中国作为能源消费大国,能源安全问题已成为当今亟需解决的关键问题。依据“30碳达峰、60碳中和”的战略目标,为转变更合理的能源供应架构,近些年研究人员逐渐将目光汇聚到开发新型可再生能源。地下2–4 km储层中蕴藏的中深层地热能是建筑供暖的适宜热源。本文基于吉林省长春市示范项目,旨在研究中深层同轴套管换热系统的传热性能和优化策略,研究方法涉及野外勘探、理论分析和数值模拟。本文的主要研究内容和结果包括:在吉林省长春市研究区吉特1井场地开展了岩土样品取样和地温梯度测定工作。通过现场分析确定了同轴套管换热器几何参数及周围储层非均质分层特性。通过实验测定研究区各层储层的温度梯度,并通过拟合函数对地温梯度进行延伸。结果表明,该区域储层大致可分为四层,地质主体为沉积岩:0-280 m是棕色泥岩、305-680 m是灰白色泥岩、750-1980是灰白色泥质粉砂岩、1980-2055 m是灰黑色及灰绿色块状泥岩。四个地温梯级:0-280 m是0.0394℃/m、305-680 m是0.0329℃/m、705-1980 m是0.0248℃/m、1980-2055 m是0.0644℃/m。井底温度为64.514℃,平均地温梯度为0.0314℃/m。使用T2Well程序建立了井筒换热器-储层耦合模型,初步分析了层状热储条件对数值模拟计算结果的影响,利用已有测试数据对数值模型进行了验证。结果表明,简化均质条件计算得到的模拟温度高于层状热储条件。针对水和CO2两种循环流体进行了对比研究,讨论了质量流量和比焓变化对同轴套管换热器传热性能的影响。结果表明,以CO2为循环流体的同轴套管换热器的热提取率提高了31%。在不同注采压差下CO2为循环流体的换热器的热性能始终优于水为循环流体的换热器。在松辽盆地的地质条件和地热系统的恒压运行条件下,换热器与周围储层之间的热交换引起的CO2比焓变化约为水7/10倍。CO2的质量流量约为水的2.4倍。因此,CO2表现出比水更好的热性能。针对连续供暖模式和间歇供暖模式进行了对比研究,分析了两种运行模式对换热器热输出和储层温度分布的影响。结果表明,10年运行期内连续供暖模式和间歇供暖模式下换热器出口温度分别下降了6.48%和6.08%,热提取率分别下降了5..1%和4.92%,间歇供暖模式优于连续供暖模式,系统表现出良好的稳定性和可持续性。10年运行期内建议井距不小于90 m。分析表明井深显著影响热提取率。通过改变注入温度和注采压差可以调节同轴套管换热器的热输出。针对地质参数和层状热储条件进行了对比研究。结果表明,岩土导热系数对出口温度和热提取率的影响较大,岩土比热容对热性能影响较小。在岩土导热系数较高和岩土比热容较低的地区,应保持换热器间距,防止相邻换热器之间的热干扰。层状岩土导热系数对同轴套管换热器的热性能有显著影响。分析表明,如何提高换热器周围储层岩土导热系数,降低岩土热阻是提高同轴套管换热器传热性能的关键因素。针对增强型中深层同轴套管换热系统进行了模拟研究。结果表明,利用渗漏储层的增强型同轴套管换热器的十年平均热提取率为556.2 k W,是常规同轴套管换热器（309.3 k W）的1.8倍。利用喷射灌浆法的增强型同轴套管换热器的十年平均热提取率为378.7 k W,与常规同轴套管换热器相比增加了约22.4%。热提取率和出口温度取决于人工混凝土区的高度和半径。由于混凝土区外的储层热阻仍旧较高,混凝土区导热系数的增加对热提取率影响不大。本研究是吉林省科技发展计划项目“二氧化碳资源化利用与深部地热开发关键技术研究”（项目号:20180201078SF）的部分研究内容。本文为探究中深层同轴套管换热系统的运行规律,提高该系统的热性能,加速商业推广应用提供重要的理论基础和技术指导。