自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，通过传感器单元表面上的连接结构整体构成多维度可变形钻柱振动传感器；其中对应传感器单元中的PTFE球被限定在传感器单元的筒状结构内；其中PTFE球与对应的传感器单元中铜/铝电极位置对应，当PTFE球和铜/铝电极接触时，即钻柱处于静止状态时；当钻柱产生振动时，在惯性力作用下，PTFE球在筒状结构做来回运动，静电感应作用产生电势差，电势差驱动地极电子向铜/铝电极移动；当PTFE球回位时，此时电势差驱动电子从铜/铝电极中转移到地极，从而在外部电路中出现反向电流，直至铜/铝电极与PTFE球相互接触，从而实时监测到各个位置、各个维度的振动信号。的振动信号。

【技术实现步骤摘要】
自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法


[0001]本专利技术涉及地质仪器仪表
，具体为一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法。

技术介绍

[0002]近些年来由于深层油气资源的需求量增加，对于钻具性能要求越来越高。钻探是一种利用专用工具自地表往地下深处钻孔的技术，是石油、天然气及固体矿产资源等的勘探开发的重要手段。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。
[0003]目前钻探领域对于孔底振动的研究主要集中在建立钻具振动数学模型的理论层面，然而理论模型无法完全真实反馈井下状态，最有效的办法便是利用井下传感器直接对振动状态进行测量。对于井下振动的测量，目前获取井下振动信号的方法主要有组合式传感器法，声学传感器法，加速度传感器法，光学传感技术，及神经网络和机器学习相结合的方法等。但现有的方法多采用电池或电缆进行供电，当钻井深度深达几千米以上时，采用电缆和电池的供电方式不仅会降低施工效率，还会增加施工难度及成本，因此最好的解决方案是将自然界中的能量转化为传感器工作所需的电量，实现实时自发电，即自供电的井下振动传感器。
[0004]通过调查研究发现，目前我们使用的钻井设备由于井下工况的复杂性，其结构复杂多样，要根据实际工况进行选型和使用。直井与多分支井常组合使用，井身结构复杂，井下设备庞大且精密，需要对井下各个结构的振动状态进行实时监测。而目前常用的井下振动传感装置的外观和结构都被固定，无法根据实际工况进行改变以适应周围设备及安装环境，难以与井身结构相契合，因此其稳定性也无法保证，从而造成传感器的测量数据可靠性差。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法，通过其异边形内部和外边缘形状，能够在横向、纵向及曲向上进行自由组合，可以适应结构较为精密的井下钻探装备，并根据其多变的外部特征可安装于井下钻柱的各个部分，以克服现有技术的不足。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，多个传感器单元通过传感器单元表面上的连接结构整体构成一个多维度可变形钻柱振动传感器；相邻传感器单元连接后，对应传感器单元中的PTFE球被限定在传感器单元的筒状结构内；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铜/铝电极和接地，当PTFE球和铜/铝电极接触时，即钻柱处于静止状态时；当钻柱产生振动时，由于铜/铝电极和PTFE球之间吸引电子
的能力不同，PTFE球表面带有摩擦负电荷，铜/铝电极表面带有摩擦正电荷；在惯性力作用下，PTFE球在筒状结构做来回运动，PTFE球与铜/铝电极产生距离，静电感应作用产生电势差，在外部电路中，电势差驱动地极电子向铜/铝电极移动；当PTFE球移动到最远处时，地极中的电子已经转移到铜/ 铝电极处，此时电势差达到平衡；当PTFE球回位时，电势平衡被打破产生电势差，此时电势差驱动电子从铜/铝电极中转移到地极，从而在外部电路中出现反向电流，直至铜/铝电极与PTFE球相互接触，重新达到电势平衡，从而实时监测到各个位置、各个维度的振动信号。
[0007]作为本专利技术的进一步方案：所述传感器单元包括主体，所述主体为上部密封的筒状结构，所述主体四周表面为榫卯式卡条结构；所述主体的筒状结构内表面上设置有内螺纹，在主体顶部设置有圆柱式凸台，在圆柱式凸台顶面铺设一层铜/铝电极，在圆柱式凸台的上设置有外螺纹；所述主体的筒状结构内设置有可活动的PTFE球，其中PTFE球与主体的筒状结构为间隙配合；
[0008]在主体其中一侧面上设置有内部带有内螺纹的浅槽结构。
[0009]作为本专利技术的进一步方案：所述多维度可变形钻柱振动传感器中相邻传感器单元的连接方式包括纵向连接和径向连接；
[0010]所述纵向连接是采用位于下方传感器单元的圆柱式凸台嵌入到上方传感器单元的筒状结构内，并通过螺纹连接配合，使得上方传感器单元的筒状结构形成密闭空间，上方传感器单元的PTFE球位于密闭空间内活动；
[0011]所述径向连接一是采用位于左侧传感器单元的圆柱式凸台嵌入右侧传感器单元的浅槽结构并通过螺纹连接，实现两个传感器单元的轴线相互相交的径向连接；二是采用位于左侧传感器单元的榫卯式卡条结构与右侧传感器单元的榫卯式卡条结构相互配合，实现两个传感器单元的轴线相互平行的径向连接。
[0012]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0013]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。
[0014]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。
[0015]3、该传感器可以通过异边形外壳在横向、纵向和曲向等多维度上进行自由组装(相互组合能形成多个多种类形状)。能够根据实际工况安装于钻柱的各个部分，对钻柱的运动状态进行实时测量，可以实时监测钻柱的振动频率和振动幅度。
附图说明
[0016]图1为本专利技术中传感器单元的主视图。
[0017]图2为本专利技术中传感器单元的主视图的俯视图。
[0018]图3为本专利技术中传感器单元的主视图的剖视图。
[0019]图4为本专利技术的传感器俯视组合示意图。
[0020]图5为本专利技术的传感器组合示意图。
[0021]图6为本专利技术的传感器的工作原理图。。
[0022]图中：1、主体；2、铜/铝电极；3、内螺纹；4、PTFE球；5、传感器单元；6、圆柱式凸台；7、浅槽结构；8、外螺纹。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]请参阅图1
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6，本专利技术提供一种技术方案：一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元5，多个传感器单元5通过传感器单元5表面上的连接结构整体构成一个多维度可变形钻柱振动传感器；相邻传感器单元5连接后，对应传感器单元5中的PTFE球4被限定在传感器单元5的筒状结构内；
[0025]所述传感器单元5包括主体1，所述主体1为上部密封的筒状结构，所述主体1四周表面为榫卯式卡条结构；所述主体1的筒状结构内表面上设置有内螺纹3，在主体1顶部设置有圆柱式凸台6，在圆柱式凸台6顶面铺设一层铜/铝电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元(5)，其特征在于：多个传感器单元(5)通过传感器单元(5)表面上的连接结构整体构成一个多维度可变形钻柱振动传感器；相邻传感器单元(5)连接后，对应传感器单元(5)中的PTFE球(4)被限定在传感器单元(5)的筒状结构内；其中PTFE球(4)与对应的传感器单元(5)中铜/铝电极(2)位置对应，采用导线的两端分别连接铜/铝电极(2)和接地，当PTFE球(4)和铜/铝电极(2)接触时，即钻柱处于静止状态时；当钻柱产生振动时，由于铜/铝电极(2)和PTFE球(4)之间吸引电子的能力不同，PTFE球(4)表面带有摩擦负电荷，铜/铝电极(2)表面带有摩擦正电荷；在惯性力作用下，PTFE球(4)在筒状结构做来回运动，PTFE球(4)与铜/铝电极(2)产生距离，静电感应作用产生电势差，在外部电路中，电势差驱动地极电子向铜/铝电极(2)移动；当PTFE球(4)移动到最远处时，地极中的电子已经转移到铜/铝电极(2)处，此时电势差达到平衡；当PTFE球(4)回位时，电势平衡被打破产生电势差，此时电势差驱动电子从铜/铝电极(2)中转移到地极，从而在外部电路中出现反向电流，直至铜/铝电极(2)与PTFE球(4)相互接触，重新达到电势平衡，从而实时监测到各个位置、各个维度的振动信号。2.根据权利要求1所述一种自发电式多维度可变形钻柱振动传感器的设...

【专利技术属性】
技术研发人员：王虎，吴川，兰永飞，王剑，张琳，李奇龙，林国冲，李勇，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：