CN106133859A - 一种单离子电容、微电容及离子电容 - Google Patents

Abstract

公开了一种单离子电容、微电容及离子电容，在电场的作用下，以单个水分子为介质，单个正离子和单个负离子位于单个水分子的两端形成的电容为单离子电容；以包裹着水膜的岩石颗粒为介质，单层正离子和单层负离子层位于包裹着水膜的岩石颗粒的两端形成的电容为微电容；离子电容包含上述的单离子电容和微电容。

Description

一种单离子电容、微电容及离子电容

技术领域

本发明涉及物质领域，具体涉及一种单离子电容、微电容及离子电容。

背景技术

自然界中的物质绝大多数是电介质。宏观物质在外加电场作用下产生电流的传导效应的大小用电导率来衡量，按照电导率的大小，可以将其分类：σ>10⁵Ω^-1·cm^-1叫做导体，σ<10^-10Ω^-1·cm^-1叫做绝缘体，而10^-10<σ<10⁵Ω^-1·cm^-1则叫做半导体。宏观物体在电场作用下产生电极化效应的大小可以用介电常数(电容率)ε来衡量。真空的介电常数等于1，而在一般情况下，所有的物质的介电常数都大于1，即ε≥1，并把ε≠1的物质叫做电介质。

地层中的岩石既有导电特性，也有介电特性。地层可以看成是一个巨大的电介质，而其导电则是由孔隙所含的地层水溶液完成的，水溶液的导电又源于其内溶解的各种离子。在地层条件下，这类离子通常是Na⁺，Mg²⁺，Ca²⁺，K⁺，Cl^-，OH^-，HCO₃ ^-，SO₄ ^2-，CO₃ ^2-以及其他离子，这些离子构成了地层导电的通路。因此，岩石的电性应该有两大部分组成，一是有孔隙间连通的水溶液形成通路的导电特性组成；另一部分则是由岩石矿物颗粒、油气分子、水分子等不导电的物质和粒子作为电介质而表现出的介电特性。但是在地层中，不论是导电还是介电，电流的通路都要受到岩石孔隙几何结构的影响，岩石的导电和介电特性与孔隙结构的关系在很多文献都有详细的阐述，在这里不再赘述。对于岩石电性的研究主要是集中在导电特性上，1941年K.S.Cole与R.H.Cole建立了介电常数Cole-Cole模型，其后大量学者开始对离子导电和岩石的极化过程进行了研究，分析非均匀多孔介质介电常数的特性。

发明内容

有鉴于此，发明人进行了大量的研究和实验，提出了一种单离子电容、微电容及离子电容(包括其计算方法)的发明，根据这一概念和方法可以计算岩石的宏观电容率，为进一步研发以粒子电为基础的测井技术奠定理论基础，为进一步研究岩石电容变化规律提供帮助，从而在电法测井技术中得到突出的应用。

所采用的技术方案为：

一种单离子电容，其是在电场的作用下，以单个水分子为介质，单个正离子和单个负离子位于单个水分子的两端形成的电容。

进一步地，所述单离子电容的电容量为：1.6×10^-7pF。

优选地，所述单个正离子为单个钠离子，所述单个负离子为单个氯离子。

一种微电容，其是在电场的作用下，以包裹着水膜的岩石颗粒为介质，单层正离子和单层负离子层位于包裹着水膜的岩石颗粒的两端形成的电容。

优选地，所述单层正离子为钠离子层，所述单层负离子为氯离子层。

一种离子电容，包括上述的单离子电容和上述的微电容。

优选地，所述正离子和负离子之间的距离为导电极板的距离，所述离子电容的离子电容量与导电极板的距离平方成反比。

进一步地，离子电容与导电极板的关系式为：

其中，C₀为离子电容量，ε_f为淡水或盐溶液的介电常数，ε_f的量纲为F；A为导电极板的面积；d为导电极板之间的距离。

通过上述的单离子电容、微电容以及包含该单离子电容和微电容的离子电容的提出，以及进一步提出离子电容与导电极板的距离平方成反比的关系，为进一步研究岩石电容变化规律提供帮助，可为电法测井中找到新的应用和突破。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单离子电容的结构示意图；

图2为微电容的结构示意图；

图3为一种电容的结构示意图；

图4为不同矿化度NaCl溶液不同频率下电容与极板距离的关系图(PVC管测量)；

图5为NaCl溶液不同频率下电容与极板距离的关系图(塑料盒测量)；

图6为NaCl溶液不同频率下电阻与极板距离的关系图(PVC管测量)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明优选的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

岩石的导电和介电能力取决于溶解于水溶液中大量的不同类型的正负离子，通常，这些离子可以等价为Na⁺和Cl^-离子，因此研究NaCl溶液的导电和介电特性就至关重要。发明人知道，纯水分子和油气分子都是不导电的，而导电的离子则像孤岛一样被油气分子和水分子隔离开，在孔隙溶液中，游离的离子是少数，大部分是呈分子状态水分子和碳氢化合物分子。如果把导电的Na+和Cl-离子看作是河流，把不导电的水分子和油气分子看作是陆地，因此就形成了“离子流(ion flux)”和“分子陆(molecule land)”这样一种模型。

如果在岩石两边加以交变电磁场，I＝I₀sin(ωt+θ₀)，则首先响应电磁场的是游离的离子，其结果是离子进行规则排列，在外加电场作用下，做定向移动，离子通过岩石孔隙，逐渐聚集在岩石两端，假设Cl^-聚集在岩石表面或井壁上，而在岩石相对面或远离井壁的地层处聚集Na⁺，从而在岩石内部也形成一个电场。这个过程表现出的是岩石的导电特性。

但是随着时间的推移，导电的离子越来越向岩石或地层的两端聚集，而中间则聚集了不导电的水分子、油气分子和矿物分子。在电法测井的过程中，相对稳定的电场将在一个很短的时间内建立起来，在岩石的孔隙内，游离的离子浓度将越来越少，从而，岩石将表现出介电特征。所以，电法测井中，导电的离子所形成的离子导电层将作为极板，而不导电的水分子、碳氢化合物分子和矿物骨架分子作为位于导电极板之间的介质，由此则构成了一个电容，参见图3所示(介质只示出了水分子)。

对于致密的岩层，孔隙吼道非常狭窄，连通性差，在水润湿相的岩石颗粒两端聚集了游离的正负离子，水膜和岩石颗粒为非导电介质，这样形成由1个或n个成对离子构成的微电容。并且地层中可能会形成多个这样的微电容，在电场的作用下，以包裹着水膜的岩石颗粒为介质，单层正离子和单层负离子层位于包裹着水膜的岩石颗粒的两端形成的电容，即为微电容，参见图2所示。这些电容之间可能连通，也可能不连通。

一般情况下，Na⁺的半径为Cl^-的半径为H⁺的半径为 岩石的孔隙吼道分布范围是从几-十几微米，水膜的厚度为不到1微米，留给离子运移的空间是离子体积的几万倍，在10⁴数量级。在水润湿相的岩石颗粒两端，可能分布聚集了至少几万个正负离子，形成由钠离子和氯离子做极板，包裹着一定厚度水膜的岩石颗粒为介质的微观电容。尽管目前还不能精确地计算其电容率，但是可以做些理论的推测。

如果岩石孔隙非常小，且孔隙之间没有连通，那么就可能形成以水分子为电介质的孤立的电容，如果考虑极端的情况，由单个离子和单个水分子形成的电容，其是在电场的作用下，以单个水分子为介质，单个正离子和单个负离子位于单个水分子的两端形成的电容，把这种电容称为单离子电容，参见图1所示。按照电容的定义，假设外加电场施加1V的电场强度，则单离子电容的电容量为：

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

下面通过一些实验来研究以水溶液为介质是离子电容的变化规律，该离子电容包括上述的微电容和离子电容，为进一步研究岩石电容变化规律提供帮助。实验装置和实验步骤

1实验测量装置

采用一个PVC管，其直径为2.5cm，长度为150cm，采用这个测量装置的主要目的是，测试不同距离、不同矿化度和不同频率下介质电阻和电容的变化规律。一个塑料容器，其大小是：长×宽×高＝17cm×5.0cm×4.7cm，其内装有从江边取来的沙子。这些沙子经过筛选后，颗粒变化不大，且均匀放置在容器内。采用这个装置是模拟地下岩石的情况，测量岩石在不同距离、不同矿化度和不同频率下介质电阻和电容的变化规律。所采用的测量仪器是日本日置公司LCR分析仪(Japan HIOKI IM3570LCR analyzer)。

2实验步骤

测量时，在PVC管内注入一定量的淡水，管的一端固定一个测量极板，另一端放置一个移动的极板，随着注入淡水量的多少上下移动，如此测量淡水水溶液的电容变化。然后采用工业盐，分别配置0.2g/L和1.2g/L的NaCl盐溶液，按照上述方法测量不同矿化度(即盐浓度)的盐溶液的电阻和电容变化，测量时选择了两个频率点，100Hz和1kHz，测量结果列于表1和表2。

表1.

表2.

表1和表2中water为淡水。

一个长17cm、宽5.0cm，高4.7cm的塑料盒，其内装满了经过清洗和筛选的河沙，清洗的目的是清除杂质，筛选的目的是尽量使得被测量的介质均匀。然后，在其内注入一定浓度的盐水，两端放置面积略小于5.0×4.7cm2的两个极板，其中一个固定，另一个可以移动。在改变极板间距离和测量频率的情况下，测量含盐溶液的沙子的电阻和电容变化，从4Hz-5MHz进行扫频测量，测量结果列于表3。

表3.

此外，还测量了不同矿化度条件下盐溶液的电阻电容数据，测量的频率范围是4Hz-5MHz区间内，由于数据量大，只将部分测量结果列于表4和表5。

表4.

表5.

表3-表5中，distance为极板间距离；Frequency为频率；Salinity为盐溶液浓度。

3.实验结果分析

很显然，介质的电阻和电容将随着测量极板距离、溶液矿化度、测量频率的变化而变化。下面分几个方面进行分析。

3.1导电和介电与极板距离的关系

针对在PVC管内测量的结果，分析了介质电阻和电容与极板距离和矿化度的关系。如图4所示，绘制了PVC圆形管内淡水，浓度为0.2g/L和1.2g/L的NaCl溶液在100Hz和1KHz下电容随测量极板距离的关系，从图4中可以看出如下规律：

(1)在其他不变的情况下，矿化度越高，电容越大；

(2)在其他不变的情况下，频率越高，电容越小；

(3)在其他不变的情况下，无论是淡水，还是盐溶液为介质的电容器，其电容量与距离成反比，近似为平方反比的关系。

图5绘制的是塑料容器含盐溶液沙子电容的变化曲线，从图5中可以看出，上述三条变化规律仍然满足。特别令人困惑的是，电容与距离的平方成反比。

为了验证实验测量结果的可靠性，对电阻率进行了同样的分析，电阻与矿化度、测量频率和距离之间的关系，绘于图6。可以看出，电阻的大小与距离成正比，这与已知的物理规律是相符的。为了进一步证实以溶液为介质的电容与距离近似的平方反比关系，发明人还针对不同容器、不同温度、不同浓度、不同频率等各种变化的条件下进行了大量的测试，所得结果基本一致。因此发明人得到一个新的认识：

(1)以溶液为介质的电容器，与距离的平方成反比。

这个规律与已知的平行板电容器是不一样的，下面做一个对比。

按照传统物理规律，平行板电容的计算公式如下：

(1)

式中，A：为平行板电极的面积，d：平行板电极之间的距离；ε0为真空介电常数。

按照前面分析得出的规律，以液体介质电容的计算公式表示为：

(2)

则：

(3)

那么，ε_f为淡水或盐溶液的介电常数，与真空中的介电常数不同，按照量纲来分析，ε_f的量纲为F。

通过多个实验证实，液体介质和固体介质形成的电容，介质的电容与极板距离的平方成反比，这不同于常见的平行板电容器，这种变化规律可能是由于液体或固体更为复杂的极化和弛豫机理有关。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单离子电容，其特征在于，在电场的作用下，以单个水分子为介质，单个正离子和单个负离子位于单个水分子的两端形成的电容。

2.如权利要求1所述的单离子电容，其特征在于，所述单离子电容的电容量为：1.6×10^-7pF。

3.如权利要求1所述的单离子电容，其特征在于，所述单个正离子为单个钠离子，所述单个负离子为单个氯离子。

4.一种微电容，其特征在于，在电场的作用下，以包裹着水膜的岩石颗粒为介质，单层正离子和单层负离子层位于包裹着水膜的岩石颗粒的两端形成的电容。

5.如权利要求4所述的微电容，其特征在于，所述单层正离子为钠离子层，所述单层负离子为氯离子层。

6.一种离子电容，其特征在于，包括权利要求1的单离子电容和权利要求4的微电容。

7.如权利要求6所述的离子电容，其特征在于，所述正离子和负离子之间的距离为导电极板的距离，所述离子电容的离子电容量与导电极板的距离平方成反比。

8.如权利要求7所述的离子电容，其特征在于，离子电容与导电极板的关系式为：

其中，C₀为离子电容量，ε_f为淡水或盐溶液的介电常数，ε_f的量纲为F；A为导电极板的面积；d为导电极板之间的距离。