地热能的利用本质上是将地下的热量，转移到人们需要的地方。根据地热资源和现实需求的具体情况，这种能量转移可以设计出许多不同的实施方案，以热量提取的位置区分，可分为地面换热与井下换热两大类型。
最初的地热应用是朴素的，人们发现地下会涌出热水后，最直接的想法就是要把热水抽取出来，直接用于供暖、温泉、种植等方面，许多可以采出地下热水的地方，都是把地下热水当作自来水使用。这种地热水利用方式具有简单、便捷、效果好的特点，受到人们普遍欢迎。但是人们很快就发现，地热水越采越少，并不是无穷无尽，于是人们想出将失去热量的地下水，重新回注地下的办法。这样一来，就形成了从地下采出热水，把热量取出后再把冷水回灌的地热利用模式，这种地面换热的开发形式也叫水热型地热开采技术。
把水注入地下需要消耗能量，而且很难保证地下水资源的品质不发生变化。聪明的人们想到另一种开发地热资源的方式，就是直接在地下进行换热，用一种适当的工作介质，把热量从地下带到地面而不去干扰地下水的埋藏状态，这就是无干扰地热开采技术，也就是井下换热技术。
无干扰地热开采技术相比水热型开采技术，能避免开采使用地下热水，对地热水环境干扰较小，对于任何地热井或地下环境均可进行地热交换，而且可持续性较好，是一种典型的分布式能源。这类应用与直接抽取地下热水的开发方式相比，需要更多的技术措施，因此在地热能应用的初期阶段，其发展进程不如水热型的直接开采。
这种局面很快就完全颠倒过来。直接抽取地下热水的方式显然不可持续，如果不回灌或回灌不足，就会破坏地下水资源，造成地下水位下降，甚至引起地面下沉；同时不回灌也会影响热储层的热恢复，导致地热可开采量大幅下降，甚至可能使地热井提前报废。如果回灌，就要消耗大量的能量，也需要更高水平的技术。例如回灌需要找准层位，把水补充到之前抽取的位置（即同层回灌），但水到了地下会流向阻力最小的位置，如果回灌的水没有补充到应该补充的位置，回灌就失去了意义。此外，回灌不当会引起热污染，地下水含有的硫化氢等气体会造成化学污染等。这样一来，地面换热的开发方式就需要增加更多的技术手段，开发难度反而超过了井下换热的方式。
对于干地热井，由于缺乏地下水，必须采用井下换热方式进行开发。干地热井多采用套管式换热器，即外管和内管形成环形通道，循环工作介质由环形通道注入，在下降过程与热储层进行热交换，换热以导热方式为主，到达井底后，高温介质经内管返回地面，环形通道与内管之间设置绝热措施。
井下换热技术通常采用两类装置，一类是“U”形管和螺旋管式换热装置，一般适用于地下水位较低的地热井，管内介质与地热水进行热交换，换热方式以导热和对流换热为主，介质吸热后返回地面，只取热不取水；另一类是重力热管装置，其优势在于通过相变换热的方式进行热量交换，换热系数高，自驱动，无需外界动力。
井下换热技术不仅适合地热资源的开采，也适用于地源热泵的应用。在中国，人们把地源热泵技术与浅层地热能开发技术归为同类，地源热泵的主要用途，以对建筑物的室内温度调控为主。地源热泵技术主要利用地下200米内的恒温层作为热源，一般采用“U”形竖直地埋管方式，只取热不取水。通过地埋管，介质与储层土壤和地下水进行热交换，冬天提取热量，循环介质吸热后汇集到母管，然后进入换热器加热热泵介质，并返回地埋管吸热，完成循环；夏天制冷，循环介质吸收高温废热后由地埋管输送至热储层，加热土壤和地下水，对储层进行热恢复。
随着对地热资源认识的提高，人们意识到地热水资源并非无穷无尽，只有合理保护地热资源才能做到可持续发展。因此，人们开始严格限制地下热水的开采，正常运行的采出地下水的地热能利用项目被要求必须确保100％实现地下水的同层回灌。地面换热技术受回灌技术的限制开始趋于衰落，井下换热技术获得了更广泛的认同。