当前我国地热能资源丰富,但资源探明率和利用程度较低,开发利用潜力很大。与浅层地埋管换热器相比,中深层地热换热器具有吸热效率高、单孔换热能力大、占地面积小的优势,特别是导热型和采灌型地热单井换热器,以“外进内出的流动方式+同轴套管的紧凑结构”为主要工作模式获取中深层地热资源进行直接利用,已逐渐获得地热行业认可并形成规模化的工程应用。导热型和采灌型地热换热器的主要区别是地热井井筒是否为封闭结构及循环流体为地下水。本文选择导热型和采灌型地热单井换热器为研究对象,开展了理论模型构建、关键参数反演、换热系统设计、现场试验验证及运行特性分析等方面的工作。首先,基于“分区解耦建模+耦合求解”的研究思路,构建了适用于不同中深层导热型和采灌型单井换热器的理论模型,通过建立柱源非稳态导热、含水层渗流传热、套管内强迫对流传热等分区模型及耦合界面函数,可实现闭式垂直地热井、L形地热井和定向井的三种地热井内的导热型同轴套管换热器及单井采灌系统、开放式地热井系统两种采灌型地热单井换热器的理论模型求解。其次,为了提高地热换热器设计精度,本文开展了岩土取样测试及热响应测试研究,提出了基于岩土取样测试结果的热响应测试仿真模型及参数反演方法。热响应测试仿真模型可反映地层分层物性、环境扰动、流量波动等特性,通过多工况下的热导率、钻孔热阻等6个指标的综合评判,验证了仿真模型的准确性。需要说明的是,这部分试验工作主要是针对浅层地热换热器,但是为中深层地热换热器的参数反演和精准设计提供了可行的思路。然后,本文介绍了全长1764 m的中深层单井采灌系统的设计方法及现场试验,总结了井下采灌系统的设计方案并完成了抽水-换热-回灌现场试验,系统稳定运行期间地下水可以100%回灌,抽水温度可稳定在56℃,系统源侧换热量为1020 k W,单位电功耗的换热量为16.9 k Wt/k We,证明了“井内封隔+保水取热”的单井采灌系统的可行性。之后,进行了导热型和采灌型地热单井换热器的理论计算,对一口880 m的垂直闭式套管换热器进行理论计算,稳定运行阶段的换热量和出口温度的理论值分别为83.21 k W和44.95℃,对比实验结果的90.12 k W和45.80℃,相对误差分别为7.67%和1.86%。对1764 m的单井采灌系统的传热流动过程的理论计算表明,运行结束时,回灌层的水头影响半径和热影响半径分别为29 m和4.04 m。理论计算得到的系统实际换热量1027 k W,理论最大值为1460 k W,导热区和采灌区对实际换热量的贡献度分别为292 k W和735 k W,运行期间的弱透水层越流热损失和内外管热短路损失分别为32 k W和401 k W。对全长为2070 m的开放式地热井系统进行了理论计算,井内等效抽水回灌流量为1.5 m~3/h,换热功率为279 k W。最后,提出了适用于开放式地热井系统的基于末端变径的传热强化方法并进行了案例计算,通过改变地热井内管末端的管径可减小井内直接贯通的地下水流量同时增加抽水层的抽水量,进而增强系统换热量。对地热单井换热器的关键参数影响研究表明:增加地温梯度和降低入口温度可使闭式垂直套管换热器的换热量线性增加;当循环流体雷诺数大于1.12×10~4时,即达到旺盛紊流时,增加流量的传热强化效果已经不明显。在单井采灌系统中,增大采灌流量的单井换热量提升非常明显,但是会加快弱透水层内的越流补给和弱透水层垂直贯通的速度;较低的弱透水层渗透系数可以缓解越流补给带来的热量损失并推迟弱透水层垂直贯通出现的时间;较低的内管导热系数可以提升地热井的抽水温度和换热量,内管导热系数对越流补给和垂直贯通的影响程度不明显。