随着常规油气藏产量的日益下降,非常规油气藏如页岩气藏在世界范围内的油气开采过程中发挥着越来越重要的作用。由于页岩气藏具有低孔超低渗的典型特征,因此需要实施相应的增产措施才能有效的开采此类油气藏。利用超低温液氮对地层岩石进行冷处理甚至利用液氮作为压裂液进行压裂增产是近年来针对开发页岩气藏探索的一种新的工艺措施,其主要思想是利用超低温液氮与地层高温岩石发生接触后,在岩石表面形成热力诱导缝,加之液氮气化后体积急速膨胀,加速岩石破裂,从而增大井筒与油藏的沟通面积,以达到增产的目的。为了获取液氮冻融前后页岩地层岩石的物理力学特性演化规律,进行了声波实验、核磁共振实验、气测渗透率实验、巴西劈裂实验以及三轴压缩实验。与此同时,基于ABAQUS有限元软件建立了热-流-固三场耦合数值模型,研究了液氮冷冲击后井周围岩的应力场、温度场、位移场以及页岩地层压裂的起裂压力和延伸压力,分析了施工参数及地层参数对起裂压力、延伸压力大小的影响规律。另外,采取扩展有限元方法,研究了液氮冻融地层后水力压裂多裂缝扩展的过程,分析了不同压裂方式、不同缝间距下的裂缝扩展行为。通过研究主要取得了以下成果与认识:（1）液氮的冷冲击作用会使得页岩岩样内部出现新的微孔隙或微裂缝。液氮冻融后页岩岩样内部超声纵波波速降低16%,T2谱曲线幅值增大46%,岩样渗透率提高57%,岩样抗拉强度降低40%、抗压强度降低25%、弹性模量降低27%;（2）利用超低温液氮对地层进行预处理可以对深部地层岩石形成冷冲击作用,引起地层温度场、应力场及位移场的改变。液氮作用2天后,温度为0℃的冻结前缘距离井壁0.65 m,温度为-70℃的冻结前缘距离井壁0.22 m。与此同时,井筒周围原始的压应力区域逐渐转变成拉应力区域,且地层埋深越浅,所形成的拉应力区域范围越大。（3）液氮冻融后,页岩地层的起裂压力与延伸压力均下降12%左右。另外,液氮冻融后地层的起裂压力与延伸压力随施工参数及地层参数的变化关系为:压裂液注入速率越大,地层的起裂压力越大,但延伸压力最终保持恒定不变;压裂液粘度的变化对起裂压力大小的影响可以忽略不计,但是压裂液粘度越大,裂缝扩展过程中的延伸压力也就越大;最大、最小水平地应力比值越大,地层的起裂压力越小,延伸压力也越小;地层岩石杨氏模量越大,地层的起裂压力越大,延伸压力也越大;地层岩石渗透率越大,起裂压力越小,延伸压力越高;裂缝壁面滤失系数越大,起裂压力越小,延伸压力越高。（4）液氮冻融后,水平井水力压裂过程中压裂方式与段间距均会影响多裂缝的扩展形态。顺序压裂时,段间距从50 m减小为20 m的过程中后压裂缝F3的偏转角从5°增加为15°,且后压裂缝F3的裂缝口宽度从6.9 mm下降为4.7 mm;Texas两步法压裂时,后压裂缝F2的偏转程度最弱、裂缝口宽度最小,当段间距从50 m减小为20 m的过程中后压裂缝F2的偏转角从0°增加为3°,裂缝口宽度从6.4 mm降低为3 mm。另外,相比顺序压裂,Texas两步法压裂方式下形成的缝网面积高出约62%。