测试页岩储层渗透压的实验装置与方法与流程

本发明涉及非常规储层压裂改造过程中压裂液与页岩之间渗吸置换的实验装置，尤其涉及一种测试页岩储层渗透压的实验装置与方法。

背景技术：

页岩气是典型的非常规油气资源，最显著的特点是低孔、低渗、难动用，必须依靠大规模的体积压裂改造才能实现经济开采。在体积压裂改造过程中，压裂液与页岩储层之间的渗吸置换作用成为了近年来页岩储层压裂增产改造机理研究过程中的热点问题与技术难题。

近年来众多学者研究结果表明，化学渗透压渗吸作用，是页岩储层压裂液渗吸置换作用机理之一，对页岩储层压裂改造增产作用机理的研究起着关键作用。具体而言，页岩具有半透膜特性，即只允许水分子通过，而不允许盐离子或允许部分盐离子通过。半渗透膜特性是引起化学渗透压存在的关键因素，基于毛细管力和化学渗透压诱发渗吸的理论，分析页岩储层压裂液渗吸特征及微观机理，有助于进一步研究页岩水力压裂增产改造机理，指导现场压裂施工设计。

目前，针对化学渗透压渗吸作用的相关研究主要集中在对渗透压的理论计算方面，有关渗透压的实验测试装置方面研究较少。国内外大多采用简易的倒置长颈漏斗或者u型管的方式进行实验测试。具体操作时，通过漏斗导管或者u型管一侧的液面上升高度对渗透压进行实验测试。

该方法只能在一定程度上粗略地测定渗透压大小。渗透压会受到矿化度的影响，随着矿化度的增加，半透膜两边溶液的化学势差增大。为了达到膜界面两边化学势的平衡，进入岩心中的外界水量增加，从而使得岩心内部的能量增加。

一般的，矿化度波动范围比较大。对于压裂液的矿化度波动范围比较大的场景，受到量程与精度的限制，使得渗透压测试结果往往不太准确。例如在矿化度高达1000mg/l的情况下，导管长度需达到100多米才能满足要求，显然现有的导管量程无法满足渗透压测试要求；此外，在矿化度接小于1mg/l的情况下，导管液面高度无明显变化，在现有的导管精度无法满足测试需要。

因此，有必要研究一种简单准确高效的渗透压测试装置，为压裂液渗吸作用机理研究提供一种有效的测试手段。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供了一种测试页岩储层渗透压的实验装置与方法，其能够较为快速准确的得到压裂液渗吸过程中页岩储层渗透压大小，以进一步研究页岩储层与压裂液之间渗吸作用机理。

本申请实施方式公开了一种测试页岩储层渗透压的实验装置，该装置包括：

中空的筒体，所述筒体中设置有用于模拟页岩储层和压裂液之间渗吸作用的半透膜；所述半透膜将所述中空的筒体分隔为相对的第一腔室和第二腔室；所述半透膜的截留分子量在50-2000之间；

固紧器，用于固定所述半透膜；

传感器，用于测试所述第一腔室和所述第二腔室中的预定参数；

数据采集系统，与所述传感器电性连接，用于存储所述传感器测试到的预定参数所对应的实验值。

在一个优选的实施方式中，所述筒体内壁设置有第一配合部，所述固紧器设置有用于和所述第一配合部相匹配的第二配合部，所述第一配合部和第二配合部相配合形成能使所述固紧器相对所述筒体轴向滑动的滑动机构。

在一个优选的实施方式中，所述筒体采用透明的亚克力管制成，能耐压2兆帕，耐温100摄氏度。

在一个优选的实施方式中，所述第一腔室内设置有第一搅拌件，所述第二腔室内设置有第二搅拌件。

在一个优选的实施方式中，所述第一搅拌件或所述第二搅拌件为具有加热和磁力搅拌功能的磁力转子。

在一个优选的实施方式中，所述传感器包括下述中的任意一种或其组合：压力传感器、温度传感器、电导率传感器，所述实验装置还包括：过程控制集成，所述过程控制集成与所述传感器、数据采集系统、第一搅拌件、第二搅拌件电性连接。

一种基于上述测试页岩储层渗透压的实验装置的方法，包括：

向所述第一腔室中注入预定量的蒸馏水，向所述第二腔室中注入预定量的压裂液；

打开数据采集系统，接收传感器获得的预定参数的实验变化值；所述实验变化值包括所述第一腔室和所述第二腔室中的压力变化值；

根据所述实验变化值，确定页岩储层压裂渗吸置换过程中渗透压变化。

在一个优选的实施方式中，所述方法还包括：根据页岩储层的条件参数，确定出用于模拟页岩储层压裂渗吸用的半透膜；所述条件参数包括：温度、矿化度、ph值，储层渗透率。

在一个优选的实施方式中，所述方法还包括：改变所述半透膜的位置，重复上述实验步骤，以确定不同岩心长度及不同压裂液用量对渗透压的影响。

在一个优选的实施方式中，所述根据所述实验变化值，确定页岩储层压裂渗吸置换过程中渗透压变化的步骤中，能确定所述半透膜与压裂液之间的渗透压大小；所述方法还包括：

将所述第一腔室中的蒸馏水替换为岩心，滑动固紧器贴近岩心端面；

接收传感器获得的压力的实验变化值；根据所述压力实验变化值，获取所述岩心与压裂液之间的渗透压大小；

将所述半透膜与压裂液之间的渗透压大小与所述岩心与压裂液之间的渗透压大小作对比。

本发明的特点和优点是：本申请实施方式中所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置与方法，可以用已有的半透膜来模拟页岩储层的半透膜特性，模拟出页岩储层的渗透压；也可以直接测试真实页岩岩心的渗透压大小。进一步的，可利用本装置这种优点，可以分析两种情况下的差异性，从而评价半透膜的模拟真实页岩岩心的效果。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

图1为本申请实施方式中提供的一种测试页岩储层渗透压的实验装置的结构示意图；

图2为本申请实施方式中提供的一种测试页岩储层渗透压的实验方法的步骤流程图；

图3为渗透压随渗透时间变化图。

附图标记说明：

1、第一传感器；2、第二传感器；3、第三传感器；4、第四传感器；5、第一搅拌件；6、固紧器；7、第二搅拌件；8、第一显示仪表；9、第二显示仪表；10、第三显示仪表；11、第四显示仪表；12、过程控制集成；13、数据采集系统；14、筒体；141、第一腔室；142、第二腔室；15、半透膜。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施方式中提供了一种测试页岩储层渗透压的实验装置与方法，其能够较为快速准确的得到压裂液渗吸过程中页岩储层渗透压大小，以进一步研究页岩储层与压裂液之间渗吸作用机理。

如图1所示，本说明书实施方式中所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置主要包括：中空的筒体14，所述筒体14中设置有用于模拟页岩储层和压裂液之间渗吸作用的半透膜15；所述半透膜15将所述中空的筒体14分隔为相对的第一腔室141和第二腔室142；固紧器6，用于固定所述半透膜15；传感器，用于测试所述第一腔室141和所述第二腔室142中的预定参数；数据采集系统13，与所述传感器电性连接，用于存储所述传感器测试到的预定参数所对应的实验值。

在本实施方式中，该筒体14可以根据实验需要用于放置岩心，盛装压裂液，蒸馏水等溶液。整体上，该筒体14为一个封闭的中空筒。具体的，所述筒体14可以采用透明的亚克力管制成，能耐压2兆帕，耐温100摄氏度。当该筒体14采用透明的材质时，便于从外部观察筒体14中的实验情况，能更加直观地观察实验过程中的渗透现象。

在本实施方式中，半透膜15用于模拟页岩储层与压裂液之间渗吸作用。具体的，该半透膜15可以包括表面致密层和支撑层。其中，表面致密层是由铸膜液填充于支撑层，用于脱盐的工作层。铸膜液可以分为高聚物材料和低分子材料。支撑层具有多孔结构，能够支撑整个半透膜15，并且便于水通过。

该半透膜15可以根据页岩储层的条件参数选用截留分子量在50-2000范围内的半透膜15，从而能有效模拟页岩储层。其中，所述页岩储层的条件参数可以包括：温度、矿化度、ph值，储层渗透率等参数。

在本实施方式中，固紧器6用于固定半透膜15。具体的，该固紧器6可以为在筒体14中位置可调节的方式设置在筒体14中。当该固紧器6的位置可以沿着筒体14轴向调节时，在进行实验时，可以满足不同的岩心长度模拟需求。具体实验时，第一腔室141可以用于放置岩心或者蒸馏水。该第一腔室141的长度可以根据实际岩心确定。当已知所需模拟的岩心长度时，即确定出该第一腔室141的轴向长度时，可以将固紧器6的位置进行调节，从而匹配所需模拟的岩心长度。

在一个实施方式中，所述第一腔室141内设置有第一搅拌件5，所述第二腔室142内设置有第二搅拌件7。该第一搅拌件5用于对第一腔室141内的溶液进行搅拌，从而使得第一腔室141中溶液的离子扩散均匀，进而保证实验结果的精确性。相应的，该第二搅拌件7用于对第二腔室142内的溶液进行搅拌，从而使得第二腔室142中溶液的离子扩散均匀，进而保证实验结构的精确性。

具体的，所述第一搅拌件5或所述第二搅拌件7可以为具有加热和磁力搅拌功能的磁力转子。该磁力转子可以电热恒温水浴锅配套使用，能够同时实现加热和搅拌功能。当该磁力转子具有加热和搅拌功能时，能够使腔室中溶液的离子快速扩散，从而提高实验的效率和精度。

所述筒体14内壁设置有第一配合部，所述固紧器6设置有用于和所述第一配合部相匹配的第二配合部，所述第一配合部和第二配合部相配合形成能使所述固紧器6相对所述筒体14轴向滑动的滑动机构。具体的，该第一配合部可以为滑槽的形式，该滑槽可以沿着该筒体14的轴向纵长延伸。该第二配合部可以为卡入该滑槽的卡合部。当然，该第一配合部与第二配合部相配合形成滑动机构还可以其他配合形式，本申请在此并不作具体的限定。整体上，该可滑动的固紧器6以改变不同腔室溶液体积，可以用于分析压裂液用量对渗吸规律的影响。

所述筒体14上还设置有传感器，该传感器用于测试所述第一腔室141和所述第二腔室142中的预定参数。所述传感器可以包括下述中的任意一种或其组合：压力传感器、温度传感器、电导率传感器。该传感器的具体形式可以根据实验需要进行选取和组合，具体的本申请在此并不作唯一限定。例如，可以在该筒体14上设置四个传感器的接口，根据实验参数的模拟需要，在该传感器接口中安装相应功能的传感器。

当传感器的接口个数为四个，且每个接口中都设置相应功能的传感器时，筒体14上的四个传感器可以分别为第一传感器1、第二传感器2、第三传感器3、第四传感器4。在某些情况下，当所需安装的传感器个数小于该传感器接口的个数时，可以利用密封件将相应位置的传感器接口进行封堵。

在本实施方式中，该测试页岩储层渗透压的实验装置还包括：过程控制集成12。所述过程控制集成12与所述传感器、数据采集系统13、第一搅拌件5、第二搅拌件7电性连接。该过程控制集成12与传感器电性连接，可以将实验参数，例如温度、压力、电导率等参数集成于一体，然后传输给数据采集系统13。该过程控制集成12可以与第一搅拌件5、第二搅拌件7电性连接，从而控制该第一搅拌件5和第二搅拌件7的工作参数，例如转速、温度等。

此外，该过程控制集成12中还可以设置有与传感器个数相对应的显示仪表。当传感器包括：第一传感器1、第二传感器2、第三传感器3、第四传感器4时，该显示仪表包括：第一显示仪表8、第二显示仪表9、第三显示仪表10、第四显示仪表11。

在本实施方式中，所述数据采集系统13用于采集、存储所有的实验参数。进一步的，该数据采集系统13还能将采集到的实验数据以数字化的方式显示出来。

页岩具有半透膜15特性(即只允许水分子通过，而不允许盐离子或允许部分盐离子通过。半渗透膜特性是引起化学渗透压存在的关键因素)。本申请所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置研究优点之一在于：可以用已有的半透膜15来模拟页岩储层的半透膜15特性，此外，本装置也可以直接测试真实页岩岩心的渗透压大小。进一步的，可利用本装置这种优点，可以分析两种情况下的差异性，从而评价半透膜15的模拟真实页岩岩心的效果。

本申请说明书中所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置，不仅能采用半透膜15方式模拟页岩储层与压裂液之间的渗透作用，同时也能将页岩岩心置于筒体14内，对比分析所筛选的，用于模拟岩心的半透膜15和真实岩心之间渗透压差异。

所述的实验装置可以滑动固紧器6改变半透膜15的位置，用于模拟页岩岩心长度及不同压裂液用量对渗透压的影响。

所述的实验装置不仅能用于测试压裂液与储层岩石之间渗透压大小，也能测试压裂液与储层岩石之间的离子交换能力，以进一步分析压裂改造过程中的离子交换机理，为研究非常规储层压裂渗吸机理提供一种有效，可靠的研究手段。

整体上，与现有技术相比，本发明所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置具有以下优点：

(1)能有效解决现有装置中存在的低和高矿化度条件下难以测试渗透压的难题。进一步的，兼有数字化和可视化的优势，能更加直观地观察实验过程中渗透现象，能更加精确地实时记录渗透压变化。

(2)不仅能测试压裂液与储层岩石的渗透压大小，也能进一步研究压裂液与储层岩石之间离子交换动态过程，为揭示非常规储层压裂改造过程中压裂液与储层岩石之间渗吸置换机理提供一种有效测试手段。

(3)能研究不同储层温度条件下压裂液与储层岩石之间渗透压大小与离子交换过程。进一步的，设置的温度传感器能实时准确模拟储层温度条件。

(4)不仅能采用半透膜15模拟页岩储层岩石与压裂液之间的渗吸置换动态反应过程，也能测试真实岩心与压裂液之间的渗透压，以对比研究半透膜15与真实岩心之间的差异，从而优选半透膜15等。

请参与图2，本申请实施方式中，基于上述高温高压下测试页岩储层渗透压的实验装置，还提供一种相应的方法。具体的，该测试页岩储层渗透压的实验方法可以包括如下步骤：

步骤s10：向所述第一腔室141中注入预定量的蒸馏水，向所述第二腔室142中注入预定量的压裂液；

步骤s12：打开数据采集系统13，接收传感器获得的预定参数的实验变化值；所述实验变化值包括所述第一腔室141和所述第二腔室142中的压力变化值；

步骤s14：根据所述实验变化值，确定页岩储层压裂渗吸置换过程中渗透压变化。

具体进行实验时，可以包括如下具体的实验步骤。

(1)结合储层的实际状况(包括温度，矿化度，ph值，储层渗透率等条件)，选出一种适用于模拟页岩储层压裂渗吸增能用的半透膜15。具体的，主要是根据储层的条件参数确定出用于模拟页岩储层压裂渗吸增能用的半透膜15的分子量，根据该分子量的大小，选取相应的半透膜15。

(2)配制具有一定矿化度的压裂液，根据实验方案准备好一定量的压裂液和蒸馏水，待用。对于不同的区块地层，其矿化度不同。因此，需要根据不同区块地层的需要，对特定储层地层水矿化度，配制满足相应区块的要求的压裂液的矿化度。

(3)根据图1所示，将筛选好的半透膜15使用固紧器6固紧，按照实验方案安装好传感器，例如压力传感器和温度传感器，调试数据采集系统13，待用。

(4)向筒体14两端分别注入一定量的压裂液和蒸馏水。

(5)外接一个电热恒温水浴锅，使半透膜15两端的第一腔室141、第二腔室142内液体充分混合，尽量减少因同一腔室内液体浓度差异造成对渗透压影响。

(6)打开数据采集系统13，根据实验需求测试并记录不同时间内两个腔室之间的压力、温度和电导率变化，以探究页岩储层压裂液渗吸置换过程中渗透压变化。通过透明的筒体还可以获取离子扩散规律。根据该渗透压变化及离子扩散规律可以进一步分析压裂液渗吸置换机理。

所述的实验装置不仅能采用半透膜15方式模拟页岩储层与压裂液之间的渗透作用，同时也能将页岩岩心置于筒体14内，对比分析半透膜15和真实岩心之间渗透压差异。

具体的，需要进行对比分析时，可以将半透膜15从固紧器6中取出，岩心放在固紧器6的一侧，例如第一腔室141中，滑动固紧器6贴近岩心端面处，另一侧放置压裂液，测试真实岩心与压裂液之间的渗透压大小。然后当将第一腔室141中岩心取出，安装半透膜15至固紧器6位置处，在原来放置岩心的第一腔室141中放置蒸馏水，测试半透膜15与压裂液之间的渗透压大小。将两次实验结果进行对比，即可分析半透膜15和真实岩心之间渗透压差异。

在本申请的一些实施方式中，所述的实验装置可以滑动固紧器6改变半透膜15的位置，从而用于模拟页岩岩心长度及不同压裂液用量对渗透压的影响。需要说明的是：半透膜15位置处至第一腔室141于第二腔室142交界处，用于模拟真实岩心的长度，第一腔室141中蒸馏水用量用于模拟真实岩心体积，第二腔室142中压裂液的体积代表压裂液的用量，本装置可测试不同物理量的变化时渗透压的大小，进而分析不同物理量对渗透压的影响。

本申请实施方式中所提供的实验装置不仅能用于测试压裂液与储层岩石之间渗透压大小，也能测试压裂液与储层岩石之间的离子交换能力，以进一步分析压裂改造过程中的离子交换机理，为研究非常规储层压裂渗吸机理提供一种有效，可靠的研究手段。

为了进一步详细说明本申请所提供的测试页岩储层渗透压的实验装置及方法，本申请事实方式中结合具体的实例进行举例说明。

在一个具体的场景下，为了模拟高矿化度压裂液的渗透压变化规律，因此选用：

(1)选用分子量为50的半透膜15；

(2)配制矿化度为20000mg/l的压裂液，根据实验方案准备好一定量的压裂液和蒸馏水，待用；

(3)根据图1所示，将筛选好的半透膜15使用固紧器6固紧，按照实验方案安装好压力传感器，温度传感器，调试数据采集系统13，待用；

(4)筒体14两端的第一腔室141和第二腔室142分别注入一定量的压裂液和蒸馏水；

(5)外接一个电热恒温水浴锅，设定温度30℃，使半透膜15两端腔室内液体充分混合，尽量减少因同一腔室内液体浓度差异造成对渗透压影响；

(6)打开数据采集系统13，测试并记录不同时间内两个腔室之间的压力变化，渗透压随时间变化情况，如图3所示。

整体上，本发明提供的一种测试页岩储层渗透压的实验装置与方法，其能够较为快速准确的得到压裂液渗吸过程中页岩储层渗透压大小，以进一步研究页岩储层与压裂液之间渗吸作用机理。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。