一种矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统及方法

1.一种矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，包括储层模拟箱(1)，包括箱体(11)，在箱体(11)中部设有储层介质填充区(12)，用于放置储层介质；在储层介质填充区(12)上方和下方均设有隔水层(13)，在上部的隔水层(13)上方，以及下部的隔水层(13)下方，均设有橡胶套(14)；在上部的橡胶套(14)上方以及下部的橡胶套(14)下方均设有温控夹套(16)，其中，在上部的温控夹套(16)与上部的橡胶套(14)之间设有压力活塞(15)，压力活塞(15)与压力泵(18)管路相连，用于对储层介质施加压力；矿井水供给系统(2)，包括原水储罐(22)和流量泵，原水储罐(22)与流量泵管路相连，流量泵与储层介质填充区(12)管路相连；产出水收集与检测系统(3)，包括产出水收集箱和水质分析仪(34)，产出水收集箱与储层介质填充区(12)管路相连，水质分析仪(34)与产出水收集箱管路相连；微生物培养与注入系统(4)，包括微生物储罐(41)和微生物注入泵(42)，微生物储罐(41)与微生物注入泵(42)管路相连，微生物注入泵(42)与储层介质填充区(12)管路相连。 2.根据权利要求1的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，储层介质填充区(12)分成第一介质区(121)、第二介质区(122)和第三介质区(123)，每层介质区之间设有隔水层(13)，每层介质区放置相同或不同岩性的储层介质；矿井水供给系统(2)还包括分级过滤单元，分级过滤单元包括从下到上依次管路相连的第一过滤器(24)、第二过滤器(25)和第三过滤器(26)，第一过滤器(24)、第二过滤器(25)和第三过滤器(26)中均设有滤膜，三个滤膜的孔径依次减小，形成三级过滤；第一过滤器(24)一端与原水储罐(22)管路相连，另一端经第一流量泵(27)，通过管路与第一介质区(121)连通；第二过滤器(25)经第二流量泵(28)与第二介质区(122)管路连通，第三过滤器(26)经第三流量泵(29)与第三介质区(123)管路连通；产出水收集与检测系统(3)包括三个出水管，出水管一端分别与第一介质区(121)、第二介质区(122)和第三介质区(123)连通，另一端分别与第一水样收集箱(31)、第二水样收集箱(32)和第三水样收集箱(33)连接，第一水样收集箱(31)、第二水样收集箱(32)和第三水样收集箱(33)与水质分析仪(34)管路相连；每层介质区设有温度传感器(TS)，温度传感器(TS)与温控器(17)相连。 3.根据权利要求1的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，在原水储罐(22)外部底部设有保温套(23),保温套(23)与温控器(17)相连。 4.根据权利要求1的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，原水储罐(22)内储存真实的矿井水，或者根据实验需求人工配置不同悬浮物、水化学特征组分的模拟矿井水。 5.根据权利要求2的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，在第一介质区(121)、第二介质区(122)和第三介质区(123)中部分别设有取样口(19)，在取样口(19)上设置背压阀。 6.一种矿井水回灌多场耦合作用模拟实验方法，根据权利要求1-5任一项所述的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、结合储层水文地质结构特征，将目标储层的代表性岩芯或人工配制的储层介质根据相同或不同的介质孔径放入第一介质区(121)、第二介质区(122)和第三介质区(123)内；步骤S2、利用保温套(23)加热原水储罐(22)中的矿井水，并通过温控器(17)将矿井水温度调控至设定温度；步骤S3、将原水储罐(22)内的矿井水经分级过滤单元送入储层介质填充区(12)内，矿井水先经第一过滤器(24)，经过滤后通入第一介质区(121)；同时，未经过滤的矿井水由第一过滤器(24)进入第二过滤器(25)，经过滤后通入第二介质区(122)；同时，未经过滤的矿井水由第二过滤器(25)进入第三过滤器(26)，经过滤后通入第三介质区(123)；步骤S4、打开压力泵(18)，通过压力活塞(15)对储层介质施加垂向压力，打开温控夹套(16)对储层介质加热，使储层介质与原位回灌地层所受压力和地层温度一致，通过温度传感器(TS)将实时温度反馈到温控器(17)；步骤S5、打开微生物注入泵(42)，将微生物储罐(41)中的微生物液分别通入第一过滤器(24)、第二过滤器(25)和第三过滤器(26)通往储层介质填充区(12)的管路上；步骤S6、通过三个取样口(19)获取回灌过程中的水样、流速及压力变化；步骤S7、利用水质分析仪(34)监测第一介质区(121)、第二介质区(122)和第三介质区(123)输出的水样，获取水质温度、pH、电导率、氧化还原电位、溶解氧及浊度，并进行常规水化学组分分析；步骤S8、对水样开展微生物测试分析，包含16S rDNA测序、多样性分析和物种组成分析，获取回灌驱动下储层介质中的微生物变化特征；步骤S9、将矿井水在一个介质区内的流动过程简化为矿井水在储层介质水平一维运动过程及储层介质的堵塞过程，建立回灌驱动下的复合堵塞过程数学模型，具体包括以下步骤：步骤S911、矿井水回灌驱动下，利用雷诺数判断矿井水在储层介质中的流动状态，公式如下： 式(1)，式中：Re为水流在储层介质孔隙中流动时的雷诺数；ρ为流体密度，kg/m 3 ；u为流体在储层介质中的孔隙流速，m/s；μ为流体的动力粘滞系数，Pa·s；R为水力学半径，m；步骤S912、在层流状态下，储层介质水流运动方程采用达西定律来表示，表征地下水流动与渗透系数关系的方程： 式(2)，式中：Kx为水平渗透系数，MT -1 ；μ s 为释水率，L -1 ；∂H/∂x表示在水平方向上每移动单位距离水头变化的快慢；∂H/∂t表示水头随时间的变化率。 7.根据权利要求6所述的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验方法，其特征在于，当储层介质存在微生物的情况下，判断微生物对储层介质的堵塞情况，具体包括以下步骤：步骤S913、首先构建微生物和营养物质运移数学方程，明确微生物和营养物质的运移范围，其中式(3)为微生物运移方程，式(4)为营养物质运移方程： 式(3)， 式(4)，式中：D为弥散系数，L 2 /T；v为孔隙水流速，L/T；n为孔隙度；F B 和F S 分别为悬浮微生物量和基质浓度变化的源汇项，MV -1 T -1 ；B为悬浮态微生物浓度M/V；S为营养物质浓度，M/V；步骤S914、构建微生物生长与衰亡模型，计算微生物数量变化，具体公式为： 式(5)，采用Monod方程计算微生物的生长量，具体公式为： 式(6)，微生物衰亡用一级动力学方程(7)计算，具体公式为： 式(7)，在式(5)、式(6)和式(7)中：r G 为微生物的生长速率，MV -1 T -1 ，即微生物生长速率与微生物浓度的比值；μ g 为微生物的比增长速率；μ g max 为最大比生长速率，T -1 ；X c 为微生物浓度，MV -1 ；K S 为半饱和常数，MV -1 ；r 1 为微生物衰亡速率，MV -1 T -1 ；k 1 为微生物衰亡速率系数，T -1 ；步骤S915、微生物通过消耗营养物质生长，其生长和营养物质消耗的关系方程如下： 式(8)，式中：r s 是基质降解速率，MV -1 T -1 ；Y为产率系数，MM -1 ，即降解单位质量有机物所产生的微生物量；步骤S916、根据质量守恒定律，在水平方向上流入和流出的悬浮物等于单位时间内悬浮物的累计变化量，因此一维条件下悬浮物运移过程为： 式(9)，式中：n为储层介质的孔隙度；C为悬浮在溶液中的悬浮物浓度，MV -1 ；Cs为单位孔隙空间中沉积的悬浮物质量，MV -1 ；v x 为达西速度，LT -1 ；悬浮物在介质中的沉积量可以描述为： 式(10)，式中：δ为悬浮物在介质中的吸附系数，T -1 ，ε为悬浮物解吸系数，T -1 ；步骤S917、建立水化学组分中的矿物溶解沉淀模型：以反应相中矿物的溶解沉淀平衡理论结合一维对流-扩散方程来模拟矿物在储层介质中的迁移： 式(11)，式中：C che 为回灌后的溶液中的矿物溶解组分的阳离子浓度，MV -1 ；F d 为单位储层介质空间中的矿物沉积量，MV -1 ；步骤S918、构建微生物累积、悬浮物沉积和矿物溶解沉淀引起的介质孔隙度变化关系，具体公式分别为： 式(12)， 式(13)， 式(14)，式中：n 0 为初始孔隙度；M为单位体积介质中的微生物质量，MV -1 ；ρ为微生物密度，MV -1 ，b ss 为悬浮颗粒的堆积因子，反映了颗粒在储层介质中的沉积形貌对孔隙度的影响，与颗粒沉积形态有关；σ ss 为单位质量悬浮物颗粒占据的体积，VM -1 ；b Ca 为方解石沉淀堆积因子；σ Ca 为单位质量方解石沉淀占据的体积，VM -1 ；F d 为单位体积介质中方解石沉淀量，MV -1 ；步骤S919、介质孔隙度与渗透性之间的关系由Kozeny-Carmen 公式表示： 式(15)，式中：K为渗透系数，m/d；K 0 为初始渗透系数，m/d；n为孔隙度，无量纲；n 0 为初始孔隙度，无量纲。 8.根据权利要求7所述的矿井水回灌多场耦合作用模拟实验方法，其特征在于，构建多场耦合作用系数型偏微分方程，如下： 式(16)，式中：w为因变量；c为扩散系数；α为吸收系数；f为源项；e a 为质量系数；da为衰减系数；a为守恒通量对流系数；β为对流系数；γ为守恒通量源。