CN108019146A - 钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置及方法，该装置包括传动系统，能量转换系统和能量回收系统，其传动系统包括绞车、传动箱、中心轴、离合器、离合器；能量回收系统包括第一发电机组、第二发电机组、第三发电机组，电控系统包括超级电容、变频器。本发明通过将下放钻具时的重力势能持续进行回收，并将其转换成机械能，最终将机械能转化为电能进行利用。在进行能量回收利用时，采取发电机组第一发电机组、第二发电机组和第三发电机组分组交替工作的方式进行重力势能的回收利用，提高了能量利用效率，节约了施工成本。

Description

钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置，从而节约能源，降低施工成本。该技术可应用于石油钻井、地质岩心钻探、水文水井钻探施工等领域。具体地说是一种可以进行持续势能回收并利用的钻机装置及使用方法。
背景技术
在石油钻探、地质岩芯钻探、水文水井钻探过程中，钻机设备需要配备大容量的独立能源动力系统,为钻机的起升系统、泥浆循环系统、钻头回转系统等提供充足的动力。常规工作情况下能量消耗较大，但在钻杆下放过程中，需要消耗额外的能量控制下放速度，并且钻杆下方过程中的重力势能在无形中的浪费掉。虽然现有技术在对钻杆下放过程中的重力势能回收进行了研究，但仅限于持续下放时重力势能的回收，并且利用效率不高。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置，该装置在钻杆下放时进行能量转换并利用，节约钻进时的能量损耗，提高能量利用效率。
本发明的第二个目的是提供该装置的回收和利用方法。
本发明之钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置包括传动系统、能量转换系统和能量回收系统；
传动系统包括绞车、传动箱、中心轴、第一离合器和第十离合器；第一离合器位于绞车的右侧中心轴上，第一发条储能器通过绞车的右侧中心轴与绞车相连；
能量转换系统包括发第一电机组、第二发电机组、第三发电机组；第一发电机组包括第一发条储能器、第二离合器、第一变速箱、驱动器、第一发电机；第二发电机组包括第二发条储能器、第三离合器、第二变速箱、第二发电机；第三发电机组包括第三发条储能器、第七离合器、第三变速箱、第三发电机；第一发条储能器通过第一驱动轴与第一变速箱连接，第二离合器位于第一驱动轴上；第一变速箱通过第一传动轴与驱动器连接，第三离合器位于第一传动轴上，驱动器的转子位于第一传动轴上，驱动器的定子固定在第一发电机的外壳上；第十离合器位于绞车左侧的中心轴上，传动箱通过绞车左侧的中心轴与绞车相连；第二发条储能器通过传动箱上端的第二驱动轴与传动箱相连，第四离合器位于传动箱上端的第二驱动轴上；第二变速箱通过第二传动轴与第二发条储能器相连，第五离合器位于第二传动轴上；第二发电机通过第二变速箱的第一输出轴与第二变速箱进行连接，第六离合器位于第二变速箱的第一输出轴上；第一输出轴作为第二发电机的动力输入端，为第二发电机的工作提供动力；第三发条储能器通过传动箱上端的第二驱动轴与传动箱相连，第七离合器位于传动箱上端的第二驱动轴上；第三变速箱通过第二传动轴与第三发条储能器相连，第八离合器位于第二传动轴上；第三发电机通过第三变速箱的第二输出轴与第三变速箱进行连接，第九离合器位于第三变速箱的第二天输出轴上；第二输出轴作为第三发电机的动力输入端，为第三发电机的工作提供动力。
能量回收系统包括超级电容、变频器；
第一发电机、第二发电机、第三发电机通过电缆与能量回收系统的超级电容及变频器进行连接，产生的电能一部分进行存储，另一部分通过变频器调频后并入电网直接使用。
所述驱动器的定子和转子为永磁体。
根据不同的下钻情况，第一发电机组、第二发电机组和第三发电机组选择不同的工作情况进行发电，能量回收系统进行能量回收并利用。
钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置的回收和利用方法，包括以下步骤：
1)常规钻进时，第十离合器、第二离合器断开，第一离合器闭合，第一发条储能器随钻杆下放而转动从而带动进行储能，并为钻杆下放提供一定有益负载。
2)第一发条储能器存储能量饱和后，断开第一离合器，闭合第二离合器和第三离合器，第一发条储能器释放机械能，带动第一变速箱转动。此时，闭合第十离合器，对第二发条储能器、第三发条储能器进行储能。
3)第一变速箱为驱动器的转子及第一传动轴的转动提供初始动能，从而带动第一发电机发电。
4)第一发电机运转后断开第三离合器和第二离合器，第一发条储能器停止工作。
5)连续下放钻杆时，第一离合器断开，第十离合器闭合。
6)传动箱首先对第二发条蓄能器进行充能，此时第四离合器闭合，第五离合器断开，第二发条蓄能器能量饱和后，第四离合器断开，第五离合器和第六离合器闭合，第二发电机进行发电。
7)第二发电机工作时，传动箱带动第三发条蓄能器进行充能，重复步骤6)的操作过程进行能量回收。
本发明的有益效果：
1、实现钻杆下放时的能量回收。
2、能保证发电机的持续高效运转，实现钻杆下放重力势能的持续利用。
3、通过发条储能器对下放钻杆进行施加负载，减少钻机设备的损耗。
4、提高能量利用率，降低生产成本。
总之，本发明能保证重力势能的高效利用，并且为钻机钻进过程中提供有益负载，减少额外消耗，降低钻机损耗，很大程度上提高了能量利用效率，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明之钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置结构图。
图2为驱动器结构图。
图3为图2中的A—A剖视图。
其中：1—绞车；2—第一发条储能器；3—第一变速箱；4—驱动器；5—第一发电机；6—传动箱；7—第二发条储能器；8—第二变速箱；9—第二发电机；10—第三发条储能器；11—第三变速箱；12—第三发电机；13—第一离合器；14—第二离合器；15—第三离合器；16—第四离合器；17—第五离合器；18—第六离合器；19—第七离合器；20—第八离合器；21—第九离合器；22—第十离合器；23—定子；24—转子；25—第一传动轴；26—中心轴；27—第一驱动轴；28—第二驱动轴；29—第二传动轴；30—第一输出轴；31—超级电容；32—变频器；33—电缆；34—第二输出轴。
具体实施方式
请参阅图1和2和图3所示，本发明之钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置包括传动系统、能量转换系统和能量回收系统；
传动系统包括绞车1、传动箱6、中心轴26、第一离合器13和第十离合器22；第一离合器13位于绞车1的右侧中心轴26上，第一发条储能器2通过绞车1的右侧中心轴26与绞车相连；
能量转换系统包括发第一电机组、第二发电机组、第三发电机组；第一发电机组包括第一发条储能器2、第二离合器14、第一变速箱3、驱动器4、第一发电机5；第二发电机组包括第二发条储能器7、第三离合器16、第二变速箱8、第二发电机9；第三发电机组包括第三发条储能器10、第七离合器19、第三变速箱11、第三发电机12；第一发条储能器2通过第一驱动轴27与第一变速箱3连接，第二离合器14位于第一驱动轴27上；第一变速箱3通过第一传动轴25与驱动器4连接，第三离合器15位于第一传动轴25上，驱动器4的转子24(永磁体)位于第一传动轴25上，驱动器4的定子23(永磁体)固定在第一发电机5的外壳上；第十离合器22位于绞车1左侧的中心轴26上，传动箱6通过绞车1左侧的中心轴26与绞车1相连；第二发条储能器7通过传动箱6上端的第二驱动轴28与传动箱6相连，第四离合器16位于传动箱6上端的第二驱动轴28上；第二变速箱8通过第二传动轴29与第二发条储能器7相连，第五离合器17位于第二传动轴29上；第二发电机9通过第二变速箱8的第一输出轴30与第二变速箱8进行连接，第六离合器18位于第二变速箱8的第一输出轴30上；第一输出轴30作为第二发电机9的动力输入端，为第二发电机9的工作提供动力；第三发条储能器10通过传动箱6上端的第二驱动轴28与传动箱6相连，第七离合器19位于传动箱6上端的第二驱动轴28上；第三变速箱11通过第二传动轴29与第三发条储能器10相连，第八离合器20位于第二传动轴29上；第三发电机12通过第三变速箱11的第二输出轴34与第三变速箱11进行连接，第九离合器21位于第三变速箱11的第二天输出轴34上；第二输出轴34作为第三发电机12的动力输入端，为第三发电机12的工作提供动力。
能量回收系统包括超级电容31、变频器32；
第一发电机5、第二发电机9、第三发电机12通过电缆33与能量回收系统的超级电容31及变频器32进行连接，产生的电能一部分进行存储，另一部分通过变频器调频后并入电网直接使用。
所述驱动器4的定子23和转子24为永磁体。
根据不同的下钻情况，第一发电机组、第二发电机组和第三发电机组选择不同的工作情况进行发电，能量回收系统进行能量回收并利用。
钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置的回收和利用方法，包括以下步骤：
1)常规钻进时，第十离合器22、第二离合器14断开，第一离合器13闭合，第一发条储能器2随钻杆下放而转动从而带动进行储能，并为钻杆下放提供一定有益负载。
2)第一发条储能器2存储能量饱和后，断开第一离合器13，闭合第二离合器14和第三离合器15，第一发条储能器2释放机械能，带动第一变速箱3转动。此时，闭合第十离合器22，对第二发条储能器7、第三发条储能器10进行储能。
3)第一变速箱3为驱动器4的转子24及第一传动轴25的转动提供初始动能，从而带动第一发电机5发电。
4)第一发电机5运转后断开第三离合器15和第二离合器14，第一发条储能器2停止工作。
5)连续下放钻杆时，第一离合器13断开，第十离合器22闭合。
6)传动箱6首先对第二发条蓄能器7进行充能，此时第四离合器16闭合，第五离合器17断开，第二发条蓄能器7能量饱和后，第四离合器16断开，第五离合器17和第六离合器18闭合，第二发电机9进行发电。
7)第二发电机9工作时，传动箱6带动第三发条蓄能器10进行充能，重复步骤6)的操作过程进行能量回收。
实例一：
结合附图1所示，常规钻进时，第十离合器22、第二离合器14首先处于断开，第一离合器13处于闭合状态，绞车1的中心轴26随钻杆下放而转动从而带动第一发条储能器2进行储能，在减压钻进状态下，第一发条储能器2为减压钻进提供一定的负载，降低钻机设备的工作负载。第一发条储能器2存储能量饱和后，断开第一离合器13，闭合第二离合器14和第三离合器15，第一发条储能器2释放机械能，带动第一变速箱3转动。第一变速箱3为驱动器4的转子24转动提供初始动能，从而带动第一发电机5发电。由于驱动器4的定子23和转子24均为永磁体，利用永久磁铁南(S)北(N)两磁极的同名相斥或异名相吸原理，保证驱动器4的转子24在一定时间内进行持续运动。此时，断开第三离合器15和第二离合器14，闭合第一离合器13，第一发条储能器2停止输出能量，继续充能。待驱动器4的转子24转动速度下降时，重复上述操作过程，为驱动器4的转子24继续提供能量，驱动第一发电机5发电。第一发电机5产生的电能一部分存储在超级电容31内，另一部分电能并入电网，为其他用电设备继续供电。存储在超级电容31内的电能可在停电或需要加大钻进设备的输出功率时进行启用，减少电路的运行负担。
实例二：
结合附图1所示，在持续下放钻杆时，第一离合器13处于断开状态，第一发电机5依靠第一发条储能器2之前储存的能量进行持续工作。第十离合器22处于闭合状态，第四离合器16闭合，第七离合器19断开，绞车1首先带动第二发条储能器7进行能量存储，待能量存储饱和后，参照实例一的操作步骤驱动第二发电机9进行工作。此时，第七离合器19闭合，第四离合器16断开，第三发电机组重复第二发电机组的操作流程进行发电工作。在持续下放钻杆的过程中，第二发电机组和第三发电机组依次交替工作，保证发电机的持续发电。第二发电机9和第三发电机12产生的电能一部分存储在超级电容31内，另一部分电能并入电网，为其他用电设备继续供电。存储在超级电容31内的电能可在停电或需要加大钻进设备的输出功率时进行启用，减少电路的运行负担。

Claims (2)

1.一种钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置，其特征在于：包括传动系统、能量转换系统和能量回收系统；
传动系统包括绞车(1)、传动箱(6)、中心轴(26)、第一离合器(13)和第十离合器(22)；第一离合器(13)位于绞车(1)的右侧中心轴(26)上，第一发条储能器(2)通过绞车(1)的右侧中心轴(26)与绞车相连；
能量转换系统包括发第一电机组、第二发电机组、第三发电机组；第一发电机组包括第一发条储能器(2)、第二离合器(14)、第一变速箱(3)、驱动器(4)、第一发电机(5)；第二发电机组包括第二发条储能器7、第三离合器(16)、第二变速箱(8)、第二发电机(9)；第三发电机组包括第三发条储能器(10)、第七离合器(19)、第三变速箱(11)、第三发电机(12)；第一发条储能器(2)通过第一驱动轴(27)与第一变速箱(3)连接，第二离合器(14)位于第一驱动轴(27)上；第一变速箱(3)通过第一传动轴(25)与驱动器(4)连接，第三离合器(15)位于第一传动轴(25)上，驱动器(4)的转子(24)位于第一传动轴(25)上，驱动器(4)的定子(23)固定在第一发电机(5)的外壳上；第十离合器(22)位于绞车(1)左侧的中心轴(26)上，传动箱(6)通过绞车(1)左侧的中心轴(26)与绞车(1)相连；第二发条储能器7通过传动箱(6)上端的第二驱动轴(28)与传动箱(6)相连，第四离合器(16)位于传动箱(6)上端的第二驱动轴(28)上；第二变速箱(8)通过第二传动轴(29)与第二发条储能器7相连，第五离合器(17)位于第二传动轴(29)上；第二发电机(9)通过第二变速箱(8)的第一输出轴(30)与第二变速箱(8)进行连接，第六离合器(18)位于第二变速箱(8)的第一输出轴(30)上；第一输出轴(30)作为第二发电机(9)的动力输入端，为第二发电机(9)的工作提供动力；第三发条储能器(10)通过传动箱(6)上端的第二驱动轴(28)与传动箱(6)相连，第七离合器(19)位于传动箱(6)上端的第二驱动轴(28)上；第三变速箱(11)通过第二传动轴(29)与第三发条储能器(10)相连，第八离合器(20)位于第二传动轴(29)上；第三发电机(12)通过第三变速箱(11)的第二输出轴(34)与第三变速箱(11)进行连接，第九离合器(21)位于第三变速箱(11)的第二天输出轴(34)上；第二输出轴(34)作为第三发电机(12)的动力输入端，为第三发电机(12)的工作提供动力；
能量回收系统包括超级电容(31)和变频器(32)；
第一发电机(5)、第二发电机(9)、第三发电机(12)通过电缆(33)与能量回收系统的超级电容(31)及变频器(32)进行连接，产生的电能一部分进行存储，另一部分通过变频器调频后并入电网直接使用；
所述驱动器(4)的定子(23)和转子(24)为永磁体。
2.权利要求1所述钻进过程中进行能量持续回收和利用的装置的回收和利用方法，包括以下步骤：
1)常规钻进时，第十离合器(22)、第二离合器(14)断开，第一离合器(13)闭合，第一发条储能器(2)随钻杆下放而转动从而带动进行储能，并为钻杆下放提供一定有益负载；
2)第一发条储能器(2)存储能量饱和后，断开第一离合器(13)，闭合第二离合器(14)和第三离合器(15)，第一发条储能器(2)释放机械能，带动第一变速箱(3)转动；此时，闭合第十离合器(22)，对第二发条储能器7、第三发条储能器(10)进行储能；
3)第一变速箱(3)为驱动器(4)的转子(24)及第一传动轴(25)的转动提供初始动能，从而带动第一发电机(5)发电；
4)第一发电机(5)运转后断开第三离合器(15)和第二离合器(14)，第一发条储能器(2)停止工作；
5)连续下放钻杆时，第一离合器(13)断开，第十离合器(22)闭合；
6)传动箱(6)首先对第二发条蓄能器7进行充能，此时第四离合器(16)闭合，第五离合器(17)断开，第二发条蓄能器7能量饱和后，第四离合器(16)断开，第五离合器(17)和第六离合器(18)闭合，第二发电机(9)进行发电；
7)第二发电机(9)工作时，传动箱(6)带动第三发条蓄能器(10)进行充能，重复步骤6)的操作过程进行能量回收。
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