CN108712106B - 井下发电装置和分层注水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下发电装置和分层注水装置，其涉及油气开发技术领域，所述井下发电装置包括：沿轴线方向延伸的外壳；设置在所述外壳内的转轮、隔离件、压电双晶片和驱动机构，隔离件与外壳形成密封空间，压电双晶片设置在密封空间中，压电双晶片沿轴线方向延伸，压电双晶片绕所述外壳的轴线呈圆周分布，压电双晶片的一端固定，驱动机构包括：与所述转轮相传动连接的磁体机构；设置在所述压电双晶片另一端的第一磁体，所述磁体机构通过磁力能够驱动第一磁体产生往复运动。本发明能够在不接触压电双晶片的基础上驱动其产生振动，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，以延长或甚至避免井下供电设备的更换。

Description

井下发电装置和分层注水装置

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，特别涉及一种井下发电装置和分层注水装置。

背景技术

近些年，随着电子、控制、传感等技术的不断进步，井筒控制工具也逐步由传统的纯机械向自动化和智能化方向转变，井下电控工具不论从数量和种类上都出现了爆发式增长。

对于井下电控工具来说，井下供电是其工作的基础。目前，井下工具供电主要采用电缆和电池两种方式，前者需要将电缆和井下工具下入到指定位置，施工繁琐，成本高，且电缆在下入过程中容易受到破坏；后者又分为一次性电池和充电电池，一次性电池电量耗尽后，需要将整个电控工具打捞到地面，更换电池后重新将工具下入到井下位置，而充电电池电量将要耗尽时，需要将充电器下入到井下非常接近井下注水工具的位置，从而对电池进行无线充电，上述作业方式费时费力。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种井下发电装置和分层注水装置，其能够在不接触压电双晶片的基础上驱动其产生振动，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，以延长或甚至避免井下供电设备的更换。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种井下发电装置，所述井下发电装置包括：

沿轴线方向延伸的外壳；

设置在所述外壳内的转轮、隔离件、压电双晶片和驱动机构，所述隔离件与所述外壳形成密封空间，所述压电双晶片设置在所述密封空间中，所述压电双晶片沿轴线方向延伸，所述压电双晶片绕所述外壳的轴线呈圆周分布，所述压电双晶片的一端固定，所述驱动机构包括：与所述转轮相传动连接的磁体机构；设置在所述压电双晶片另一端的第一磁体，所述磁体机构通过磁力能够驱动第一磁体产生往复运动。

在一种优选的实施方式中，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的下支撑件，所述下支撑件位于所述转轮的下游，所述下支撑件用于对所述转轮的轴进行限位。

在一种优选的实施方式中，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的上导叶机构，所述上导叶机构位于所述转轮的上游。

在一种优选的实施方式中，所述外壳包括上外筒和与所述上外筒相连接的下外筒，所述隔离件的一端嵌入所述上外筒和下外筒的连接处以固定。

在一种优选的实施方式中，所述压电双晶片的一端通过封装板封装固定在所述隔离件或所述外壳上。

在一种优选的实施方式中，所述磁体机构包括：至少两块第二磁体，一块所述第二磁体的N磁极朝向外侧，一块所述第二磁体的S磁极朝向内侧。

在一种优选的实施方式中，N磁极朝向外侧的所述第二磁体为多块，S磁极朝向外侧的所述第二磁体为多块，N磁极朝向外侧的所述第二磁体与S磁极朝向外侧的所述第二磁体间隔设置在所述转轮的轴的侧壁上。

在一种优选的实施方式中，所述第一磁体的S磁极朝向所述转轮的轴线。

在一种优选的实施方式中，所述第一磁体的N磁极朝向所述转轮的轴线。

在一种优选的实施方式中，所述压电双晶片的另一端连接有配重件。

在一种优选的实施方式中，所述转轮的轴上套设有无磁套，所述磁体机构设置在所述无磁套上。

一种分层注水装置，所述分层注水装置包括如上述任一所述的井下发电装置。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

将本申请中的井下发电装置连接在分层注水井下装置中，当通过分层注水井下装置进行分层注水时，水流将穿过本申请中的井下发电装置的外壳。在外壳中，水流由转轮方向向压电双晶方向流动，在水流的冲击作用下驱动转轮旋转。由于转轮与磁体机构相传动连接，且在所述压电双晶片另一端设置有第一磁体，因此，转轮带动磁体机构转动，磁体机构在转动的过程中能够周期性的通过磁力对第一磁体产生吸引力和排斥力。由于压电双晶片绕外壳的轴线呈圆周分布，且压电双晶片的一端固定，因此，压电双晶片的另一端会发生往复振动，如此，磁体机构在不接触压电双晶片的前提下驱动第一磁体产生往复运动。压电双晶片在往复振动的过程中能够进行发电，通过压电双晶片产生的电流，井下发电装置便能够持续性的给负载供电。当停止注水时，没有水流驱动转轮旋转，整个压电发电装置便停止发电。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中井下发电装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中井下发电装置的横截面示意图；

图3为图2中A向示意图；

图4为本发明实施例中井下发电装置的仰视图；

图5为本发明实施例中井下发电装置的俯视图。

以上附图的附图标记：

1、外壳；11、上外筒；12、下外筒；2、转轮；21、轴；211、台阶；22、无磁套；23、叶片；3、压电双晶片；31、封装板；32、配重件；41、磁体机构；411、第二磁体；42、第一磁体；5、下支撑件；51、内环；52、外环；6、隔离件；7、固定环；8、上导叶机构。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

不管是注入井还是采出井，都有源源不断的流体流动，如果将流体流动的机械能转换为电能，为井下可充电电池充电或直接为井下工具供电，就能够大大提高井下工具的服役时间，大幅降低施工作业量和投入成本，因此，在本申请中提出了一种井下发电装置，图1为本发明实施例中井下发电装置的立体结构示意图，图2为本发明实施例中井下发电装置的横截面示意图，如图1和图2所示，本申请中的井下发电装置可以包括：沿轴线方向延伸的外壳1；设置在外壳1内的转轮2、隔离件6、压电双晶片3和驱动机构，隔离件6与外壳1形成密封空间，压电双晶片3设置在密封空间中，压电双晶片3沿轴线方向延伸，压电双晶片3绕外壳1的轴线呈圆周分布，压电双晶片3的一端固定，驱动机构包括：与转轮2相传动连接的磁体机构41；设置在压电双晶片3另一端的第一磁体42，磁体机构41通过磁力能够驱动第一磁体42产生往复运动。

将本申请中的井下发电装置连接在分层注水井下装置中，当通过分层注水井下装置进行分层注水时，水流将穿过本申请中的井下发电装置的外壳1。在外壳1中，水流由转轮2方向向压电双晶方向流动，在水流的冲击作用下驱动转轮2旋转。由于转轮2与磁体机构41相传动连接，且在压电双晶片3另一端设置有第一磁体42，因此，转轮2带动磁体机构41转动，磁体机构41在转动的过程中能够周期性的通过磁力对第一磁体42产生吸引力和排斥力。由于压电双晶片3绕外壳1的轴线呈圆周分布，且压电双晶片3的一端固定，因此，压电双晶片3的另一端会发生往复振动，如此，磁体机构41在不接触压电双晶片3的前提下驱动第一磁体42产生往复运动。压电双晶片3在往复振动的过程中能够进行发电，通过压电双晶片3产生的电流，井下发电装置便能够持续性的给负载供电。当停止注水时，没有水流驱动转轮2旋转，整个压电发电装置便停止发电。

本申请中的井下发电装置能够将水流的动能转化为机械能，再进一步通过压电双晶片3将机械能转变成电能，电能随着注水过程中水流的持续流动而持续产生。由井下发电装置产生的电能可以由导线引出，然后经过相应的整流电路从而为电池或用电装置等负载供电。该井下发电装置结构可以使其满足下入井下装置的体积要求，进而可连接在分层注水装置上并下入至井下，在不接触压电双晶片3的基础上驱动其产生振动，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，为分层注水装置等用电系统提供稳定、持续的电能，以延长甚至避免井下供电设备的置换，从而提高注水周期。由于驱动压电双晶片3产生振动时流体不会接触到压电双晶片3，在长时间工作下，流体的流动不会对压电双晶片3产生任何损伤或破坏，因此，可以有效提高压电双晶片3的使用时间。

为了能够更好的了解本申请中的井下发电装置，下面将对其做进一步解释和说明。如图1和图2所示，外壳1沿轴线方向延伸，其可以大致呈一细长型的筒体，筒体的上下端两端贯通，其中间能够形成有流道，用于流体的流入和流出。

如图1和图2所示，转轮2设置在外壳1内，其能够在壳体的径向面上进行旋转，转轮2具体可以包括轴21和设置在轴21上的叶片23，轴21和叶片23可以一体化成形。流入至外壳1内的流体沿壳体的轴线方向流动，从而冲击转轮2的叶片23，驱动转轮2转动。

如图1和图2所示，隔离件6设置在外壳1内，隔离件6可以大致呈小于外壳1的圆筒状。隔离件6的上端嵌入外壳1，并与外壳1相抵，隔离件6的下端可以嵌入外壳1，如此，隔离件6与外壳1之间形成密封空间。压电双晶片3设置在密封空间中，压电双晶片3沿轴线方向延伸。压电双晶片3的上端可以通过封装板31封装固定在隔离件6或外壳1上，压电双晶片3的下端呈自由状态。具体而言，密封空间中设置有用于固定压电双晶片3的固定环7，固定环7与述隔离件6或外壳1固定连接，然后压电双晶片3可以通过封装板31封装固定在固定环7上。

如图1和图2所示，多个压电双晶片3绕外壳1的轴线呈圆周分布。在一个具体的实施例中，压电双晶片3的数量可以为六，相邻压电双晶片3之间的夹角为60度。当然，压电双晶片3的数量可以根据需要发电量的大小进行调整，在本申请中做不任何限定。

如图1和图2所示，驱动机构包括：与转轮2相传动连接的磁体机构41；设置在压电双晶片3另一端的第一磁体42，磁体机构41通过磁力能够驱动第一磁体42产生往复运动。在一种可行的实施方式中，在转轮2的轴21上套设有无磁套22，磁体机构41设置在无磁套22上。无磁套22可以由环氧树脂等防水材料制成，其用于包覆并固定磁体机构41，防止磁体机构41受到流体的侵蚀。同时，无磁套22可以防止转轮2的轴21的一端被磁化，一旦转轮2的轴21被磁化后会增加转轮2的启动扭矩，不利于低流量流体下井下发电装置的发电。

图3为图2中A向示意图，如图3所示，磁体机构41可以包括：至少两块第二磁体411，一块第二磁体411的N磁极朝向外侧，一块第二磁体411的S磁极朝向内侧。至少两块第二磁体411均设置在无磁套22或转轮2的轴21的侧壁，其与压电双晶片3另一端的第一磁体42基本处于同一高度。在一种优选的实施方式中，N磁极朝向外侧的第二磁体411为多块，S磁极朝向外侧的第二磁体411为多块，N磁极朝向外侧的第二磁体411与S磁极朝向外侧的第二磁体411间隔设置在转轮2的轴21的侧壁上。在本实施方式中，N磁极朝向外侧的第二磁体411为三块，S磁极朝向外侧的第二磁体411为三块。N磁极朝向外侧的第二磁体411和S磁极朝向外侧的第二磁体411的数量可以根据压电双晶片3需要震动的频率要求以及振幅确定，压电双晶片3需要震动的频率越高，第二磁体411的数量越多，压电双晶片3需要震动的振幅越小，第二磁体411的数量越小。

如图2和图3所示，在一种实施方式中，设置在压电双晶片3另一端的第一磁体42的S磁极朝向转轮2的轴线，如此，当转轮2带动磁体机构41转动，磁体机构41中S磁极朝向外侧的第二磁体411和N磁极朝向外侧的第二磁体411在转动的过程中能够周期性的通过磁力对第一磁体42产生吸引力和排斥力。这样，磁体机构41便在不接触压电双晶片3的前提下驱动第一磁体42产生往复运动，即驱动触压电双晶片3的另一端产生往复运动。压电双晶片3在往复振动的过程中进行发电，通过压电双晶片3产生的电流，井下发电装置便能够持续性的给负载供电。在另一种实施方式中，设置在压电双晶片3另一端的第一磁体42的N磁极朝向转轮2的轴线，通过该方式也可以达到压电双晶片3产生往复运动的效果。

如图2和图3所示，为了能够控制压电双晶片3震动的幅度，还可以在压电双晶片3的另一端连接有配重件32。通过配重件32的重量的控制，可以调节第一磁体42和第二磁体411之间产生的吸引力和排斥力对压电双晶片3另一端产生振动时振幅的大小，如此可以避免压电双晶片3另一端振幅过大而触碰到外壳1或第二磁体411。

在一种优选的实施方式中，图4为本发明实施例中井下发电装置的仰视图，如图1、图2和图4所示，在转轮2的上游可以设置有上导叶机构8，上导叶机构8套设在转轮2的轴21上。上导叶机构8的中心具有一贯穿孔，以便转轮2的轴21能够穿入上导叶机构8，同时，上导叶机构8还具有外框架，外框架的形状和外壳1的内壁的形状相配合，从而使得上导叶机构8的侧壁与外壳1的内壁之间相抵进行限位。上导叶机构8的外框架形成有上导叶，流体从上导叶机构8的上导叶流入，上导叶对流体产生整流效果，从而在一定流量下有利于流体能够稳定的驱动转轮2旋转。上导叶机构8与转轮2的轴21之间可以进行转动，如此，上导叶机构8不会影响流体驱动转轮2时转轮2的转动且上导叶机构8能够将转轮2的轴21定位在外壳1的中心。

在一种优选的实施方式中，图5为本发明实施例中井下发电装置的俯视图，如图1、图2和图5所示，井下发电装置还可以包括：套设在转轮2的轴21上的下支撑件5，下支撑件5位于转轮2的下游，下支撑件5用于对转轮2的轴21进行限位。转轮2的轴21穿过下支撑件5的内环51，转轮2的轴21在下支撑件5的内环51中能够进行转动，下支撑件5的外环52与外壳1的内壁之间相抵进行限位，如此，通过外壳1对下支撑件5进行固定，防止其转动。同时，下支撑件5能够将转轮2的轴21定位在外壳1的中心。在一种可行的实施方式中，外壳1可以包括上外筒11和与上外筒11相连接的下外筒12，上外筒11和下外筒12之间可以采用卡合连接或螺纹连接等，在此不作任何限制。由于上外筒11和下外筒12之间为可拆卸连接，因此，下支撑件5可以方便的固定于上外筒11和下外筒12的连接处。例如，下支撑件5可以插入或卡合连接在上外筒11或下外筒12上。

为了避免上导叶机构8、下支撑件5在转轮2的轴21上在轴线方向产生滑动，如图2所示，转轮2的轴21和/或外壳1的内壁可以设置有相应的台阶211，从而对上导叶机构8、下支撑件5在轴线方向上进行限位，有效防止上导叶机构8、下支撑件5的滑动至转轮2的叶片23上。同时，隔离件6的下端可以抵住下支撑件5的外环52，如此可以对下支撑件5、隔离件6的进行限位和定位，防止其发生上下移动。

在本申请中还提出了一种分层注水装置，该分层注水装置包括上述任一的井下发电装置，该分层注水装置能够在不接触压电双晶片3的基础上驱动其产生振动，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，为分层注水装置等用电系统提供稳定、持续的电能，以延长甚至避免井下供电设备的置换，从而提高注水周期。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分层注水装置，其特征在于，所述分层注水装置包括井下发电装置，所述井下发电装置包括：

沿轴线方向延伸的外壳；

设置在所述外壳内的转轮、隔离件、压电双晶片和驱动机构，所述隔离件与所述外壳形成密封空间，所述压电双晶片设置在所述密封空间中，所述压电双晶片沿轴线方向延伸，所述压电双晶片绕所述外壳的轴线呈圆周分布，所述压电双晶片的一端固定，所述转轮包括轴和设置在所述轴上的叶片，流入至所述外壳内的流体冲击所述转轮的所述叶片，驱动所述转轮转动，所述驱动机构包括：与所述转轮相传动连接的磁体机构，所述磁体机构包括：至少两块第二磁体，一块所述第二磁体的N磁极朝向外侧，一块所述第二磁体的S磁极朝向内侧；设置在所述压电双晶片另一端的第一磁体，所述磁体机构通过磁力能够驱动第一磁体产生往复运动；所述转轮的轴上套设有无磁套，所述磁体机构设置在所述无磁套上，所述无磁套由环氧树脂制成，所述无磁套包覆并固定所述磁体机构。

2.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的下支撑件，所述下支撑件位于所述转轮的下游，所述下支撑件用于对所述转轮的轴进行限位。

3.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的上导叶机构，所述上导叶机构位于所述转轮的上游。

4.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述外壳包括上外筒和与所述上外筒相连接的下外筒，所述隔离件的一端嵌入所述上外筒和下外筒的连接处以固定。

5.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述压电双晶片的一端通过封装板封装固定在所述隔离件或所述外壳上。

6.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，N磁极朝向外侧的所述第二磁体为多块，S磁极朝向外侧的所述第二磁体为多块，N磁极朝向外侧的所述第二磁体与S磁极朝向外侧的所述第二磁体间隔设置在所述转轮的轴的侧壁上。

7.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述第一磁体的S磁极朝向所述转轮的轴线。

8.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述第一磁体的N磁极朝向所述转轮的轴线。

9.根据权利要求1所述的分层注水装置，其特征在于，所述压电双晶片的另一端连接有配重件。

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