巖石是如何導(dǎo)電的呢?地層是由巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖組成的，各類巖石又包含成巖礦物顆粒、孔隙以及空隙流體組分。成巖礦物主要是石英、長石、方解石、白云石、石膏等，這些都是不導(dǎo)電的。純巖石的電阻率非常高，其電阻一般在幾千~幾十萬歐米的范圍，以石英為例，其電阻率幾乎已經(jīng)達(dá)到絕緣體的范疇。由此看來，導(dǎo)電的任務(wù)就落在了巖石孔隙中的流體身上了。

地層流體主要是地層水、石油和天然氣。石油和天然氣都是烴類化合物，是不導(dǎo)電的，而地層水本身也是不導(dǎo)電的，真正導(dǎo)電的是溶解在地層水中的大量的陰陽離子。正是由于地層中這些離子的存在才使得大地具有導(dǎo)電性。所以說地層的導(dǎo)電，實(shí)際上是溶解在地層流體中的離子導(dǎo)電，而非巖石骨架中電子導(dǎo)電。

經(jīng)研究表明在外加電磁場的作用下，泥頁巖的微納孔縫結(jié)構(gòu)中會形成以下三類非常規(guī)的微觀離子電容模型：

將這三類微觀離子電容模型可以抽象為以下統(tǒng)一模型：

微觀離子電容(microscopic ion capacitor)是與常規(guī)電容有顯著差異的，具體來講，有 以下幾個 方 面的不 同：

(1)形狀不規(guī)則，與平行板電容器不同，巖石微納米多孔介質(zhì)中的離子電容是在孔隙 中形成的，所以其形 狀 受 到 孔隙結(jié)構(gòu) 的限 制 ， 往往 都 是 規(guī)則 不對 稱 的。

(2)電極的兩極板是由溶液中陰陽離子構(gòu)成的，而不是由金屬板上的自由電子或空穴 形成，此 外 ， 溶 液 中的 陰陽 離 子 可 能 由于 泥頁 巖 Zeta 電 勢 的 影 響， 陰陽 兩極 電 荷 可 能 并 不 平 衡 。

(3)微觀離子電容極板間的距離是微米、納米級的，并且是變化的。陰陽離子的 半徑 不一 樣 ， 導(dǎo) 致 極板 的距離 并 不是 恒 定 的， 除極板 距離 外 ， 極板 的面積也是不 斷 變 化 的。

(4)與平行板電容不同，平行板電容的極板長度與極板間距離相比大很多， 而 離 子 電 容 的 兩極 之 間 的距離與電 容 兩極極板 長度相比，可 能 相 等 ，甚 至 大于 極板 的長度。

(5)離子電容是動態(tài)變化的，離子電容的兩極板以及極板間的溶液在孔隙壓差和電勢 壓 差 的 雙重作用 下 運(yùn) 動， 陰陽 離 子 的 數(shù)量 、離 子 價 都 是隨 時 變 化 的，所以， 極板 上的電 勢 是隨 時 變 化 的， 而油 氣水介質(zhì)一 直 處 于 流 動 狀 態(tài) ，即介質(zhì)本身也是隨 時 變 化 的。

頁 巖 微納米孔 縫 結(jié)構(gòu) 中， 微觀粒子 電 容 的這 些 特征使得 頁 巖 儲 層的電學(xué)特性非常 復(fù) 雜 。因此 需 要 做 更加 深入 細(xì)致 的研究， 才能建立 適 合頁 巖類 致密儲 層的電學(xué) 模型 ，上 述 分 析 還說 明 ， 頁 巖類 致密儲 層中，不僅僅是導(dǎo)電特征， 更 多地 表 現(xiàn) 為 介電特征。

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本書是《巖石中離子導(dǎo)電與介電》的延續(xù)，主要介紹巖石導(dǎo)電與介電機(jī)理，特別是從微觀角度，建立流體及其內(nèi)粒子在多場作用下的滲流運(yùn)動方程。本書第 1 章主要講述地層微納儲集空間的特征及其表征方法；第 2 章講述巖石孔隙流體中的主要粒子，包括氫、水和甲烷的物理運(yùn)動、光譜學(xué)特征及化學(xué)特征；第 3 章重點(diǎn)介紹微納孔中泥頁巖、黃鐵礦、石墨、流體的導(dǎo)電、介電、電泳和電滲析的相關(guān)知識和物理規(guī)律，比較詳細(xì)地討論黃鐵礦、石墨化等對外加磁場作用的影響，為后面建立頁巖微觀粒子電容奠定基礎(chǔ)；第 4 章特別從微觀與宏觀的角度，介紹孔隙流體的力與場，包括毛管力、分子力、化學(xué)鍵力、Zeta 電勢力、滲流壓力以及外加電磁場力等內(nèi)容，為第 5 章建立統(tǒng)一流體方程奠定基礎(chǔ)；第 5 章是在前4章內(nèi)容的基礎(chǔ)上，建立一個包含了多種力場共同作用的微納米空間流體運(yùn)動方程，這是本書的重點(diǎn)和創(chuàng)新的內(nèi)容；第 6 章是對從低頻到高頻全譜電法測井儀器研發(fā)的思考和展望，以期引起業(yè)界同仁的關(guān)注，吸引更多年輕人的加入，共同研究，攻克難題。

本書既可以作為石油類院校巖石物理等相關(guān)專業(yè)研究生的參考用書! 也 可以作為致力于研究巖石電學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的科研人員 # 油田專家和現(xiàn)場 技術(shù)人員的參考用書。

本文摘自科學(xué)出版社2024年12月出版《巖石中離子導(dǎo)電與介電（2）》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：羅莉

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