本發(fā)明涉及物質(zhì)領(lǐng)域，具體涉及一種單離子電容、微電容及離子電容。

背景技術(shù)：

自然界中的物質(zhì)絕大多數(shù)是電介質(zhì)。宏觀物質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電流的傳導(dǎo)效應(yīng)的大小用電導(dǎo)率來(lái)衡量，按照電導(dǎo)率的大小，可以將其分類：σ>10⁵Ω^-1·cm^-1叫做導(dǎo)體，σ<10^-10Ω^-1·cm^-1叫做絕緣體，而10^-10<σ<10⁵Ω^-1·cm^-1則叫做半導(dǎo)體。宏觀物體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電極化效應(yīng)的大小可以用介電常數(shù)(電容率)ε來(lái)衡量。真空的介電常數(shù)等于1，而在一般情況下，所有的物質(zhì)的介電常數(shù)都大于1，即ε≥1，并把ε≠1的物質(zhì)叫做電介質(zhì)。

地層中的巖石既有導(dǎo)電特性，也有介電特性。地層可以看成是一個(gè)巨大的電介質(zhì)，而其導(dǎo)電則是由孔隙所含的地層水溶液完成的，水溶液的導(dǎo)電又源于其內(nèi)溶解的各種離子。在地層條件下，這類離子通常是Na⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，K⁺，Cl^-，OH^-，HCO₃^-，SO₄^2-，CO₃^2-以及其他離子，這些離子構(gòu)成了地層導(dǎo)電的通路。因此，巖石的電性應(yīng)該有兩大部分組成，一是有孔隙間連通的水溶液形成通路的導(dǎo)電特性組成；另一部分則是由巖石礦物顆粒、油氣分子、水分子等不導(dǎo)電的物質(zhì)和粒子作為電介質(zhì)而表現(xiàn)出的介電特性。但是在地層中，不論是導(dǎo)電還是介電，電流的通路都要受到巖石孔隙幾何結(jié)構(gòu)的影響，巖石的導(dǎo)電和介電特性與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系在很多文獻(xiàn)都有詳細(xì)的闡述，在這里不再贅述。對(duì)于巖石電性的研究主要是集中在導(dǎo)電特性上，1941年K.S.Cole與R.H.Cole建立了介電常數(shù)Cole-Cole模型，其后大量學(xué)者開(kāi)始對(duì)離子導(dǎo)電和巖石的極化過(guò)程進(jìn)行了研究，分析非均勻多孔介質(zhì)介電常數(shù)的特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，發(fā)明人進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn)，提出了一種單離子電容、微電容及離子電容(包括其計(jì)算方法)的發(fā)明，根據(jù)這一概念和方法可以計(jì)算巖石的宏觀電容率，為進(jìn)一步研發(fā)以粒子電為基礎(chǔ)的測(cè)井技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)，為進(jìn)一步研究巖石電容變化規(guī)律提供幫助，從而在電法測(cè)井技術(shù)中得到突出的應(yīng)用。

所采用的技術(shù)方案為：

一種單離子電容，其是在電場(chǎng)的作用下，以單個(gè)水分子為介質(zhì)，單個(gè)正離子和單個(gè)負(fù)離子位于單個(gè)水分子的兩端形成的電容。

進(jìn)一步地，所述單離子電容的電容量為：1.6×10^-7pF。

優(yōu)選地，所述單個(gè)正離子為單個(gè)鈉離子，所述單個(gè)負(fù)離子為單個(gè)氯離子。

一種微電容，其是在電場(chǎng)的作用下，以包裹著水膜的巖石顆粒為介質(zhì)，單層正離子和單層負(fù)離子層位于包裹著水膜的巖石顆粒的兩端形成的電容。

優(yōu)選地，所述單層正離子為鈉離子層，所述單層負(fù)離子為氯離子層。

一種離子電容，包括上述的單離子電容和上述的微電容。

優(yōu)選地，所述正離子和負(fù)離子之間的距離為導(dǎo)電極板的距離，所述離子電容的離子電容量與導(dǎo)電極板的距離平方成反比。

進(jìn)一步地，離子電容與導(dǎo)電極板的關(guān)系式為：

其中，C₀為離子電容量，ε_f為淡水或鹽溶液的介電常數(shù)，ε_f的量綱為F；A為導(dǎo)電極板的面積；d為導(dǎo)電極板之間的距離。

通過(guò)上述的單離子電容、微電容以及包含該單離子電容和微電容的離子電容的提出，以及進(jìn)一步提出離子電容與導(dǎo)電極板的距離平方成反比的關(guān)系，為進(jìn)一步研究巖石電容變化規(guī)律提供幫助，可為電法測(cè)井中找到新的應(yīng)用和突破。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為單離子電容的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為微電容的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種電容的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為不同礦化度NaCl溶液不同頻率下電容與極板距離的關(guān)系圖(PVC管測(cè)量)；

圖5為NaCl溶液不同頻率下電容與極板距離的關(guān)系圖(塑料盒測(cè)量)；

圖6為NaCl溶液不同頻率下電阻與極板距離的關(guān)系圖(PVC管測(cè)量)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

巖石的導(dǎo)電和介電能力取決于溶解于水溶液中大量的不同類型的正負(fù)離子，通常，這些離子可以等價(jià)為Na⁺和Cl^-離子，因此研究NaCl溶液的導(dǎo)電和介電特性就至關(guān)重要。發(fā)明人知道，純水分子和油氣分子都是不導(dǎo)電的，而導(dǎo)電的離子則像孤島一樣被油氣分子和水分子隔離開(kāi)，在孔隙溶液中，游離的離子是少數(shù)，大部分是呈分子狀態(tài)水分子和碳?xì)浠衔锓肿?。如果把?dǎo)電的Na+和Cl-離子看作是河流，把不導(dǎo)電的水分子和油氣分子看作是陸地，因此就形成了“離子流(ion flux)”和“分子陸(molecule land)”這樣一種模型。

如果在巖石兩邊加以交變電磁場(chǎng)，I＝I₀sin(ωt+θ₀)，則首先響應(yīng)電磁場(chǎng)的是游離的離子，其結(jié)果是離子進(jìn)行規(guī)則排列，在外加電場(chǎng)作用下，做定向移動(dòng)，離子通過(guò)巖石孔隙，逐漸聚集在巖石兩端，假設(shè)Cl^-聚集在巖石表面或井壁上，而在巖石相對(duì)面或遠(yuǎn)離井壁的地層處聚集Na⁺，從而在巖石內(nèi)部也形成一個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程表現(xiàn)出的是巖石的導(dǎo)電特性。

但是隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)電的離子越來(lái)越向巖石或地層的兩端聚集，而中間則聚集了不導(dǎo)電的水分子、油氣分子和礦物分子。在電法測(cè)井的過(guò)程中，相對(duì)穩(wěn)定的電場(chǎng)將在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)建立起來(lái)，在巖石的孔隙內(nèi)，游離的離子濃度將越來(lái)越少，從而，巖石將表現(xiàn)出介電特征。所以，電法測(cè)井中，導(dǎo)電的離子所形成的離子導(dǎo)電層將作為極板，而不導(dǎo)電的水分子、碳?xì)浠衔锓肿雍偷V物骨架分子作為位于導(dǎo)電極板之間的介質(zhì)，由此則構(gòu)成了一個(gè)電容，參見(jiàn)圖3所示(介質(zhì)只示出了水分子)。

對(duì)于致密的巖層，孔隙吼道非常狹窄，連通性差，在水潤(rùn)濕相的巖石顆粒兩端聚集了游離的正負(fù)離子，水膜和巖石顆粒為非導(dǎo)電介質(zhì)，這樣形成由1個(gè)或n個(gè)成對(duì)離子構(gòu)成的微電容。并且地層中可能會(huì)形成多個(gè)這樣的微電容，在電場(chǎng)的作用下，以包裹著水膜的巖石顆粒為介質(zhì)，單層正離子和單層負(fù)離子層位于包裹著水膜的巖石顆粒的兩端形成的電容，即為微電容，參見(jiàn)圖2所示。這些電容之間可能連通，也可能不連通。

一般情況下，Na⁺的半徑為Cl^-的半徑為H⁺的半徑為巖石的孔隙吼道分布范圍是從幾-十幾微米，水膜的厚度為不到1微米，留給離子運(yùn)移的空間是離子體積的幾萬(wàn)倍，在10⁴數(shù)量級(jí)。在水潤(rùn)濕相的巖石顆粒兩端，可能分布聚集了至少幾萬(wàn)個(gè)正負(fù)離子，形成由鈉離子和氯離子做極板，包裹著一定厚度水膜的巖石顆粒為介質(zhì)的微觀電容。盡管目前還不能精確地計(jì)算其電容率，但是可以做些理論的推測(cè)。

如果巖石孔隙非常小，且孔隙之間沒(méi)有連通，那么就可能形成以水分子為電介質(zhì)的孤立的電容，如果考慮極端的情況，由單個(gè)離子和單個(gè)水分子形成的電容，其是在電場(chǎng)的作用下，以單個(gè)水分子為介質(zhì)，單個(gè)正離子和單個(gè)負(fù)離子位于單個(gè)水分子的兩端形成的電容，把這種電容稱為單離子電容，參見(jiàn)圖1所示。按照電容的定義，假設(shè)外加電場(chǎng)施加1V的電場(chǎng)強(qiáng)度，則單離子電容的電容量為：

$C=\frac{Q}{V}=\frac{1.6\&times;{10}^{-19}C}{1v}=1.6\&times;{10}^{-19}F=1.6\&times;{10}^{-7}pF$

下面通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)研究以水溶液為介質(zhì)是離子電容的變化規(guī)律，該離子電容包括上述的微電容和離子電容，為進(jìn)一步研究巖石電容變化規(guī)律提供幫助。實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟

1實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

采用一個(gè)PVC管，其直徑為2.5cm，長(zhǎng)度為150cm，采用這個(gè)測(cè)量裝置的主要目的是，測(cè)試不同距離、不同礦化度和不同頻率下介質(zhì)電阻和電容的變化規(guī)律。一個(gè)塑料容器，其大小是：長(zhǎng)×寬×高＝17cm×5.0cm×4.7cm，其內(nèi)裝有從江邊取來(lái)的沙子。這些沙子經(jīng)過(guò)篩選后，顆粒變化不大，且均勻放置在容器內(nèi)。采用這個(gè)裝置是模擬地下巖石的情況，測(cè)量巖石在不同距離、不同礦化度和不同頻率下介質(zhì)電阻和電容的變化規(guī)律。所采用的測(cè)量?jī)x器是日本日置公司LCR分析儀(Japan HIOKI IM3570LCR analyzer)。

2實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)量時(shí)，在PVC管內(nèi)注入一定量的淡水，管的一端固定一個(gè)測(cè)量極板，另一端放置一個(gè)移動(dòng)的極板，隨著注入淡水量的多少上下移動(dòng)，如此測(cè)量淡水水溶液的電容變化。然后采用工業(yè)鹽，分別配置0.2g/L和1.2g/L的NaCl鹽溶液，按照上述方法測(cè)量不同礦化度(即鹽濃度)的鹽溶液的電阻和電容變化，測(cè)量時(shí)選擇了兩個(gè)頻率點(diǎn)，100Hz和1kHz，測(cè)量結(jié)果列于表1和表2。

表1.

表2.

表1和表2中water為淡水。

一個(gè)長(zhǎng)17cm、寬5.0cm，高4.7cm的塑料盒，其內(nèi)裝滿了經(jīng)過(guò)清洗和篩選的河沙，清洗的目的是清除雜質(zhì)，篩選的目的是盡量使得被測(cè)量的介質(zhì)均勻。然后，在其內(nèi)注入一定濃度的鹽水，兩端放置面積略小于5.0×4.7cm2的兩個(gè)極板，其中一個(gè)固定，另一個(gè)可以移動(dòng)。在改變極板間距離和測(cè)量頻率的情況下，測(cè)量含鹽溶液的沙子的電阻和電容變化，從4Hz-5MHz進(jìn)行掃頻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果列于表3。

表3.

此外，還測(cè)量了不同礦化度條件下鹽溶液的電阻電容數(shù)據(jù)，測(cè)量的頻率范圍是4Hz-5MHz區(qū)間內(nèi)，由于數(shù)據(jù)量大，只將部分測(cè)量結(jié)果列于表4和表5。

表4.

表5.

表3-表5中，distance為極板間距離；Frequency為頻率；Salinity為鹽溶液濃度。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

很顯然，介質(zhì)的電阻和電容將隨著測(cè)量極板距離、溶液礦化度、測(cè)量頻率的變化而變化。下面分幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.1導(dǎo)電和介電與極板距離的關(guān)系

針對(duì)在PVC管內(nèi)測(cè)量的結(jié)果，分析了介質(zhì)電阻和電容與極板距離和礦化度的關(guān)系。如圖4所示，繪制了PVC圓形管內(nèi)淡水，濃度為0.2g/L和1.2g/L的NaCl溶液在100Hz和1KHz下電容隨測(cè)量極板距離的關(guān)系，從圖4中可以看出如下規(guī)律：

(1)在其他不變的情況下，礦化度越高，電容越大；

(2)在其他不變的情況下，頻率越高，電容越?。?/p>

(3)在其他不變的情況下，無(wú)論是淡水，還是鹽溶液為介質(zhì)的電容器，其電容量與距離成反比，近似為平方反比的關(guān)系。

圖5繪制的是塑料容器含鹽溶液沙子電容的變化曲線，從圖5中可以看出，上述三條變化規(guī)律仍然滿足。特別令人困惑的是，電容與距離的平方成反比。

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的可靠性，對(duì)電阻率進(jìn)行了同樣的分析，電阻與礦化度、測(cè)量頻率和距離之間的關(guān)系，繪于圖6?？梢钥闯?，電阻的大小與距離成正比，這與已知的物理規(guī)律是相符的。為了進(jìn)一步證實(shí)以溶液為介質(zhì)的電容與距離近似的平方反比關(guān)系，發(fā)明人還針對(duì)不同容器、不同溫度、不同濃度、不同頻率等各種變化的條件下進(jìn)行了大量的測(cè)試，所得結(jié)果基本一致。因此發(fā)明人得到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)：

(1)以溶液為介質(zhì)的電容器，與距離的平方成反比。

這個(gè)規(guī)律與已知的平行板電容器是不一樣的，下面做一個(gè)對(duì)比。

按照傳統(tǒng)物理規(guī)律，平行板電容的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，A：為平行板電極的面積，d：平行板電極之間的距離；ε0為真空介電常數(shù)。

按照前面分析得出的規(guī)律，以液體介質(zhì)電容的計(jì)算公式表示為：

(2)

則：

(3)

那么，ε_f為淡水或鹽溶液的介電常數(shù)，與真空中的介電常數(shù)不同，按照量綱來(lái)分析，ε_f的量綱為F。

通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，液體介質(zhì)和固體介質(zhì)形成的電容，介質(zhì)的電容與極板距離的平方成反比，這不同于常見(jiàn)的平行板電容器，這種變化規(guī)律可能是由于液體或固體更為復(fù)雜的極化和弛豫機(jī)理有關(guān)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。