具有井下自發(fā)電及自傳感功能的隨鉆測量新方法研究
——以用于振動測量的井下摩擦納米發(fā)電機為例

吳 川，楊 朔，樊辰星，周 清，文國軍，劉 彬

（中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北武漢430074）

0 引言

井下參數(shù)是獲取井下工況及調(diào)整鉆探工藝的重要依據(jù)，因此有必要隨鉆測量。對于井下隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）而言，供電方式是其面臨的“瓶頸”問題之一?，F(xiàn)有 MWD 的主要供電方式有 3 種［1-2］，即有纜供電、電池供電及井下渦輪發(fā)電。這3 種供電方式極大地促進了行業(yè)的發(fā)展，但又有各自的適應(yīng)工況及工藝條件，如有纜供電方式增加了施工難度及成本，電池供電方式需頻繁提鉆更換電池且高溫井中的電池額定容量將大幅度衰減，井下渦輪發(fā)電方式對泥漿流量和粘度有一定的要求等。因此，有必要探索新型的井下供電方式作為對現(xiàn)有方式的補充，或聯(lián)合現(xiàn)有供電方式共同使用，從而擴展MWD 的適用工況及工藝條件范圍。

美國佐治亞理工學院Z.L.Wang 院士所提出的摩擦納米發(fā)電機理論，為解決井下發(fā)電問題帶來了曙光［3］。摩擦納米發(fā)電機理論來源于摩擦起電和靜電感應(yīng)現(xiàn)象［4］，也就是我們常見的靜電，其基本原理為：當兩種不同的納米材料相接觸時（不一定摩擦，輕微接觸即可），接觸面將由于接觸起電而產(chǎn)生正負電荷；當兩材料由于外力作用分離時，兩接觸表面的正負電荷將隨之發(fā)生分離，并將由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生短路電流和感應(yīng)電動勢。由于兩材料的“接觸-分離”過程是由于測量參數(shù)的變化導致，因此摩擦納米發(fā)電機可用于研制傳感器；同時由于兩材料的“接觸-分離”過程本身就是發(fā)電過程，因此摩擦納米發(fā)電機可用于研制發(fā)電機。

可見，基于摩擦納米發(fā)電機原理可研制自供電式傳感器，如自供電轉(zhuǎn)速傳感器［5］、自供電振動傳感器［6-7］、自供電氣壓傳感器［8］、自供電溫度傳感器［9］及自供電觸覺傳感器［10］等。尤其是在發(fā)電領(lǐng)域，摩擦納米發(fā)電機更是具有一定的優(yōu)勢［11-13］，已經(jīng)實現(xiàn)了對生物能［14-15］、風能［16-18］及海洋能［19-21］等領(lǐng)域的實時發(fā)電。因此，若將不同種類的自供電傳感器根據(jù)需要集合設(shè)計到同一個MWD 中，其并聯(lián)后的發(fā)電量不僅可滿足傳感器本身的需要，還可滿足MWD 的后續(xù)電路需求，從而形成完全自傳感（無需安裝傳感器）和自供電（無需外接電源）的MWD，產(chǎn)生新型的井下MWD 供電方式?；诖怂悸?，本研究團隊將摩擦納米發(fā)電機原理引入地質(zhì)勘探領(lǐng)域進行研究［22-26］，開辟了多學科交叉協(xié)同解決井下供電問題的切入點，同時在關(guān)鍵理論及技術(shù)問題上取得了一些進展。本文以前期的部分研究成果為例，詳細介紹可用于井下振動測量的摩擦納米發(fā)電機的傳感（即自供電式井下振動傳感器）及發(fā)電機理，從而為感興趣的科研工作者提供一些參考。

1 基本原理

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復雜，但其核心組成部件簡化后可如圖1（a）所示，即，其核心部件為A 摩擦板、B 摩擦板及彈簧，其中A 摩擦板上依次粘貼有銅箔和聚酰亞胺（Kapton），而B 摩擦板上依次粘貼有銅箔和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。當振動發(fā)生時，B 摩擦板受振動慣性力向下運動壓縮彈簧，隨后被彈簧反向彈出并與A 摩擦板相接觸，最終受重力和彈簧拉力作用回到初始位置。在此過程中，由于A、B 兩摩擦板的摩擦接觸將產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦電信號，因此通過統(tǒng)計摩擦電信號次數(shù)便可得到振動頻率，具體摩擦電信號的產(chǎn)生原因?qū)⑼ㄟ^圖1（b）所示的工作過程詳加說明。

如圖1（b）所示，S1 為傳感器兩摩擦板至少接觸一次之后的初始狀態(tài)，此時由于兩摩擦板的接觸導致摩擦電荷的產(chǎn)生，并且由于PMMA 比Kapton 材料更容易失去電子，因此此時A 摩擦層帶負電荷而B摩擦層帶正電荷。與此同時，由于兩摩擦板之間的分離導致靜電感應(yīng)的產(chǎn)生，在感應(yīng)電動勢（或稱開路電壓）的驅(qū)使下導致兩電極層之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，最終使得A、B 兩電極層分別產(chǎn)生相應(yīng)的正負電荷，此時傳感器處于電荷平衡狀態(tài)。隨后由于慣性力的作用導致B 摩擦板向下運動到S2 狀態(tài)時，此時兩摩擦板之間的分離距離達到最大。由于兩摩擦板的分離距離與開路電壓成正比［27］，因此此時開路電壓達到最大值，同時由于開路電壓的進一步驅(qū)使導致A、B兩電極層之間的電荷進一步轉(zhuǎn)移，由此在電路中產(chǎn)生短路電流。進一步，B 摩擦板將由于彈簧反向彈力向上運動到S3 狀態(tài)，此時由于兩摩擦板的距離逐漸減小導致開路電壓逐漸降低，且開路電壓的降低也將導致兩電極層之間出現(xiàn)電荷的反向轉(zhuǎn)移，由此在電路中產(chǎn)生反向的短路電流。當B 摩擦板運動到與A 摩擦板相接觸時，即S4 狀態(tài)，此時兩摩擦板之間的距離為0，因此開路電壓降低為0。最終B 摩擦板在重力和彈簧拉力的合力作用下回到初始狀態(tài)S1，此時由于兩摩擦板間距的增大導致開路電壓再次增加，且由于開路電壓驅(qū)動兩電極層之間的電荷轉(zhuǎn)移再次形成短路電流。

圖1 自供電振動傳感器工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of the self-powered vibration sensor

綜上可見，傳感器的總體工作原理為：首先基于兩摩擦層的接觸產(chǎn)生摩擦電荷，隨后利用兩摩擦層的分離形成感應(yīng)電動勢，緊接著依靠感應(yīng)電動勢驅(qū)使電極層的電荷發(fā)生動態(tài)轉(zhuǎn)移形成短路電流，如此反復循環(huán)便可實現(xiàn)傳感和發(fā)電。在上述過程中，傳感器的理論輸出開路電壓及短路電流信號分別如圖1（c）及（d）所示?？梢姡攤鞲衅鳒y量一次振動的過程中將輸出一個含有下降沿脈沖的電壓及電流信號，因此，通過后續(xù)電路統(tǒng)計單位時間內(nèi)電壓或電流信號的脈沖個數(shù)，便可計算得到振動頻率，同時通過后續(xù)電路收集短路電流，便可將振動能量轉(zhuǎn)換為電能而為其他電路模塊供電。此外，由于采集電壓信號的后續(xù)處理電路相對簡單，因此本文采用電壓信號作為傳感器的檢測信號。

2 傳感器測量特性

原理樣機加工完成后，利用室內(nèi)模擬裝置對傳感器的測量特性進行了試驗，結(jié)果如圖2 所示。由圖2（a）及（b）可知，由于受到傳感器低頻率的機械式往復運動限制，導致傳感器測量振動的量程為0～11 Hz，且其輸出信號幅值與振動頻率成正比。然而在較低頻率時其輸出信號幅值仍遠大于噪聲信號，因此具有較強的信噪比和抗干擾能力。進一步的，我們統(tǒng)計分析了傳感器在保持頻率不變但振幅變化時的輸出信號特征規(guī)律，由圖2（c）所示的試驗結(jié)果可知傳感器的輸出峰值電壓隨振幅的增加而逐漸增加并最終趨于平穩(wěn)，因此當振幅小于約30 mm 時，振幅越高則傳感器的輸出信號信噪比越強，越有利于信號的識別及檢測。此外，我們還測試了傳感器在量程范圍內(nèi)的測量誤差，結(jié)果顯示測量誤差＜±5%（見圖2d）。

圖2 自供電振動傳感器測量特征Fig.2 Measurement characteristics of the sensor

3 傳感器發(fā)電特性

傳感器的工作原理為接觸起電及靜電感應(yīng)，其傳感過程本身也是發(fā)電過程，因此傳感器也可當做發(fā)電機使用。基于此我們對傳感器的發(fā)電特性進行了測試，結(jié)果如圖3 所示。由圖3（a）可知，隨著外負載的增加，傳感器的輸出電流逐漸降低而負載兩端的電壓逐漸增大，這一現(xiàn)象與歐姆定律相符合，反映出傳感器可視為具有較大阻抗的發(fā)電機。隨后對傳感器的發(fā)電功率進行了測試，結(jié)果如圖3（b）和（c）所示，其中圖3（b）反映出傳感器的發(fā)電功率與振動頻率成正比，且在負載電阻約120 kΩ 時可輸出最大功率，而圖3（c）則反映出傳感器的發(fā)電功率還與振幅成正比，但當振幅超過約25 mm 之后發(fā)電功率不再增加。此外，為充分利用傳感器的輸出電量，可將其存儲后供其他耗電設(shè)備直接使用，因此我們對傳感器的充電特性進行了研究，圖3（d）所示的充電曲線表明，傳感器為電容充電時的充電量與充電時間成正比，顯示了傳感器良好的充電特性。

4 應(yīng)用試驗

為進一步展示傳感器的傳感及發(fā)電特性，我們進行了傳感器的應(yīng)用試驗，試驗結(jié)果如圖4 所示。試驗前首先對傳感器的可靠性進行了測試（如圖4a所示），結(jié)果顯示當傳感器重復使用35000 次后，其輸出信號電壓并無衰減，這表明了傳感器具有較高的可靠性。與此同時，考慮到深部鉆探井下的高溫情況，我們對高溫下的傳感器輸出信號進行了測試（如圖4b 所示），結(jié)果顯示其輸出電壓隨溫度的升高而緩慢增加。由于所設(shè)計的傳感器是以脈沖信號頻率反映振動頻率，而輸出電壓幅值越高則越有利于頻率信號的檢測，因此這意味著傳感器在高溫下的輸出特性反而優(yōu)于常溫，這種特性也為研制超高溫井下傳感器指明了思路，同時也是我們團隊目前正在積極開展的重要研究方向之一。

為了更直觀地展示傳感器的發(fā)電及傳感特性，我們進行了如圖4（c）及（d）所示的室內(nèi)演示試驗。由圖4（c）可見，傳感器的實時發(fā)電量經(jīng)整流橋電路處理后便可直接進行存儲，圖中多個電源指示燈被實時點亮，表明了傳感器在井下發(fā)電上的巨大潛能。同時，我們將自供電振動傳感器直接與無線發(fā)射模塊相連（如圖4d 所示），則傳感器的測量數(shù)據(jù)便可經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)竭h程無線終端，并進一步通過上位機軟件成功地讀取到了傳感器遠程發(fā)送的數(shù)據(jù)波形，展示了傳感器良好的自供電及自傳感器性能。

圖3 自供電振動傳感器發(fā)電特征Fig.3 Power generation characteristics of the sensor

5 總結(jié)及討論

本文將摩擦納米發(fā)電機引入地質(zhì)勘探領(lǐng)域，提出了一種可用于井下自供電及自傳感的隨鉆測量新方法。后續(xù)的試驗結(jié)果顯示，利用該方法所研制的振動傳感器同時具有傳感器和發(fā)電機的雙重功能。當作為傳感器使用時，可實現(xiàn)自供電式的振動頻率測量，且輸出信號具有良好的信噪比；當作為發(fā)電機使用時，其發(fā)電量與振動的頻率及振幅均相關(guān)。同時進一步的試驗結(jié)果顯示高溫反而有利于傳感器的信號檢測及發(fā)電，因此有望據(jù)此研制耐超高溫的井下傳感器及井下電源。此外，室內(nèi)自傳感及自供電的演示試驗也表明傳感器可在自供電模式下工作，非常適合用于研制井下自供電及自傳感器的隨鉆測量系統(tǒng)。

然而，團隊針對這一全新交叉學科領(lǐng)域的研究目前仍處于起步階段，雖然前期已通過一些實踐研究證實了基于摩擦納米發(fā)電機研制自供電及自傳感的井下隨鉆測量系統(tǒng)的可行性及優(yōu)勢，但并未進行相關(guān)的理論研究，系統(tǒng)性的理論及技術(shù)體系仍未建立，仍有大量的理論及實踐工作需要詳細展開，這也是我們下一步的重點研究方向，具體如下：

（1）測量參數(shù)種類較少。目前團隊僅基于摩擦納米發(fā)電機研制了幾種自供電傳感器，且測量參數(shù)的種類太少，無法滿足多樣化的井下隨鉆測量系統(tǒng)需求。根據(jù)目前所查閱到的最新文獻資料顯示，基于摩擦納米發(fā)電機所研制的傳感器還可實現(xiàn)角度、壓力、流量、溫度、壓差、方向、加速度、角加速度等多種參數(shù)的測量，因此下一步將通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及納米材料的選擇來研制滿足不同種類測量參數(shù)需求的自供電傳感器，從而拓展井下隨鉆測量系統(tǒng)的測量參數(shù)種類。

（2）發(fā)電量較低。目前所研制的自供電傳感器的發(fā)電量較低，單個傳感器的發(fā)電量無法滿足井下隨鉆測量系統(tǒng)的實時用電需求。解決方法有3 個：一是增加傳感器個數(shù)，比如將本文所研制的振動傳感器多個并聯(lián)使用，當數(shù)目增加到一定程度時便可滿足井下隨鉆測量用電需求，但這會增加儀器體積；二是增加能源轉(zhuǎn)換種類，比如設(shè)計一種高效的井下摩擦納米發(fā)電機可同時將孔底振動、轉(zhuǎn)動、流體流動及溫度等多種能量進行吸收及電能轉(zhuǎn)換，從而增加發(fā)電量；三是改變納米材料表面形貌，使得具有相同尺寸的兩摩擦層的有效接觸面積增加，從而增加發(fā)電量。

圖4 自供電振動傳感器應(yīng)用試驗Fig.4 Application tests of the sensor

（3）可靠性有待進一步提高。摩擦納米發(fā)電機涉及摩擦起電現(xiàn)象，但此處摩擦起電并非真正的硬摩擦，而是一種輕微接觸或碰觸，因此可極大地降低材料的磨損。雖然團隊前期已經(jīng)對可靠性進行了一定的研究及試驗，但考慮到鉆探對井下儀器設(shè)備的高可靠性要求，因此有必要研究進一步提高可靠性的方法。目前為提高輸出特性，傳感器部分采用了非金屬納米材料制作，而實際上金屬材料的可靠性及耐磨特性更優(yōu)，因此下一步將嘗試采用純金屬的材料制作摩擦層，進而在保證傳感器輸出特性的同時還大幅度地提高其可靠性，以滿足鉆探對高可靠性的需求。