CN109763792A - 一种随钻式的振动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种随钻式的振动俘能器，包括上缸体、下缸体和俘能盘，上缸体包括上壳体，上壳体上端设有上钻杆接头，内部设有上部井管，下缸体包括下壳体，下壳体下端设有下钻杆接头，内部设有下部井管，俘能盘固定于下部井管上，下部井管上端连接上部井管下端，且上壳体连接下壳体形成壳体，俘能盘位于壳体内，俘能盘包括内环，内环表面设有电容器，环绕内环设有多个悬臂梁，每一悬臂梁上设有一压电片，且每一悬臂梁一端连接一质量块，另一端均连接电容器，上钻杆接头用于连接一钻杆下端，下钻杆接头用于连接另一钻杆上端，电容器收集所有压变片产生的电荷。本发明的有益效果：高效产生电能，更适合于钻探领域。
Description
技术领域
本发明涉及钻探设备技术领域，尤其涉及一种随钻式的振动俘能器。
背景技术
现有的压电材料俘能器多以悬臂结构为主，主要由质量块、悬臂、压电片和电容器等部分组成。受到外力作用时，质量块带动悬臂振动，使附着在悬臂上的压电片发生形变从而产生电荷，并通过电容器进行收集，这项技术在路桥、船舶等行业得到了较为广泛的应用，但在钻探行业还是缺少应用。
在钻探过程中，特别是在钻进岩石过程中，由于钻头的冲击作用而使钻杆不断发生振动，振动带动压电材料所在悬臂振动，因张力作用使得压电材料受压而发电，因此将这种振动通过压电俘能器转换为电能理论上是可行的。然而已有的俘能器模型多为单臂，且悬臂较长；在钻探工程中，孔径一般不超过450mm，由于井口直径的限制，随钻式俘能器悬臂的长度比较有限，而且井下工况复杂，这就要求俘能器具有结构简单，结实耐用，便于修理和维护的特点。由此可见长单臂的传统结构并不适用于钻探行业，需要对其进行改进。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种随钻式的振动俘能器。
本发明的实施例提供一种随钻式的振动俘能器，包括上缸体、下缸体和俘能盘，所述上缸体包括上壳体，所述上壳体上端设有上钻杆接头，内部设有上部井管，所述下缸体包括下壳体，所述下壳体下端设有下钻杆接头，内部设有下部井管，所述俘能盘固定于所述下部井管上，所述下部井管上端连接所述上部井管下端，且所述上壳体连接所述下壳体形成壳体，所述俘能盘位于所述壳体内，所述俘能盘包括内环，所述内环表面设有电容器，环绕所述内环设有多个悬臂梁，每一所述悬臂梁上设有一压电片，且每一所述悬臂梁一端连接一质量块，另一端均连接所述电容器，所述上钻杆接头用于连接一钻杆下端，所述下钻杆接头用于连接另一钻杆上端，两所述钻杆钻进时，所述上部井管和所述下部井管均振动，带动所有质量块振动，每一所述悬臂梁振动且该悬臂梁上的所述压电片发生形变产生电荷，所述电容器收集所有电荷。
进一步地，所述上壳体为管体结构，所述上壳体与上部井管轴线重合，所述上壳体下端设有外螺纹接头，所述上部井管贯穿所述外螺纹接头且所述上部井管上端连接所述上钻杆接头。
进一步地，所述下壳体为管体结构，所述下壳体与所述下部井管轴线重合，所述下壳体上端设有内螺纹接头，所述下部井管上端贯穿所述内螺纹接头，且所述内螺纹接头与所述外螺纹接头连接，从而使所述上壳体连接所述下壳体形成所述壳体。
进一步地，所述下部井管上端外壁设有外螺纹，所述内环内壁设有内螺纹，所述内环套设于所述下部井管上且所述内螺纹与所述外螺纹配合，所述俘能盘被插入所述上壳体内。
进一步地，所述上部井管的外径大于所述下部井管的内径，所述上部井管下部插入所述下部井管上部且二者过盈配合。
进一步地，环绕所述内环设有均匀分布的四所述悬臂梁。
进一步地，所述质量块为拱形质量块，且每一所述质量块与所述内环轴线重合。
进一步地，所述电容器连接随钻测量设备，用于为所述随钻测量设备供电。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种随钻式的振动俘能器，俘能盘的圆盘形结构设计，充分地利用钻井井孔内部的环形空间，能够更加高效地产生电能，相比于传统的长单悬臂式结构更适合于钻探领域，上缸体和下缸体之间螺纹连接，便于拆卸，且对于钻进过程中井下复杂工况能够对内部的俘能盘起到良好的保护作用，上部井管和下部井管采用过盈配合进行嵌套，既保证了钻杆内部水路的连贯，又能方便拆卸检修，俘能盘与下部井管螺纹连接，便于拆卸更换。
附图说明
图1是本发明一种随钻式的振动俘能器的示意图；
图2是图1的中上缸体1的示意图；
图3是图1的中下缸体2的示意图；
图4是图1的中俘能盘3的主视图；
图5是图1的中俘能盘3的俯视图；
图6是图1中的俘能盘3的等效模型图；
图7是本发明一种随钻式的振动俘能器振动能量俘获装置等效电路图。
图中：1-上缸体、11-上壳体、12-上钻杆接头、13-上部井管、14-外螺纹接头、2-下缸体、21-下壳体、22-下钻杆接头、23-下部井管、24-内螺纹接头、25-外螺纹、3-俘能盘、31-内环、32-电容器、33-悬臂梁、34-质量块、35-内螺纹。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种随钻式的振动俘能器，包括上缸体1、下缸体2和俘能盘3。
请参考图2，所述上缸体1包括上壳体11，所述上壳体11为管体结构且上端封闭，所述上壳体11上端设有上钻杆接头12，所述上钻杆接头12焊接于所述上壳体11上端中心处，且所述上钻杆接头12可通过焊接连接一钻杆下端，所述上壳体11下端设有外螺纹接头14，所述上壳体11内部设有上部井管13，所述上部井管13与所述上壳体11轴线重合，所述上部井管13上端与所述上钻杆接头12焊接并连通，所述上部井管13下端贯穿所述外螺纹接头14并向下延伸。
请参考图3，所述下缸体2包括下壳体21，所述下壳体21为管体结构且下端密封，所述下壳体21下端设有下钻杆接头22，所述下钻杆接头22焊接于所述下壳体21下端中心，且所述下钻杆接头22可通过焊接连接另一钻杆上端，所述下壳体21内部设有下部井管23，所述下部井管23与所述下壳体21的轴线重合，所述下部井管23下端与所述下钻杆接头22焊接并连通，所述下壳体21上端设有内螺纹接头24，所述下部井管23上部贯穿所述内螺纹接头24并向上延伸，所述上部井管23上部延伸出所述内螺纹接头24部分设有外螺纹25，所述上部井管13的外径大于所述下部井管23的内径，所述内螺纹接头24与所述外螺纹接头14连接，从而使所述上壳体11连接所述下壳体21形成所述壳体，所述壳体内部密封，且所述上部井管13下部插入所述下部井管23上部且二者过盈配合。
请参考图4和图5，所述俘能盘3设置于所述壳体内，所述俘能盘3包括内环31，所述内环31内壁设有内螺纹35，所述内环31套设于所述下部井管23上且所述内螺纹35与所述外螺纹25配合，所述俘能盘3被插入所述上壳体11内，所述内环31表面固定设有电容器32，环绕所述内环31设有多个悬臂梁33，本实施例中设有四个所述悬臂梁33，四所述悬臂梁33均匀环绕于所述内环31，两两对称分布，每一所述悬臂梁33上设有一压电片，且每一所述悬臂梁33一端连接一质量块34，另一端均连接所述电容器32，本实施例中，所述质量块34为拱形质量块，且每一所述质量块34均与所述内环31轴线重合，这样使所述俘能盘3的结构更加稳固。
本发明的一种随钻式的振动俘能器在跟随两所述钻杆钻进时，所述上部井管13和所述下部井管23均振动，带动所有质量块34振动，每一所述悬臂梁33振动且该悬臂梁33上的所述压电片发生形变产生电荷，所述电容器32收集所有电荷。所述电容器32还可连接随钻测量设备，用于为所述随钻测量设备供电。
下面对上述振动俘能器的应用效果进行解释：
首先，选择所述振动俘能器的四所述悬臂梁33中的一所述悬臂梁33作为理论计算对象进行计算。
将所述悬臂梁33、所述质量块34及所述电容器用图6所示理论模型代替，所述压电片输出为交流电，实际应用中可根据井下测量仪器所需的供电类型选择是否添加AC-DC转换装置，本次采用一种比较成熟的悬臂梁式压电振动能量俘获装置电路等效模型(其中放大电路以负载电阻RL代替)，测试电路如图7所示。
根据图7所示等效电路模型,假定整流二极管均为理想,即没有管压降,忽略谐波效应等可以列出电路方程组如下
式中hp为压电层厚度，Le为压电层长度，b为压电层宽度，ε为压电层常应力条件下的介电常数。
由于稳压电容的值较大,并且其两端的电压为单向直流电,因而此时RC充放电的纹波不大。并且对于电阻性负载,纹波的影响较小。因而,不妨假设稳态时,忽略RC充放电的纹波,假定Uo为恒定值。
在以上假设的基础上,可以进一步推出,当整流桥导通时:
|Uo|＝|Up| (4)
由(3)式可知Cp仅与压电片材料和尺寸有关，固可套用公式
进行计算，其中激励角频率ω与质量块带动压电片振动的振幅有关，取φ＝90°的特殊情况计算，又由于Cp极小(10-8数量级),计算中可忽略不计，故(5)式可简化为
以压电材料Z0.2T30×30S-SY1-C82为例进行计算,其具体参数Cp＝91nF,一开井孔井眼直径为444.5mm，三开井径约为216mm,考虑壳体厚度和质量块34影响，悬臂梁33长度为90-180mm宽和厚度设置为80mm×3mm，故Am约为0.141-0.282mA,由于俘能盘为四臂且悬臂梁33上下两端均附有压电片，故安装有单俘能盘的振动俘能器理论上Uzmax＝8Uo＝1.43*10-3RL(V)。在接入放大电路的情况下，本装置能够收集钻具振动产生的能量，在一定程度上起到缓解电池组的压力、降低能耗的目的，与此同时，将此装置用于给随钻测量系统中的部分组件供电也是完全可行的。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：包括上缸体、下缸体和俘能盘，所述上缸体包括上壳体，所述上壳体上端设有上钻杆接头，内部设有上部井管，所述下缸体包括下壳体，所述下壳体下端设有下钻杆接头，内部设有下部井管，所述俘能盘固定于所述下部井管上，所述下部井管上端连接所述上部井管下端，且所述上壳体连接所述下壳体形成壳体，所述俘能盘位于所述壳体内，所述俘能盘包括内环，所述内环表面设有电容器，环绕所述内环设有多个悬臂梁，每一所述悬臂梁上设有一压电片，且每一所述悬臂梁一端连接一质量块，另一端均连接所述电容器，所述上钻杆接头用于连接一钻杆下端，所述下钻杆接头用于连接另一钻杆上端，两所述钻杆钻进时，所述上部井管和所述下部井管均振动，带动所有质量块振动，每一所述悬臂梁振动且该悬臂梁上的所述压电片发生形变产生电荷，所述电容器收集所有电荷。
2.如权利要求1所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述上壳体为管体结构，所述上壳体与上部井管轴线重合，所述上壳体下端设有外螺纹接头，所述上部井管贯穿所述外螺纹接头且所述上部井管上端连接所述上钻杆接头。
3.如权利要求2所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述下壳体为管体结构，所述下壳体与所述下部井管轴线重合，所述下壳体上端设有内螺纹接头，所述下部井管上端贯穿所述内螺纹接头，且所述内螺纹接头与所述外螺纹接头连接，从而使所述上壳体连接所述下壳体形成所述壳体。
4.如权利要求3所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述下部井管上端外壁设有外螺纹，所述内环内壁设有内螺纹，所述内环套设于所述下部井管上且所述内螺纹与所述外螺纹配合，所述俘能盘被插入所述上壳体内。
5.如权利要求4所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述上部井管的外径大于所述下部井管的内径，所述上部井管下部插入所述下部井管上部且二者过盈配合。
6.如权利要求1所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：环绕所述内环设有均匀分布的四所述悬臂梁。
7.如权利要求1所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述质量块为拱形质量块，且每一所述质量块与所述内环轴线重合。
8.如权利要求1所述的一种随钻式的振动俘能器，其特征在于：所述电容器连接随钻测量设备，用于为所述随钻测量设备供电。
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