CN113719243A - 一种发电钻杆段及钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电钻杆段及钻具，其中发电钻杆段包括：空心杆体；发电单元，包括转子、定子以及电能导出结构，转子与定子同轴转动配合，电能导出结构向发电单元的轴向一侧延伸；发电单元布置于空心杆体内且与空心杆体在轴向上相对固定；旋转驱动芯子，处于空心杆体内，且与转子同轴止转设置，具有供介质绕转子轴线旋流通过的旋流通道，介质在从旋流通道中流过时带动旋转驱动芯子以及转子旋转。本发明的发电钻杆段在钻具钻进的过程中，气体介质或液体介质从空心杆体的内腔流过时，利用高压的气体介质或液体介质带动旋转驱动芯子转动，进而促使转子相对定子转动，产生电能，不受电池容量的限制，能够持续发电供能，大大提高了钻进效率。

Description

一种发电钻杆段及钻具

技术领域

本发明涉及一种发电钻杆段及钻具。

背景技术

随着矿井深度越来越深，煤层瓦斯浓度逐渐增高，高浓度的瓦斯危害着煤矿工人生命和矿井安全。煤矿行业要求“先抽后采、抽采达标”，井下施工各类抽采钻孔是“抽采达标”的主要手段。因此，钻孔的质量直接影响着瓦斯抽采达标的效果。

目前有通过对钻孔的钻孔轨迹、钻孔方位角、水平倾角、煤层深度、岩层深度等参数进行测量的方式对施钻质量进行检测的技术手段，即在钻杆或钻头处设置检测模块对钻孔参数进行检测并将检测参数传递到地面，如此就需要考虑对检测模块进行供电的方案。现有的供电方式多采用常规电池对检测模块进行供电，但是受防爆规定和安装空间的制约，电池容量较为有限，供电时间短，无法满足钻孔施工参数的测量和信号发射对电能消耗的需求，这就需要频繁退出钻杆更换电池，严重影响钻进效率；而且因为电池容量小，检测模块的无线通讯距离也受到制约，无法满足深度较大的钻孔施工需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电钻杆段，用以解决现有的钻具在对钻孔参数进行测量时通过电池供电而导致频繁更换电池，钻进效率低的问题。同时，本发明还提供了一种钻具，能够在钻进时对钻孔参数进行检测，解决现有的钻具钻进效率低的问题。

本发明的发电钻杆段包括：

空心杆体，两端具有连接端，中部空腔用于供介质通过；

发电单元，包括转子、定子以及电能导出结构，转子与定子同轴转动配合，电能导出结构向发电单元的轴向一侧延伸，用以连接用电部件；

发电单元布置于空心杆体内且与空心杆体在轴向上相对固定；

旋转驱动芯子，处于空心杆体内，且与转子同轴止转设置，具有供介质绕转子轴线旋流通过的旋流通道，介质在从旋流通道中流过时带动旋转驱动芯子以及转子旋转，进而实现发电。

本发明的发电钻杆段通过在空心杆体内部设置发电单元，在钻具钻进的过程中，气体介质或液体介质从空心杆体的内腔流过时，利用高压的气体介质或液体介质带动旋转驱动芯子转动，进而促使转子相对定子转动，产生电能，然后通过电能导出结构向用电部件功能。这种发电钻杆段能够在钻具钻进的过程中，将施钻所需的气体或液体介质的动能转化为电能，用以对用电部件供电，不受电池容量的限制，能够持续发电供能，无需频发退出钻具充电，大大提高了钻进效率。

进一步的，所述定子为筒状，且与空心杆体固定装配，所述转子处于定子内，所述转子为筒状，筒状转子的内腔可供介质流过，筒状转子的外周面的两端位置分别设有轴承，且通过轴承与空心杆体转动配合，筒状转子和空心杆体之间在两端的轴承的外侧分别设有密封结构。这样的结构设置，便于发电单元与空心杆体之间的固定装配，降低了制造和装配难度，便于实现转子和定子配合部位与介质之间的隔离，提高了发电单元的绝缘性能。

进一步的，所述旋转驱动芯子处于转子的轴向一侧，旋转驱动芯子连接于转子的端部，筒状转子的内腔和旋流通道连通以供介质流过。考虑到钻杆的径向尺寸的限制，这样的设置方式相比于将旋转驱动芯子和转子在径向内外布置的方式降低了旋转驱动芯子和转子的结构复杂性，降低了制造成本和装配难度。

进一步的，旋转驱动芯子为螺旋叶片，螺旋叶片的外径与空心杆体的内径相匹配，且围成所述旋流通道，螺旋叶片的中心轴通过辐射状的筋条与筒状转子相连，相邻筋条之间的孔洞连通旋流通道和转子内腔。采用螺旋叶片作为旋转驱动芯子，能够使介质顺畅流过，且能够稳定的带动转子旋转，充分利用介质的动能。

作为一种优化的方案，所述发电单元包括电处理模块，电处理模块包括稳压模块、逆变器模块以及控制模块，电处理模块处于定子和电能导出结构之间，用于将产生的电能进行稳压、逆变处理后，由电能导出结构输出。将实现电能处理的电处理模块与发电单元结合在一起，能够避免电能产生部分与电能处理部分单独设置而占用更多的钻杆段，结构更加紧凑，集成度更高。

进一步的，所述电处理模块还包括电池模块，电池模块能够存储一定的电能，能够在介质压力不足、转子转速降低而发电不稳定的情况下，补充提供电能。

进一步的，所述电处理模块所包含的多个独立模块通过胶封集成为环形的一体结构，并固定在空心杆体内，环形电处理模块的环孔供介质通过。将电处理模块通过胶封集成为一体，不仅结构紧凑，而且能够很好的实现这些功能模块的绝缘密封，也便于装配。

作为一种优化的方案，所述电能导出结构包括盘体部分和杆体部分，杆体部分的背向盘体部分的端部具有电接头，电接头背向转子和定子悬伸至空心杆体的端部位置，且用于在空心杆体与其他钻杆段连接时与其他钻杆段内的导电部件或用电部件导电接触，盘体部分上开设有贯通孔，杆体部分与空心杆体之间具有环空，贯通孔和环空用以供介质轴向流过。这样形式的电能导出结构，便于介质顺利通过，而且在发电钻杆段与其他钻杆段连接时，方便的实现了导电接触。

进一步的，所述电接头为可在轴向伸缩的弹性接头。如此能够补偿装配和制造误差，保证可靠的电能传输。

此外，所述发电单元为整体式结构，而能够整体装入空心杆体和从空心杆体中整体取出，这样的结构便于发电单元与空心杆体的拆装，便于检修维护。

本发明的钻具包括：

钻头、钻杆以及用于检测钻孔参数的检测模块；

所述钻杆包括多根依次连接的钻杆段，至少一根钻杆段为发电钻杆段，发电钻杆段发出的电能用以供给检测模块；

发电钻杆段包括：

空心杆体，两端具有连接端，中部空腔用于供介质通过；

发电单元，包括转子、定子以及电能导出结构，转子与定子同轴转动配合，电能导出结构向发电单元的轴向一侧延伸，用以连接用电部件；

发电单元布置于空心杆体内且与空心杆体在轴向上相对固定；

旋转驱动芯子，处于空心杆体内，且与转子同轴止转设置，具有供介质绕转子轴线旋流通过的旋流通道，介质在从旋流通道中流过时带动旋转驱动芯子以及转子旋转，进而实现发电。

本发明的钻具包含有发电钻杆段，发电钻杆段通过在空心杆体内部设置发电单元，在钻具钻进的过程中，气体介质或液体介质从空心杆体的内腔流过时，利用高压的气体介质或液体介质带动旋转驱动芯子转动，进而促使转子相对定子转动，产生电能，然后通过电能导出结构向用电部件功能。这种钻具在钻进的过程中，将施钻所需的气体或液体介质的动能转化为电能，用以对用电部件供电，不受电池容量的限制，能够持续发电供能，无需频发退出钻具充电，大大提高了钻进效率。

进一步的，所述定子为筒状，且与空心杆体固定装配，所述转子处于定子内，所述转子为筒状，筒状转子的内腔可供介质流过，筒状转子的外周面的两端位置分别设有轴承，且通过轴承与空心杆体转动配合，筒状转子和空心杆体之间在两端的轴承的外侧分别设有密封结构。这样的结构设置，便于发电单元与空心杆体之间的固定装配，降低了制造和装配难度，便于实现转子和定子配合部位与介质之间的隔离，提高了发电单元的绝缘性能。

进一步的，所述旋转驱动芯子处于转子的轴向一侧，旋转驱动芯子连接于转子的端部，筒状转子的内腔和旋流通道连通以供介质流过。考虑到钻杆的径向尺寸的限制，这样的设置方式相比于将旋转驱动芯子和转子在径向内外布置的方式降低了旋转驱动芯子和转子的结构复杂性，降低了制造成本和装配难度。

进一步的，旋转驱动芯子为螺旋叶片，螺旋叶片的外径与空心杆体的内径相匹配，且围成所述旋流通道，螺旋叶片的中心轴通过辐射状的筋条与筒状转子相连，相邻筋条之间的孔洞连通旋流通道和转子内腔。采用螺旋叶片作为旋转驱动芯子，能够使介质顺畅流过，且能够稳定的带动转子旋转，充分利用介质的动能。

作为一种优化的方案，所述发电单元包括电处理模块，电处理模块包括稳压模块、逆变器模块以及控制模块，电处理模块处于定子和电能导出结构之间，用于将产生的电能进行稳压、逆变处理后，由电能导出结构输出。将实现电能处理的电处理模块与发电单元结合在一起，能够避免电能产生部分与电能处理部分单独设置而占用更多的钻杆段，结构更加紧凑，集成度更高。

进一步的，所述电处理模块还包括电池模块，电池模块能够预存储一定的电能以及存储发电单元发出的电能，能够在介质压力不足、转子转速降低而发电不稳定的情况下，补充提供电能，所述电处理模块所包含的多个独立模块通过胶封集成为环形的一体结构，并固定在空心杆体内，环形电处理模块的环孔供介质通过。将电处理模块通过胶封集成为一体，不仅结构紧凑，而且能够很好的实现这些功能模块的绝缘密封，也便于装配。

作为一种优化的方案，所述电能导出结构包括盘体部分和杆体部分，杆体部分的背向盘体部分的端部具有电接头，电接头背向转子和定子悬伸至空心杆体的端部位置，且用于在空心杆体与其他钻杆段连接时与其他钻杆段内的导电部件或用电部件导电接触，盘体部分上开设有贯通孔，杆体部分与空心杆体之间具有环空，贯通孔和环空用以供介质轴向流过。这样形式的电能导出结构，便于介质顺利通过，而且在发电钻杆段与其他钻杆段连接时，方便的实现了导电接触。

进一步的，所述电接头为可在轴向伸缩的弹性接头。如此能够补偿装配和制造误差，保证可靠的电能传输。

此外，所述发电单元为整体式结构，而能够整体装入空心杆体和从空心杆体中整体取出，这样的结构便于发电单元与空心杆体的拆装，便于检修维护。

附图说明

图1为本发明的发电钻杆段的实施例一的剖视图；

图2为图1中I处的放大图；

图3为本发明的发电钻杆段的转子和旋转驱动芯子的结构示意图；

图4为图3中A-A处的剖视图；

图5为图3的左视图；

图6为电处理模块和电能导出结构的结构示意图；

图7为图6的右视图。

图中：1、空心杆体；2、旋转驱动芯子；20、中心轴；3、定子；4、转子；40、筋条；5、输电导体；6、稳压模块；7、逆变器模块；8、电能导出结构；80、盘体部分；81、杆体部分；9、密封圈；10、弹簧；11、电接头；12、电池；13、控制模块；14、密封圈；15、轴承；16、电处理模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的钻具的具体实施例一：

本实施例的钻具包括钻杆和安装在钻杆前端的钻头，其中钻杆主要由多根可拆连接的钻杆段依次连接构成。钻杆为空心杆体，内部形成供高压钻井液流向钻头的通道。钻具上还配置有用于检测钻孔参数以检测钻孔质量的检测模块，检测模块处于靠近钻头的钻杆段内。

为了便于向检测模块供电，本实施例的钻杆所包含的钻杆段中有一根为发电钻杆段。当然，根据实际使用需要，也可以有两根或者更多根钻杆段为发电钻杆段，这些发电钻杆段输出的电能以并联或者串联的方式作为对检测模块进行供能的电源。

其中，发电钻杆段的结构如图1所示，包括空心杆体1，空心杆体1的两端为连接端，连接端由丝扣构成，用于与相邻的钻杆段螺纹连接。空心杆体1内配置有发电单元，发电单元的原理与发电机相同，包括转子4、定子3以及电能导出结构8。

如图2所示，定子3为筒状结构，转子4同样的筒状结构，筒状转子4的外周面的两端分别安装有轴承15，且通过轴承15转动安装在空心杆体1的内腔中，定子3处于转子4和空心杆体1之间的环空中，且与空心杆体1相对固定。具体的固定方式可以采用涂胶粘接或者在空心杆体1上旋拧密封螺钉组件，通过密封螺钉组件将定子3顶紧固定。为了避免转子4和定子3之间的空隙进入钻井液，在转子4的外周面上于两个轴承15的外侧即相背侧分别安装有密封圈14，以实现转子4和空心杆体1之间的密封。

筒状转子4的一端通过径向向内延伸的筋条40连接有旋转驱动芯子2，筋条40有多根，且相对筒状转子4的中轴线呈辐射状分布，以保证与旋转驱动芯子2之间连接的可靠性。相邻筋条40之间具有孔洞，孔洞连通转子4内腔。

旋转驱动芯子2的主要作用是在钻井液从空心杆体1中流过时，被流动的高压钻井液带动绕筒状转子4的轴线旋转，其结构特点具有供钻井液绕筒状转子4的轴线旋流通过的旋流通道，其具的结构体形式可以为水轮机的叶轮或如本实施例所提供的的螺旋叶片。

如图3-5所示，采用螺旋叶片作为旋转驱动芯子2，螺旋叶片包括中心轴20以及成型于中心轴20外侧的叶片，螺旋叶片的外径与空心杆体1的内径相匹配，即略小于空心杆体1的内径而不与空心杆体1接触摩擦，如此在钻井液从螺旋叶片的叶片间形成的旋流通道中流过时，能够带动螺旋叶片绕中心轴20旋转。中心轴20上成型的叶片有四个（当然，叶片的数量并不仅限于四个，根据需要可以为单叶片或双叶片或三叶片或五个叶片以上），且在圆周方向上均匀间隔布置，如此能够使钻井液提供给螺旋叶片更大的驱动力。中心轴20的一端连接于上述的筋条40，在钻井液从旋流通道中流过后能够通过筋条40之间的孔洞进入转子4内腔。

筒状转子4上配有线圈，筒状定子3为永磁材料，筒状转子4的背向螺旋叶片的一端通过电刷和导电环配合将电能导出，电刷和导电环配合处通过旋转密封结构密封，导电环通过轴向延伸的输电导体5连接电处理模块16后由电能导出结构8将电能导出。

输电导体5可以为带有绝缘外皮的导线，导线一端连接导电环，并从旋转密封结构内密封引出。导线沿空心杆体1轴向延伸一端距离后连接电处理模块16。电处理模块16包括稳压模块6、逆变器模块7、电池12以及控制模块13，该四个模块通过浇注环氧树脂胶封为环形的一体结构，并固定安装在空心杆体1内腔中。电处理模块16采用这样的结构形式，具有较高的集成度，便于拆装，而且能够起到很好的绝缘。

电能导出结构8如图6-7所示，包括包括盘体部分80和杆体部分81，电处理模块16与盘体部分80固定连接。杆体部分81的背向盘体部分80的端部具有电接头11，电接头11背向转子4并悬伸至空心杆体1的端部位置，且用于在空心杆体1与其他钻杆段连接时与其他钻杆段内的导电部件或用电部件导电接触。电处理模块16通过内置于盘体部分80和杆体部分81的导体与电接头11电连接，电接头11为可在轴向伸缩的弹性密封接头，如图1所示，电接头11滑动插装在杆体部分81端部的盲孔中，杆体部分81上设有防止电接头11脱出的防脱结构，盲孔内还安装有提供给电接头11向外伸出的弹性力的压簧。在与其他钻杆段内的导电部件或用电部件导电接触时，通过弹性顶压保证电接头11与适配端的对接位置的绝缘密封。

盘体部分80上开设有贯通孔，杆体部分81与空心杆体1之间具有环空，贯通孔和环空用以供钻井液轴向流过。

本实施例的钻具在使用时，钻井液从F端流向E端并带动发电单元产生电能，然后电能在被电处理模块处理后，受控制模块控制，通过电能导出结构向用电部件或导电部件传递，最终为检测模块供电。如此在整个钻孔过程中，钻具能够实时发电并供给检测模块，不会因此通过电池供电而在电能耗尽后需要取出钻具更换电池，很大程度上提高了钻孔效率。而且根据实际需要设置发电钻杆段的数量，或者提高发电单元的发电功率，能够给检测模块提供更加充足的电能，在检测模块采用无线传输信号时，能够满足较深钻孔的信号传输需求。

本发明的钻具并不仅限于上文介绍的实施例，在其他实施例中可以做其他变形。例如与上文介绍的实施例一不同的是，在一些实施例中，改变发电钻杆段的安装方向可以使钻井液从E端流向F端；在一些实施例中，旋转驱动芯子固定设置在筒状转子内腔中；在一些实施例中，发电钻杆段内导电环直接与电能导出结构固定连接，电处理模块布置在其他钻杆段中，或者与检测模块集成在一起；或者，在一些实施例中，电处理模块不包括电池，发电单元的电能实时使用消耗；在或者，在一些实施例中，筒状转子上配置有永磁材料，筒状定子上配置有线圈，产生的电能直接从定子上导出即可；再或者，在一些实施例中，筒状转子外周的轴承与筒状定子的内壁面配合，即转子转动安装在定子内，相应的，密封圈也布置于转子和定子相对的圆周面之间。

本发明还提供了另一种优选的实施例，该实施例中，与上文介绍的实施例一不同的是，发电单元还包括外套筒，转子、定子、电处理模块以及用于将转子或定子上的电流输送到电处理模块之间的输电部分均安装在外套筒内，外套筒与电能导出结构固定连接，如此使发电单元形成整体式结构，能够整体装入空心杆体以及从空心杆体中取出。

此外，在钻孔过程中钻杆内通过的介质为高压气体时，发电单元的部分位置无需做绝缘密封处理。

本发明的发电钻杆段的具体实施例：其具体结构与上文描述的钻具中的发电钻杆段的结构相同，本文不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种发电钻杆段，其特征是，包括：

空心杆体（1），两端具有连接端，中部空腔用于供介质通过；

发电单元，包括转子（4）、定子（3）以及电能导出结构（8），转子（4）与定子（3）同轴转动配合，电能导出结构（8）向发电单元的轴向一侧延伸，用以连接用电部件；

发电单元布置于空心杆体（1）内且与空心杆体（1）在轴向上相对固定；

旋转驱动芯子（2），处于空心杆体（1）内，且与转子（4）同轴止转设置，具有供介质绕转子（4）轴线旋流通过的旋流通道，介质在从旋流通道中流过时带动旋转驱动芯子（2）以及转子（4）旋转，进而实现发电。

2.根据权利要求1所述的发电钻杆段，其特征是，所述定子（3）为筒状，且与空心杆体（1）固定装配，所述转子（4）处于定子（3）内，所述转子（4）为筒状，筒状转子的内腔可供介质流过，筒状转子（4）的外周面的两端位置分别设有轴承（15），且通过轴承（15）与空心杆体（1）转动配合，筒状转子（4）和空心杆体（1）之间在两端的轴承（15）的外侧分别设有密封结构。

3.根据权利要求2所述的发电钻杆段，其特征是，所述旋转驱动芯子（2）处于转子（4）的轴向一侧，旋转驱动芯子（2）连接于转子（4）的端部，筒状转子（4）的内腔和旋流通道连通以供介质流过。

4.根据权利要求3所述的发电钻杆段，其特征是，旋转驱动芯子（2）为螺旋叶片，螺旋叶片的外径与空心杆体（1）的内径相匹配，且围成所述旋流通道，螺旋叶片的中心轴（20）通过辐射状的筋条（40）与筒状转子（4）相连，相邻筋条（40）之间的孔洞连通旋流通道和转子（4）内腔。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的发电钻杆段，其特征是，所述发电单元包括电处理模块（16），电处理模块（16）包括稳压模块（6）、逆变器模块（7）以及控制模块（13），电处理模块（16）处于定子（3）和电能导出结构（8）之间，用于将产生的电能进行稳压、逆变处理后，由电能导出结构（8）输出。

6.根据权利要求5所述的发电钻杆段，其特征是，所述电处理模块（16）还包括电池（12）模块，所述电处理模块（16）所包含的多个独立模块通过胶封集成为环形的一体结构，并固定在空心杆体（1）内，环形电处理模块（16）的环孔供介质通过。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的发电钻杆段，其特征是，所述电能导出结构（8）包括盘体部分（80）和杆体部分（81），杆体部分（81）的背向盘体部分（80）的端部具有电接头（11），电接头（11）背向转子（4）和定子（3）悬伸至空心杆体（1）的端部位置，且用于在空心杆体（1）与其他钻杆段连接时与其他钻杆段内的导电部件或用电部件导电接触，盘体部分（80）上开设有贯通孔，杆体部分（81）与空心杆体（1）之间具有环空，贯通孔和环空用以供介质轴向流过。

8.根据权利要求7所述的发电钻杆段，其特征是，所述电接头（11）为可在轴向伸缩的弹性接头。

9.根据权利要求1-4任意一项所述的发电钻杆段，其特征是，所述发电单元为整体式结构，而能够整体装入空心杆体（1）和从空心杆体（1）中整体取出。

10.一种钻具，其特征是，包括：

钻头、钻杆以及用于检测钻孔参数的检测模块；

所述钻杆包括多根依次连接的钻杆段，至少一根钻杆段为权利要求1-9任意一项所述的发电钻杆段，发电钻杆段发出的电能用以供给检测模块。

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