CN112302855B - 一种井下发电装置及发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种井下发电装置，属井下发电机械技术领域。该发电装置由上壳体、下壳体、螺杆转子、螺杆定子、内马达、旁通阀、主轴和发电机组构成，上壳体中通过螺杆定子安装有螺杆转子；螺杆转子上设置有转子内孔，转子内孔的内壁上安装有内马达，内马达与上壳体之间安装有旁通阀，内马达上安装有主轴，主轴上安装有发电机组。该发电装置通过螺杆转子的头数与内转子的头数差，而使定子绕组与发电转子形成转速差，从而通过定子绕组与发电转子进行发电；不使用寿命周期短的电池供电，且不使用涡轮进行发电，而能有效延长使用寿命；解决了使用涡轮发电，钻井液易影响使用寿命的问题。

Description

一种井下发电装置及发电方法
技术领域
本发明涉及一种井下发电装置，属井下发电机械技术领域。
背景技术
在页岩气开采领域，随着旋转导向系统的应用越来越广泛，在随钻测量和随钻测井过程中，普遍使用电池或井下发电机向井下设备供电。在电池使用过程中，电池使用寿命超出设计使用寿命时，需对电池进行更换，对于长时间的井下作业，亟需使用井下发电机对井下用电设备进行供电。目前，井下发电机普遍采用涡轮发电机，其原理为：通过井下钻井液冲击涡轮带动发电机转子旋转发电。钻井液冲击涡轮过程中钻井液中的杂质会对涡轮叶片冲刷，影响其使用寿命，因此有必要对其改进。
发明内容
本发明的目的是：提供一种不使用电池，且不使用涡轮进行发电，而有效延长使用寿命的井下发电装置及发电方法。
本发明的技术方案是：
一种井下发电装置，它由上壳体、螺杆转子、螺杆定子、内马达、旁通阀、主轴和发电机组构成，其特征在于：上壳体内通过螺杆定子安装有螺杆转子；螺杆转子上设置有转子内孔，转子内孔的内壁上安装有内马达，内马达外侧的上壳体内壁上安装有旁通阀；内马达上安装有主轴，主轴上安装有发电机组，发电机组一侧的主轴端头通过推力轴承与螺杆转子活动连接，推力轴承与发电机组之间的主轴上套装有固定套筒，固定套筒与主轴键连接。
所述的螺杆转子为多头螺杆。
所述的内马达由内转子、内定子和密封环构成，内转子上套装有内定子，内定子与转子内孔的内壁固定连接；内转子端头设置有密封环，密封环通过螺纹与转子内孔密封连接；所述的内转子与主轴螺纹连接，内转子与密封环滑动密封连接。
所述的内转子为单头螺杆。
所述的旁通阀由阀芯、阀套和弹簧构成，阀芯呈圆筒状，阀芯上套装有阀套，阀套一端的阀芯上套装有弹簧；所述的阀套与螺杆定子的内壁螺纹连接，阀芯与上壳体滑动密封连接。
所述的阀套上均布有阀孔，上壳体上与阀孔对应状设置有壳体旁通孔，壳体旁通孔与阀孔连通。
所述的密封环与内定子之间的螺杆转子上均布有流通孔。
所述的发电机组由发电转子、定子绕组和整流器构成，发电转子上套装有发电定子，发电定子上设置有定子绕组，定子绕组通过发电定子与螺杆转子固定连接；发电定子的端头设置有整流器，整流器与定子绕组电连接；所述的发电转子与主轴键连接，整流器与螺杆转子过盈连接。
所述的推力轴承一侧的螺杆转子上设置有引线通孔。
本发明的有益效果在于：
该井下发电装置通过螺杆转子的头数与内转子的头数差，而使定子绕组与发电转子形成转速差，从而通过定子绕组与发电转子进行发电；不使用电池进行供电和不使用涡轮进行发电，而能有效延长使用寿命；同时不使用电池进行供电，而不需要更换电池，解决了涡轮发电时，钻井液易影响使用寿命的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1中A-A向的结构示意图；
图3是图1中B-B向的结构示意图；
图4是本发明的电路示意图；
图5是本发明本发明整流器的放大示意图；
图6是本发明钻井系统的结构示意图；
图7是本发明发电机组的原理示意图；
图8是本发明的发电原理示意图；
图9是本发明的工作状态示意图。
图中：1、上壳体，2、螺杆转子，3、主轴，4、螺杆定子，5、转子内孔，6、推力轴承，7、内转子，8、内定子，9、密封环，10、流通孔，11、发电转子，12、发电定子，13、整流器，14、引线通孔，15、定子绕组，16、弯外壳，17、旋转导向模块，18、钻头，19、固定套筒，20、三相导线，21、直流导线，22、下壳体，23、连接件，24、阀套，25、弹簧，26、阀芯，27、阀孔，28、壳体旁通孔。
具体实施方式
该井下发电装置由上壳体1、下壳体22、螺杆转子2、螺杆定子4、内马达、旁通阀、主轴3和发电机组构成，上壳体1内固装有螺杆定子4，螺杆定子4内活动插装有螺杆转子2，螺杆转子2为多头螺杆，以在钻井液流过螺杆转子2和螺杆定子4之间，钻井液配合螺杆定子4带动螺杆转子2转动时，使螺杆转子2的转动具有低转速、高转矩的特点，而便于带动钻头转动，从而进行钻井作业，同时相对于直接冲击涡轮表面，钻井液流过螺杆转子2时对螺杆转子2的冲击较小，而能有效提高螺杆转子2的使用寿命；螺杆转子2上设置有转子内孔5，转子内孔5的内壁上安装有内马达，内马达上安装有主轴3，内马达由内转子7、内定子8和密封环9构成，内转子7上套装有内定子8，内定子8与转子内孔5的内壁固定连接；内转子7为单头螺杆，内转子7与主轴3螺纹连接，钻井液流过内转子7和内定子8之间，钻井液配合内定子8带动内转子7转动时，使内转子7的转动具有高转速、低转矩的特点，由此使内转子7能带动主轴3高速转动，同时相对于直接冲击涡轮表面，钻井液流过内转子7时对内转子2的冲击较小，而能有效提高内转子7的使用寿命；内转子7端头设置有密封环9，内转子7与密封环9滑动密封连接，密封环9通过螺纹与转子内孔5密封连接，密封环9与内定子8之间的螺杆转子2上均布有流通孔10，流通孔10的作用是使转子内孔5通过流通孔10与螺杆转子2与螺杆定子4之间的环空连通，使钻井液流过内转子7和内定子8之间的末端时，通过流通孔10汇入螺杆转子2与螺杆定子4之间的环空；主轴3上安装有发电机组，密封环9的作用是通过密封环9将主轴3一侧的转子内孔5与内转子7一侧的转子内孔5进行隔绝，使主轴3一侧的转子内孔5密封，防止钻井液进入主轴3一侧的转子内孔5中，而不会对主轴3一侧的转子内孔5中的发电机组和主轴3形成冲击，由此避免钻井液使发电机组和主轴3形成磨损，进而对主轴3和发电机组进行保护；发电机组一侧的连接件23与螺杆转子2螺纹连接，连接件23和螺杆转子2上分别设置有引线通孔14，通过连接件23连接螺杆转子2下方的井下部件，而使螺杆转子2在转动过程中，通过连接件23能带动主轴3螺杆转子2下方的井下部件转动；主轴端头通过推力轴承6与螺杆转子2活动连接，推力轴承6的作用是与内转子7配合而限定主轴3的位置，使主轴3在转动时推力轴承6与内转子7配合保证主轴3的位置不变，在主轴3上的推力轴承6与发电转子11之间安装有固定套筒19，固定套筒19与主轴3键连接，固定套筒19的作用是随主轴3转动时，同时限制推力轴承6和发电转子11的轴向移动；发电机组由发电转子11、发电定子12、定子绕组15和整流器13构成，发电转子11上套装有发电定子12，发电转子11与主轴3键连接，以在主轴3转动过程中能带动发电转子11转动；发电定子12由多片薄硅钢片叠压而成，发电定子12上设置有定子绕组15，定子绕组15通过发电定子12与螺杆转子2固定连接，以在螺杆转子2转动时能带动发电定子12转动，使发电定子12转动过程中能带动定子绕组15转动，工作时，通过发电转子11与发电定子12和定子绕组15的相对转动而产生交流电，发电定子12、定子绕组15和发电转子11发电的发电原理为笼型异步发电原理，具体为：发电机组运行是可逆的，既可作电动机运行，又可作发电机运行；设发电定子12的转速为ns,发电转子11的转速为n，当发电定子12外加电压作电动机运行时，转速n总是低于气息旋转磁场的转速ns,，即n<ns，这时电机中产生的电磁转矩与转向相同；若发电机组空载运行，并外加一个驱动转矩使转速等于同步转速，即n=ns时，由于旋转磁场与发电定子12之间没有相对运动，发电机组的电磁功率为零；若继续增大驱动转矩，发电转子11的转速将高于同步转速，即n>ns，此时发电转子11导体切割旋转磁场的方向反向，因而定子绕组15中感应电势的方向反向，定子绕组15中电流的有功分量随之反向，发电机组由电动机过渡到发电机状态；异步发电机要发电，有两种，一是并网运行，二是独立运行：并网运行需要接入电网，此时发电机输向电网的电流频率和它自身的转差率无关，由于井下发电装置的发电机组处于较小且上端密封的空间，不适合并网运行；故采用独立运行，独立运行需给定子绕组并联足够的电容（参考图7和图8）。
转差率：转差ns-n的存在是异步电动机运行的必要条件，将转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。
Figure 720375DEST_PATH_IMAGE001
f1—为交流电源的频率，p—为极对数，ns—旋转磁场转速（同步转速）
旋转磁场转速大小与交流电的频率和极对数有关，旋转磁场的方向与通入的定子绕组15的相序有关。如果发电定子12反向向转动，转差率会很高，但转子表面将感应出差频电流。差频电流在转子回路中产生附加损耗，使发电转子11的发热加大，严重时可使发电转子11烧损，由此需将转差率控制在一定范围：
设交流电的频率f的范围：
Figure 562429DEST_PATH_IMAGE003
；内转子7转速n的范围n1～n2r/min，则
Figure 223217DEST_PATH_IMAGE004
故转差率s的范围为：
Figure 506431DEST_PATH_IMAGE005
发电定子12的端头设置有整流器13，整流器13与定子绕组12通过三相导线20电连接，整流器13与螺杆转子2过盈连接，使整流器13与螺杆转子2同速转动，避免整流器13与定子绕组15之间的导线在工作时发生缠绕；整流器13内设置有整流电路，而将交流电转变为直流电；推力轴承6一侧的螺杆转子2上设置有引线通孔14，装配时，直流导线21穿过引线通孔14将用电设备与整流器13连接，整流器13上设置有正极端子和负极端子，整流器13通过正极端子与用电设备的正极连接，通过负极端子与用电设备的负极连接，而对用电设备进行供电；内马达外侧的上壳体内壁上安装有旁通阀，旁通阀由阀芯26、阀套24和弹簧25构成，阀芯26呈圆筒状，阀芯26上套装有阀套24，阀套24一端的阀芯26上套装有弹簧25；阀套24上均布有阀孔27，上壳体1上与阀孔27对应状设置有壳体旁通孔28，壳体旁通孔28与阀孔27连通；阀套24与螺杆定子4的内壁螺纹连接，阀芯26与上壳体1滑动密封连接；在钻井液压力作用下阀芯26在阀套24中滑动，阀芯26的运动将阀孔27封闭或开启而改变了钻井液的流向，使得旁通阀有旁通和关闭两个状态：在起、下钻作业过程中，螺杆钻具不转动，此时，阀套24上的阀孔27开启，旁通阀处于旁通状态，平衡上壳体1外部与螺杆转子2和螺杆定子4环空之间的压差，避免内部压力过大，即相当于一个泄压作用；当钻井液流量和压力达到设定值时，阀芯26下移，阀芯26关闭阀孔27，此时钻井液流经内马达和螺杆转子2与螺杆定子4之间的环空，将钻井液的压能转变成机械能，同时防止上壳体1外侧含有杂质的钻井液进入螺杆定子4与螺杆转子2之间的环空中，而进一步降低螺杆转子2、螺杆定子4和内马达的磨损，由此进一步延长使用寿命，且旁通阀的阀孔27封闭后，上壳体1的外部空间的钻井液压力不能影响螺杆定子4与螺杆转子2之间环空的钻井液压力，由此保证内转子7和螺杆转子2转动的稳定性；当钻井液流量过小或停泵时，弹簧25将阀芯26顶起，阀孔27处于开启位置，使旁通阀处于处于旁通状态。
该发电装置装配时，装配在钻井系统的井下组件中，所述的井下组件包括发电装置、弯外壳16、旋转导向模块17和钻头18，发电装置上通过弯外壳16安装有旋转导向模块17，旋转导向模块17上安装有钻头18；发电装置的螺杆转子2底部端头与旋转导向模块17连接，而能带动旋转导向模块17转动，进而通过旋转导向模块17带动钻头18进行转动，由此进行钻井作业，工作时通过该发电装置向各个用电设备进行供电，而不使用寿命周期短的电池进行供电，而不需要更换电池，从而对长时间井下作业能有效提高作业效率。
该发电装置工作时，包括如下步骤：
向上壳体1内通入高压钻井液，钻井液到达旁通阀的阀芯26时，钻井液克服弹簧25弹力而推动阀芯26下行，阀芯26下行过程中逐渐封闭阀套24上的阀孔27，进而使螺杆定子4与螺杆转子2之间的环空与上壳体1的外部空间隔离，使上壳体1外部含有杂质的钻井液不能进入螺杆定子4与螺杆转子2之间的环空中；
螺杆定子4与螺杆转子2之间的环空与上壳体1的外部空间隔离后，一部分钻井液流动至内转子7与内定子8之间的间隙中，钻井液与内定子8配合带动内转子7转动，内转子7在转动过程中带动主轴3转动，在主轴3转动过程中带动发电转子11转动；钻井液流入内转子7末端时，钻井液通过流通孔10进入螺杆转子2与螺杆定子4的环空中向下继续流动；
另一部分钻井液进入螺杆转子2与螺杆定子4之间的环空中，钻井液进入螺杆转子2与螺杆定子4之间后，在流通孔10处与由流通孔10进入螺杆转子2与螺杆定子4环空的钻井液合流，合流后的钻井液通过螺杆转子2与螺杆定子4之间的间隙向下流动，在钻井液通过螺杆转子2与螺杆定子4之间的间隙向下流动过程中，钻井液配合螺杆定子4带动螺杆转子2转动；螺杆转子2在转动过程中带动转子内孔5中的发电定子12转动，进而带动发电定子12上的定子绕组15转动；
螺杆转子2与内转子7在转动过程中，螺杆转子2相对于内转子7同向转动，即发电转子11相对于发电定子12同向转动，发电转子11相对于发电定子12同向转动时，由于螺杆转子2与内转子7之间存在头数差，使钻井液在带动螺杆转子2和内转子7转动时，使螺杆转子2与内转子7之间形成转速差，由此在螺杆转子2带动发电定子12转动以及内转子7通过主轴3带动发电转子11转动时，使发电定子12与发电转子11之间形成转速差，而使发电转子11相对于发电定子12、定子绕组15转动；
螺杆转子2与内转子7在转动过程中，螺杆转子2相对于内转子7异向转动，即发电转子11与发电定子12转动方向不一致，发电定子12与发电转子11之间形成转差，而使发电转子11相对于发电定子12、定子绕组15转动；
发电定子12与发电转子11之间相对转动过程中，发电定子12与发电转子11之间的气隙旋转磁场与发电转子11的感应电流相互作用使定子绕组15中产生交流电；
定子绕组15中产生的交流电通过整流器13的整流电路整流成直流电后向用电设备进行供电。
该井下发电装置通过螺杆转子2的头数与内转子7的头数差，而使定子绕组15与发电转子11形成转速差，从而通过定子绕组15与发电转子11进行发电；不使用电池进行供电和不使用涡轮进行发电，而能有效延长使用寿命；同时不使用电池进行供电，而不需要更换电池，解决了涡轮发电时，钻井液易影响使用寿命的问题。

Claims (8)

1.一种井下发电装置，它由上壳体（1）、螺杆转子（2）、螺杆定子（4）、内马达、旁通阀、主轴（3）和发电机组构成，其特征在于：上壳体（1）内通过螺杆定子（4）安装有螺杆转子（2）；螺杆转子（2）上设置有转子内孔（5），转子内孔（5）的内壁上安装有内马达，内马达外侧的上壳体（1）内壁上安装有旁通阀；内马达上安装有主轴（3），主轴（3）上安装有发电机组，发电机组一侧的主轴（3）端头通过推力轴承（6）与螺杆转子（2）活动连接，推力轴承（6）与发电机组之间的主轴（3）上套装有固定套筒（19），固定套筒（19）与主轴（3）键连接；
所述的内马达由内转子（7）、内定子（8）和密封环（9）构成，内转子（7）上套装有内定子（8），内定子（8）与转子内孔（5）的内壁固定连接；内转子（7）端头设置有密封环（9），密封环（9）通过螺纹与转子内孔（5）密封连接；所述的内转子（7）与主轴（3）螺纹连接，内转子（7）与密封环（9）滑动密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的螺杆转子（2）为多头螺杆。
3.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的内转子（7）为单头螺杆。
4.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的密封环（9）与内定子（8）之间的螺杆转子（2）上均布有流通孔（10）。
5.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的旁通阀由阀芯（26）、阀套（24）和弹簧（25）构成，阀芯（26）呈圆筒状，阀芯（26）上套装有阀套（24），阀套（24）一端的阀芯（26）上套装有弹簧（25）；所述的阀套（24）与螺杆定子（4）的内壁螺纹连接，阀芯（26）与上壳体（1）滑动密封连接。
6.根据权利要求5所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的阀套（24）上均布有阀孔（27），上壳体（1）上与阀孔（27）对应状设置有壳体旁通孔（28），壳体旁通孔（28）与阀孔（27）连通。
7.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的发电机组由发电转子（11）、定子绕组（15）和整流器（13）构成，发电转子（11）上套装有发电定子（12），发电定子（12）上设置有定子绕组（15），定子绕组（15）通过发电定子（12）与螺杆转子（2）固定连接；发电定子（12）的端头设置有整流器（13），整流器（13）与定子绕组（15）电连接；所述的发电转子（11）与主轴（3）键连接，整流器（13）与螺杆转子（2）过盈连接。
8.根据权利要求1所述的一种井下发电装置，其特征在于：所述的推力轴承（6）一侧的螺杆转子（2）上设置有引线通孔（14）。
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