地热能是一种重要的清洁可再生能源,其资源储量大、分布广,对调整能源结构、改善环境、实现绿色低碳发展具有重要意义。单井注采闭式系统(DCHE),通过油套环空注入工质和油管采出工质,实现工质在井筒内闭式循环取热,是一种取热不取水的地热开发方式。本文采用数值模拟、室内实验和现场试验相结合的方法,深入研究单井注采闭式系统的取热效果。首先,通过添加导热材料,设计了一种地热井导热型固井水泥,实验测定了水泥石的导热系数、抗压强度和孔隙度,研究了导热材料对水泥石导热系数的影响规律。结果表明,环境温度越高,水泥石导热系数越低;随着石墨含量的增加,水泥石导热系数先减小后增大;随着铁和铜含量的增加,水泥石导热系数逐渐增大;随着导热材料含量的增加,水泥石抗压强度降低;在本文条件下,添加导热材料可以提高水泥石导热系数5%～30%。然后,考虑储层热传导和热对流,建立了单井非稳态流动传热模型,分析了地热开采过程中井筒及地层的温度变化特征,研究了单井注采闭式系统取热效果的影响因素。结果表明,井壁附近温差较大;在储层自然对流的影响下,储层的温度分布沿流动方向不对称;随着地层水流速和水层厚度的增加,系统的取热功率提高;使用导热型固井水泥可提高取热功率6.5%以上;随着排量和取热温差的增大,系统取热功率提高;随着保温油管导热系数和直径的减小,系统取热功率线性增加;随着地层导热系数和地温梯度的增加,系统取热功率提高。最后,在雄安西柳1井开展了单井注采闭式系统现场试验,结果表明,数值模拟数据和试验数据吻合较好,最大误差在12%以内;试验阶段,出口温度稳定在15℃,取热功率稳定在160 k W,已为周围4918m~2的居民提供供暖,验证了单井取热技术的可行性。本文设计了一种地热井导热型固井水泥,建立了井筒和储层的非稳态流动传热耦合模型,研究了单井注采闭式系统取热效果及影响因素,现场试验验证了单井注采闭式系统的技术可行性以及数值模型的可靠性,可为我国中深层地热资源的经济高效开发提供理论指导。