理页岩的孔隙结构和力学特性进行了研究。孔隙结构研究结果表明:液氮冷却条件下干燥页岩的纵波波速降低幅度为7.2%-10.7%,渗透率增加幅度为14.7%-54.8%;液氮冻融条件下饱水页岩的纵波波速降低幅度为13.4%-19.8%,渗透率增加幅度为26.3%-83.4%。力学特性研究结果表明:液氮冷却条件下干燥页岩的弹性模量降低幅度为7.9%-22.1%,抗压强度降低幅度为4.3%-9.4%,抗拉强度降低幅度为12.5%-21.6%,脆性指数降低幅度为14.7%-17.3%;液氮冻融条件下饱水页岩的弹性模量降低幅度为24.4%-33.7%,抗压强度降低幅度为13.7%-34.1%,抗拉强度降低幅度为35.4%-50.9%,脆性指数降低幅度为28.9%-33.8%。（2）考虑岩石非均质特征的基础上,建立了岩石冻融细观损伤多场耦合本构模型,并开发出了岩石冻融细观损伤数值模拟软件,分析了液氮作用下不同敏感因素对页岩增脆-损伤和力学特性的影响。结果表明:液氮作用下冻结诱导的页岩脆性损伤会随着液氮温度、围压、热膨胀系数和页岩初始温度的增加而逐渐减小,随着页岩孔隙度和含水量的增加而逐渐增加。此时,页岩的弹性模量、抗压强度等力学参数则随着液氮温度和页岩孔隙度的增加而逐渐减小,随着围压、热膨胀系数和页岩初始温度的增加而逐渐增加。单轴压缩条件下,液氮冻结页岩的弹性模量增加幅度为48.6%、抗压强度增加幅度为33.5%、脆性指数增加幅度为35.5%。（3）应用开发的数值模拟软件,分析了液氮作用下页岩增脆-损伤机制。结果表明:液氮作用下页岩主要经历冻胀和融缩两种变形机制,其会引起页岩产生随机离散性的细观张性破坏。另外,液氮冻结引起的深冷冻缩、矿物晶体位错塞积和孔隙冰胶结增强效应,能够显著提高页岩的强度和脆性;而融化引起的融缩变形会增加页岩的损伤程度,导致页岩的强度和脆性明显降低。（4）应用开发的数值模拟软件,分析了液氮注井后井眼围岩起裂压力变化规律。结果表明:液氮压裂中,液氮冻结会引起井壁附近受压状态加剧,增加井眼围岩的起裂压力。井眼围岩的起裂压力随着液氮温度的降低呈现出先降低、后增加、再降低的变化趋势,随着水平应力差、地层温度、地层孔隙度和地层弹性模量的增加而大幅度降低。说明液氮注井诱导的井眼围岩起裂压力受外界因素的影响比较敏感。另外,融化处理能够进一步增加井眼围岩的脆性损伤,降低井眼围岩的起裂压力。与未注液氮压裂相比,不同埋深下融化后井眼围岩的起裂压力降低幅度为3.8%-22.3%,说明埋堔越浅,液氮压裂改造效果越明显。