CN116295791A - 自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，多个传感器单元依次放入环节套管内，所述每个传感器单元均设置有两层铜/铝电极，在两层铜/铝电极之间设置有PTFE球，其中PTFE球与对应的传感器单元中铜/铝电极位置对应，初始状态时整个系统达到电势平衡，当钻柱发生振动时，PTFE球作为内部的可自由活动结构，受到惯性力的影响发生上下振动，会打破系统平衡产生电势差，此时在外部电路中会产生电流；当PTFE球运动到上层铜/铝电极时，重新达到电势平衡；当PTFE球再次向下运动时，电势平衡再次被打破，因此在外部电路中会产生反向电流，从而实时监测到各个位置的振动信号。
Description
技术领域
本发明涉及地质仪器仪表技术领域，具体为一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法。
背景技术
在井下钻具工作过程中，由于钻头撞击和岩石摩擦等因素会产生振动，该振动对钻具的实际工作和使用寿命都有着严重影响。目前对钻具振动的研究主要借助传感器进行信号采集，但是对传感器供电问题研究较少，限制了传感器在井下的有效使用。而摩擦纳米发电机可以将外部的振动能有效的转化为电能，且在结构设计和材料选择方面有着独特的优势，因此本研究将井下钻具振动传感器与摩擦纳米发电机结合，对井下自供电传感器的实现进行研究发明。
钻杆的形状是由不同短节组装而成的，由于接头方式的多样性导致钻杆的内壁加厚形式不一致，因此钻杆内壁并不是标准的垂直面。同时在钻井过程中会在钻杆内部安装电缆或是其他钻探测量设备，传统振动传感器的结构被固定，柔韧度低，当面对曲面和其他设备时无法根据实际工况进行曲向的自由调节，因此我们需要设计出一种曲向可自由变形的振动传感器，能够根据曲面弧度进行自由弯曲，且能够绕过钻杆内部的其他钻探装备获得该阶段钻柱的振动信息。
传统的井下钻具根据传感器安装位置可分为地表测量方式及孔底测量方式，但都无法满足实际的生产需求，具体如下:地表测量方式的本质是将孔底振动通过介质传递到地表进行测量，因此其测量准确性及测量精度远小于孔底测量方式，故而其现阶段的应用范围较小。而孔底的测量方式虽可准确反应钻柱振动规律，但由于孔底距离地表的距离较长，有些油气钻井深度甚至超过7000多米，此时孔底传感器采用电池供电或电缆供电的方式都将增加钻探成本及降低钻井效率，不适宜实际工况需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，能够根据曲面弧度进行自由弯曲，且能够绕过钻杆内部的其他钻探装备获得该阶段钻柱的振动信息，同时可实现自供电的方式进行孔底振动频率的测量，无疑将更加适合实际的钻探需求，以克服现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，多个传感器单元依次放入环节套管内，所述每个传感器单元均设置有两层铜/铝电极，在两层铜/铝电极之间设置有PTFE球，其中PTFE球与对应的传感器单元中铜/铝电极位置对应，采用导线的两端分别连接两层铜/铝电极，初始状态时PTFE球由于重力作用与下层铜/铝电极相互接触，由于PTFE球和下层铜/铝电极得失电子能力的不同，PTFE球可以吸引下层铜/铝电极表面的负电荷从而使得整体材料带负电，由于静电感应作用，为了使整个系统达到电势平衡，下层铜/铝电极表面带有正电，此时电势差＝0；当钻柱发生振动时，PTFE球作为内部的可自由活动结构，受到惯性力的影响发生上下振动，PTFE球产生向上的作用力，与下层铜/铝电极产生分离，由于PTFE球是高分子材料所持有的负电性不容易消失，因此会打破系统平衡产生电势差，上层铜/铝电极会吸引下层铜/铝电极中的电子，此时在外部电路中会产生电流；当PTFE球运动到上层铜/铝电极时，下层铜/铝电极的正电荷已经全部转移到上层铜/铝电极中，此时重新达到电势平衡；当PTFE球再次向下运动时，电势平衡再次被打破，上层铜/铝电极的电子再次回到下层铜/铝电极中，因此在外部电路中会产生反向电流，直至再次达到平衡状态，从而实时监测到各个位置的振动信号。
作为本发明的进一步方案：所述传感器单元包括传感器上外壳和传感器下外壳，所述传感器上外壳和传感器下外壳均为半球壳结构，且彼此相互配合使得传感器单元整体形成球状结构；
在传感器上外壳内设置有上层铜/铝电极，所述上层铜/铝电极2与传感器上外壳的水平球面保持平行；
所述传感器下外壳内设置有下层铜/铝电极，所述下层铜/铝电极与传感器下外壳的水平球面保持平行；
所述上层铜/铝电极与下层铜/铝电极之间通过导线连通；所述上层铜/铝电极与下层铜/铝电极之间形成密封空间，在密封空间内设置有PTFE球。
作为本发明的进一步方案：所述下层铜/铝电极下部的传感器下外壳内填充有配重，通过设置有配重，利用了“不倒翁”的原理，使得球状传感器单元在环节套管内永远保持同一状态，即铜/铝电极层均位于水平面上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、相对于其他传统的测量方法，本传感器可以在井下原位进行实时测量，无需经过长距离的信号输出，测量数据更加精确，为排采工艺提供更加可靠的理论支撑。
2、采用接触起电原理，设计一种摩擦纳米传感器，利用电荷之间的相互作用产生电势差，从而产生电信号推导出钻柱振动的测量参数。与其他传统传感器相比，本传感器无需提供动力，更适合井下环境。
3、通过对传感器的结构进行调整，提出了可以在曲向多维度进行自由变化的传感器，能够应用在钻杆内部曲向角度变化较大的工况环境中。
附图说明
图1为本发明中传感器单元的主视图。
图2为本发明中传感器单元的主视图的爆炸图。
图3为本发明中传感器单元的半剖视图。
图4为本发明的传感器的剖视图。
图5为本发明的传感器组合示意图。
图中：1、传感器上外壳；2、上层铜/铝电极；3、PTFE球；4、下层铜/铝电极；5、配重；6、传感器下外壳；7、环节套管；8、传感器单元。
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一部分实施例，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做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。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，多个传感器单元依次放入环节套管7内。
所述传感器单元8包括传感器上外壳1和传感器下外壳6，所述传感器上外壳1和传感器下外壳6均为半球壳结构，且彼此相互配合使得传感器单元8整体形成球状结构；在传感器上外壳1内设置有上层铜/铝电极2，所述上层铜/铝电极2与传感器上外壳1的水平球面保持平行；所述传感器下外壳6内设置有下层铜/铝电极4，所述下层铜/铝电极4与传感器下外壳6的水平球面保持平行；所述上层铜/铝电极2与下层铜/铝电极4之间通过导线连通；所述上层铜/铝电极2与下层铜/铝电极4之间形成密封空间，在密封空间内设置有PTFE球3；所述下层铜/铝电极4下部的传感器下外壳6内填充有配重5，通过设置有配重，利用了“不倒翁”的原理，使得球状传感器单元在环节套管内永远保持同一状态，即铜/铝电极层均位于水平面上。
所述每个传感器单元均设置有两层铜/铝电极，在两层铜/铝电极之间设置有PTFE球，其中PTFE球与对应的传感器单元中铜/铝电极位置对应，采用导线的两端分别连接两层铜/铝电极，初始状态时PTFE球由于重力作用与下层铜/铝电极相互接触，由于PTFE球和下层铜/铝电极得失电子能力的不同，PTFE球可以吸引下层铜/铝电极表面的负电荷从而使得整体材料带负电，由于静电感应作用，为了使整个系统达到电势平衡，下层铜/铝电极表面带有正电，此时电势差＝0；当钻柱发生振动时，PTFE球作为内部的可自由活动结构，受到惯性力的影响发生上下振动，PTFE球产生向上的作用力，与下层铜/铝电极产生分离，由于PTFE球是高分子材料所持有的负电性不容易消失，因此会打破系统平衡产生电势差，上层铜/铝电极会吸引下层铜/铝电极中的电子，此时在外部电路中会产生电流；当PTFE球运动到上层铜/铝电极时，下层铜/铝电极的正电荷已经全部转移到上层铜/铝电极中，此时重新达到电势平衡；当PTFE球再次向下运动时，电势平衡再次被打破，上层铜/铝电极的电子再次回到下层铜/铝电极中，因此在外部电路中会产生反向电流，直至再次达到平衡状态，从而实时监测到各个位置的振动信号。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，其特征在于：多个传感器单元依次放入环节套管(7)内，所述每个传感器单元均设置有两层铜/铝电极，在两层铜/铝电极之间设置有PTFE球，其中PTFE球与对应的传感器单元中铜/铝电极位置对应，采用导线的两端分别连接两层铜/铝电极，初始状态时PTFE球由于重力作用与下层铜/铝电极相互接触，由于PTFE球和下层铜/铝电极得失电子能力的不同，PTFE球可以吸引下层铜/铝电极表面的负电荷从而使得整体材料带负电，由于静电感应作用，为了使整个系统达到电势平衡，下层铜/铝电极表面带有正电，此时电势差＝0；当钻柱发生振动时，PTFE球作为内部的可自由活动结构，受到惯性力的影响发生上下振动，PTFE球产生向上的作用力，与下层铜/铝电极产生分离，由于PTFE球是高分子材料所持有的负电性不容易消失，因此会打破系统平衡产生电势差，上层铜/铝电极会吸引下层铜/铝电极中的电子，此时在外部电路中会产生电流；当PTFE球运动到上层铜/铝电极时，下层铜/铝电极的正电荷已经全部转移到上层铜/铝电极中，此时重新达到电势平衡；当PTFE球再次向下运动时，电势平衡再次被打破，上层铜/铝电极的电子再次回到下层铜/铝电极中，因此在外部电路中会产生反向电流，直至再次达到平衡状态，从而实时监测到各个位置的振动信号。
2.根据权利要求1所述一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，其特征在于：所述传感器单元(8)包括传感器上外壳(1)和传感器下外壳(6)，所述传感器上外壳(1)和传感器下外壳(6)均为半球壳结构，且彼此相互配合使得传感器单元(8)整体形成球状结构；
在传感器上外壳(1)内设置有上层铜/铝电极(2)，所述上层铜/铝电极(2)与传感器上外壳(1)的水平球面保持平行；
所述传感器下外壳(6)内设置有下层铜/铝电极(4)，所述下层铜/铝电极(4)与传感器下外壳(6)的水平球面保持平行；
所述上层铜/铝电极(2)与下层铜/铝电极(4)之间通过导线连通；所述上层铜/铝电极(2)与下层铜/铝电极(4)之间形成密封空间，在密封空间内设置有PTFE球(3)。
3.根据权利要求1所述一种自驱动式环节状曲向可变形钻柱振动传感器的设计方法，其特征在于：所述下层铜/铝电极(4)下部的传感器下外壳(6)内填充有配重(5)。
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