一种用于定向钻探的工具面角传感器

技术领域

本发明属于钻探工程设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种用于定向钻探的工具面角传感器。

背景技术

在定向钻进的过程中，确保井下钻井工具的准确导向十分重要。如果钻进方向有误，不仅会导致钻探无法取得预期的成果，更严重会导致钻进到危险地方，产生重大经济损失。在井下作业中，特别是在复杂的地质条件下，工具面角传感器可以提供对工具位置和方向的准确监测，从而帮助预防潜在的危险情况。准确的方位和倾角信息有助于避免钻头卡住或工具失控等安全问题，因此有必要对钻具的钻进角度进行监测控制。

为了针对钻具钻进角度进行监测，人们设计了相应的工具面角度传感器。传统的工具面角度传感器是通过光感应实现，这种传感器感应效果好，但存在着一些缺点。如其中的指示灯存在着一定间隔，不能实现无级角度监测。对于角度要求精度高的场景就无法胜任。同时还存在着需要外部供电的情况。传统的井下传感器的供电方式为电缆式和电池式，电缆式在电缆的布置安装阶段十分麻烦，而电池式存在着电量有限，不能持续供电的问题，并且后续更换电池繁琐，如果能实现工具面角传感器的自供电，则极大的减小了工作时间。因此可以考虑开发一种能实现自供电的无级工具面角度传感器来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于定向钻探的工具面角传感器，通过在圆筒形结构的外壳内侧设置三角形的摩擦纳米层，在摩擦纳米层上设置圆形的金属棒，金属棒可在摩擦纳米层上滚动产生不同的电信号，在不同的位置，金属棒和PTFE摩擦纳米层摩擦所产生的电信号的幅值均不相同，根据幅值大小的变化，可以判断金属棒位于哪个位置，进而判断钻具偏移的角度。同时，由于金属棒和PTFE摩擦纳米层的接触面积大小是连续变化的，因此可以实现无级角度测量，有效的解决了上述存在的技术问题。

本发明一种用于定向钻探的工具面角传感器的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：

一种用于定向钻探的工具面角传感器，它包括上端盖、下端盖和外壳，所述上端盖和下端盖分别连接到外壳两端，在外壳内部分别设置有内壳和金属棒，所述内壳两端分别连接到上端盖和下端盖上，金属棒活动位于内壳和外壳之间的夹层内，在上端盖上设置有电缆接头，在内壳内设置有电路板，在外壳内侧壁上设置有摩擦纳米层，所述摩擦纳米层通过电线连接到电路板上，电线另一端穿过电缆接头引出。通过在圆筒形结构的外壳内侧设置三角形的摩擦纳米层，在摩擦纳米层上设置圆形的金属棒，金属棒可在摩擦纳米层上滚动产生不同的电信号，在不同的位置，金属棒和PTFE摩擦纳米层摩擦所产生的电信号的幅值均不相同，根据幅值大小的变化，可以判断金属棒位于哪个位置，进而判断钻具偏移的角度。同时，由于金属棒和PTFE摩擦纳米层的接触面积大小是连续变化的，因此可以实现无级角度测量。

所述上端盖中间设置有惯穿的连接孔，电缆接头连接到连接孔上，在上端盖内侧分别设置有两个凸台一和凸台二，外壳通过凸台一卡接到上端盖上，内壳通过凸台二卡接到上端盖上，凸台一位于凸台二外侧。通过电缆接头和电线可以将金属棒和PTFE摩擦纳米层摩擦所产生的电信号传输到外面，即可检测到钻具偏移的角度。上端盖和外壳通过螺栓连接。

所述下端盖内侧分别设置有两个凸台三和凸台四，外壳通过凸台三卡接到下端盖上，内壳通过凸台四卡接到下端盖上，凸台三位于凸台四外侧。下端盖和外壳通过螺栓连接。下端盖通过连接件连接到随钻测量短节中，实现传感器的整体固定。

所述上端盖和下端盖与外壳之间设置有密封圈密封。密封圈为O型密封圈，共两个，实现整体的密封功能。

所述金属棒为铜棒，横截面为圆形，两端直径相同。通过金属棒与PTFE摩擦纳米层摩擦，即可产生不同信号值的信号，实现无级角度测量的同时，也能实现自供电功能，不再需要外接电源了。

所述凸台一为圆形，凸台二为圆形或者方形。

所述凸台三与凸台一相同，凸台四与凸台二相同。

所述内壳横截面为圆形或者方形且与凸台二和凸台四相配，在内壳侧壁上设置有供电线穿过的线孔。内壳通过凸台二和凸台四与上端盖和下端盖相配进行位置固定。

所述摩擦纳米层在外壳内侧展开面上呈三角形且占外壳内表面积一半，摩擦纳米层材料为PTFE。

电路板为一电路板，将K2端接受的电信号整理，从K1段通过导线发射出去。

本发明至少包括以下有益效果：

通过在圆筒形结构的外壳内侧设置三角形的摩擦纳米层，在摩擦纳米层上设置圆形的金属棒，金属棒可在摩擦纳米层上滚动产生不同的电信号，在不同的位置，金属棒和PTFE摩擦纳米层摩擦所产生的电信号的幅值均不相同，根据幅值大小的变化，可以判断金属棒位于哪个位置，进而判断钻具偏移的角度。同时，由于金属棒和PTFE摩擦纳米层的接触面积大小是连续变化的，因此可以实现无级角度测量，大大提高了测量精度和使用寿命，同时也提高了工作效率。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的外形结构示意图；

图3为本发明的横截面剖视图；

图4为本发明的工作原理示意图；

图5为本发明的安装位置示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

本发明提供一种用于定向钻探的工具面角传感器，如附图1-5所示，它包括上端盖2、下端盖5和外壳3，所述上端盖2和下端盖5分别连接到外壳3两端，在外壳3内部分别设置有内壳6和金属棒8，所述内壳6两端分别连接到上端盖2和下端盖5上，金属棒8活动位于内壳6和外壳3之间的夹层内，在上端盖2上设置有电缆接头1，在内壳6内设置有电路板7，在外壳3内侧壁上设置有摩擦纳米层10，所述摩擦纳米层10通过电线9连接到电路板7上，电线9另一端穿过电缆接头1引出。

通过在圆筒形结构的外壳3内侧设置三角形的摩擦纳米层10，在摩擦纳米层10上设置圆形的金属棒8，金属棒8可在摩擦纳米层10上滚动产生不同的电信号，在不同的位置，金属棒8和PTFE摩擦纳米层10摩擦所产生的电信号的幅值均不相同，根据幅值大小的变化，可以判断金属棒8位于哪个位置，进而判断钻具偏移的角度。同时，由于金属棒8和PTFE摩擦纳米层10的接触面积大小是连续变化的，因此可以实现无级角度测量。

进一步的，上端盖2中间设置有惯穿的连接孔23，电缆接头1连接到连接孔23上，在上端盖2内侧分别设置有两个凸台一21和凸台二22，外壳3通过凸台一21卡接到上端盖2上，内壳6通过凸台二22卡接到上端盖2上，凸台一21位于凸台二22外侧。通过电缆接头1和电线9可以将金属棒8和PTFE摩擦纳米层10摩擦所产生的电信号传输到外面，即可检测到钻具偏移的角度。上端盖2和外壳3通过螺栓连接。

进一步的，下端盖5内侧分别设置有两个凸台三51和凸台四52，外壳3通过凸台三51卡接到下端盖5上，内壳6通过凸台四52卡接到下端盖5上，凸台三51位于凸台四52外侧。下端盖5和外壳3通过螺栓连接。下端盖5通过连接件连接到随钻测量短节中，实现传感器的整体固定。

进一步的，上端盖2和下端盖5与外壳3之间设置有密封圈4密封。密封圈4为O型密封圈，共两个，实现整体的密封功能。

进一步的，金属棒8为铜棒，横截面为圆形，两端直径相同。通过金属棒8与PTFE摩擦纳米层10摩擦，即可产生不同信号值的信号，实现无级角度测量的同时，也能实现自供电功能，不再需要外接电源了。

进一步的，凸台一21为圆形，凸台二22为圆形或者方形。

进一步的，凸台三51与凸台一21相同，凸台四52与凸台二22相同。

进一步的，内壳6横截面为圆形或者方形且与凸台二22和凸台四52相配，在内壳6侧壁上设置有供电线9穿过的线孔61。内壳6通过凸台二22和凸台四52与上端盖2和下端盖5相配进行位置固定。

进一步的，摩擦纳米层10在外壳3内侧展开面上呈三角形且占外壳3内表面积一半，摩擦纳米层10材料为PTFE。

电路板7为一电路板，将K2端接受的电信号整理，从K1段通过导线发射出去。

摩擦纳米发电机是通过摩擦极性不同的材料摩擦实现发电的，其最大的优势就是自供电。也正是因为这个独特优点，摩擦纳米发电机被广泛应用于各个领域的能量收集，如机械振动能，雨滴能，海洋波浪能，生物能等等。同时，针对摩擦面积的不同，发电量也表现得不同。摩擦纳米发电机利用摩擦起电效应将摩擦能量转化为电能，其有四种工作模式，包括接触分离模式、水平接触滑动模式、单电极模式以及独立层模式。本发明正是基于水平接触滑动模式实现钻具角度的监测。如附图5所示，在使用时，将传感器安装在钻具的随钻测量短节中，通过传感器的输出信号可以判断出钻具的角度信息，从而实现对钻具的角度监控。

本发明的工作原理如附图4所示，为传感器外壳展开图，内部粘附有三角形的PTFE摩擦纳米层10。在钻进过程中，如果钻具角度不发生偏移，则钻具直线前进。当钻具角度发生偏移(假设为30°)，则金属棒8运动到A图位置，此时金属棒8和PTFE摩擦纳米层10的接触面积为S

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。