井下振動能量收集裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于石油工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種井下振動能量收集裝置，其包括支架、懸臂梁壓電片、內(nèi)齒、偏心圓環(huán)、外殼體、端部膨脹環(huán)以及錐形壓環(huán)；懸臂梁壓電片安裝在支架的外側(cè)，支架通過下軸承、上軸承套裝在偏心圓環(huán)內(nèi)；偏心圓環(huán)上鑲嵌有內(nèi)齒，偏心圓環(huán)位于外殼體內(nèi)；下堵頭和上堵頭通過螺紋與支架相連，并將外殼體壓緊在下堵頭和上堵頭之間；端部膨脹環(huán)安裝于錐形壓環(huán)與上堵頭之間。本發(fā)明的偏心圓環(huán)在重力和慣性力的作用下與鉆柱做相對轉(zhuǎn)動，帶動偏心圓環(huán)上的內(nèi)齒撥動懸臂梁壓電片，即使鉆柱的振動頻率不在懸臂梁壓電片的共振頻率上，也可以有效的吸收鉆柱轉(zhuǎn)動、擺振和扭振的能量。
【專利說明】
井下振動能量收集裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于石油工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種油氣鉆采過程中可以長期穩(wěn)定地為井下電子儀器供電的振動能量收集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]旋轉(zhuǎn)鉆進過程中，轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)能量通過鉆柱傳遞給鉆頭。轉(zhuǎn)盤(頂驅(qū))的能量除了用來帶動鉆頭破巖之外，有一部分轉(zhuǎn)換成鉆柱的動能，另一部分能量則以鉆柱與井壁的摩擦等方式被耗散掉。鉆柱的動能包括鉆柱的旋轉(zhuǎn)能量和振動能量，旋轉(zhuǎn)能量用來傳遞運動是必要、不可避免的一部分能量，而振動能量則是鉆井過程中不可避免的、不必要的一部分能量。鉆柱振動會導致鉆柱本身、鉆頭乃至地面設(shè)備受損，為了減少鉆柱振動的負面作用，通常會在鉆頭與鉆鋌之間安裝一個剛度柔軟的減震器，將一部分振動能量耗散掉。
[0003]由于振動幾乎無處不在且具有較高的能量密度，因此對振動能量的收集與轉(zhuǎn)化利用的研究在近幾十年中逐步興起。常用振動能量收集裝置可簡化為帶阻尼的彈簧振子結(jié)構(gòu)，具有各自的固有頻率，當振動能量收集裝置的固有頻率與振源的激振頻率相同時，會發(fā)生共振，這時吸收的能量最大，但是激振頻率稍微偏離固有頻率，吸收的能量就會大幅降低。也就是說振動能量收集裝置的帶寬很窄，因此，如何拓展振動能量收集裝置的帶寬已成為研究者們著力解決的問題之一。另外，常用振動能量收集裝置的方向選擇性很強，而大部分振源的振動方向是變化的，因此，研究多方向振動能量收集裝置成為另一個亟待解決的問題。
[0004]鉆柱振動所產(chǎn)生的能量是相當可觀的，吸收鉆柱的振動能量來發(fā)電是解決井下儀器的供電問題的有效途徑之一。高效吸收鉆柱振動能量，需要解決上述振動能量收集裝置中所存在的兩個問題。此外，由于鉆柱形態(tài)和振動狀態(tài)上的特殊性-細長結(jié)構(gòu)，縱向振動、橫向擺振、扭轉(zhuǎn)振動并存，橫向擺振的方向具有一定的隨機性-使得針對地面設(shè)備所設(shè)計的振動能量收集裝置在井下難以適用。鉆柱直徑小、壁厚有限，增大鉆柱外徑會增加卡堵風險，減小鉆柱內(nèi)徑會增加鉆井液壓降，因此振動能量收集裝置的可利用徑向尺寸很小;鉆柱的三種振動形式的頻帶范圍不同，并且，他們的頻帶隨鉆井工況的變化而變化，因此振動能量收集裝置應(yīng)具有較寬的頻帶以適應(yīng)不同的鉆井工況。針對鉆柱振動與鉆柱結(jié)構(gòu)的特點，本發(fā)明將提供一種寬頻帶、可以吸收轉(zhuǎn)動、扭振和擺振等振動能量的振動能量收集裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種可以在井下長期穩(wěn)定為井下電子儀器提供能量的、寬頻帶可以吸收鉆柱轉(zhuǎn)動、扭振和擺振等振動能量的振動能量收集裝置。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案:
[0007]井下振動能量收集裝置，包括:支架、懸臂梁壓電片、下堵頭、下軸承、內(nèi)齒、偏心圓環(huán)、上軸承、外殼體、上堵頭、端部膨脹環(huán)以及錐形壓環(huán);懸臂梁壓電片安裝在支架的外側(cè)，支架通過下軸承、上軸承套裝在偏心圓環(huán)內(nèi)；偏心圓環(huán)上鑲嵌有內(nèi)齒，偏心圓環(huán)位于外殼體內(nèi)；下堵頭和上堵頭通過螺紋與支架相連，并將外殼體壓緊在下堵頭和上堵頭之間;端部膨脹環(huán)安裝于錐形壓環(huán)與上堵頭之間，錐形壓環(huán)與上堵頭通過螺栓連接在一起，錐形壓環(huán)在螺栓擰緊力的作用下擠壓端部膨脹環(huán)使端部膨脹環(huán)發(fā)生徑向膨脹，從而將支架脹緊在鉆柱內(nèi)壁上，隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn);該井下振動能量收集裝置不需對鉆柱內(nèi)壁做任何處理、加工即可實現(xiàn)可靠連接。
[0008]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下:偏心圓環(huán)在重力和慣性力的作用下與鉆柱做相對轉(zhuǎn)動，帶動偏心圓環(huán)上的內(nèi)齒撥動懸臂梁壓電片，即使鉆柱的振動頻率不在懸臂梁壓電片的共振頻率上，也可以有效的吸收鉆柱轉(zhuǎn)動、擺振和扭振的能量；內(nèi)齒在偏心圓環(huán)上螺旋排列，轉(zhuǎn)動一圈的過程中，懸臂梁壓電片可以收到不同幅值的激勵，進一步擴大了振動能量收集裝置的頻帶范圍；相比于井下渦輪發(fā)電機，振動能量收集裝置沒有裸露在鉆井液中的運動部件，增加了井下電子儀器能量供給裝置的壽命，可以實現(xiàn)一次安裝長期使用的目的;本發(fā)明在鉆柱內(nèi)安裝簡單、牢固，不需要對鉆柱進行額外的處理、加工;可彌補現(xiàn)有壓電振動能量收集裝置的結(jié)構(gòu)形式無法針對鉆柱振動特點而高效收集鉆柱振動能量的不足。
【附圖說明】
[0009]圖1為振動能量收集裝置的分解示意圖；
[0010]圖2為振動能量收集裝置拆除懸臂梁壓電片后的分解示意圖；
[0011]圖3為振動能量收集裝置的的縱向剖視圖；
[0012]圖4為振動能量收集裝置的橫向剖視圖；
[0013]圖5為懸臂梁壓電片的示意圖；
[0014]圖中:1、支架，2、懸臂梁壓電片，3、下堵頭，4、下軸承，5、內(nèi)齒，6、偏心圓環(huán)，7、上軸承，8、外殼體，9、上堵頭，10、端部膨脹環(huán)，11、錐形壓環(huán)。
【具體實施方式】
[0015]如圖1至圖5所示，井下振動能量收集裝置，包括:支架1、懸臂梁壓電片2、下堵頭3、下軸承4、內(nèi)齒5、偏心圓環(huán)6、上軸承7、外殼體8、上堵頭9、端部膨脹環(huán)10以及錐形壓環(huán)11;懸臂梁壓電片2安裝在支架I的外側(cè)，支架I通過下軸承4、上軸承7套裝在偏心圓環(huán)6內(nèi)；偏心圓環(huán)6上鑲嵌有內(nèi)齒5，偏心圓環(huán)6位于外殼體8內(nèi)；下堵頭3和上堵頭9通過螺紋與支架I相連，并將外殼體8壓緊在下堵頭3和上堵頭9之間；端部膨脹環(huán)10安裝于錐形壓環(huán)11與上堵頭9之間，錐形壓環(huán)11與上堵頭9通過螺栓連接在一起，錐形壓環(huán)11在螺栓擰緊力的作用下擠壓端部膨脹環(huán)10使端部膨脹環(huán)發(fā)生徑向膨脹，從而將支架I脹緊在鉆柱內(nèi)壁上，隨鉆柱一起旋轉(zhuǎn);該井下振動能量收集裝置不需對鉆柱內(nèi)壁做任何處理、加工即可實現(xiàn)可靠連接。
[0016]所述支架I的外壁為多面體，懸臂梁壓電片2通過螺釘固定在支架I外壁的下端，并沿支架I的圓周方向均布，懸臂梁壓電片2長度方向與支架I軸線平行，通過布置方式可以吸收垂直于支架I軸線任意方向的振動能量。
[0017]懸臂梁壓電片2，包括:銅基片21、壓電陶瓷片22和質(zhì)量塊23，銅基片21的底端做加厚處理并加工有螺紋孔，通過螺釘與支架I相連，壓電陶瓷片22粘貼在銅基片21的上下兩側(cè)面，并靠近銅基片21的懸臂端粘貼；質(zhì)量塊23位于銅基片21的自由端；質(zhì)量塊23與支架I的外壁存在一定間隙，為懸臂梁壓電片2的彎曲變形提供空間，并用來防止懸臂梁壓電片2發(fā)生過大變形而破壞；
[0018]支架I與下堵頭3通過螺紋連接，將下軸承4壓緊在支架I上;多個內(nèi)齒5鑲嵌在偏心圓環(huán)6的內(nèi)壁上，沿偏心圓環(huán)6的圓周方向螺旋均布;鑲嵌有內(nèi)齒5的偏心圓環(huán)6套在安裝有懸臂梁壓電片2的支架I的外面，通過下軸承4和上軸承7的支撐作用與支架I保持同心，并可相對于支架I自由旋轉(zhuǎn);在重力的作用下，偏心圓環(huán)6的重心趨于指向重力方向，因此，鉆柱轉(zhuǎn)動時，偏心圓環(huán)6與支架I做相對轉(zhuǎn)動；由于鉆柱轉(zhuǎn)速較低本發(fā)明沒有采用線圈-永磁體方式來收集振動能量，而是在偏心圓環(huán)6的內(nèi)壁上安裝有凸起的內(nèi)齒5，偏心圓環(huán)6轉(zhuǎn)動時，凸起的內(nèi)齒5撥動懸臂梁壓電片2，使壓電陶瓷片22發(fā)生交變彎曲，從而吸收鉆柱旋轉(zhuǎn)的部分能量;當鉆柱發(fā)生橫向擺振和扭轉(zhuǎn)振動時，偏心圓環(huán)6在慣性力的作用下，也會相對于支架I轉(zhuǎn)動，從而吸收部分擺振與扭轉(zhuǎn)振動的能量;外殼體8套在偏心圓環(huán)6的外面，并與下堵頭3的最大外圓配合，被與支架I通過螺紋擰緊的上堵頭9壓緊在下堵頭3上。下堵頭3、上堵頭9與外殼體8之間通過密封圈密封，下堵頭3、上堵頭9與支架I之間通過密封圈密封，從而將懸臂梁壓電片2等電子裝置與外界鉆井液隔離。
[0019]井下振動能量收集裝置的工作原理如下:偏心圓環(huán)在重力及慣性力作用下與旋轉(zhuǎn)鉆柱做相對轉(zhuǎn)動，偏心圓環(huán)內(nèi)壁上設(shè)計的突起撥動懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電片，使壓電片發(fā)生彎曲，從而吸收鉆柱轉(zhuǎn)動、扭振和擺振的能量;沿圓周方向均勻布置的懸臂梁，其長度方向與鉆柱軸線平行，可以吸收鉆柱橫向擺振的能量。
【主權(quán)項】
1.一種井下振動能量收集裝置，包括:支架、懸臂梁壓電片、下堵頭、下軸承、內(nèi)齒、偏心圓環(huán)、上軸承、外殼體、上堵頭、端部膨脹環(huán)以及錐形壓環(huán)；其特征在于:懸臂梁壓電片安裝在支架的外側(cè)，支架通過下軸承、上軸承套裝在偏心圓環(huán)內(nèi)；偏心圓環(huán)上鑲嵌有內(nèi)齒，偏心圓環(huán)位于外殼體內(nèi)；下堵頭和上堵頭通過螺紋與支架相連，并將外殼體壓緊在下堵頭和上堵頭之間；端部膨脹環(huán)安裝于錐形壓環(huán)與上堵頭之間，錐形壓環(huán)與上堵頭通過螺栓連接在一起。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下振動能量收集裝置，其特征在于，所述支架的外壁為多面體，懸臂梁壓電片通過螺釘固定在支架外壁的下端，并沿支架的圓周方向均布，懸臂梁壓電片長度方向與支架軸線平行。3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的井下振動能量收集裝置，其特征在于，懸臂梁壓電片，包括:銅基片、壓電陶瓷片和質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與支架的外壁存在一定間隙。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的井下振動能量收集裝置，其特征在于，支架與下堵頭通過螺紋連接，將下軸承壓緊在支架上;多個內(nèi)齒鑲嵌在偏心圓環(huán)的內(nèi)壁上，沿偏心圓環(huán)的圓周方向螺旋均布;鑲嵌有內(nèi)齒的偏心圓環(huán)套在安裝有懸臂梁壓電片的支架的外面，通過下軸承和上軸承的支撐作用與支架保持同心，并可相對于支架自由旋轉(zhuǎn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的井下振動能量收集裝置，其特征在于，下堵頭、上堵頭與外殼體之間通過密封圈密封，下堵頭、上堵頭與支架之間通過密封圈密封。
【文檔編號】H02N2/18GK105915110SQ201610286596
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月4日
【發(fā)明人】賈朋, 房軍, 薛世峰, 成向陽, 孫峰, 朱秀星, 王海靜, 王斐斐
【申請人】中國石油大學(華東)