ГРАФИТОВЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ С МАЛОЙ ВЕЛИЧИНОЙ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ
GRAPHITE ELECTRODE FOR MARINE ELECTRIC EXPLORATION WITH LOW VALUE OF TIME CONSTANT

Область техники, к которой относится изобретение.
Графитовые электроды для морской электроразведки используется для геофизических исследований морского дна и предназначены для прогнозирования залежей углеводородов, карбонатов и прочих сопутствующих химических веществ. Отличительной особенностью графитового электрода является то, что он химически инертен и, по этой причине, может применяться для исследований водных акваторий, в которых присутствует сероводород.
Уровень техники.
Известен способ изготовления инертных электродов из графитовых стержней, используемых в спектроскопии, Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа. М.: Мир, 1985. Однако из-за высокой пористости эти электроды дают плохо воспроизводимые результаты.
Известен способ изготовления графитовых неполяризующихся электродов для электроразведки (Вольвовский Б.С. и др. Краткий справочник по полевой геофизике. М.: Недра, 1977), заключающийся в том, что очищенные графитовые стержни покрывают слоем деполяризатора, пропитанного электролитом. При этом используют графитовые стержни и деполяризатор, входящие как части в состав стандартных марганцево-цинковых элементов. Однако известно, что протекание химических реакций между ингредиентами, приводит к постоянному тренду потенциалов электродов во времени.
Известен «Способ изготовления неполяризующихся графитовых электродов для электроразведки» (патент SU 1067456, 1981, Богородский М.М. и др.), заключающийся в том, что очищенные графитовые стержни покрывают слоем деполяризатора, который предварительно многократно промывают дистиллированной водой, а затем электролитом. Полученные электроды отбирают попарно и тренируют знакопеременными импульсами, погрузив в естественный электролит среды. Однако заявленные авторами условия о том, что возможные электрохимические взаимодействия между компонентами электролита среды и составными частями электрода завершаются на стадии изготовления не подтверждаются при дальнейшей эксплуатации электродов, т.е. уход химических потенциалов электродов во времени составляет от единиц до десятков милливольт.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является применяемый для морской электроразведки «Неполяризующийся электрод» (патент RU 90224, 2009, Кяспер В.Э. и др.). Однако предложенная конструкция и применяемые материалы не определяют условий, которые обеспечивают возможность снижения постоянной времени электродной ячейки.
Раскрытие изобретения.
Технической задачей, решаемой автором, являлось создание графитового электрода с малой величиной постоянной времени электродной ячейки.
Величина постоянной времени электродной ячейки определяется при измерении явлений поляризации электрода. Возникновение поляризации электродов вызвано в первую очередь прохождением через них тока, а также замедленной скоростью переноса вещества к электроду, медленным внедрением ионов в кристаллическую решетку или медленным выводом ионов из нее.
Если на электродную пару подать разность потенциалов, в ней начинает протекать ток, состоящий из двух компонент. Фарадеевкий ток, обусловленный протеканием электрохимической реакции, и емкостной ток, обусловленный наличием двойного электрического слоя. Однако, при электроразведочных работах, уровень уверенно принимаемого сигнала должен быть более 5 мВ, т.е. тот случай, когда фарадеевский ток значительно меньше емкостного. Поэтому фарадеевский ток можно не рассматривать.
Импеданс электродной ячейки можно представить уравнением:
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>e</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>ν</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>R</mi><mi>e</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>e</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
где
- импеданс двойного электрического слоя электрода;
ν
R - объемное сопротивление раствора.
Объемное сопротивление раствора в процессе эксперимента не меняется.
e
Следовательно, изменение R связано с изменением импеданса двойного электрического слоя R.
Емкостной ток двойного электрического слоя в идеальных условиях определяется выражением:
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>C</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>E</mi><mo>)</mo></mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
d
где C - емкость поверхности электрода.
ν
Отсюда следует, что в случае скачкообразного изменения потенциала электрода ΔU эта зависимость имеет вид дельта функции Дирака, т.е. заряд двойного электрического слоя происходит мгновенно. В реальных условиях при импульсе ΔU, воздействующего напряжения U, электродный потенциал не изменяется скачком из-за наличия последовательного омического сопротивления, которое в основном определяется объемным сопротивлением R электролита.
c
Зависимость изменения напряжения на электроде ΔE и емкостного тока i от времени определяется уравнениями:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mrow><mo>⌊</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>τ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>b</mi><mi>Δ</mi><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>b</mi><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>⌋</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>ν</mi></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mi>exp</mi></mrow><mrow><mfrac><mrow><mo>−</mo><mi>t</mi></mrow><mi>τ</mi></mfrac></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>b</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Δ</mi><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mi>c</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>ν</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>b</mi><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>ν</mi></msub><msubsup><mi>c</mi><mi>d</mi><mn>0</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>b</mi><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mi>ν</mi></msub><msub><mi>C</mi><mi>d</mi></msub></mrow>
где
- постоянная времени ячейки пары электродов;
<mrow><msubsup><mi>C</mi><mi>d</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
- емкость электрода в отсутствие импульса ΔU,
b - коэффициент возрастания емкости от импульса ΔU.
d
Из уравнений (3) и (4) видно, что величина постоянной времени электродной ячейки τ определяется как произведение импеданса R между электродами и емкости двойного электрического слоя электрода C.
e
Из общего анализа теории и приведенных выше уравнений следует, что уменьшению постоянной времени электродной ячейки в первую очередь способствует уменьшение импеданса двойного электрического слоя R, что возможно за счет увеличения площади электрода. Увеличение площади электродов достигается созданием вокруг графитовых стержней пористой структуры с эффективной рабочей поверхностью.
Также уменьшение импеданса R достигается увеличением количества твердых графитовых стержней.
На основе вышеизложенного, была разработана конструкция электрода.
Описание устройства.
На Фиг.1 показан общий вид заявляемого электрода. Электрод состоит из трех твердых графитовых стержней (1), соединенных посредством пайки с выходным кабелем (2). Графитовые стержни (1) и твердый диэлектрический стакан (3) запрессованы в водонепроницаемый обтекатель (5). В полость стакана (3) помещен деполяризатор (4), отделенный от внешней среды полимерной проницаемой мембраной (6) и втулкой (7), которая фиксируется резиновой прокладкой (8).
Осуществление изобретения.
Технический результат достигается тем, что в качестве деполяризатора выбирается такая фракция графитового порошка, при котором за счет капиллярного эффекта осуществляется полная импрегнация водного раствора NaCl с плотностью не более 1,02 (аналог морской воды) в пористое пространство деполяризатора. Это возможно, если краевой угол смачивания на графите водного раствора NaCl не превышает 90 градусов, что в свою очередь обеспечивается, если радиус соединительных капилляров более 1 мкм. Исходя из вышеизложенного, фракцию графитового порошка для набивки электродного пространства выбирают от 1 мкм до 63 мкм. Несоблюдение этого требования приводит к отсутствию импрегнации деполяризатора водным раствором и, как следствие, уменьшению рабочей поверхности электрода. В свою очередь это резко повышает импеданс двойного электрического слоя и соответственно увеличивает постоянную времени электродной ячейки.
Снижение общего импеданса ячейки обеспечивается также за счет увеличения числа твердых графитовых стержней от 3 до 5, вместо 1.
Перечисленные выше факторы позволяют значительно снизить импеданс электродной пары и достигнуть величины постоянной времени релаксации сигнала менее 5 мс.
Преимущество данного устройства заключается в том, применение электродов с малой величиной постоянной времени релаксации сигнала в электродной ячейке снижает общую погрешность при выделении электрических сигналов вызванной поляризации исследуемой среды на фоне кривой электрической релаксации самого электрода.
Таким образом, достигается технический результат - обеспечивается возможность более корректной интерпретации экспериментальных данных и, как следствие, повышается точность информации о геофизических характеристиках исследуемой среды.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 представлен общий вид графитового электрода с тремя твердыми графическими стержнями.
На Фиг.2 представлен график амплитудно-частотной характеристики электродной ячейки. В точке пересечения амплитудной кривой с осью ординат построена касательная, которая пересекает линию установившегося значения измеренного сигнала. Отрезок на линии установившегося значения от начала координат до точки пересечения с касательной есть постоянная времени электродной ячейки. Из графика видно, что постоянная времени менее 5 мс.