在能源短缺与环境污染愈发严重的大背景下,开发新能源已显得尤为重要,地热能作为地球内壳储藏的热能,是一种清洁能源,在供暖、发电、洗浴等方面有着广泛的应用。然而,在开发利用地热能的过程中,传统模式需要抽取地下流体,若不采取有效回灌,会造成地下水位的下降,地面沉降风险增加,以及污染物或泥沙排放带来的地表环境污染等,因此,研发取热不取水的可持续地热资源开发利用新技术显的尤为重要。本文针对有不同结构的深层地热井,设计制造了深层井下换热器取热系统,并通过现场试验与理论模拟对深层井下换热器系统的取热能力与机理进行了研究。现场试验1是利用废弃的油井改造成深层地热井下换热取热系统,通过改造废弃石油井即可以有效降低废弃油井的填埋成本,又可以节省地热井的钻探成本。但由于废弃油井直径较小,油井污垢较多,对实现井下高效换热取热带来一定的难度。本文首先针对东北某油田的一口废弃油井进行了改造,设计了深层井下换热器换热取热系统。在理论上建立了一维导热模型,与现场试验结果进行了对比验证,在此基础上研究了该系统取热功率大小及运行状况。研究发现,该系统在15t/h流量,入口温度12℃的工况下,系统运行10天后基本达到稳定,取热功率达150KW。该系统的取热功率受地温梯度,地热井深度等地质条件影响较大。通过对井深的研究也证明了深层地下换热器系统具有更大的优势。此外对于系统运行参数进行了研究,入口温度越低系统取热功率越大,增加流量也可以增大取热功率,但较大的流量也增加了泵耗功,实际条件下应按需择优选择。现场试验2是利用天津塘沽某供热小区的一口定向回灌斜井作为深层井下换热器取热井,在试验井口搭建了深层井下换热器取热试验系统,研究发现该深层井下换热器系统运行初期具有很高的取热功率,经过4天左右即可基本稳定。最终取热功率达275KW,延米功率152.7W,高于现场试验1模式下的取热功率。结果表明,该设计型式下的深层井下换热器具有较高的取热效率。在理论模拟中,建立了二维轴向坐标系下的非稳态导热模型。通过模拟中长期系统运行发现。系统在运行一个季度后,经过三个季度的恢复时间完全可以使地层恢复到初温。因此,该系统在长期运行时均可持久的保持高功率运行。系统以不同的模式运行时,取热功率不同,12小时恢复12小时的运行模式已经可以保证地层恢复到接近初始温度。而在运行8小时恢复16小时的模式下,其取热功率可维持到500KW。长期不间断运行虽然取热功率较低,但是平均取热功率较高。在系统影响因素分析中,本文研究发现系统对地质条件要求较高,在较高的地温梯度下取热功率也较高。系统入水温度及流量也对取热功率有较大的影响,保持较低的入水温度,较大的流量可以保证系统获得较大的热功率输出,而内管保温材料在满足一定的保温性能情况下,再提高保温性能对取热功率影响不大。