液氮射流是一种新型高效的破岩手段,在提升深部硬岩地层破岩效率方面具有良好的应用潜力。为揭示液氮射流破岩机理以及探索应用液氮射流进行钻井提速的可行性,采用室内实验、理论分析和数值模拟相结合的方式,针对液氮冷却下高温岩石的物性劣化规律、射流流场与传热特征、液氮射流破岩特性以及多场耦合下岩石内应力响应机制等关键科学问题开展了研究,主要成果如下:1.实验测量了液氮冷却下高温岩石的物性变化,揭示了不同岩石的损伤特征和微观机理。结果表明:液氮冷却可有效劣化高温岩石的力学特性,对于150～600℃的岩石,液氮冷却下岩石的强度降幅较水冷高11～18%;随岩石温度升高,液氮冷却引起的物性劣化幅度加剧;液氮冷却下不同岩性岩石的劣化程度具有差异,花岗岩劣化程度最高,其次为页岩,砂岩最低;随热-冷循环次数增加,干热岩物性劣化程度加剧,但劣化速率逐渐降低,约10次循环后物性趋于平稳,200℃花岗岩的最终强度衰减幅度可达35%左右;具有较高温度和较小粒度的岩石,液氮循环冷却下物性衰减更快,劣化幅值更高。2.基于分离涡模拟技术,考虑氮的物性变化和可压缩性,建立了低温氮射流冲击传热模型,得到了围压下低温氮射流的涡结构演化和传热特征。结果表明:低温氮射流本质为拟序涡的快速演化和发展,随喷嘴压降增大,流场涡不稳定性主频、涡量及压力振荡显著增强,液氮射流传热速率加快;相比于液氮,超临界氮射流流场的涡量和不稳定性主频更高,冲击传热速率更快;围压对超临界态下低温氮射流的影响更显著,低围压更利于强化其冲击传热;在h/d≤6的喷距范围内,增大喷距有助于促使低温氮射流充分发展,加快射流传热速率。3.开展了液氮喷射破岩实验,获得了液氮射流的破岩特征和微观机理,分析了射流参数（喷嘴压降、喷距等）的影响规律。结果表明:液氮喷射作用下岩石以大块体积破碎为主要特征,破岩效果显著优于水射流;在5～20MPa喷嘴压降下,液氮射流的破岩体积为水射流的7～32倍,破岩比能较水射流低90.8%;液氮射流在岩石表面形成宏观裂缝,破岩门限压力低于水射流;随岩石初始温度升高,液氮射流的破岩效果增强;在25MPa喷嘴压降下,液氮射流使花岗岩发生宏观体积破碎的临界阈值温度在150～260℃范围内。4.采用松散耦合方法,建立了液氮射流冲击岩石的热-流-固多场耦合模型,分析了液氮射流冲击下岩石的力学响应特征,揭示了射流传热及热应力对岩石损伤破坏的辅助机制。结果表明:液氮射流冲击下,岩石应力响应分为冲击主导和传热主导两个阶段。冲击主导阶段应力分布模式与水射流冲击类似,壁面中心区受压、外围受拉;在传热主导阶段,受液氮射流传热的影响,形成的强热应力,使得中心区逐渐转化为受拉,同时外围环形拉应力的尺度和范围随时间持续增大,大幅提升岩石整体的拉、剪破坏;岩石初始温度越高,液氮射流传热速率越快,岩石内最大主应力越强,造成损伤的起始时间提前,并提升岩石的损伤程度。研究成果初步揭示了液氮射流冲击和低温致裂的联合破岩机理,可望为形成深井硬地层优快钻井新方法奠定理论基础。