蜂窝状组合式自发电井下振动传感器的设计方法

1.本发明涉及地质仪器仪表技术领域，具体为一种蜂窝状组合式自发电井下振动传感器的设计方法。


背景技术：

2.在自然能源的使用上，石油和天然气作为一次性能源其使用比例高达70％以上，因此世界各国将其作为国际性战略资源，但是我国钻井多见低渗透、火山岩层等复杂岩层，需要极高标准的钻井技术和钻井装备。因此我国出台多项措施和政策来解决目前井下钻探装备不足和开采效率低等问题，自1963 年到现在，我国已经进入钻井设备和技术的成熟和提升阶段。
3.井下工况由井身的结构设计决定的，在开采之前要确定各次开钻的直径以及下入管套和钻柱的直径。同时在钻井过程中由于地质、钻井工艺等因素，也会造成井底工况的不同，目前分为直井和水平井这两大类结构。
4.在钻井过程中，需要将钻柱连接牙轮钻头，并将钻头送至井眼处为其提供钻压，此时牙轮钻头利用切削齿和刀翼结构破碎岩石，从而形成井筒。牙轮钻头在旋转钻进的过程中与底部岩层接触，该过程中受到钻压和垂直反作用力的影响，引起钻柱产生纵向振动，因此钻柱振动的产生是不可避免的。
5.而目前对于井下两相流的速度测量方法有很多，诸如加速度传感器、数值模拟分析法等，但传统的测量方法受其本质的影响，无法在井下进行精准安装，对于井下的探测只能局限于地面，不能实时地进行原位检测，测量数据误差大、可靠性比较差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种蜂窝状组合式自发电井下振动传感器的设计方法，用以测量钻柱的振动频率、振动幅度等参数，以克服现有技术的不足。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种蜂窝状组合式自发电井下振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元，多个传感器单元相邻间彼此贴合实现组合多形状的井下振动传感器结构，所述每个传感器单元的内空结构内设置有“工”字形结构，在“工”字形结构底部依次设置有kapton 层和cu电极层，在“工”字形结构正下方的传感器单元内表面上设置有al 电极层，利用“工”字形结构的上下往复移动，实现kapton层与al电极层不断的间距变化，从而得到不同大小的电信号，再通过通过电信号的峰值个数来检测传感器的振动频率。
8.作为本发明的进一步方案：具体工作流程为：初始时，在自重作用下，“工”字形结构与传感器单元的底座相互接触，从而导致kapton层与al电极层相互接触；所述kapton层为高分子材料，在与al电极层接触时，会吸引al电极层中的负电荷且kapton层材料的负电特性，两者之间的电势处于平衡状态，电压为0；当钻杆产生纵向振动时，由于惯性力的影响，“工”字形结构开始做上下往复运动，“工”字形结构与传感器单元的底座分离，导致
kapton层与al电极层开始出现分离，此时由于静电感应作用，电势差平衡被打破，电子在al电极层、cu电极层之间转移，从而在两个电极之间产生电路电流；当“工”字形结构运动到最高点时，al电极层和kapton层之间的分离距离最大，此时开路电压达到了最大值；达到最大距离后al电极层和kapton层的分离距离又逐渐减少，为了使电势达到平衡，电荷反向转移产生反向电流；最终达到初始状态；即传感器单元在外部振动的带动下，利用al电极层和kapton 层之间的接触分离转换成相应的电信号，即可通过电信号的峰值个数来检测传感器的振动频率。
9.作为本发明的进一步方案：所述传感器单元包括本体，所述本体中部为贯穿的通孔结构，在通孔结构内设置有“工”字形结构，所述“工”字形结构与通孔结构为间隙配合；
10.所述“工”字形结构底部从上至下依次设置有cu电极层和kapton层；
11.在本体顶部设置有传感器顶盖，在本体底部设置有传感器底座，所述传感器顶盖和传感器底座位置对应，将本体的通孔结构上下密封，在传感器底座的上表面上设置有al电极层，所述al电极层位置与kapton层对应；
12.在本体的上、下部侧面均设置导线穿孔，所述导线穿过对应导线穿孔后分别与cu电极层和al电极层连接，用于检测对应电信号的大小。
13.作为本发明的进一步方案：所述本体整体为横截面是正多边形的柱体结构，在本体侧面设置有磁体，多个传感器单元通过磁体相互配合，从而形成不同形状的井下振动传感器结构。
14.作为本发明的进一步方案：所述传感器顶盖和传感器底座上均设置有浅槽，在浅槽内设置有顶盖与底座的连接磁铁，通过两个顶盖与底座的连接磁铁之间的吸引作用，使得传感器顶盖和传感器底座紧紧的卡在本体上，通过设置连接磁体，可实现对主体的快速安装和拆卸，快捷方便。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.1、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。
17.2、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参数。与其他传统传感器相比，本传感器无需提供动力，传感器的体积减小，更适合井下环境。
18.3、通过对传感器的结构进行调整，提出了可以在横向多维度进行自由变化的传感器，提升了传感器在实际井下工况的适应力，并通过内部模块化的设计，在结构上提高了传感器的可靠性。
附图说明
19.图1为本发明中传感器单元的主视图；
20.图2为本发明中传感器单元的半剖视图；
21.图3为本发明中传感器单元的爆炸图；
22.图4为本发明的传感器组合示意图；
23.图5为本发明的传感器的工作原理图。
24.图中：1、传感器顶盖；2、磁体；3、传感器底座；4、导线穿孔；5、顶盖与底座的连接磁
铁；6、“工”字形结构；7、cu电极层；8、kapton层；9、al电极层；10、传感器单元；11、本体；12、通孔结构。
具体实施方式
25.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。
26.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种蜂窝状组合式自发电井下振动传感器的设计方法，包括多个传感器单元10，多个传感器单元10相邻间彼此贴合实现组合多形状的井下振动传感器结构，其中本体11整体为横截面是正多边形的柱体结构，在本体11侧面设置有磁体2，多个传感器单元10通过磁体2相互配合，从而形成不同形状的井下振动传感器结构；所述传感器单元10包括本体11，所述本体11中部为贯穿的通孔结构12，在通孔结构12 内设置有“工”字形结构6，所述“工”字形结构6与通孔结构12为间隙配合；所述“工”字形结构6底部从上至下依次设置有cu电极层7和kapton 层8；在本体11顶部设置有传感器顶盖1，在本体11底部设置有传感器底座 3，所述传感器顶盖1和传感器底座3位置对应，将本体11的通孔结构12上下密封，在传感器底座3的上表面上设置有al电极层9，所述al电极层9位置与kapton层8对应；在本体11的上、下部侧面均设置导线穿孔4，所述导线穿过对应导线穿孔4后分别与cu电极层7和al电极层9连接，用于检测对应电信号的大小；所述传感器顶盖1和传感器底座3上均设置有浅槽，在浅槽内设置有顶盖与底座的连接磁铁5，通过两个顶盖与底座的连接磁铁5之间的吸引作用，使得传感器顶盖1和传感器底座3紧紧的卡在本体11上。
27.具体工作流程为：所述每个传感器单元10的内空结构内设置有“工”字形结构6，在“工”字形结构6底部依次设置有kapton层8和cu电极层7，在“工”字形结构6正下方的传感器单元10内表面上设置有al电极层9，利用“工”字形结构6的上下往复移动，实现kapton层8与al电极层9不断的间距变化，从而得到不同大小的电信号，再通过通过电信号的峰值个数来检测传感器的振动频率。
28.初始时，在自重作用下，“工”字形结构6与传感器单元10的底座相互接触，从而导致kapton层8与al电极层9相互接触；所述kapton层8为高分子材料，在与al电极层9接触时，会吸引al电极层9中的负电荷且kapton 层8材料的负电特性，两者之间的电势处于平衡状态，电压为0；当钻杆产生纵向振动时，由于惯性力的影响，“工”字形结构6开始做上下往复运动，“工”字形结构6与传感器单元10的底座分离，导致kapton层8与al电极层9开始出现分离，此时由于静电感应作用，电势差平衡被打破，电子在al电极层 9、cu电极层7之间转移，从而在两个电极之间产生电路电流；当“工”字形结构6运动到最高点时，al电极层9和kapton层8之间的分离距离最大，此时开路电压达到了最大值；达到最大距离后al电极层9和kapton层8的分离距离又逐渐减少，为了使电势达到平衡，电荷反向转移产生反向电流；最终达到初始状态；即传感器单元10在外部振动的带动下，利用al电极层9 和kapton层8之间的接触分离转换成相应的电信号，即可通过电信号的峰值个数来检测传感器的振动频率。
29.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。