CN110439531A - 基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,包括底座、外球壳、内球壳和电路板,外球壳下部固定于底座上,内球壳放置于外球壳内部,内球壳表面覆盖有金属片,内球壳上方设有摩擦材料膜,摩擦材料膜张紧且边缘固定于外球壳内壁,电路板设置于外球壳内,电路板分别连接金属片和摩擦材料膜,底座用于连接钻杆,钻杆振动使内球壳在外球壳内部振动,金属片与摩擦材料膜摩擦生电产生电流信号,电路板监测该电流信号,并根据电流信号计算出钻杆的振动频率。本发明的有益效果:根据摩擦材料摩擦生电原理,通过测量摩擦材料膜与金属片摩擦生电频率确定钻杆振动频率。
Description
技术领域
本发明涉及地质钻井及仪器仪表设备技术领域,尤其涉及一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器。
背景技术
钻杆振动是钻探过程中无法避免且普遍存在的现象,可细分为轴向振动、横向振动以及扭转振动,在地面上的表现形式为:钻头跳动、钻杆偏转以及钻具粘滑。它对钻井进程会产生很大的影响:一方面,因为井下钻具振动而引起的钻具损坏、钻进异常等状况时有发生,不仅降低了钻进效率,增加了钻井成本,还给施工人员埋下了巨大的安全隐患;另一方面,钻杆适量的振动有利于提高钻机的钻进效率、减小滑动摩擦阻力,减小井下钻具的磨损。振动频率作为振动主要特征参数之一,是分析振动原因和振动规律的重要依据。因此,对井下振动频率进行测量和分析,可以实现井下工况信息的监测,实现钻头所钻岩层的岩性识别,有助于及时发现井下异样,有效地预防井下事故和由钻具振动所产生的钻井突发状况的发生,可以增长钻杆、钻头以及井下随钻测量仪器的使用寿命,极大地缩短钻探周期和减少钻井成本。
经过几十年的探索和研究,在钻杆振动测量方面,国外在大量理论研究与试验证明的基础上,已经系统提出了几种信号测量方法:通过安装在钻杆顶端的传感器在地面实现井下振动信号的收集与检测,即振动录井技术,其优点是传感器受环境影响较小,但其所采集到的振动信号是通过钻杆传导后测量获得的,振动信号发生变化,故该测量方法对数据的后续分析处理要求较高;使用综合录井仪检测井下振动信号,即通过观察钻机转速、钻压、扭矩等参数变化确定井下振动状况。但其应用局限性较大,很难反映水平井和定向井的破岩状况,检测精度得不到保障。
发明内容
有鉴于此,本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器。
本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,包括底座、外球壳、内球壳和电路板,所述外球壳下部固定于所述底座上,所述内球壳放置于所述外球壳内部,所述内球壳表面覆盖有金属片,所述内球壳上方设有摩擦材料膜,所述摩擦材料膜张紧且边缘固定于所述外球壳内壁,所述电路板设置于所述外球壳内,所述电路板分别连接所述金属片和所述摩擦材料膜,所述底座用于连接钻杆,所述钻杆振动使所述内球壳在所述外球壳内部振动,所述金属片与所述摩擦材料膜摩擦生电产生电流信号,所述电路板监测该电流信号,并根据所述电流信号计算出所述钻杆的振动频率。
进一步地,所述外球壳包括两个半球壳,两所述半球壳拼接形成球体,所述内球壳与所述外球壳结构相同。
进一步地,所述摩擦材料膜为圆形平面,所述摩擦材料膜水平设置且所述摩擦材料膜的边缘固定于所述外球壳的内壁。
进一步地,所述底座为圆柱体,所述底座上端面设有球形凹面,所述外球壳下部与所述球形凹面贴合并固定连接。
进一步地,所述摩擦材料膜的上表面设有电极,所述电极连接所述电路板。
进一步地,所述内球壳与所述金属片为一体成型的金属球壳。
进一步地,所述金属片为铜箔片,所述摩擦材料膜为聚四氟乙烯薄膜。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是:本发明的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,根据摩擦材料摩擦生电原理,通过测量摩擦材料膜与金属片摩擦生电频率确定钻杆振动频率,钻杆来自任意方向的振动转化为输出电信号,实现井下钻杆振动频率的实际测量,传感器自身可以产生电能,无需外加电源,减小安装空间。
附图说明
图1是本发明基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器的立体图;
图2是本发明基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器的主视图;
图3是图2中A-A剖面示意图。
图中:1-底座、2-外球壳、3-内球壳、4-摩擦材料膜、5-电极、6-金属片、7-外螺纹。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1和图2,本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,包括底座1、外球壳2、内球壳3和电路板。
请参考图3,所述底座1为圆柱体,所述底座1上端面设有球形凹面,所述底座1外壁上下两端均设有外螺纹7,通过两端的外螺纹7所述底座1可连接钻杆。
请参考图3,所述外球壳2为球形,其包括两个半球壳,一所述半球壳的开口边缘设有凹槽,另一所述半球壳的开口边缘设有凸块,两所述半球壳通过所述凹槽与所述凸块拼接形成所述外球壳2,可在所述凹槽与所述凸块的连接处填充密封材料保证密封所述外球壳2的密封性能。所述外球壳2的半径小于所述底座1半径,且与所述球形凹面的半径相等。所述外球壳2底部与所述球面凹面贴合并通过焊接固定,这里也可以将所述外球壳2的一半球壳与所述底座1一体成型。所述外球壳2内的上部设有摩擦材料膜4,所述摩擦材料膜4的上表面设有电极5。本实施例中所述摩擦材料4膜为圆形平面,所述摩擦材料膜4水平设置且所述摩擦材料膜4的边缘固定于所述外球壳2的内壁,这样使所述摩擦材料膜4具有较大的接触面积,所述摩擦材料膜4为纳米材料聚四氟乙烯薄膜,所述电极5为铜电极。
请参考图3,所述内球壳3设置于所述外球壳2内部且可自由滚动,所述内球壳3位于所述摩擦材料膜4的下方。本实施例中所述内球壳3与外球壳2的结构相同,均由两个半球壳拼接而成。所述内球壳3表面覆盖有金属片6,所述金属片6通过粘接固定于所述内球壳3表面,所述金属片6将所述外球壳3表面完全包裹住。所述金属片6为铜箔片,所述内球壳3与所述金属片6为一体成型,即所述内球壳3与所述金属片6材料相同为一个整体,这里优先选择金属球壳,如铜制球壳。
所述电路板固定设置于所述外球壳2内,所述电路板通过连接所述电极5连接所述摩擦材料膜4,所述电路板还连接所述金属片6,所述电路板监测所述摩擦材料膜4与所述金属片6摩擦生电产生的电流信号,且所述摩擦材料膜4与所述金属片6摩擦生电产生的电能为所述电路板供电。
本发明的一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器在测量钻杆振动频率时,将所述底座1通过其外壁的外螺纹7固定连接于两所述钻杆之间,或安装于钻头附近的内管总成内部,所述钻杆转动过程中振动,所述外球壳2跟随所述钻杆振动,由于惯性作用所述内球壳3外表面的金属片6与所述摩擦材料膜4接触并发生摩擦产生电流信号,所述电路板监测到该电流信号,确定摩擦生电频率,所述金属片6与所述摩擦材料膜4摩擦生电频率即为所述钻杆的振动频率。考虑到井下实时传输信号较为困难,通过在所述电路板上安装信号储存元件先收集存储所述频率传感器监测到的电流信号,待提出钻杆后,取出所述电路板,读取储存元件存储的电流信号进行分析处理。
在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,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 (7)
1.一种基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:包括底座、外球壳、内球壳和电路板,所述外球壳下部固定于所述底座上,所述内球壳放置于所述外球壳内部,所述内球壳表面覆盖有金属片,所述内球壳上方设有摩擦材料膜,所述摩擦材料膜张紧且边缘固定于所述外球壳内壁,所述电路板设置于所述外球壳内,所述电路板分别连接所述金属片和所述摩擦材料膜,所述底座用于连接钻杆,所述钻杆振动使所述内球壳在所述外球壳内部振动,所述金属片与所述摩擦材料膜摩擦生电产生电流信号,所述电路板监测该电流信号,并根据所述电流信号计算出所述钻杆的振动频率。
2.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述外球壳包括两个半球壳,两所述半球壳拼接形成球体,所述内球壳与所述外球壳结构相同。
3.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述摩擦材料膜为圆形平面,所述摩擦材料膜水平设置且所述摩擦材料膜的边缘固定于所述外球壳的内壁。
4.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述底座为圆柱体,所述底座上端面设有球形凹面,所述外球壳下部与所述球形凹面贴合并固定连接。
5.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述摩擦材料膜的上表面设有电极,所述电极连接所述电路板。
6.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述内球壳与所述金属片为一体成型的金属球壳。
7.如权利要求1所述的基于摩擦纳米的圆球式地质钻探孔底振动频率传感器,其特征在于:所述金属片为铜箔片,所述摩擦材料膜为聚四氟乙烯薄膜。
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