液氮凭借其超低温的特性有望成为一种新型的干热岩储层压裂液,其在降低起裂压力、辅助裂缝扩展和提高缝网复杂度等方面具有良好的应用前景。为揭示液氮压裂裂缝的起裂与扩展机理以及探索其作为压裂液进行干热岩储层改造的可行性,以室内实验为主,采用理论分析、室内实验与数值模拟相结合的手段,针对高温花岗岩液氮冷却下的物理力学性质、高温花岗岩液氮压裂实验设备、液氮压裂裂缝的起裂与扩展特征以及花岗岩温度与应力演化规律等关键问题进行了研究。开展了高温花岗岩液氮下的物理力学性质测试,得到了高温花岗岩液氮冷却下的物理力学性质变化规律和微观损伤特征。结果表明:高温对花岗岩的物理力学性质影响显著,温度升高,花岗岩颜色变浅,物理力学性质劣化;与自然冷却相比,液氮冷却后的花岗岩性质变化幅度更大,微裂纹数量更多,尺寸更大,损伤程度更高。完成了高温花岗岩液氮压裂实验设备的设计、加工与调试。实验证明了其能够较好的满足高温岩石液氮压裂的实验需求。填补了国内外液氮压裂高温岩石设备的空白,为后续实验研究工作奠定了设备基础。针对天然花岗岩露头开展了液氮压裂实验研究,得到了液氮压裂的裂缝起裂与扩展特征,分析了岩石温度、液氮循环时间,井底裸眼段长度等因素对起裂压力的影响。结果表明:同等条件下,液氮压裂的破裂压力明显低于常规水力压裂;三轴应力越大,岩石温度越高,破裂压力降低幅度越大;液氮循环时间从0增加到10min时,岩石的破裂压力由19MPa降低到12.5MPa左右,降幅达34.2%,降幅逐渐减小;井底裸眼段长度由0增加到20mm时,破裂压力由27MPa降低到13MPa左右,降幅达51.8%;水平地应力差异系数越高,岩石的破裂时间越早,破裂压力越低;与水力压裂相比,液氮压裂的裂缝长度更长、形态更复杂、粗糙度更大。基于有限元方法,建立了液氮压裂裂缝起裂前的传热-应力耦合模型,对比分析了温度、热流密度、时间等对温度和应力的影响,得到了液氮低温冲击作用对岩石温度场和应力场的影响规律,揭示了热应力辅助破坏岩石的作用机制。结果表明:液氮与岩石之间传热速率缓慢,温度场和应力场变化主要集中在井底附近;岩石初始温度越高、传热时间越长、热流密度越大,液氮的冷冲击作用更大,损伤岩石能力更强。研究成果初步揭示了液氮压裂花岗岩的裂缝起裂与扩展机理,可望为形成干热岩储层液氮压裂新技术奠定理论基础。