CN117081428A - 一种专用旋转钻杆的能量回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专用旋转钻杆的能量回收装置，包括：压电振动梁、振动球、十字空心管、轴承底座和电力控制存储系统；电力控制存储系统包括：压电陶瓷贴片、导线、电力存储装置和微控制器；压电振动梁上端与振动球固定连接，下端与十字空心管中心固定连接，十字空心管四周与轴承底座固定连接，轴承底座安装于钻杆内部。本申请通过振动球受到冲击产生涡激振动并传递给压电振动梁，提高了振动转化的全向性；通过压电陶瓷贴片随压电振动梁的受力而形变，从而产生电势，提高了能量利用率；通过设置电力存储装置和微控制器，提高了能量存储可控性。

Description

一种专用旋转钻杆的能量回收装置

技术领域

本发明涉及能量回收技术领域，特别涉及一种专用旋转钻杆的能量回收装置。

背景技术

在石油钻井领域，最常见的能量回收技术之一是振动能量回收技术。这种技术通过利用钻井过程中产生的振动能量，将其转换为可用的电能。在钻井操作中，钻井震动是不可避免的，包括旋转钻具、冲击钻具和泥浆泵等设备产生的机械振动。传统上，这些振动能量被视为浪费，因为它们会对钻井设备和井下构造产生负面影响。但是，通过能量回收技术，这些振动能量可以有效地捕获和利用。

现有的能量回收技术中，专利公开号为CN105915110A的《井下振动能量收集装置》通过偏心圆环在重力和惯性力的作用下与钻柱做相对转动，带动偏心圆环上的内齿拨动悬臂梁压电片，即使钻柱的振动频率不在悬臂梁压电片的共振频率上，也可以有效的吸收钻柱转动、摆振和扭振的能量；内齿在偏心圆环上螺旋排列，转动一圈的过程中，悬臂梁压电片可以收到不同幅值的激励，进一步扩大了振动能量收集装置的频带范围。

在钻井作业时，振动产生的方向是多变的，上述现有技术仅考虑了横向上的振动，振动转化的全向性较低；内齿拨动悬臂梁压电片的过程中会有碰撞损失和热损失，能量利用率较低；此外，上述现有技术没有涉及能量收集后的存储问题，能量存储可控性较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种专用旋转钻杆的能量回收装置，用以解决现有技术中没有比较可靠的针对振动转化的全向性较低，能量利用率较低，以及能量存储可控性的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种专用旋转钻杆的能量回收装置，包括：压电振动梁、振动球、十字空心管、轴承底座和电力控制存储系统。

所述电力控制存储系统包括：压电陶瓷贴片、导线、电力存储装置和微控制器。

所述压电振动梁上端与所述振动球固定连接，下端与所述十字空心管中心固定连接，所述十字空心管四周与所述轴承底座固定连接，所述轴承底座安装于钻杆内部。

所述压电陶瓷贴片对称固定设置于所述压电振动梁外部，所述导线设置于所述压电振动梁内部，所述电力存储装置和所述微控制器固定设置于所述十字空心管内部，所述压电陶瓷贴片通过所述导线与所述电力存储装置、所述微控制器电连接。

在一种可能的实现方式中，所述压电振动梁为空心四方柱形状，采用金属材料。

所述导线穿过所述压电振动梁侧壁电连接所述压电陶瓷贴片。

在一种可能的实现方式中，所述压电陶瓷贴片焊接在所述压电振动梁外部，且沿所述压电振动梁上下均匀分布。

在一种可能的实现方式中，所述压电振动梁上端设置有第一螺纹，所述振动球下端设置有第一螺纹槽，所述压电振动梁与所述振动球采用螺纹固定连接。

所述压电振动梁下端与所述十字空心管中心上侧采用螺纹固定连接。

在一种可能的实现方式中，所述振动球采用表面光滑的实心轻质圆球。

在一种可能的实现方式中，所述电力存储装置包括：若干个储能单元。

所述储能单元固定设置于所述十字空心管四个方向管体内部，各个所述储能单元并联，且通过所述导线与所述压电陶瓷贴片电连接。

所述微控制器固定设置于所述十字空心管中心内部，所述微控制器与各个所述储能单元电连接。

在一种可能的实现方式中，所述轴承底座包括：轴承外环、轴承内环和滚珠。

所述轴承外环安装于钻杆内部，所述轴承内环与所述十字空心管四周固定连接，所述轴承外环与所述轴承内环通过滚珠转动连接。

在一种可能的实现方式中，所述轴承内环的内壁设置有四个封闭圆孔，所述十字空心管通过所述封闭圆孔与所述轴承内环卡接。

本发明中的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，具有以下优点：

通过振动球受到冲击产生涡激振动并传递给压电振动梁，提高了振动转化的全向性；通过压电陶瓷贴片随压电振动梁的受力而形变，从而产生电势，提高了能量利用率；通过设置电力存储装置和微控制器，提高了能量存储可控性；通过设置轴承底座，降低了压电振动梁受到的离心作用，提高了装置使用寿命；提出的压电振动梁与振动球采用螺纹固定连接，压电振动梁下端与十字空心管中心上侧采用螺纹固定连接，提高了装置的可拆卸性；提出的振动球采用表面光滑的实心轻质圆球，通过将浮力和重力相抵消，提高了振动稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置与钻杆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压电陶瓷贴片与导线的连接示意图；

图4为本发明实施例提供的压电振动梁与振动球的连接示意图；

图5为本发明实施例提供的十字空心管与轴承底座的连接示意图；

图6为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置的工作流程示意图；

附图标记说明：

1-压电振动梁，2-振动球，3-十字空心管，4-轴承底座，51-压电陶瓷贴片，52-导线，53-电力存储装置，6-钻杆，11-第一螺纹，21-第一螺纹槽，41-轴承外环，42-轴承内环，43-滚珠。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

图1为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置与钻杆的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置的结构示意图。本发明实施例提供了一种专用旋转钻杆的能量回收装置，包括：压电振动梁1、振动球2、十字空心管3、轴承底座4和电力控制存储系统。

所述电力控制存储系统包括：压电陶瓷贴片51、导线52、电力存储装置53和微控制器。

所述压电振动梁1上端与所述振动球2固定连接，下端与所述十字空心管3中心固定连接，所述十字空心管3四周与所述轴承底座4固定连接，所述轴承底座4安装于钻杆6内部。

所述压电陶瓷贴片51对称固定设置于所述压电振动梁1外部，所述导线52设置于所述压电振动梁1内部，所述电力存储装置53和所述微控制器固定设置于所述十字空心管3内部，所述压电陶瓷贴片51通过所述导线52与所述电力存储装置53、所述微控制器电连接。

具体地，在进行钻井作业时，钻井液沿振动球2到轴承底座4的方向流动。当钻井液流动经过振动球2，振动球2受到井下钻井液冲击的力学作用，会产生涡激振动，并使得振动稳定传递给压电振动梁1。

在本实施例中，压电陶瓷贴片51的数量为两片，在其它可能的实施例中，还可以为四片。

图3为本发明实施例提供的压电陶瓷贴片与导线的连接示意图。示例性地，所述压电振动梁1为空心四方柱形状，采用金属材料。

所述导线52穿过所述压电振动梁1侧壁电连接所述压电陶瓷贴片51。

具体地，压电陶瓷贴片51受压电振动梁1的振动影响，进行物理特性发电，通过导线52将电子传递至电力存储装置53。

在本实施例中，压电振动梁1采用铜铝合金材料。

示例性地，所述压电陶瓷贴片51焊接在所述压电振动梁1外部，且沿所述压电振动梁1上下均匀分布。

图4为本发明实施例提供的压电振动梁与振动球的连接示意图。示例性地，所述压电振动梁1上端设置有第一螺纹11，所述振动球2下端设置有第一螺纹槽21，所述压电振动梁1与所述振动球2采用螺纹固定连接。

所述压电振动梁1下端与所述十字空心管3中心上侧采用螺纹固定连接。

具体地，能量回收装置初次安装至钻杆6时，初始存储电能为0，首先进入充电模式，充电模式存储的电能可以通过公式计算。当振动球2受到井下钻井液冲击时，会使得压电振动梁1弯曲，压电振动梁1所受到的力计算公式如式（1）所示：

（1）

其中为压电振动梁1发生涡激振动在X轴的振动力（单位：牛顿），m是压电振动梁1和振动球2的质量，/>是在压电振动梁1在X轴方向的加速度。

压电振动梁1不只有在X轴受力，在Y轴和Z轴也有振动力，使得压电振动梁1发生弯曲，Y轴和Z轴的受力计算公式同式（1）。

压电振动梁1所受合力采用范数公式计算，如式（2）所示：

（2）

压电振动梁1产生弯曲后，会带动表面的压电陶瓷贴片51产生弹性形变，从而电荷发生位移，是压电陶瓷贴片51覆以金属级面间的电容，如式（3）所示：

（3）

其中是压电陶瓷贴片51的长，b是压电陶瓷贴片51的宽，t是压电陶瓷贴片51的厚度，真空介电常数/>，材料相对介电常数/>。

从而得出电势计算公式如式（4）所示：

（4）

其中，是压电陶瓷贴片51产生的电势差，/>是压电陶瓷贴片51弹性形变产生的电荷量，/>为压电陶瓷贴片51的压电系数约为650*10^-12C/N，/>是压电陶瓷贴片51所受到的压力。

通过导线52连接外部负载的电阻R可计算得到相应电流I大小如式（5）所示：

（5）

其中，I是单位时间内产生的电流大小，R是外部负载的电阻值。

示例性地，所述振动球2采用表面光滑的实心轻质圆球。

在本实施例中，振动球2为实心木质圆球。

示例性地，所述电力存储装置53包括：若干个储能单元。

所述储能单元固定设置于所述十字空心管3四个方向管体内部，各个所述储能单元并联，且通过所述导线52与所述压电陶瓷贴片51电连接。

所述微控制器固定设置于所述十字空心管3中心内部，所述微控制器与各个所述储能单元电连接。

在本实施例中，储能单元的数量为四个，十字空心管3四个方向管体内部各一个。

具体地，十字空心管3中心内部包括PCB仓，微控制器设置于PCB仓内。微控制器用于通过计算，判断电力饱和截断。

电力控制存储系统中存储的电能计算公式如式（6）所示：

（6）

其中W为电能。

当电力存储达到电力存储装置53的峰值时，能量回收装置进入放电模式。放电模式是指将本装置电力控制存储系统中的电能转化为电势和电流，给外部低功耗设备供电，例如振动传感器等。本能量回收装置仅包含电力控制存储系统的将机械能转化为电能的充电模式，对如何给外部设备供电不做额外叙述。

图5为本发明实施例提供的十字空心管与轴承底座的连接示意图。示例性地，所述轴承底座4包括：轴承外环41、轴承内环42和滚珠43。

所述轴承外环41安装于钻杆6内部，所述轴承内环42与所述十字空心管3四周固定连接，所述轴承外环41与所述轴承内环42通过滚珠43转动连接。

具体地，轴承底座4的设置，是为了防止钻杆6旋转时带动内部压电振动梁1旋转产生的离心力导致材料失去弹性而遭到破坏。轴承底座4的轴承截面小，产生的反向冲击力不会影响到压电振动梁1。

示例性地，所述轴承内环42的内壁设置有四个封闭圆孔，所述十字空心管3通过所述封闭圆孔与所述轴承内环42卡接。

在一种可能的实施例中，以位于黑龙江省大庆市的大庆油田为例进行本发明转化存储能量的计算。2022年9月由大庆钻探钻井一公司在海拉尔施工的乌68井顺利中完，完钻井深2702米。假设以此乌68井为具体实例计算。该井在钻探过程中，使用的是外径120毫米，内径90毫米的钻杆，平均三轴加速度为ax=7，ay=5，az=5（单位：米/秒方）；假设在该井中全力投入本发明，可回收能量计算过程如下：

以下参数仅是本发明的算例模型，其各部分尺寸如表1所示，不代表本专利仅针对此种情况。

表1 各部分参数尺寸表

图6为本发明实施例提供的一种专用旋转钻杆的能量回收装置的工作流程示意图。一种专用旋转钻杆的能量回收装置的工作流程包括以下步骤：

步骤1，能量回收装置安装至钻杆6，初始存储电能为0，进入充电模式。

步骤2，当井下开始作业时，钻杆6高速转动，钻井液冲击振动球2，振动球2采用木质圆球。

步骤3，振动球2振动，带动压电振动梁1发生振动，从而带动表面的压电陶瓷贴片51弹性弯曲。

按照算例模型可得，受力体包括;振动球2、压电振动梁1、压电陶瓷贴片51，振动球2的密度取900kg/m^3，压电振动梁1的密度取8000kg/m^3，压电陶瓷贴片51的密度取7500kg/m^3，三者的质量为：振动球2，；压电振动梁1，；压电陶瓷贴片51，/>。可得总质量。

根据式（1）可计算得XYZ轴分别受力Fx=3.6034N，Fy=2.5738N，Fz=2.5738N；根据式（2）可计算得出所受的合力F=5.1219N。

步骤4，压电陶瓷贴片51发生电荷的位移，产生电能。

根据式（3）可得单个压电陶瓷贴片51的电容C=1.8998×10^-9 F，单次形变产生位移的电荷量Q=3.3292×10^-9 C，从而根据式（4）得出开路电压为U=1.7524V；即得两块压电陶瓷贴片51并联的电压为3.5048 V左右；电力存储装置53的电阻取100欧姆，故电力控制存储系统的电流约为35毫安，故额定功率为122.8毫瓦；单个本发明的能量回收装置一个小时可存储电量约为442W·h。该乌68井深2702米，可放置本发明的能量回收装置至少5000个，则该乌68井一个小时至少可存储电量约2211.1KW·h。

步骤5，微控制器判断电力存储装置53是否饱和，如果饱和就截断电流，进入放电模式；如果没有饱和，则继续执行充电模式。

本能量回收装置仅包含电力控制存储系统的将机械能转化为电能的充电模式，对如何给外部设备供电不做额外叙述。

本实施例通过振动球受到冲击产生涡激振动并传递给压电振动梁，提高了振动转化的全向性；通过压电陶瓷贴片随压电振动梁的受力而形变，从而产生电势，提高了能量利用率；通过设置电力存储装置和微控制器，提高了能量存储可控性；通过设置轴承底座，降低了压电振动梁受到的离心作用，提高了装置使用寿命；提出的压电振动梁与振动球采用螺纹固定连接，压电振动梁下端与十字空心管中心上侧采用螺纹固定连接，提高了装置的可拆卸性；提出的振动球采用表面光滑的实心轻质圆球，通过将浮力和重力相抵消，提高了振动稳定性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，包括：压电振动梁、振动球、十字空心管、轴承底座和电力控制存储系统；

所述电力控制存储系统包括：压电陶瓷贴片、导线、电力存储装置和微控制器；

所述压电振动梁上端与所述振动球固定连接，下端与所述十字空心管中心固定连接，所述十字空心管四周与所述轴承底座固定连接，所述轴承底座安装于钻杆内部；

所述压电陶瓷贴片对称固定设置于所述压电振动梁外部，所述导线设置于所述压电振动梁内部，所述电力存储装置和所述微控制器固定设置于所述十字空心管内部，所述压电陶瓷贴片通过所述导线与所述电力存储装置、所述微控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述压电振动梁为空心四方柱形状，采用金属材料；

所述导线穿过所述压电振动梁侧壁电连接所述压电陶瓷贴片。

3.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述压电陶瓷贴片焊接在所述压电振动梁外部，且沿所述压电振动梁上下均匀分布。

4.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述压电振动梁上端设置有第一螺纹，所述振动球下端设置有第一螺纹槽，所述压电振动梁与所述振动球采用螺纹固定连接；

所述压电振动梁下端与所述十字空心管中心上侧采用螺纹固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述振动球采用表面光滑的实心轻质圆球。

6.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述电力存储装置包括：若干个储能单元；

所述储能单元固定设置于所述十字空心管四个方向管体内部，各个所述储能单元并联，且通过所述导线与所述压电陶瓷贴片电连接；

所述微控制器固定设置于所述十字空心管中心内部，所述微控制器与各个所述储能单元电连接。

7.根据权利要求1所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述轴承底座包括：轴承外环、轴承内环和滚珠；

所述轴承外环安装于钻杆内部，所述轴承内环与所述十字空心管四周固定连接，所述轴承外环与所述轴承内环通过滚珠转动连接。

8.根据权利要求7所述的一种专用旋转钻杆的能量回收装置，其特征在于，所述轴承内环的内壁设置有四个封闭圆孔，所述十字空心管通过所述封闭圆孔与所述轴承内环卡接。