CN203180719U

CN203180719U - 一种井下振动发电机

Info

Publication number: CN203180719U
Application number: CN 201320116623
Authority: CN
Inventors: 贾朋; 房军
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2023-03-15

Abstract

本实用新型提供一种井下发电的方法与装置，利用钻柱振动的能量来发电，包括与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动动子组件及安装其上的动子磁铁、与下部钻头相连的定子组件及安装其上的定子线圈、隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧、整流装置、压力平衡装置；本实用新型利用钻柱的振动能量来发电，避免了传统井下水力发电机的水力能量损失，吸收了钻井过程中的废弃能量；能量吸收、转换装置与整流装置的联合作用为传统的减震器提供了变阻尼作用，从而使减震器适用工况更宽。

Description

一种井下振动发电机

1、技术领域

本实用新型涉及一种油气井钻井的井下发电装置，尤其是一种利用钻柱振动进行发电的装置。

2、技术背景

随着钻井技术的发展，井下自动化设备的应用日趋广泛，井下仪器的供电问题成为制约大功率电器在井下应用的主要因素之一。井下提供电力的方式有三种：电池供电，输电电缆供电，井下发电机供电。由于井下温度高，电池提供的电量有限，使用时间短，成本高；现有的输电电缆一般是埋在钻杆内部，需要特制的钻杆接头，成本很高，目前尚处于试验应用阶段；现有的井下发电机的基本原理是利用钻井液冲击叶轮，带动发电机转子旋转发电，由于叶轮级数有限、效率很低，因此发电功率有限。

钻井过程中，钻柱经常会出现明显的跳钻和振动，该振动会导致钻头、钻柱乃至地面设备受损，为此，通常会在钻头和钻铤之间安装一个刚度柔软的减震器，将一部分冲击能量耗散掉。

本实用新型将提供一种吸收钻柱振动所产生的冲击能量，既可以减弱钻柱振动，又不同于传统的井下叶轮发电机的一种发电装置。

3、实用新型内容

技术问题：本实用新型的目的是提供一种可以减弱钻柱振动，为井下用电设备提供电力的装置。

技术方案：本实用新型提供的一种可以减弱钻柱振动，为井下用电设备提供电力的装置的工作原理为：利用弹簧隔离底部钻柱固有频率和钻头的激振频率，使钻头与下部钻柱产生较大位移的相对运动，然后利用能量吸收、转换装置将该部分相对运动的能量吸收后经过整流转换成井下可以利用的电能。利用钻柱振动进行井下发电的装置由与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动的动子组件1及安装其上的动子磁铁5、与下部钻头8相连的定子组件3及安装其上的定子线圈4、隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧2、压力平衡装置7、整流装置6组成。其中：

(1)与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动的动子组件1由花键轴101、中心轴102、动子轴103、动子固定块104组成。

花键轴101用来传递扭矩和振动发电机上部钻柱的振动，花键轴101上端母扣为钻杆扣与上部钻杆或钻铤相连，下端通过螺纹与中心轴102相联；中心轴102下端通过普通螺纹与动子轴103相联，动子轴103下端通过普通螺纹与动子固定块104相联，花键轴101、中心轴102、动子轴103、定子固定块104联成一个整体沿发电机轴线作往复运动；花键轴101下部加工有外花键与花键壳303内部的内花键相配合形成花键副，花键轴101通过花键副带着花键壳303随花键轴101一起转动，同时可以相对于花键壳303沿发电机轴线作往复运动；动子轴103上部加工有台阶与动子固定块104上端面共同作用来固定动子磁铁5.。

(2)与下部钻头8相连的定子组件3由密封压盖301、填料密封302、花键壳303、上充油螺塞304、蝶簧壳305、下充油螺塞306、转接头307、中心杆密封308、发电机上充油螺塞309、上定子固定堵头310、发电机壳311、下定子固定堵头312、发电机下充油螺塞313组成。

花键壳303下端通过锥形螺纹与蝶簧壳305相联，蝶簧壳305下端通过锥形螺纹与转接头307相联，转接头307通过锥形螺纹与发电机壳311相联；花键壳303、蝶簧壳305、转接头307、发电机壳311联成一体，由花键轴101通过花键副带着随花键轴101一起转动，同时可以相对于花键轴101沿发电机轴线作往复运动；密封压盖301通过螺纹与花键壳303相联，填料密封302安装在密封压盖301与花键壳303形成的密封槽内，填料密封302与花键轴101上部的光轴配合形成密封副；上充油螺塞304与下充油螺塞306分别安装在蝶簧壳305的上部与下部，用于向蝶簧壳305内充油；转接头307内壁加工有密封沟槽用于安装中心杆密封308，中心杆密封308用来分隔蝶簧腔202与发电机充油腔403，防止蝶簧腔202内高温润滑油进入发电机充油腔403内烧坏定子线圈；发电机上充油螺塞309与发电机下充油螺塞313分别安装在发电机壳311的上部与下部，用于向发电机充油腔403内部充油。

(3)本实用新型中，隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧2选用蝶簧串201；中心轴102上部加工有台阶与转接头307的上端面共同作用来压缩蝶簧串201。

(4)上定子固定堵头310通过螺纹安装在发电机壳311的上部，下定子固定堵头312通过螺纹安装在发电机壳311的下部，定子线圈4的定子磁轭401安装在上定子固定堵头310的下端面与下定子固定堵头312的上端面形成的环形空间内。

由于钻头的振动频率很低仅为几Hz到十几Hz，单个感应线圈产生的电压较低，如果使用普通的整流电路，由于感应电压小于或者等于二极管的管压降，导致电路无法正常运行或者能量损失很大，无法在输出端输出稳定的直流电压，因此，定子线圈4中的感应线圈402采用多组串联连接以提高输出电压。

定子磁轭401沿轴线的纵向剖面为T字形，感应线圈402安装在两个T字形定子磁轭所形成的矩形空间内；如图3所示，定子磁轭401外圆沿圆周方向均匀开有4个引线槽404，各个感应线圈的两条引线通过引线槽404相连，最终与能量收集电路的引线601相连。

(5)动子轴103上部加工有台阶与动子固定块104上端面共同作用来固定动子磁铁5。

(6)压力平衡装置7由平衡活塞701、平衡弹簧702、下接头703组成。

动子固定块104与下接头703之间可以做相对轴向运动；中心轴102与动子固定块104分别是发电机充油腔403的上入口管和下出口管，中心轴102与动子固定块104的外径相同，因此，发电机充油腔403内的油液既不被压缩，也不被抽吸，平衡活塞701内壁与下接头703相配合，外壁与发电机壳311相配合；平衡弹簧702安装在平衡活塞701的下端面与下接头703中部的台阶面之间；发电机壳311下端通过锥形螺纹与下接头703相联，下接头703下端母扣为钻杆扣与下部钻具组合相联。

(7)引线塞602通过螺纹安装在下接头703上端的螺纹孔内，下接头703轴向钻有光孔与仪器舱接头603上部的径向光孔相通为引线601提供通道，仪器舱接头603插接在下接头703内部，下端有螺纹与下部仪器舱相联，仪器舱接头603上端加工有轴向通道，为钻井液提供流通通道；

虽然定子线圈4中的感应线圈401采用多组串联的方式提高了输出电压，但是由于振动所产生的感应电动势是一个无规则变化的交流电，输出电压不稳定，不能用于驱动负载。因此，需要整流装置将该交变电压转换成平稳的直流电。整流装置由能量收集电路604、启动电路606、控制电路605组成。

能量收集电路604作为能量管理电路的能量收集部分，是将振动发电机振动时产生的低频交流感应电压经过AC/DC转换为直流电压，为负载608提供能量，在负载端输出稳定的直流电压；启动电路606的作用是为控制电路提供工作电压，保证控制电路的正常工作；控制电路605作为能量管理电路的控制环节，其作用是控制能量收集电路的开关频率，能调节能量收集电路的输出电压。蓄电池607用于储存能量收集电路所收集的能量。

技术效果：

本实用新型利用钻柱的振动能量来发电，避免了传统井下水力发电机的水力能量损失，吸收了钻井过程中的废弃能量；能量吸收、转换装置与整流装置的联合作用为传统的减震器提供了变阻尼作用，从而使减震器适用工况更宽，如图1所示，钻头处的振动幅值图10经过本实用新型所述的井下振动发电机的减震作用之后，钻杆处的振动幅值图12减小了，同时在感应线圈402上产生幅值图11所示的电压信号。

4、附图说明

图1为本实用新型的工作原理示意图。

图2为本实用新型的纵剖面接头示意图。

图3为A-A横截面剖视图。

图4为B-B横截面剖视图

图中，1-动子组件、2-弹簧、3-定子组件、4-定子线圈、5-动子磁铁、6-整流装置、7-压力平衡装置、8-钻头、10-钻头处振动幅值图、11-电压幅值图、12-钻杆处振动幅值图、101-花键轴、102-中心轴、103-动子轴、104-动子固定块、201-碟簧串、202-碟簧腔、301-密封压盖、302-填料密封、303-花键壳、304-上充油螺塞、305-碟簧壳、306-下充油螺塞、307-转接头、308-中心杆密封、309-发电机上充油螺塞、310-上定子固定堵头、311-发电机壳、312-下定子固定堵头、313-发电机下充油螺塞、401-定子磁轭、402-感应线圈、403-发电机充油腔、404-引线槽、601-引线、602-引线塞、603-仪器舱接头、604-能量收集电路、605-控制电路、606-启动电路、607-蓄电池、608-负载、701-平衡活塞、702-平衡弹簧、703-下接头、

5、具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1中给出了一种井下振动发电机，其包括与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动的动子组件1及安装其上的动子磁铁5、与下部钻头8相连的定子组件3及安装其上的定子线圈4、隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧2、整流装置6、压力平衡装置7。如图2所示，与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动动子组件1由花键轴101、中心轴102、动子轴103、动子固定块104组成。花键轴101上端母扣为钻杆扣与上部钻杆或钻铤相连，下端通过螺纹与中心轴102相联；中心轴102下端通过普通螺纹与动子轴103相联，动子轴103下端通过普通螺纹与动子固定块104相联，花键轴101、中心轴102、动子轴103、定子固定块104联成一个整体作沿发电机轴线作往复运动；花键轴101下部加工有外花键与花键壳303内部的内花键相配合形成花键副，花键轴101通过花键副带着花键壳303随花键轴101一起转动，同时可以相对于花键壳303沿发电机轴线作往复运动；动子轴103上部加工有台阶与动子固定块104上端面共同作用来固定动子磁铁5。

花键壳303下端通过锥形螺纹与蝶簧壳305相联，蝶簧壳305下端通过锥形螺纹与转接头307相联，转接头307通过锥形螺纹与发电机壳311相联；花键壳303、蝶簧壳305、转接头307、发电机壳311联成一体，由花键轴101通过花键副带着随花键轴101一起转动，同时可以相对于花键轴101沿发电机轴线作往复运动；上定子固定堵头310通过螺纹安装在发电机壳311的上部，下定子固定堵头312通过螺纹安装在发电机壳311的下部，定子线圈4的定子磁轭401安装在上定子固定堵头310的下端面与下定子固定堵头312的上端面形成的环形空间内。

花键轴101、中心轴102、动子轴103、动子固定块104组成的动子组件及安装在其上的动子磁铁5在钻头8振动的激励下，相对于由密封压盖301、填料密封302、花键壳303、上充油螺塞304、蝶簧壳305、下充油螺塞306、转接头307、中心杆密封308、发电机上充油螺塞309、上定子固定堵头310、发电机壳311、下定子固定堵头312、发电机下充油螺塞313组成的定子组件3，沿发电机轴线作往复运动，安装在定子组件3上的定子线圈4切割动子磁铁运动产生的运动磁力线，进而产生感应电动势，经过整流装置6整流处理后为负载608提供电力。

密封压盖301通过螺纹与花键壳303相联，填料密封302安装在密封压盖301与花键壳303形成的密封槽内，填料密封302与花键轴101上部的光轴配合形成密封副；上充油螺塞304与下充油螺塞306分别安装在蝶簧壳305的上部与下部，用于向蝶簧壳305内充油；转接头307内壁加工有密封沟槽用于安装中心杆密封308，中心杆密封308用来分隔蝶簧腔202与发电机充油腔403，防止蝶簧腔202内高温润滑油进入发电机充油腔403内烧坏定子线圈；发电机上充油螺塞309与发电机下充油螺塞313分别安装在发电机壳311的上部与下部，用于向发电机充油腔403内部充油。

中心轴102上部加工有台阶与转接头307的上端面共同作用来压缩蝶簧串201。

上定子固定堵头310通过螺纹安装在发电机壳311的上部，下定子固定堵头312通过螺纹安装在发电机壳311的下部，定子线圈4的定子磁轭401安装在上定子固定堵头310的下端面与下定子固定堵头312的上端面形成的环形空间内。

动子轴103上部加工有台阶与动子固定块104上端面共同作用来固定动子磁铁5。

压力平衡装置7由平衡活塞701、平衡弹簧702、下接头703组成。动子固定块104与下接头703之间可以做相对轴向运动；中心轴102与动子固定块104分别是发电机充油腔403的上入口管和下出口管，中心轴102与动子固定块104的外径相同，因此，发电机充油腔403内的油液既不被压缩，也不被抽吸，平衡活塞701内壁与下接头703相配合，外壁与发电机壳311相配合；平衡弹簧702安装在平衡活塞701的下端面与下接头703中部的台阶面之间；发电机壳311下端通过锥形螺纹与下接头703相联，下接头703下端母扣为钻杆扣与下部钻具组合相联。

引线塞602通过螺纹安装在下接头703上端的螺纹孔内，下接头703轴向钻有光孔与仪器舱接头603上部的径向光孔(如图4所示)相通为引线601提供通道，仪器舱接头603插接在下接头703内部，下端有螺纹与下部仪器舱相联，仪器舱接头603上端加工有轴向通道，为钻井液提供流通通道；

虽然定子线圈4中的感应线圈401采用多组并联的方式提高了输出电压，但是由于振动所产生的感应电动势是一个无规则变化的交流电，输出电压不稳定，不能用于驱动负载。因此，需要整流装置将该交变电压转换成平稳的直流电。整流装置由能量收集电路604、启动电路606、控制电路605组成。

Claims

1.一种井下振动发电机，其特征在于：包括与上部钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动的动子组件1及安装其上的动子磁铁5、与下部钻头8相连的定子组件3及安装其上的定子线圈4、隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧2、整流装置6、压力平衡装置7。

2.根据权利要求1所述的一种井下振动发电机，其特征在于：所述的与钻柱相联的沿发电机轴线作往复运动的动子组件1由花键轴101、中心轴102、动子轴103、动子固定块104从上往下依次通过螺纹联接成一个整体带着安装在动子轴103上的动子磁铁5沿发电机轴线相对于安装在定子组件3上的定子线圈4作往复运动。

3.根据权利要求1所述的一种井下振动发电机，其特征在于：所述的与下部钻头8相联的定子组件3包括由花键壳303、蝶簧壳305、转接头307、发电机壳311自上而下通过螺纹联接成一体的外壳，安装在花键壳303上端的密封压盖301、填料密封302，安装在蝶簧壳305壳体上部与下部的上充油螺塞304、下充油螺塞306，安装在转接头307内孔的密封沟槽内的中心杆密封308，安装在发电机壳311壳体上部与下部的发电机上充油螺塞309、发电机下充油螺塞313，安装在发电机壳311上部与下部用于固定定子线圈4的上定子固定堵头310、下定子固定堵头312；密封压盖301通过螺纹与花键壳303相联，填料密封302安装在密封压盖301与花键壳303形成的密封槽内，填料密封302与花键轴101上部的光轴配合形成密封副，用来隔离井眼环空中的钻井液与蝶簧腔202内的润滑油；中心杆密封308用来分隔蝶簧腔202与发电机充油腔403，防止蝶簧腔202内高温润滑油进入发电机充油腔403内烧坏定子线圈。

4.根据权利要求1所述的一种井下振动发电机，其特征在于：所述的隔离动子组件振动与定子组件振动的弹簧2，安装在中心轴102上部加工的台阶与转接头307的上端面之间，弹簧形式为蝶簧。

5.根据权利要求1所述的一种井下振动发电机，所述的定子线圈4包括n个定子磁轭401、n个感应线圈402，其特征在于：所述的定子磁轭401沿轴线的纵向剖面为T字形，感应线圈402安装在两个T字形定子磁轭所形成的矩形空间内，定子磁轭401外圆沿圆周方向均匀开有4个引线槽404，各个感应线圈的两条引线通过引线槽404相连，最终与能量收集电路的引线601相连。