地热能是一种清洁环保的可再生能源,地热回灌是地热能可持续开发利用的重要保障。城市深层热储处于高温高压的复杂环境中,其温度场、渗流场、应力场的动态演化对地热对/群井系统的运行状况具有重要影响,因此研究城市深层热储在热-水-力多场耦合作用下的渗流传热传质特性,对预测开采井热突破、优化地热田管理方案、监测地面沉降和提高热储产热能力等方面具有重要指导意义。本文以城市深层热储为研究对象,综合运用现场试验、理论分析和数值模拟等手段,开展了由地热对井到群井系统的多尺度研究,提出了非均质热储等效渗流通道理论模型,建立了复杂地质条件下城市尺度地热群井系统多场耦合模拟方法,揭示了长期采灌条件下城市深层热储的热-水-力多场耦合作用机理,取得了以下主要进展和结论:(1)为研究非均质孔隙型热储的渗流传热特性,建立了考虑渗透率和岩石比热容随机分布的非均质孔隙型热储对井模型,生成了200个具有不同渗透率随机分布的非均质热储实现,采用有限元法对每个实现进行了热储变形、渗流和传热过程的全耦合模拟分析。结果表明,随着渗透率非均匀性的增加,地热对井之间出现优势渗流通道的机率显著增加,故回灌水可快速到达开采井,导致开采井热突破时间缩短和热储表面沉降量减小。在考虑岩石比热容与渗透率相关性的非均质热储模型中,热突破曲线和热储表面沉降量与只考虑渗透率随机分布的模型基本相同。随着相关长度的增大,地热对井之间出现优势渗流通道的机率亦增加,导致平均热突破时间缩短与回灌井周围表面沉降量减小。在非均质孔隙型热储中,采灌井之间存在优势渗流通道,这表明可采用等效渗流通道模型近似考虑非均质孔隙型热储对井之间的渗流传热传质过程。(2)将裂隙介质等效渗流通道模型推广至非均质孔隙型热储,结合传质方程解析解与差分进化算法,建立了基于示踪试验的非均质热储等效渗流通道参数反演方法,并结合对流传热方程,提出了一种适用于非均质热储对井系统热突破时间预测方法。结合山东省德州市地热田现场示踪试验数据,对两个不同地热对井系统的等效渗流通道参数进行反演并预测了开采井的热突破时间,结果表明两个地热对井系统的通道参数具有相似性,通过敏感性分析研究了等效渗流通道的几何和流速等参数对开采井热突破曲线的影响。(3)城市深层地热田通常包含数十甚至数百口地热井,由于地热井和地热田之间的巨大尺度差异(~dm vs~km),地热群井系统数值模型在网格划分和计算速度等方面面临巨大挑战。为了提高计算效率且满足计算精度要求,提出了一种基于简化一维地热井模型的城市尺度地热群井系统高效数值模拟方法,该方法考虑沿地热井轴向的渗流传热过程,流体与周围岩石的换热过程则采用等效换热系数近似考虑。与传统有限元模型对比,证明了该方法的合理性和有效性,由于避免了地热井附近的网格加密,计算时间显著缩短。将该模型应用于山东省德州市德城区和北京市东南城区等城市地热田群井系统,模拟了供暖季周期性开采条件下热储温度场、渗流场、应力场演化特征,并预测了开采井热突破时间,提出了采灌方案优化设计,同时也讨论了不同热储层之间的相互作用以及断层对热储性能的影响,实现了复杂地质条件下城市尺度地热群井系统的高效模拟。论文有图103幅,表13个,参考文献180篇。