井下振动能量收集装置的制造方法
【专利摘要】本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种井下振动能量收集装置，其包括支架、悬臂梁压电片、内齿、偏心圆环、外壳体、端部膨胀环以及锥形压环；悬臂梁压电片安装在支架的外侧，支架通过下轴承、上轴承套装在偏心圆环内；偏心圆环上镶嵌有内齿，偏心圆环位于外壳体内；下堵头和上堵头通过螺纹与支架相连，并将外壳体压紧在下堵头和上堵头之间；端部膨胀环安装于锥形压环与上堵头之间。本发明的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。
【专利说明】
井下振动能量收集装置
技术领域
[0001]本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种油气钻采过程中可以长期稳定地为井下电子仪器供电的振动能量收集装置。
【背景技术】
[0002]旋转钻进过程中，转盘或顶驱的旋转能量通过钻柱传递给钻头。转盘(顶驱)的能量除了用来带动钻头破岩之外，有一部分转换成钻柱的动能，另一部分能量则以钻柱与井壁的摩擦等方式被耗散掉。钻柱的动能包括钻柱的旋转能量和振动能量，旋转能量用来传递运动是必要、不可避免的一部分能量，而振动能量则是钻井过程中不可避免的、不必要的一部分能量。钻柱振动会导致钻柱本身、钻头乃至地面设备受损，为了减少钻柱振动的负面作用，通常会在钻头与钻铤之间安装一个刚度柔软的减震器，将一部分振动能量耗散掉。
[0003]由于振动几乎无处不在且具有较高的能量密度，因此对振动能量的收集与转化利用的研究在近几十年中逐步兴起。常用振动能量收集装置可简化为带阻尼的弹簧振子结构，具有各自的固有频率，当振动能量收集装置的固有频率与振源的激振频率相同时，会发生共振，这时吸收的能量最大，但是激振频率稍微偏离固有频率，吸收的能量就会大幅降低。也就是说振动能量收集装置的带宽很窄，因此，如何拓展振动能量收集装置的带宽已成为研究者们着力解决的问题之一。另外，常用振动能量收集装置的方向选择性很强，而大部分振源的振动方向是变化的，因此，研究多方向振动能量收集装置成为另一个亟待解决的问题。
[0004]钻柱振动所产生的能量是相当可观的，吸收钻柱的振动能量来发电是解决井下仪器的供电问题的有效途径之一。高效吸收钻柱振动能量，需要解决上述振动能量收集装置中所存在的两个问题。此外，由于钻柱形态和振动状态上的特殊性-细长结构，纵向振动、横向摆振、扭转振动并存，横向摆振的方向具有一定的随机性-使得针对地面设备所设计的振动能量收集装置在井下难以适用。钻柱直径小、壁厚有限，增大钻柱外径会增加卡堵风险，减小钻柱内径会增加钻井液压降，因此振动能量收集装置的可利用径向尺寸很小;钻柱的三种振动形式的频带范围不同，并且，他们的频带随钻井工况的变化而变化，因此振动能量收集装置应具有较宽的频带以适应不同的钻井工况。针对钻柱振动与钻柱结构的特点，本发明将提供一种宽频带、可以吸收转动、扭振和摆振等振动能量的振动能量收集装置。
【发明内容】
[0005]为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种可以在井下长期稳定为井下电子仪器提供能量的、宽频带可以吸收钻柱转动、扭振和摆振等振动能量的振动能量收集装置。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述方案:
[0007]井下振动能量收集装置，包括:支架、悬臂梁压电片、下堵头、下轴承、内齿、偏心圆环、上轴承、外壳体、上堵头、端部膨胀环以及锥形压环;悬臂梁压电片安装在支架的外侧，支架通过下轴承、上轴承套装在偏心圆环内；偏心圆环上镶嵌有内齿，偏心圆环位于外壳体内；下堵头和上堵头通过螺纹与支架相连，并将外壳体压紧在下堵头和上堵头之间;端部膨胀环安装于锥形压环与上堵头之间，锥形压环与上堵头通过螺栓连接在一起，锥形压环在螺栓拧紧力的作用下挤压端部膨胀环使端部膨胀环发生径向膨胀，从而将支架胀紧在钻柱内壁上，随钻柱一起旋转;该井下振动能量收集装置不需对钻柱内壁做任何处理、加工即可实现可靠连接。
[0008]相对于现有技术，本发明的有益效果如下: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；相比于井下涡轮发电机，振动能量收集装置没有裸露在钻井液中的运动部件，增加了井下电子仪器能量供给装置的寿命，可以实现一次安装长期使用的目的;本发明在钻柱内安装简单、牢固，不需要对钻柱进行额外的处理、加工;可弥补现有压电振动能量收集装置的结构形式无法针对钻柱振动特点而高效收集钻柱振动能量的不足。
【附图说明】
[0009]图1为振动能量收集装置的分解示意图；
[0010]图2为振动能量收集装置拆除悬臂梁压电片后的分解示意图；
[0011]图3为振动能量收集装置的的纵向剖视图；
[0012]图4为振动能量收集装置的横向剖视图；
[0013]图5为悬臂梁压电片的示意图；
[0014]图中:1、支架，2、悬臂梁压电片，3、下堵头，4、下轴承，5、内齿，6、偏心圆环，7、上轴承，8、外壳体，9、上堵头，10、端部膨胀环，11、锥形压环。
【具体实施方式】
[0015]如图1至图5所示，井下振动能量收集装置，包括:支架1、悬臂梁压电片2、下堵头3、下轴承4、内齿5、偏心圆环6、上轴承7、外壳体8、上堵头9、端部膨胀环10以及锥形压环11;悬臂梁压电片2安装在支架I的外侧，支架I通过下轴承4、上轴承7套装在偏心圆环6内；偏心圆环6上镶嵌有内齿5，偏心圆环6位于外壳体8内；下堵头3和上堵头9通过螺纹与支架I相连，并将外壳体8压紧在下堵头3和上堵头9之间；端部膨胀环10安装于锥形压环11与上堵头9之间，锥形压环11与上堵头9通过螺栓连接在一起，锥形压环11在螺栓拧紧力的作用下挤压端部膨胀环10使端部膨胀环发生径向膨胀，从而将支架I胀紧在钻柱内壁上，随钻柱一起旋转;该井下振动能量收集装置不需对钻柱内壁做任何处理、加工即可实现可靠连接。
[0016]所述支架I的外壁为多面体，悬臂梁压电片2通过螺钉固定在支架I外壁的下端，并沿支架I的圆周方向均布，悬臂梁压电片2长度方向与支架I轴线平行，通过布置方式可以吸收垂直于支架I轴线任意方向的振动能量。
[0017]悬臂梁压电片2，包括:铜基片21、压电陶瓷片22和质量块23，铜基片21的底端做加厚处理并加工有螺纹孔，通过螺钉与支架I相连，压电陶瓷片22粘贴在铜基片21的上下两侧面，并靠近铜基片21的悬臂端粘贴；质量块23位于铜基片21的自由端；质量块23与支架I的外壁存在一定间隙，为悬臂梁压电片2的弯曲变形提供空间，并用来防止悬臂梁压电片2发生过大变形而破坏；
[0018]支架I与下堵头3通过螺纹连接，将下轴承4压紧在支架I上;多个内齿5镶嵌在偏心圆环6的内壁上，沿偏心圆环6的圆周方向螺旋均布;镶嵌有内齿5的偏心圆环6套在安装有悬臂梁压电片2的支架I的外面，通过下轴承4和上轴承7的支撑作用与支架I保持同心，并可相对于支架I自由旋转;在重力的作用下，偏心圆环6的重心趋于指向重力方向，因此，钻柱转动时，偏心圆环6与支架I做相对转动；由于钻柱转速较低本发明没有采用线圈-永磁体方式来收集振动能量，而是在偏心圆环6的内壁上安装有凸起的内齿5，偏心圆环6转动时，凸起的内齿5拨动悬臂梁压电片2，使压电陶瓷片22发生交变弯曲，从而吸收钻柱旋转的部分能量;当钻柱发生横向摆振和扭转振动时，偏心圆环6在惯性力的作用下，也会相对于支架I转动，从而吸收部分摆振与扭转振动的能量;外壳体8套在偏心圆环6的外面，并与下堵头3的最大外圆配合，被与支架I通过螺纹拧紧的上堵头9压紧在下堵头3上。下堵头3、上堵头9与外壳体8之间通过密封圈密封，下堵头3、上堵头9与支架I之间通过密封圈密封，从而将悬臂梁压电片2等电子装置与外界钻井液隔离。
[0019]井下振动能量收集装置的工作原理如下:偏心圆环在重力及惯性力作用下与旋转钻柱做相对转动，偏心圆环内壁上设计的突起拨动悬臂梁结构的压电片，使压电片发生弯曲，从而吸收钻柱转动、扭振和摆振的能量;沿圆周方向均匀布置的悬臂梁，其长度方向与钻柱轴线平行，可以吸收钻柱横向摆振的能量。
【主权项】
1.一种井下振动能量收集装置，包括:支架、悬臂梁压电片、下堵头、下轴承、内齿、偏心圆环、上轴承、外壳体、上堵头、端部膨胀环以及锥形压环；其特征在于:悬臂梁压电片安装在支架的外侧，支架通过下轴承、上轴承套装在偏心圆环内；偏心圆环上镶嵌有内齿，偏心圆环位于外壳体内；下堵头和上堵头通过螺纹与支架相连，并将外壳体压紧在下堵头和上堵头之间；端部膨胀环安装于锥形压环与上堵头之间，锥形压环与上堵头通过螺栓连接在一起。2.根据权利要求1所述的井下振动能量收集装置，其特征在于，所述支架的外壁为多面体，悬臂梁压电片通过螺钉固定在支架外壁的下端，并沿支架的圆周方向均布，悬臂梁压电片长度方向与支架轴线平行。3.根据权利要求1-2所述的井下振动能量收集装置，其特征在于，悬臂梁压电片，包括:铜基片、压电陶瓷片和质量块，质量块与支架的外壁存在一定间隙。4.根据权利要求1-3所述的井下振动能量收集装置，其特征在于，支架与下堵头通过螺纹连接，将下轴承压紧在支架上;多个内齿镶嵌在偏心圆环的内壁上，沿偏心圆环的圆周方向螺旋均布;镶嵌有内齿的偏心圆环套在安装有悬臂梁压电片的支架的外面，通过下轴承和上轴承的支撑作用与支架保持同心，并可相对于支架自由旋转。5.根据权利要求1-4所述的井下振动能量收集装置，其特征在于，下堵头、上堵头与外壳体之间通过密封圈密封，下堵头、上堵头与支架之间通过密封圈密封。
【文档编号】H02N2/18GK105915110SQ201610286596
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】贾朋, 房军, 薛世峰, 成向阳, 孙峰, 朱秀星, 王海静, 王斐斐
【申请人】中国石油大学(华东)