液氮辅助破岩可望用于提高非常规油气及地热储层钻完井效率。液氮接触储层岩石后可发生强烈的热交换,导致岩石表面的温度骤降并引起拉伸热应力。基于液氮辅助油气井钻井压裂的工程背景,对液氮与岩石间的传热规律展开实验研究,重点研究了岩石材料的物性特征对液氮深冷淬火传热的影响。基于传热实验结果,模拟分析了岩石表面及内部的热应力演化特征。首先对现有的反传热算法进行了改进,以准确计算液氮深冷淬火实验中岩石表面的温度和热流密度变化。通过引入未来时间步和最小二乘优化的思想,显著提高了传统空间推进算法的反演精度。新算法可准确计算液氮淬火岩石表面的温度及热流密度,并且在选取未来时间步数方面更为灵活,在相同参数条件下可将反演精度提高90倍以上。开展了液氮深冷淬火砂岩、页岩和花岗岩3种岩样的传热实验,通过粗砂纸打磨、砂粒覆盖和凹槽刻痕等方式改变岩样的表面形貌。结果表明:岩石材料相较于金属铜可显著提高淬火的莱顿佛洛斯特(LFP)温度,增幅最高达130K;岩石表面的微观多孔特征和低导热性质是LFP温度提高的主要原因。砂粒覆盖和凹槽刻痕结构可进一步强化淬火传热速率,表现为蒸气层的稳定性降低,热流密度增大。进一步开展了液氮淬火岩石表面的可视化实验,并对淬火过程进行了数值模拟分析。液氮对圆柱岩样的润湿首先从两端部开始,随后向中部扩展;下部淬火前缘的传热强度比上部淬火前缘高2.7-4.2倍;竖直放置的岩样表面其膜态沸腾热流密度约为水平放置的2倍,热流密度峰值为水平放置时的1.4-2.2倍。在静置液氮浴淬火的基础上,实验研究了液氮射流冷却岩石表面的传热特征,射流压力范围为1.4-2.4MPa,喷距范围为3-5cm,喷嘴出口雷诺数范围为3×10⁵-4×10⁵。结果表明:在岩石表面的射流驻点区域不存在膜态沸腾,液氮射流直接润湿驻点位置;液氮射流的热流密度峰值最大为2.4×10⁵W/m²,显著高于静置液氮浴淬火的热流峰值。射流压力和喷距参数对热流密度峰值无影响,对淬火前缘的扩展速度有明显影响,射流压力越大、喷距越小则前缘的扩展速度越快,增幅达80%。数值模拟研究了液氮淬火条件下岩石内部的热应力分布特性,模型的边界条件取自淬火传热实验结果。液氮的膜态沸腾对热应力具有显著抑制作用,膜态沸腾前后热应力可相差3倍以上;对于竖直的圆柱岩样,最大热应力位于淬火前缘位置处;液氮射流条件下,热应力最大值约为6MPa,高于静置液氮浴淬火引起的热应力。研究结果为液氮辅助钻井压裂技术的应用奠定了理论基础,同时揭示了岩石材料自身性质对淬火传热LFP温度的影响机制,可望为淬火传热强化技术提供新的表面改性和调制思路。