地热能是一种源自地球内部并以热能形式储存于地层中的可再生清洁能源。单井循环地下换热系统是一种开发地热能的形式,在运行中直接抽取含水层中地下水并提取其中热量满足建筑负荷,因其节能环保,换热效率高等优点受到广泛关注。系统运行中为防止地下水位下降必须设置回灌补充含水层水量,而回灌中部分回水未与含水层充分换热后就流至抽水区并被抽出,形成流贯通现象,而流贯通会导致抽水温度变化,进而形成热贯通现象。长时间运行流/热贯通将加剧抽水区温度变化,导致单井循环地下换热系统换热能力和运行效率降低。若抽水区与回水区所在含水层之间存在弱透水层可有效减少回水越流量并使流贯通强度降低,为提升单井循环地下换热系统运行效率,探究弱透水层损伤下砂岩储层的渗流与传热规律尤其重要。本文基于抽灌同井设计并搭建了砂箱试验台,物理模拟研究砂岩含水层中单井循环地下换热系统抽/回水运行对弱透水层损伤的影响,通过达西试验和界限含水率试验测定了装填物的物性参数,试验根据正交试验法选取了初始回水速率、抽回水时间差和弱透水层厚度三种因素,设计并进行了9组工况,动态采集了试验过程中温度、压力、流量等数据分析其弱透水层损伤、渗流及换热规律,研究分析结果表明:（1）弱透水层渗透系数较低,可减少回水区含水层向抽水区含水层越流量,增大回水温度锋面影响范围,使回水与含水层砂岩充分换热后回到抽水区,减缓流/热贯通现象。试验结果表明,弱透水层存在可使流贯通强度降低15.2%-33.2%,并使系统高效运行时长延长2.5-5倍。（2）较高的回水速率与抽回水时间差会使弱透水层承受大幅度的压力冲击,压力冲击极易造成弱透水层损伤,弱透水层承压和抗损伤的能力与其厚度成正比关系。弱透水层发生损伤表现为局部越流量增大加剧了流贯通现象,并诱发热贯通现象提前发生。（3）流/热贯通现象会导致单井循环地下换热系统运行效率下降,初始回水速率、抽回水时间差和弱透水层厚度三个因素均可显著影响系统高效运行时长,其中弱透水层厚度对系统高效运行时长的影响最为显著且与高效运行时长呈正相关,初始回水速率、抽回水时间差与高效运行时长呈负相关。（4）近井壁优势流普遍存在且会极大增加流贯通强度,防止近井壁优势流发生可有效延长单井循环地下换热系统高效运行时长。综上所述,单井循环地下换热系统设计前应勘探当地地质情况,尽量选择弱透水层较厚的地点建造热源井,且应在满足建筑负荷的前提下尽量控制开采流量,并通过优化设备运行及管路布置减小抽回水时间差,以保障系统长时高效运行。