CN110581669B - 一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，包括中空外壳，所述外壳内部设有发电装置和电路板，所述发电装置包括纳米管和纳米球，所述纳米管固定设置，所述纳米球设置于所述纳米管内且可滚动，所述电路板分别连接所述纳米管和所述纳米球，所述外壳转动使所述纳米球滚动，所述纳米球外壁与所述纳米管内壁摩擦生电，所述电路板用于存储电能。本发明的有益效果：实时供电，因此降低了钻进工艺复杂程度，提高了效率；利用离心力波动进行发电，无需与井下外界环境接触，可做到完全密封，避免井下流体中的碎石破坏作用；利用离心力及振动进行发电，提高了发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及钻探仪器仪表设备技术领域，尤其涉及一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节。
背景技术
近年来，随着我国工业化、城镇化和农业现代化的加快推进，我国矿产资源供需矛盾日益突出，对矿产资源的需求呈刚性上升态势，而由于浅层矿产资源逐步枯竭，对深部矿产资源的开采已提上日程。对于深部地质勘探开发时，为保证钻孔按照设定轨迹钻进，在钻进过程中一般将仪器安装在近钻头附近，采用仪器实时测量井下参数，待提钻时将井下参数进行回放，井场工作人员便可根据井下数据对钻进工艺进行调整，以保证钻进轨迹按照设定目标进行。
现阶段，对于井下仪器而言供电方式主要有两种，一种是采用电缆对井下仪器进行供电，另一种是在仪器内安装电池进行供电。上述两种供电方式，均会增加钻进工艺复杂程度，影响钻进效益。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节。
本发明的实施例提供一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，包括中空外壳，所述外壳内部设有发电装置和电路板，所述发电装置包括纳米管和纳米球，所述纳米管固定设置，所述纳米球设置于所述纳米管内且可滚动，所述电路板分别连接所述纳米管和所述纳米球，所述外壳转动使所述纳米球滚动，所述纳米球外壁与所述纳米管内壁摩擦生电，所述电路板用于存储电能。
进一步地，所述外壳内部设有多个所述发电装置，所有发电装置沿着所述外壳长度方向层叠设置，每一所述发电装置的纳米管与纳米球分别连接所述电路板。
进一步地，每一所述发电装置还包括上固定座和下固定座，所述上固定座和所述下固定座相对设置且均固定连接所述外壳内壁，所述纳米管上端固定于所述上固定座底面，下端固定于所述下固定座顶面，所述纳米球被约束于所述纳米管内。
进一步地，所述外壳为筒体，两端均设有密封件，所述上固定座和所述下固定座均为圆盘，且二者的轴线与所述外壳的轴线重合。
进一步地，所述上固定座和所述下固定座上均设有多个穿孔，所述纳米管的上下两端均固定于所述穿孔处，且所述纳米球的半径大于所述穿孔的半径。
进一步地，每一所述发电装置还包括多个所述纳米管和多个所述纳米球，所有纳米管环绕所述外壳转动轴线均为分布，每一所述纳米球设置于一所述纳米管内。
进一步地，所述纳米管倾斜设置，且上端远离所述外壳转动轴线，下端靠近所述外壳转动轴线。
进一步地，最下方的所述下固定座底部设有支撑座，所述电路板固定于所述支撑座上。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，与传统的电缆供电及电池供电相比，该供电方式为实时供电，因此降低了钻进工艺复杂程度，提高了效率；利用离心力波动进行发电，无需与井下外界环境接触，可做到完全密封，避免井下流体中的碎石破坏作用；利用离心力及振动进行发电，提高了发电效率。
附图说明
图1是本发明一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节的示意图；
图2是图1中的A-A剖面示意图；
图3是钻杆静止时纳米管和纳米球的状态示意图；
图4是钻杆转动时纳米管和纳米球的状态示意图。
图中：1-外壳、2-电路板、3-上固定座、4-下固定座、5-纳米管、6-纳米球、7-上接头、8-上垫片、9-下接头、10-下垫片、11-穿孔、12-支撑座、13-螺钉。
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基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，包括中空外壳1。
所述外壳1内部设有发电装置和电路板2，所述发电装置包括纳米管5和纳米球6，所述纳米管5固定设置，所述纳米球6设置于所述纳米管5内且可滚动，所述电路板2分别连接所述纳米管5和所述纳米球6，所述外壳1转动使所述纳米球6滚动，所述纳米球6外壁与所述纳米管5内壁摩擦生电，所述电路板2用于存储电能。
请参考图1和2，本实施例中所述外壳1为筒体，所述外壳1上端设有上密封槽，下端设有下密封槽，所述上密封槽处和所述下密封槽处均设有密封件，这里所述上密封槽处的密封件包括上接头7和上垫片8，所述上垫片8置于所述密封槽内，所述上接头7下端插入外壳1上端并与所述外壳1内壁螺纹连接，所述上垫片8被所述上接头7压紧，使所述外壳1上端密封。所述下密封槽处的密封件包括下接头9和下垫片10，所述下垫片10置于所述下密封槽内，所述下接头9上端插入所述外壳1下端并与所述外壳1内壁，所述下接头9压紧所述下垫片10，使所述外壳1下端密封。由于井下流体冲击对发电装置有很强的破坏作用，密封式外壳1可有效保护发电装置，无需与井下外界环境接触，避免井下流体中的碎石破坏作用。
所述发电装置的数量可以为多个，本实施例中所述发电装置的数量为两个，两所述发电装置沿着所述外壳1长度方向上下层叠设置。每一所述发电装置包括上固定座3和下固定座4、以及设置于所述上固定座3和所述下固定座4之间的多个所述纳米管5和多个所述纳米球6，所述纳米管5和所述纳米球6的数量。相同本实施例所述纳米管5数量为四个。
所述上固定座3和所述下固定座4均为圆盘，所述外壳1内壁设有螺纹，所述上固定座3和所述下固定座4侧壁设有螺纹，所述上固定座3侧壁和所述下固定座4侧壁分别螺纹连接所述外壳1内壁，所述上固定座3和所述下固定座4相对设置，且二者的轴线均与所述外壳1的轴线重合。所述上固定座3和所述下固定座4上均设有四个穿孔11，每一所述纳米管5的上端固定于所述上固定座3底面的所述穿孔11处，每一所述纳米管5的下端固定于所述下固定座4顶面的所述穿孔11处，这里所述纳米管5两端通过粘接固定连接，四所述纳米管5环绕所述外壳1轴线均为分布，所述纳米管5为薄壁中空管道，采用纳米材料制作。
每一所述纳米球6设置于一所述纳米管5内，所述纳米球6的半径大于所述穿孔11的半径，所述纳米球6被约束于所述纳米管5内且在离心力的作用下可沿着所述纳米管5内壁滚动。本实施例中使每一所述纳米管5倾斜设置，且上端远离所述外壳1转动轴线，下端靠近所述外壳1转动轴线，这样使所述纳米球6尽量沿着其所受离心力方向运动，所述纳米球6与所述纳米管5内壁具有较好的摩擦效果。
本实施例中位于上方的所述发电装置的下固定座4与位于下方的所述发电装置的上固定座3重叠，可以共用一个固定座。所述电路板2分别连接每一所述纳米管5以及该纳米管5内的纳米球6。最下方的所述下固定座4底部设有支撑座12，所述电路板2设置于所述支撑座12，通过螺钉13贯穿所述电路板2和所述支撑座12将所述电路板2固定于该下固定座4上。
本实施例的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，通过所述上接头7及所述下接头9与钻杆相连接。
请参考图3，当钻杆静止时，所述纳米球6无离心力作用，在重力作用下静止位于所述纳米管5的最低处；
请参考图4，当钻杆转动时，带动所述外壳1绕其轴线转动，在离心力作用下所述纳米球6沿所述纳米管5内部管道上升，该上升过程所述纳米球6外壁与所述纳米管5内壁接触摩擦，此时由于两种纳米材料摩擦起电的原因，使得所述纳米球6和所述纳米管5分别带电，所述纳米球6和所述纳米管5的电量传输到所述电路板2进行存储。由于钻杆在转动过程中受到井底岩石的阻碍作用，导致钻杆无法保持匀速转动，且总是在某个转速值附近波动，即，钻杆的离心力存在波动，因此当离心力反复波动时，此时所述纳米球6和所述纳米管5反复摩擦发电，电量不断传输至所述电路板进行存储。
且在钻杆转动过程中，若存在孔底振动，此时将由于振动原因导致所述纳米球6在所述纳米管5内部上下波动，该波动过程也会导致所述纳米球6和所述纳米管5接触摩擦，此时由于两种纳米材料摩擦起电的原因，振动使所述纳米球6和所述纳米管5接触频率加剧，可有效提高发电效率。
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 (7)
1.一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：包括中空外壳，所述外壳内部设有发电装置和电路板，所述发电装置包括纳米管和纳米球，所述纳米管固定设置，所述纳米球设置于所述纳米管内且可滚动，所述电路板分别连接所述纳米管和所述纳米球，所述外壳转动使所述纳米球滚动，所述纳米球外壁与所述纳米管内壁摩擦生电，所述电路板用于存储电能，所述纳米管倾斜设置，且上端远离所述外壳转动轴线，下端靠近所述外壳转动轴线。
2.如权利要求1所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：所述外壳内部设有多个所述发电装置，所有发电装置沿着所述外壳长度方向层叠设置，每一所述发电装置的纳米管与纳米球分别连接所述电路板。
3.如权利要求2所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：每一所述发电装置还包括上固定座和下固定座，所述上固定座和所述下固定座相对设置且均固定连接所述外壳内壁，所述纳米管上端固定于所述上固定座底面，下端固定于所述下固定座顶面，所述纳米球被约束于所述纳米管内。
4.如权利要求3所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：所述外壳为筒体，两端均设有密封件，所述上固定座和所述下固定座均为圆盘，且二者的轴线与所述外壳的轴线重合。
5.如权利要求3所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：所述上固定座和所述下固定座上均设有多个穿孔，所述纳米管的上下两端均固定于所述穿孔处，且所述纳米球的半径大于所述穿孔的半径。
6.如权利要求3所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：每一所述发电装置还包括多个所述纳米管和多个所述纳米球，所有纳米管环绕所述外壳转动轴线均匀 分布，每一所述纳米球设置于一所述纳米管内。
7.如权利要求3所述的一种基于纳米材料的钻杆离心振动发电短节，其特征在于：最下方的所述下固定座底部设有支撑座，所述电路板固定于所述支撑座上。
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