一种钻具振动能量回收发电装置的制作方法

1.本发明涉及油气田钻井领域，具体地涉及一种钻具振动能量回收发电装置。


背景技术：

2.随着人工技术的发展，数字化、信息化、智能化的钻井技术应运而生。钻井技术的变革也对传统井下测量技术提出了新的要求，使得测量装置逐步出现向高频率采集、小型化设计、分布式安装测量的趋势延伸。
3.现有技术中的井下测量装置体型普遍较大，需要搭配涡轮井下发电机使用，这样井下测量装置在工作的过程中将产生巨大的水力损失。此外，由于井下空间狭小与之配套的供电设备也将会极度削减井下测量装置的续航时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种钻具振动能量回收发电装置，其能够对钻具振动能量进行有效地回收和再利用，从而使钻具振动能量回收发电装置在工作过程中能够实现能量的循环利用。
5.根据本发明，提供了一种钻具振动能量回收发电装置，包括用于与钻具的上游部分连接的第一连接头，用于与钻具的下游部分连接的第二连接头，连接在所述第一连接头和所述第二连接头之间的内筒，分别套接在所述内筒上的压电单元和缓冲保护单元，所述压电单元与所述缓冲保护单元抵接，以及设置在所述压电单元和所述缓冲保护单元的外周上的外筒，其中，所述缓冲保护单元构造成能够响应于所述钻具的振动而在轴向上往复运动，从而驱动所述压电单元产生压电效应而输出电流。
6.在一个实施例中，所述缓冲保护单元包括缸套，其包括彼此间隔开地设置且在底部相连的内环体和外环体，在所述内环体和外环体之间限定了环形空间，在所述环形空间内填充有磁流变液；设置在所述环形空间内的活塞杆；以及与所述缸套固定连接且封闭了所述环形空间的开口的缸套盖。
7.在一个实施例中，所述活塞杆构造成阶梯套筒，并包括直径较小的主体部分和直径较大的端部台阶，其中，所述主体部分的内壁与所述缸套的内环体的外壁贴合，所述端部台阶的外壁与所述外环体的内壁贴合，从而将所述环形空间分成第一环形空间和第二环形空间。
8.在一个实施例中，所述端部台阶中设有用于连通所述第一环形空间和所述第二环形空间的若干个环形均处于同一圆周线上的孔道。
9.在一个实施例中，所述缓冲保护单元包括位于所述环形空间内并与所述外环体相接触的永磁体，以及缠绕在所述缸套的外周上的线圈，其中，所述永磁体能够通过激励磁场作用于所述磁流变液。
10.在一个实施例中，所述压电单元包括陶瓷堆叠总成，以及与所述陶瓷堆叠总成连通的控制总成，所述控制总成与所述线圈电连接，其中，所述陶瓷堆叠总成能够响应于钻具
的振动而输出电流，以供所述装置的负载使用。
11.在一个实施例中，所述负载为所述线圈和所述控制总成，所述控制总成能够通过所述线圈生成与所述永磁体同向或反向的磁场，从而与永磁体的磁场进行叠加以形成复合磁场并分别对所述永磁体进行补磁或退磁，进而改变所述磁流变液的状态。
12.在一个实施例中，所述缓冲保护单元包括设置在所述缸套内的第二环形空间中的第一弹簧，用于支撑所述活塞杆在所述环形空间内的往复运动。
13.在一个实施例中，所述缓冲保护单元包括与所述活塞杆的顶端固定连接的支撑台，以及设置在所述支撑台和所述缸套盖之间的第二弹簧。
14.在一个实施例中，所述支撑台的内部直径大于所述内筒的外部直径，所述支撑台的外部直径小于所述外筒的内部直径。
附图说明
15.下面将结合附图来对本发明进行详细地描述，在图中：
16.图1示意性显示了根据本发明的钻具振动能量回收发电装置的结构；
17.图2为根据本发明的钻具振动能量回收发电装置中内筒的结构示意图；
18.图3示意性显示了根据本发明的钻具振动能量回收发电装置中的缓冲保护单元的结构；
19.图4为根据本发明的钻具振动能量回收发电装置中的压电单元的结构示意图；
20.图5为根据本发明的钻具振动能量回收发电装置中的缸套的剖视图；
21.图6为根据本发明的钻具振动能量回收发电装置中的缸套盖的剖视图。
22.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明做进一步说明。为了方便说明，在本说明书中的方向性用语“上游”或类似方向性用语指的是靠近井口的方向，即图1中的顶端方向；用语“下游”或类似方向性用语指的是远离井口的方向，即图1中的底端方向。
24.图1示意性显示了根据本发明的钻具振动能量回收发电装置100的结构示意图。图2为钻具振动能量回收发电装置100中内筒30的结构示意图。如图1和图2所示，根据本发明的第一方面，钻具振动能量回收发电装置100包括第一连接头10、第二连接头20，以及内筒30。其中，第一连接头10的外周上设置有螺纹，从而与钻具的上游部分形成螺纹连接。内筒30的外周上设置有螺纹，从而与第一连接头10形成螺纹连接。此外，第一连接头10构造成圆台结构且内部设置有与内筒30直径相同的流道。通过这种方式，有效地防止从第一连接头10中流出的流体冲蚀破坏内筒30的结构。第二连接头20的外周上设置有螺纹，从而与钻具的下游部分形成螺纹连接。内筒30的外周上设置有螺纹，从而与第二连接头20形成螺纹连接。第二连接头20构造成直径渐变的圆柱结构且内部设置有与内筒30直径相同的流道。通过这种方式，有效地避免从内筒30流出的流体在第二连接头20内形成涡流。
25.根据本发明，如图1所示，钻具振动能量回收发电装置100还包括压电单元40、缓冲保护单元50，以及外筒80。其中，外筒80套接在压电单元40和缓冲保护单元50的外周上。压电单元40套接在内筒30的外周上并靠近第一连接头10的一侧。缓冲保护单元50套接在内筒
30的外周上并靠近第二连接头20的一侧。另外，压电单元40与缓冲保护单元50之间相互抵接。根据本发明，缓冲保护单元50能够响应于钻具的振动而在内筒30上沿轴向往复运动，从而驱动压电单元40产生压电效应而输出电流。
26.根据本发明，缓冲保护单元50包括缸套51。图5为钻具振动能量回收发电装置100中缸套51的剖视图。如图5所示，缸套51包括彼此间隔开设置且在底部相连的内环体52和外环体53，并且在内环体52和外环体53之间限定了环形空间54，在环形空间54内填充有磁流变液(图中未示出)。磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体，其在零磁场条件下呈现出具有较低粘度、较高流动性的牛顿流体特性，而在强磁场作用下则呈现出高粘度、低流动性的bingham体特性。磁流变液及其性能是本领域的技术人员所熟知的。在本文中磁流变液包括第一变化状态和第二变化状态。其中，第一变化状态下的磁流变液向具有较高的粘度、较低的流动性的状态转变。第二变化状态下的磁流变液向具有较低的粘度、较高的流动性的状态转变。
27.图3为钻具振动能量回收发电装置100中缓冲保护单元50的剖视图。根据本发明，缓冲保护单元50还包括活塞杆60和缸套盖55。如图3所示，活塞杆60设置在环形空间54内，并且能够在环形空间54内做往复运动。其作用将在下文中详细介绍。在如图6所示的一个实施例中，缸套盖55的顶端设置有螺纹，从而与缸套51形成螺纹连接，并以此来封闭环形空间54的顶部的开口。通过这种方式，使得缸套51的内部构成一个密闭的空间，从而限制了磁流变液的流动空间，不会造成泄漏。
28.在本发明的一个实施例中，如图3所示，活塞杆60构造成阶梯套筒，并包括直径较小且位于上游的主体部分61，以及直径较大且位于下游的端部台阶62。其中，主体部分61的内壁与缸套51的内环体52的外壁贴合，端部台阶62的外壁与外环体53的内壁贴合，从而将环形空间54分隔开，形成位于上游的第一环形空间541和位于下游的第二环形空间542。
29.根据本发明，如图3所示，活塞杆60的端部台阶62内设置有若干个孔道543，且若干个孔道543均设置在同一圆周线上。孔道543的一端与第一环形空间541连通，另一端与第二环形空间542连通。这样，当活塞杆60在环形空间54内做往复运动时，第一环形空间541内的磁流变液和第二环形空间542内的磁流变液就能够实现相互流通。在本发明的一个实施例中，孔道543为倾斜布置。具体地说，孔道543的顶端的开口靠近缸套51的外环体53的内壁设置，而孔道543的底端的开口靠近缸套51的内环体52的外壁设置。通过这种方式，使得磁流变液通过孔道543能够更容易流入至第一环形空间541内或第二环形空间542内。
30.在本发明的一个实施例中，如图3所示，缓冲保护单元50还包括第一弹簧57。第一弹簧57设置在缸套51内的第二环形空间542内，并与活塞杆60的端部台阶62的底部抵接，从而为活塞杆60在环形空间54内做往复运动提供足够的支撑力。
31.根据本发明，如图3所示，缓冲保护单元50还包括永磁体70和线圈56。永磁体70设置在环形空间54内，且永磁体70的外壁与缸套51的外环体53的内壁相接触。换句话说，永磁体70的内壁形成了环形空间54的外边界。永磁体70能够提供激励磁场，并通过激励磁场作用于磁流变液，从而改变磁流变液的状态来配合第一弹簧57共同支撑环形空间54内的活塞杆60做往复运动。线圈56缠绕在缸套51的外周上，并且作为载体来调节永磁体70的磁场。其作用将在下文中详细介绍。
32.在本发明的一个实施例中，由于活塞杆60的端部台阶62的外壁与永磁体70的部分
内壁贴合，活塞杆60的端部台阶62的内壁与缸套51的内环体52的外壁贴合。通过这种方式，使得活塞杆60在内环体52与外环体53之间的环形空间54内能够更加平稳、顺畅地做往复运动。
33.图4为钻具振动能量回收发电装置100中压电单元40的结构示意图。根据本发明，如图4所示，压电单元40包括陶瓷堆叠总成41，以及与陶瓷堆叠总成41连通的控制总成42。其中，陶瓷堆叠总成41能够响应于钻具的振动而产生挤压力。具体地说，压电单元40和缓冲单元50共同在自身惯性作用下随着钻具的振动而往复运动，从而使陶瓷堆叠总成41中各个压电陶瓷间产生振动往复的挤压力。此外，压电单元40在做往复运动的过程中分别与第一接头10和支撑台63发生接触并挤压，从而实现压电单元40的应力的加载与卸载。这样，压电模块40就能够将钻具的振动能量进行有效的回收，从而产生压电效应并输出电流。
34.根据本发明的一个实施例，压电单元40产生的电流通过控制总成42形成分流。其中，一部分电流用于供给其它井下工具使用；另一部分电流用于实时监测并调节缓冲保护单元50的参数，从而改变磁流变液的状态以适用于钻具的不同的频率振动。
35.在本发明的一个实施例中，载体包括两部分。其中，一部分的载体是线圈56和控制总成42，用以对永磁体70进行补磁或退磁处理；另一部分的载体是其它井下工具，如分布式测量装置等。其作用将在下文中详细介绍。
36.根据本发明的一个实施例，控制总成42能够通过线圈56生成与永磁体70同向或反向的磁场，从而与永磁体70的磁场进行叠加以形成复合磁场，进而实现对永磁体70的补磁或退磁作用。此时的磁流变液的粘度和流动性也随着复合磁场的变化而变化。通过这种方式，使得钻具振动能量回收发电装置100能够更容易对缓冲保护单元50的磁场的强度进行调节与监测。
37.根据本发明的一个实施例，当控制总成42通过线圈56生成与永磁体70同向的磁场时，线圈56磁场与永磁体70磁场叠加后的复合磁场强度增强，磁流变液处于第一变化状态。也就是说，磁流变液向具有较高的粘度和较低的流动性的状态转变，使得磁流变液与第一弹簧57构成的组合体具有更大的刚度，从而对活塞杆60起到更大的支撑力。当控制总成42通过线圈56生成与永磁体70反向的磁场时，线圈56磁场与永磁体70磁场叠加后的复合磁场强度降低，磁流变液处于第二变化状态。也就是说，磁流变液向具有较低的粘度和较高的流动性的状态转变，得磁流变液与第一弹簧57构成的组合体具有更小的刚度，从而对活塞杆60起到更小的支撑力。此时，压电模块40会在惯性与冲击作用下推动缓冲保护单元50的支撑台63(将在下文中介绍)向下运动，从而缓冲压电模块40所承受到的高加速度的冲击。
38.在如图3所示的一个实施例中，活塞杆60的顶端从环形空间54的开口处向外延伸。根据本发明，如图3所示，缓冲保护单元50包括支撑台63和第二弹簧64。其中，支撑台63与活塞杆60的顶端固定连接，从而限制活塞杆60在轴向上的运动范围。第二弹簧64套接在活塞杆60的外周上，且位于支撑台63与缸套盖55之间。第二弹簧64对活塞杆60在环形空间54内的往复运动起到一定的支撑作用。在本发明的一个实施例中，支撑台63的内部直径大于内筒30的外部直径，支撑台63的外部直径小于外筒80的内部直径。
39.在本发明的一个实施例中，如图3所示，在支撑台63的内壁上(未示出)、在活塞杆60的端部台阶62的外周上，以及在缸套51的内壁上均设置有耐磨环和密封圈，从而使钻具振动能量回收发电装置100的各个部分均具有良好的密封性和耐磨性。
40.本发明能够对钻具振动能量进行有效地回收和再利用，从而使钻具振动能量回收发电装置100在工作过程中能够实现能量的循环利用。本发明通过将钻具振动能量转化为电能，从而进行有效地回收和再利用，进而提高了整个钻井系统的能量利用率。
41.以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明的公开范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：
1.一种钻具振动能量回收发电装置(100)，包括：用于与钻具的上游部分连接的第一连接头(10)，用于与钻具的下游部分连接的第二连接头(20)，连接在所述第一连接头(10)和所述第二连接头(20)之间的内筒(30)，分别套接在所述内筒(30)上的压电单元(40)和缓冲保护单元(50)，所述压电单元(40)与所述缓冲保护单元(50)抵接，以及设置在所述压电单元(40)和所述缓冲保护单元(50)的外周上的外筒(80)，其中，所述缓冲保护单元(50)构造成能够响应于所述钻具的振动而在轴向上往复运动，从而驱动所述压电单元(40)产生压电效应而输出电流。2.根据权利要求1所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述缓冲保护单元(50)包括：缸套(51)，其包括彼此间隔开地设置且在底部相连的内环体(52)和外环体(53)，在所述内环体(52)和外环体(53)之间限定了环形空间(54)，在所述环形空间(54)内填充有磁流变液；设置在所述环形空间(54)内的活塞杆(60)；以及与所述缸套(51)固定连接且封闭了所述环形空间(54)的开口的缸套盖(55)。3.根据权利要求2所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述活塞杆(60)构造成阶梯套筒，并包括直径较小的主体部分(61)和直径较大的端部台阶(62)，其中，所述主体部分(61)的内壁与所述缸套(51)的内环体(52)的外壁贴合，所述端部台阶(62)的外壁与所述外环体(53)的内壁贴合，从而将所述环形空间(54)分成第一环形空间(541)和第二环形空间(542)。4.根据权利要求3所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述端部台阶(62)中设有用于连通所述第一环形空间(541)和所述第二环形空间(542)的若干个环形均处于同一圆周线上的孔道(543)。5.根据权利要求4所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述缓冲保护单元(50)包括位于所述环形空间(54)内并与所述外环体(53)相接触的永磁体(70)，以及缠绕在所述缸套(51)的外周上的线圈(56)，其中，所述永磁体(70)能够通过激励磁场作用于所述磁流变液。6.根据权利要求5所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述压电单元(40)包括陶瓷堆叠总成(41)，以及与所述陶瓷堆叠总成(41)连通的控制总成(42)，所述控制总成(42)与所述线圈(56)电连接，其中，所述陶瓷堆叠总成(41)能够响应于钻具的振动而输出电流，以供所述装置的负载使用。7.根据权利要求6所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述负载为所述线圈(56)和所述控制总成(42)，所述控制总成(42)能够通过所述线圈(56)生成与所述永磁体(70)同向或反向的磁场，从而与永磁体(70)的磁场进行叠加以形成复合磁场并分别对所述永磁体进行补磁或退磁，进而改变所述磁流变液的状态。8.根据权利要求7所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述缓冲保护单元(50)包括设置在所述缸套(51)内的第二环形空间(542)中的第一弹簧(57)，用于支撑所述
活塞杆(60)在所述环形空间(54)内的往复运动。9.根据权利要求8所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述缓冲保护单元(50)包括与所述活塞杆(60)的顶端固定连接的支撑台(63)，以及设置在所述支撑台(63)和所述缸套盖(55)之间的第二弹簧(64)。10.根据权利要求9所述的钻具振动能量回收发电装置，其特征在于，所述支撑台(63)的内部直径大于所述内筒(30)的外部直径，所述支撑台(63)的外部直径小于所述外筒(80)的内部直径。

技术总结
本发明属于气田钻井领域，具体公开了一种钻具振动能量回收发电装置。其包括第一连接头、第二连接头、分别与第一连接头和第二连接头连接的内筒、分别套接在内筒上的压电单元和缓冲保护单元，以及设置在压电单元和缓冲保护单元的外周上的外筒。其中，压电单元与缓冲保护单元抵接。缓冲保护单元构造成能够响应于钻具的振动而在轴向上往复运动，从而驱动压电单元产生压电效应而输出电流。本发明能够对钻具振动能量进行有效地回收和再利用，从而使钻具振动能量回收发电装置在工作过程中能够实现能量的循环利用。能量的循环利用。能量的循环利用。


技术研发人员：黄哲 吴仲华 牛洪波 李建成 刘晓兰 郑勇 马永乾 高岩 薛亚宁
受保护的技术使用者：中石化石油工程技术服务有限公司 中石化胜利石油工程有限公司 中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院
技术研发日：2022.01.17
技术公布日：2023/7/26