一种用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器

技术领域

本发明涉及井底钻具振动参数测量设备技术领域，尤其涉及一种用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器。

背景技术

我国国内对地下矿产资源的评估与开采主要采用钻井技术，在钻井过程中，井下钻具组合受交变应力的影响会发生不同的振动，进而产生疲劳破损，对钻具产生损坏。钻具工作过程中发生的振动类型分为三种：扭转振动、轴向振动、横向振动，其中横向振动对钻具影响最大。目前，市场上对轴向振动研究已经成熟，研究制造出MWD(随钻测量)、LWD(随钻测井)等振动测量系统，但缺乏较为简易、低成本的可以监测井下钻具横向振动的传感器，尤其是缺乏对于振幅测量的传感器。而且随着钻井深度的增加，井下传感器需要更长的电缆或者更大体积的电池提供能源，大大影响了钻井效率。因此，急需设计一种可以监测钻具横向振动的传感器，同时实现减少对外部电源的依赖和当横向振动超过工作要求时发出警报。

发明内容

有鉴于此，为了解决钻具横向振动参数的测量及依赖于外部电源的问题，本发明提供了一种用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器，结构简易、成本低、可自供电、可测量钻具横向振动参数。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器，包括：第一亚克力板、第一感应电极、第一纳米摩擦材料膜、第二亚克力板、第二感应电极、第二纳米摩擦材料膜、壳体、小球、感应电极组和弧形支撑块；

所述壳体与钻具连接，所述壳体内底部安装所述第一亚克力板，所述第一亚克力板上表面从下至上有所述第一感应电极和所述第一纳米摩擦材料膜；

所述第二亚克力板位于所述第一亚克力板正上方，所述第二亚克力板下表面从上至下有所述第二感应电极和所述第二纳米摩擦材料膜；

所述第二亚克力板上表面通过弹簧与所述弧形支撑块连接，所述弧形支撑块用于支撑所述小球滚动，与所述小球接触表面粘贴所述感应电极组；

所述感应电极组连接至单片机，所述小球受钻具振动作用滑动，单片所述机采集到所述感应电极组的输出信号，并根据所述感应电极组中感应电极位置计算得到钻具的横向振动振幅与频率，同时所述感应电极组底部与所述弧形支撑块连接的所述第二亚克力板随钻具上下振动，所述第一纳米摩擦材料膜和所述第二纳米摩擦材料膜发生摩擦起电与静电感应，通过静电采集到输出信号，进而计算得到钻具的轴向振动频率。

优选地，所述感应电极组包括多个感应电极，每个所述感应电极均匀分布，分别与所述单片机的多个I/O口相连。

优选地，所述弹簧高度需保证在静止状态下所述第一纳米摩擦材料膜与所述第二纳米材料膜相接触。

优选地，所述第一感应电极与所述第二感应电极通过静电计相连，所述第一纳米摩擦材料膜与所述第二纳米材料膜相摩擦产生电信号的频率即为钻具的轴向振动频率。

优选地，所述感应电极组为同心圆环状，中心的感应电极为圆形状。

优选地，所述第一亚克力板、所述第一感应电极、所述第一纳米摩擦材料膜、所述第二亚克力板、所述第二感应电极和所述第二纳米摩擦材料膜均为圆形状，其中所述第一感应电极、所述第一纳米摩擦材料膜、所述第二感应电极和所述第二纳米摩擦材料膜面积均相等。

优选地，所述壳体为中空圆柱体结构，包括外壳和顶盖，所述弧形支撑块固定安装于所述壳体内部。

优选地，所述第一纳米摩擦材料膜为PMMA薄膜，所述第二纳米摩擦材料膜为Kapton薄膜。

优选地，所述小球由纳米材料构成。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：采用摩擦发电与静电感应原理，基于摩擦纳米发电机理论将振动能转化为电能为单片机供电，实现了传感器的自供电与自传感，减轻了对外部电源的依赖，有效降低成本，同时收集到的振动能可以为其他小型静态参数测量器供电；可以实现对井下钻具横向振动频率、振幅的测量，当出现以下两种情况：

1)当钻井深度较浅工作时采集到横向振动输出信号；

2)当钻井深度较深达到浅井、深井工作时采集到的横向振动振幅或频率超过钻具正常工作要求；

可以通过单片机开发板进行报警处理，对钻具的工况进行监测；本传感器可以在监测横向振动的同时测量钻具轴向振动的振动频率，实现对振动多方向数据测量及能量收集。

附图说明

图1为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器的主视图；

图2为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器的A-A剖面示意图；

图3为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器弧形表面感应电极分布图；

图4为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器纳米摩擦材料示意图；

图5为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器内部结构图；

图6为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器爆炸图；

图7为本发明用于井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器整体示意图；

图中：

1-第一亚克力板；2-第一感应电极；3-第一纳米摩擦材料膜；4-第二亚克力板；5-外壳；6-小球；7-顶盖；8-感应电极组；9-弧形支撑块；10-弹簧；11-第二感应电极；12-第二纳米摩擦材料膜。

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、图2和图6，本发明实施例提供了一种井下钻具振动测量及安全监测的自供电传感器，包括第一亚克力板1、第一感应电极2、第一纳米摩擦材料膜3、第二亚克力板4、第二感应电极11、第二纳米摩擦材料膜12、壳体、小球6、感应电极组8和弧形支撑块9。

所述第一纳米摩擦材料膜为PMMA薄膜，所述第二纳米摩擦材料膜为Kapton薄膜；

所述小球由纳米材料构成。

请参考图1和图7，所述壳体为封闭绝缘壳体，所述壳体装于井下钻具，与钻具同步振动。这里所述壳体为中空的圆柱筒体，具体包括上端开口的中空圆柱外壳5和顶盖7，所述顶盖7与所述外壳5上端口盖合，密封所述外壳5上端口。

请参考图2，所述弧形支撑块9安装固定于外壳5内部，感应电极组8粘贴于弧形支撑块9表面，小球6处于弧形支撑块9中心位置，与感应电极组8中心感应电极接触，钻具振动时，小球做左右摇摆运动，与不同感应电极发生接触分离，输出信号。

请参考图2和图3，所述感应电极组8包括5个圆环状感应电极和1个圆形感应电极均匀分布在弧形表面，各感应电极之间间距相等，圆形感应电极位于弧形表面中心。

请参考图2和图5，所述第二亚克力板4通过弹簧10与弧形支撑块9底部连接，钻具振动时，由于弹簧10在重力和惯性作用发生上下振动，底面粘贴所述第二感应电机11与所述第二纳米摩擦材料膜12，与底部的第一亚克力板1上的第一纳米摩擦材料膜3发生接触摩擦起电，所述弹簧10均匀安装在弧形支撑块9与第二亚克力板4之间。

请参考图4，所述第一感应电极2、所述第一纳米摩擦材料膜3、所述第二感应电极11和所述第二纳米摩擦材料膜12面积直径均相等，均为圆盘形状。

请参考图2和图3，上述传感器通过壳体与钻具连接，跟随钻具同步振动，其实际工作过程如下：

1.感应电极组8中感应电极从内向外依次与单片机的I/O口相连，单片机接地。钻具发生横向振动时，小球6在弧形支撑块9上沿着弧形表面发生滚动，与感应电极组8中不同的感应电极产生摩擦，在小球6和感应电极组8表面产生感应电荷，进而产生电势差，此电压信号传输到单片机中。小球6在振动作用下会与多个感应电极发生摩擦，因此在单片机中下载入可以实现通过对应的I/O口判断出小球能够摩擦到的、最高的感应电极的程序，通过输出端口最高位所对应的感应电极判断出横向振动振幅。同时，小球6在每次经过最中心圆形感应电极时会输出电压，通过单片机计算两次电压输出的时间差，进而获得横向振动的频率。

2.假设实际工作过程中横向振动振幅要求为小球6滚动位置达到第三块感应电极，当小球6滚动最高位置低于第三块感应电极时传感器正常测量振幅与频率，当滚动位置高于第三块感应电极时单片机在测量参数同时会触发报警，与单片机连接的开发板上蜂鸣器发出声音。

3.传感器底部的第一亚克力板1、第一感应电极2、第一纳米摩擦材料膜3、第二亚克力板4、第二感应电极11、第二纳米摩擦材料膜12在弹簧10和振动的作用下实现接触分离，两个铜感应电极(第一感应电极2和第二感应电极11)通过导线与静电计相连，将采集到的波形传输到PC端软件。在轴向振动过程中，第一纳米摩擦材料膜3与第二纳米摩擦材料膜12不断进行接触分离，在二者表面上产生感应电荷，形成电势差，将整个工作过程中输出的电压波形通过静电计传输到PC端，计算获得轴向振动频率。

所述单片机与各所述感应电极组8中感应电极连接，这里所述单片机的I/O接口通过导线分别连接感应电极组8的每个感应电极，所述单片机可检测到所述感应电极组上产生的电信号。

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。