CN110454145A - 基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，包括底座、圆盘、端盖和电路板，底座设有圆形凹槽，凹槽外侧设有多个定位柱，凹槽底面设有下金属片，内壁设有外金属片，圆盘悬空设置于凹槽内，圆盘上部设有支撑柱，每一支撑柱与一定位柱之间用一拉簧连接，圆盘底面设有上摩擦材料层和上电极，圆盘外壁设有内摩擦材料层和内电极，内摩擦材料层被外金属片环绕包围，端盖盖合密封底座，电路板监测上摩擦材料层与下金属片摩擦生电的频率，以及内摩擦材料层与外金属片摩擦生电的频率。本发明的有益效果：根据摩擦材料摩擦生电原理，弹簧支撑结构理将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。
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发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器。
背景技术
随着钻探技术的进步以及录井技术的提出与发展，钻具的振动，尤其是对井下钻杆振动特性的检测和研究逐渐成为矿业、石油等地质相关行业的热点领域。钻杆振动即在钻机钻探的过程中，钻头在钻杆的带动下高速转动，钻头破岩时与岩土之间的相互作用以及钻杆与岩壁间的碰撞摩擦使钻杆发生振动。钻杆振动是现在钻探工程中广泛存在的一种现象,它对钻探过程有很大的影响,并且钻杆的共振是造成钻杆破坏的重要因素。
钻杆振动可分为轴向振动、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。这三种振动都会对钻进过程产生不同程度的影响：钻头跳动会对钻进效率、钻机运行的平稳性安全性产生很大影响，降低了钻头和钻具底部组合等井下钻具以及井下随钻测井仪器的使用寿命。它的表现形式是大钩负荷出现高振幅的振动，钻机的钻速和钻杆钻杆的扭矩也会产生比较明显的变化。钻头的偏转会引起钻头的磨损率变高、井径增大和钻机钻速的降低。钻具的粘滑会使钻具接头间的扭矩变大和钻头钻进部件的疲劳损坏，严重时会导致钻杆螺纹变形，造成脱扣现象，最终使钻具由薄弱部位脱落井底、甚至发生钻杆扭断和刺穿的严重钻进事故。因此，实现井下振动的识别和测量是十分有必要的，作为振动特性的重要表征，井下振动频率的测量对分析振动特性和监测井下工况具有重要意义。
近些年来，用于井下振动测量的传感器层出不穷，但都是通过压电式、电容式加速度传感器实现了井下振动测量和分析的室内模拟试验，距离井下实际应用还有一定距离。
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发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器。
本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，包括底座、圆盘、端盖和电路板，所述底座上部设有圆形凹槽，所述凹槽外侧设有多个定位柱，凹槽底面设有下金属片，所述凹槽内壁设有环形的外金属片，所述圆盘悬空设置于所述凹槽内，所述圆盘上部设有多个支撑柱，每一所述支撑柱与一所述定位柱之间用一拉簧连接，所述圆盘底面设有上摩擦材料层，所述上摩擦材料层与所述下金属片相对设置，所述上摩擦材料层与所述圆盘底面之间还是设有上电极，所述上电极与所述下金属片分别连接所述电路板，所述圆盘外壁设有环形的内摩擦材料层，所述内摩擦材料层被所述外金属片环绕包围，所述内摩擦材料层与所述圆盘外壁之间还是设有内电极，所述内电极与所述外金属片分别连接所述电路板，所述端盖盖合密封所述底座，所述电路板设置于所述端盖与所述底座之间，所述电路板用于监测所述上摩擦材料层与所述下金属片摩擦生电的频率，从而确定钻杆轴向振动频率；所述电路板用于监测所述内摩擦材料层与所述外金属片摩擦生电的频率，从而确定钻杆横向振动频率。
进一步地，所述下金属片为圆形，所述上摩擦材料层和所述上电极均为圆形，且三种面积相同，所述摩擦材料层和所述上电极重叠并粘接，所述上电极粘接固定于所述圆盘底面。
进一步地，所述上电极和下金属片均为圆形铜片，所述外金属片与所述内电极均为环形铜片。
进一步地，所述定位柱和所述支撑柱的数量均为三个，且三所述定位柱排列成外等边三角形，三所述支撑柱排列为内等边三角形，所述内等边三角形的三边分别与所述外等边三角形的三边平行。
进一步地，所述上摩擦材料层与所述内摩擦材料层均为PTFE材料层。
进一步地，所述底座和端盖均为圆柱形，所述底座上部设有阶梯端面，所述凹槽设置于所述阶梯端面的上端面，所述阶梯端面的下端面设有环形密封槽，所述密封槽内设有密封圈，所述端盖下端螺纹连接所述密封槽并压紧所述密封圈。
进一步地，所述底座和所述端盖外壁均设有用于连接钻杆的外螺纹。
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发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，根据摩擦材料摩擦生电原理，通过测量上摩擦材料层与下金属片摩擦生电频率确定钻杆轴向振动频率，通过测量内摩擦材料层与外金属片摩擦生电频率确定钻杆横向振动频率，弹簧支撑结构理将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。
附图说明
图1是本发明基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器的剖视图；
图2是本发明基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器的主视图；
图3是本发明基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器的立体图；
图4是图1中底座1和圆盘2的示意图。
图中：1-底座、2-圆盘、3-端盖、4-凹槽、5-定位柱、6-支撑柱、7-拉簧、8-下金属片、9-上摩擦材料层、10-上电极、11-外金属片、12-内摩擦材料层、13-内电极、14-密封圈、15-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、2和3，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，包括底座1、圆盘2、端盖3和电路板。
请参考图1，所述底座1为圆柱形，其下部为空腔结构，上部为阶梯端面，所述阶梯端面包括上部的上端面和下部的下端面，所述上端面与所述下端面平行错开成阶梯设置，所述上端面中部设有圆形凹槽4，所述凹槽4外侧设有多个定位柱5，所述定位柱5固定于所述下端面上。本实施例中所述定位柱5的数量为三个，且三所述定位柱5排列成外等边三角形。
所述凹槽4的底面设有下金属片8，所述下金属片8为圆形铜片，通过粘接固定设置于所述凹槽4的中央，所述凹槽4内壁设有环形的外金属片11，所述外金属片11与所述凹槽4粘接固定，所述外金属片11为环形铜片，所述外金属片11的高度与所述凹槽4的深度相同。
请参考图1和图4，所述圆盘2上部设有多个支撑柱6，所述支撑柱6上端与所述定位柱5上端平齐，本实施例中所述支撑柱6的数量均为三个，且三所述支撑柱6排列为内等边三角形，所述内等边三角形的三边分别与所述外等边三角形的三边平行。所述圆盘2悬空设置于所述凹槽4内，每一所述支撑柱6与一所述定位柱5之间用一拉簧7连接。
所述圆盘2底面设有上摩擦材料层9，所述上摩擦材料层9与所述圆盘2底面之间还是设有上电极10，所述上摩擦材料层9和所述上电极10均为圆形，且面积相同，所述摩擦材料层9和所述上电极10重叠并粘接，所述上电极10粘接固定于所述圆盘2底面，使所述上摩擦材料层9与所述下金属片8相对设置。所述圆盘2外壁设有环形的内摩擦材料层12，所述内摩擦材料层12被所述外金属片11环绕包围，所述内摩擦材料层12与所述圆盘2外壁之间还是设有内电极13，所述内摩擦材料层12和所述内电极13均为圆环片，所述内电极13内壁与所述圆盘3外壁贴合粘接固定，所述内电极13外壁与所述内摩擦材料层12内壁粘接固定。本实施例中所述上电极10与所述内电极13均为导电性优良的铜质电极，所述上摩擦材料层9与所述内摩擦材料层12均为纳米材料PTFE材料层。
所述上电极10与所述下金属片8分别连接所述电路板，所述电路板可监测所述上摩擦材料层9与所述下金属片8摩擦生电的频率，所述内电极13与所述外金属片11分别连接所述电路板，所述电路板可监测所述内摩擦材料层12与所述外金属片11摩擦生电的频率。所述上摩擦材料层9与所述下金属片8摩擦生电，以及所述内摩擦材料层12与所述外金属片11摩擦生电，均可为所述电路板供电。
请参考图1和图4，所述端盖3为空心圆柱形且下端开口，所述端盖3盖合密封所述底座1，本实施例中为了保证密封效果，在所述阶梯端面的下端面边缘设置环形密封槽，所述密封槽内安置密封圈14，所述端盖3下端螺纹连接所述密封槽并压紧所述密封圈14，从而将所述底座1上部密封。所述电路板可固定于所述端盖3上或固定于所述圆盘2上，为了便于本发明的频率传感器与钻杆装配，在所述底座1外壁和所述端盖3外壁均设置外螺纹。在装配时，所述底座1和所述端盖3分别螺纹连接两钻杆，使所述频率传感器设置于两钻杆直接，或钻头附近钻杆的内管内部，通过螺纹连接固定。
本发明的一种基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器在监测钻杆振动频率时，所述频率传感器跟随钻杆振动。
当钻杆发生轴向振动时，在惯性作用所述圆盘2底面与所述凹槽4底面接触，所述上摩擦材料层9与所述下金属片8摩擦生电，且在所述拉簧7的作用下，所述上摩擦材料层9与所述下金属片8分离，所述电路板监测所述上摩擦材料层9与所述下金属片8产生电流信号的频率，该频率即为所述钻杆的轴向振动频率。
当钻杆发生轴向振动时，所述圆盘2外壁与所述凹槽4内壁接触，所述内摩擦材料层12与所述外金属片11摩擦生电，且在所述拉簧7的作用下，所述内摩擦材料层12与所述外金属片11分离，所述电路板监测所述内摩擦材料层12与所述外金属片11产生电流信号的频率，该频率即为所述钻杆的横向振动频率。
当所述频率传感器同时监测到所述上摩擦材料层9与所述下金属片8摩擦生电，以及所述内摩擦材料层12与所述外金属片11摩擦生电，说明钻杆发生扭转振动。
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发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：包括底座、圆盘、端盖和电路板，所述底座上部设有圆形凹槽，所述凹槽外侧设有多个定位柱，凹槽底面设有下金属片，所述凹槽内壁设有环形的外金属片，所述圆盘悬空设置于所述凹槽内，所述圆盘上部设有多个支撑柱，每一所述支撑柱与一所述定位柱之间用一拉簧连接，所述圆盘底面设有上摩擦材料层，所述上摩擦材料层与所述下金属片相对设置，所述上摩擦材料层与所述圆盘底面之间还是设有上电极，所述上电极与所述下金属片分别连接所述电路板，所述圆盘外壁设有环形的内摩擦材料层，所述内摩擦材料层被所述外金属片环绕包围，所述内摩擦材料层与所述圆盘外壁之间还是设有内电极，所述内电极与所述外金属片分别连接所述电路板，所述端盖盖合密封所述底座，所述电路板设置于所述端盖与所述底座之间，所述电路板用于监测所述上摩擦材料层与所述下金属片摩擦生电的频率，从而确定钻杆轴向振动频率；所述电路板用于监测所述内摩擦材料层与所述外金属片摩擦生电的频率，从而确定钻杆横向振动频率。
2.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述下金属片为圆形，所述上摩擦材料层和所述上电极均为圆形，且三种面积相同，所述摩擦材料层和所述上电极重叠并粘接，所述上电极粘接固定于所述圆盘底面。
3.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述上电极和下金属片均为圆形铜片，所述外金属片与所述内电极均为环形铜片。
4.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述定位柱和所述支撑柱的数量均为三个，且三所述定位柱排列成外等边三角形，三所述支撑柱排列为内等边三角形，所述内等边三角形的三边分别与所述外等边三角形的三边平行。
5.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述上摩擦材料层与所述内摩擦材料层均为PTFE材料层。
6.如权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述底座和端盖均为圆柱形，所述底座上部设有阶梯端面，所述凹槽设置于所述阶梯端面的上端面，所述阶梯端面的下端面设有环形密封槽，所述密封槽内设有密封圈，所述端盖下端螺纹连接所述密封槽并压紧所述密封圈。
7.如权利要求6所述的基于摩擦纳米发电机的地质钻探孔底多轴振动频率传感器，其特征在于：所述底座和所述端盖外壁均设有用于连接钻杆的外螺纹。
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