一种新型摩擦电纳米发电机可以采集振动能量和测量井下振动频率

前言

打井(RILLING)是利用特殊设备从地表向地下深处钻孔的技术，是勘探石油、天然气和固体矿产资源的重要手段。由于钻柱与岩石之间的摩擦和碰撞，钻井过程中不可避免地会发生井下钻柱振动，过大的振动会损坏钻具，降低钻井效率，甚至造成井下事故。因此，需要实时监测井下钻柱振动。目前的研究成果多集中在钻柱振动传递规律和模型上，对井下测量方法的研究很少，因为它们大多只使用特殊的传感器来测量振动频率。此外，一些研究人员通过在地面而不是井下安装传感器来测量振动，例如使用机器学习方法。

研究内容

中国地质大学的研究人员提出了一种基于中国宝塔的高可靠性宝塔形摩擦电纳米发电机，它可以在自供电模式下测量井下钻柱振动频率，并采集井下振动能量，尝试为其他井下仪器供电。

实验方法

钻井对传感器的可靠性要求很高。用于钻井的传感器安装在专业设计的井下仪器中，可以防止传感器接触外部环境，因此传感器的可靠性只考虑其使用寿命。如果钻井时传感器在井下损坏，更换损坏的传感器需要将整个钻井设备从井下提升到地面，这将消耗大量的时间、人力和经济成本。此外，井下传感器的安装空间是细长孔，这意味着径向尺寸空间非常小，而轴向尺寸空间相对不受限制。因此，为井下设计的传感器必须尽可能薄。

钻井设备的基本组成。

P-TENG的基本组成和工作原理。

P-TENG输出功率性能的结果。

结论

P-TENG的两层和所有层都可以用于在自供电模式下测量井下钻柱的振动频率。测量范围为0 ~ 5Hz，测量误差小于5%。输出信号幅度差与振动频率近似成正比，0.3 Hz时达到最小值28 V，5 Hz时达到最大值155 V，意味着信噪比高，抗干扰能力强。此外，P-TENG的两层和所有层都可以用作自供电振动传感器，因此当一些层损坏时，只要剩余的可工作层的数量为两层或更多，P-TENG仍然正常工作，这表明了高可靠性。但测量范围小，只适用于低速钻孔过程。因此，下一步的研究是改变结构，增加弹簧的恢复速度，从而进一步提高测量范围。(2)P-TENG的两层和所有层都可以用来采集井下钻柱的振动能量。对于两层，振动频率约为3 Hz，串联100 k欧姆电阻时，最大输出电流约为4.6×10-7A，振动频率约为4 Hz，串联470 k欧姆电阻时，最大输出功率约为311×10-10W。对于所有层，当振动频率约为2.5 Hz，串联300 k欧姆电阻时，最大输出电流约为11×10-7A，当振动频率约为3 Hz，串联470 k欧姆电阻时，最大输出功率约为4090×10-10W。但是单个P-TENG的输出功率相对较小，距离井下仪器实时供电的目标还很远。因此，下一步的研究是改变弹簧支撑的方式，以及纳米材料的类型和表面特征，以进一步增加单个P-TENG的输出功率。

DOI：10.1109 / JSEN.2020.3007000。