本发明涉及油气开发技术领域，特别涉及一种井下发电装置和分层注水装置。
背景技术
注水开发是油田进入中后期提高采收率的重要措施之一。智能分层注水是利用井下传感器获得每层的压力、流量等数据，并对每层的注水量进行合理分配，实现科学配注的先进技术。
对于井下传感器来说，井下供电是其工作的基础。目前，井下工具中的井下传感器供电主要采用电缆和电池两种方式，前者需要将电缆和井下工具下入到指定位置，施工繁琐，成本高，且电缆在下入过程中容易受到破坏；后者又分为一次性电池和充电电池，一次性电池电量耗尽后，需要将含有井下传感器的整个电控工具打捞到地面，更换电池后重新将工具下入到井下位置，而充电电池电量将要耗尽时，需要将充电器下入到井下非常接近井下注水工具中井下传感器的位置，从而对电池进行无线充电，上述作业方式费时费力。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种井下发电装置和分层注水装置，其能够驱动压电双晶片产生振动，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，以延长或甚至避免井下供电设备的更换。
本发明实施例的具体技术方案是：
一种井下发电装置，所述井下发电装置包括：
沿轴线方向延伸的外壳；
设置在所述外壳内的转轮、压电双晶片和振动机构，所述振动机构包括：与所述转轮的轴相传动连接的振动轮，所述振动轮的侧壁到所述振动轮中心的距离呈交替的增大减小；设置在所述压电双晶片一端与所述外壳之间的弹性件和设置在所述压电双晶片一端与所述振动轮之间的滑动机构，在所述弹性件的作用下，所述滑动机构能够抵住所述振动轮的侧壁。
在一种优选的实施方式中，当所述振动轮转动时，所述滑动机构在所述振动轮的侧壁的驱动下带动所述压电双晶片的一端产生往复运动。
在一种优选的实施方式中，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的下导叶机构，所述下导叶机构位于所述转轮的下游，所述下导叶机构包括多个沿径向延伸的下导叶部，所述下导叶部与所述外壳相固定连接。
在一种优选的实施方式中，所述井下发电装置还包括：设置在所述外壳内的安装座，所述安装座内开设有沿径向延伸的开孔和与所述开孔相连通的敞口，所述弹性件和所述滑动机构设置在所述开孔中，所述压电双晶片的一端通过所述敞口插入至所述开孔中。
在一种优选的实施方式中，所述外壳包括上外筒和与所述上外筒相连接的下外筒，所述安装座的一端嵌入所述上外筒和下外筒的连接处以固定。
在一种优选的实施方式中，所述井下发电装置还包括：套设在所述转轮的轴上的上导叶机构，所述上导叶机构位于所述转轮的上游。
在一种优选的实施方式中，所述弹性件包括：弹簧，所述弹簧的一端抵住所述压电双晶片一端的侧壁。
在一种优选的实施方式中，所述振动轮套设在所述转轮的轴上，所述振动轮的侧壁呈正弦曲线状趋势。
在一种优选的实施方式中，所述滑动机构包括具有弧状凸起部的滑动件，所述凸起部抵住所述振动轮的侧壁。
在一种优选的实施方式中，所述滑动机构包括能够转动的滚轮，所述滚轮抵住所述振动轮的侧壁。
在一种优选的实施方式中，所述压电双晶片的另一端连接有配重件。
一种分层注水装置，所述分层注水装置包括如上述任一所述的井下发电装置。
本发明的技术方案具有以下显著有益效果：
将本申请中的井下发电装置连接在分层注水井下装置中，当通过分层注水井下装置进行分层注水时，水流将穿过本申请中的井下发电装置的外壳。在外壳中，水流由转轮方向向压电双晶片方向流动，在水流的冲击作用下驱动转轮旋转。由于转轮与振动轮相传动连接，此时，振动轮发生转动。在所述弹性件的作用下，设置在所述压电双晶片一端与所述振动轮之间的所述滑动机构能够抵住所述振动轮的侧壁，由于所述振动轮的侧壁到所述振动轮中心的距离呈交替的增大减小，因此，在振动轮转动时，滑动机构会在振动轮的侧壁上滑动，其距离所述振动轮中心的距离也会呈交替的增大减小，如此，滑动机构即产生往复运动，从而使得压电双晶片的另一端发生往复振动。由于压电双晶片的另一端呈周期性的振动，压电双晶片的另一端呈自由状态，压电双晶片的另一端也会发生往复的振动。并且压电双晶片的长度会使得自由端的振幅得到放大，压电双晶片在往复振动的过程中能够进行发电，通过压电双晶片产生的电流，井下发电装置便能够持续性的给负载供电。当停止注水时，没有水流驱动转轮旋转，整个压电发电装置便停止发电。当停止注水时，没有水流驱动转轮旋转，整个压电发电装置便停止发电。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1为本发明实施例中井下发电装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中井下发电装置的横截面示意图；
图3为图2中a向示意图；
图4为本发明实施例中井下发电装置的振动轮驱动滑动机构振动的第一原理示意图；
图5为本发明实施例中井下发电装置的振动轮驱动滑动机构振动的第二原理示意图；
图6为本发明实施例中井下发电装置的压电双晶片振动的原理示意图；
图7为本发明实施例中井下发电装置的仰视图。
以上附图的附图标记：
1、外壳；11、上外筒；12、下外筒；2、转轮；21、轴；211、台阶；22、叶片；3、压电双晶片；31、配重件；32、第一振动件；33、第二振动件；4、振动机构；41、振动轮；42、弹性件；43、滑动机构；5、下支撑件；51、内环；52、外环；6、安装座；61、开孔；62、敞口；7、上导叶机构。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
不管是注入井还是采出井，都有源源不断的流体流动,如果将流体流动的机械能转换为电能，为井下可充电电池充电或直接为井下工具供电，将能够大大提高井下工具的服役时间，大幅降低施工作业量和投入成本，因此，在本发明中提出了一种井下发电装置，图1为本发明实施例中井下发电装置的立体结构示意图，图2为本发明实施例中井下发电装置的横截面示意图，如图1和图2所示，本申请中的井下发电装置可以包括：沿轴线方向延伸的外壳1；设置在所述外壳1内的转轮2、压电双晶片3和振动机构4，所述振动机构4包括：与所述转轮2的轴21相传动连接的振动轮41，所述振动轮41的侧壁到所述振动轮41中心的距离呈交替的增大减小；设置在所述压电双晶片3一端与所述外壳1之间的弹性件42和设置在所述压电双晶片3一端与所述振动轮41之间的滑动机构43，在所述弹性件42的作用下，所述滑动机构43能够抵住所述振动轮41的侧壁。当所述振动轮41转动时，所述滑动机构43在所述振动轮41的侧壁的驱动下带动所述压电双晶片3的一端产生往复运动。
将本申请中的井下发电装置连接在分层注水井下装置中，当通过分层注水井下装置进行分层注水时，水流将穿过本申请中的井下发电装置的外壳1。在外壳1中，水流由转轮2方向向压电双晶片3方向流动，在水流的冲击作用下驱动转轮2旋转。由于转轮2与振动轮41相传动连接，此时，振动轮41发生转动。在所述弹性件42的作用下，设置在所述压电双晶片3一端与所述振动轮41之间的所述滑动机构43能够抵住所述振动轮41的侧壁，由于所述振动轮41的侧壁到所述振动轮41中心的距离呈交替的增大减小，因此，在振动轮41转动时，滑动机构43会在振动轮41的侧壁上滑动，其距离所述振动轮41中心的距离也会呈交替的增大减小，如此，滑动机构43即产生往复运动，从而使得压电双晶片3的另一端发生往复振动。由于压电双晶片3的另一端呈周期性的振动，压电双晶片3的另一端呈自由状态，压电双晶片3的另一端也会发生往复的振动。并且压电双晶片3的长度会使得自由端的振幅得到放大，压电双晶片3在往复振动的过程中能够进行发电，通过压电双晶片3产生的电流，井下发电装置便能够持续性的给负载供电。当停止注水时，没有水流驱动转轮2旋转，整个压电发电装置便停止发电。当停止注水时，没有水流驱动转轮2旋转，整个压电发电装置便停止发电。
本申请中的井下发电装置能够将水流的动能转化为机械能，再进一步通过压电双晶片3将机械能转变成电能，电能随着注水过程中水流的持续流动而持续产生。由井下发电装置产生的电能可以由导线引出，然后经过相应的整流电路从而为电池或用电装置等负载供电。该井下发电装置结构可以使其满足下入井下装置的体积要求，进而可连接在分层注水装置上并下入至井下，通过振动轮41使得驱动压电双晶片3的一端产生振动，并在压电双晶片3的长度作用下使得压电双晶片3的另一端即自由端的振幅得到放大，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，为分层注水装置等用电系统提供稳定、持续的电能，以延长甚至避免井下供电设备的置换，从而提高注水周期。当然的，压电双晶片3的另一端也可以进行固定，从而通过压电双晶片3的一端产生的振动进行发电。
为了能够更好的了解本申请中的井下发电装置，下面将对其做进一步解释和说明。如图1和图2所示，外壳1沿轴线方向延伸，其可以大致呈一细长型的筒体，筒体的上下端两端贯通，其中间能够形成有流道，用于流体的流入和流出。
如图1和图2所示，转轮2设置在外壳1内，其能够在壳体的径向面上进行旋转，转轮2具体可以包括轴21和设置在轴21上的叶片22，轴21和叶片22可以一体化成形。流入至外壳1内的流体沿壳体的轴线方向流动，从而冲击转轮2的叶片22，驱动转轮2转动。
如图1和图2所示，所述振动机构4可以包括：与所述转轮2的轴21相传动连接的振动轮41，所述振动轮41的侧壁到所述振动轮41中心的距离呈交替的增大减小。具体而言，振动轮41套设在转轮2的轴21上端，振动轮41的中部具有镂空结构，如此，流体可以流过振动轮41。图4为本发明实施例中井下发电装置的振动轮41驱动滑动机构43振动的第一原理示意图，图5为本发明实施例中井下发电装置的振动轮41驱动滑动机构43振动的第二原理示意图，如图4和图5所示，振动轮41的侧壁具有表面呈弧状的凸起部和表面呈弧状的凹进部，表面呈弧状的凸起部和表面呈弧状的凹进部交替沿周向分布在振动轮41的侧壁上，如此使得所述振动轮41的侧壁到所述振动轮41中心的距离呈交替的增大减小。在一种优选的实施方式中，所述振动轮41的侧壁可以呈正弦曲线状趋势。
如图1和图2所示，所述压电双晶片3沿轴线方向延伸，所述压电双晶片3绕所述外壳1的轴线呈圆周分布。在一个具体的实施例中，压电双晶片3的数量可以为三，相邻压电双晶片3之间的夹角为120度。当然，压电双晶片3的数量可以根据需要发电量的大小进行调整，在本申请中做不任何限定。
图3为图2中a向示意图，如图1、图2和图3所示，所述压电双晶片3一端与所述外壳1之间设置有弹性件42，所述压电双晶片3一端与所述振动轮41之间设置有滑动机构43，在所述弹性件42的作用下，所述滑动机构43能够抵住所述振动轮41的侧壁。在振动轮41转动时，滑动机构43会在振动轮41的侧壁上滑动，在弹性件42的作用下，滑动机构43距离所述振动轮41中心的距离也会呈交替的增大减小，如此，滑动机构43即产生往复运动，从而使得压电双晶片3的一端发生往复运动。图6为本发明实施例中井下发电装置的压电双晶片3振动的原理示意图，如图6所示，当压电双晶片3的一端(即固定端)发生往复运动，压电双晶片3的另一端(即自由端)也会发生往复震动。根据压电双晶片3的长度，压电双晶片3的另一端(即自由端)的振幅和加速度会呈正相关，因此，当压电双晶片3的长度较长时，压电双晶片3的另一端(即自由端)的振幅和加速度可以得到增大。压电双晶片3的另一端(即自由端)的振幅和加速度受到振动轮41的侧壁到所述振动轮41中心的距离呈交替的增大减小的程度的影响。
在一种可行的实施方式中，压电双晶片3的一端的由第一振动件32和第二振动件33夹持住，所述弹性件42可以包括：弹簧，所述弹簧的一端抵住所述压电双晶片3一端的侧壁，即第二振动件33上，所述弹簧的另一端抵住所述外壳1的侧壁或外壳1的侧壁上设置的压块。
在一种可行的实施方式中，所述滑动机构43可以包括具有弧状凸起部的滑动件，所述凸起部抵住所述振动轮41的侧壁。滑动件可以设置在第一振动件32上，也可以与第一振动件32一体成型。滑动件的弧状凸起部可以在振动轮41的侧壁上较为轻易的产生滑动。在一种优选的实施方式中，如图4和图5所示，所述滑动机构43可以包括能够转动的滚轮以及连接滚轮和压电双晶片3的另一端的支撑件，所述滚轮抵住所述振动轮41的侧壁。由于滚轮能够直接产生转动，因此，其在振动轮41的侧壁产生滑动的阻力较小。
为了能够弹性件42、压电双晶片3的一端以及滑动机构43进行限位，在一种可行的实施方式中，如图1和图2所示，所述井下发电装置还包括：设置在所述外壳1内的安装座6，所述安装座6内开设有沿径向延伸的开孔61和与所述开孔61相连通的敞口62，所述弹性件42和所述滑动机构43设置在所述开孔61中，所述压电双晶片3的一端通过所述敞口62插入至所述开孔61中。通过上述方式，弹性件42和所述滑动机构43能早开孔61中进行来回往复运动，并不会在流体的冲击下偏离工作位置，而压电双晶片3则可以通过所述敞口62插入至所述开孔61，从而实现与弹性件42、所述滑动机构43的连接，同时敞口62可以保证压电双晶片3的另一端往复运动时的空间。在一种可行的实施方式中，外壳1可以包括上外筒11和与上外筒11相连接的下外筒12，上外筒11和下外筒12之间可以采用卡合连接或螺纹连接等，安装座6的一端可以嵌入所述上外筒11和下外筒12的连接处以固定。
如图1和图2所示，为了能够控制压电双晶片3震动的幅度，还可以在压电双晶片3的另一端连接有配重件31。通过配重件31的重量的控制，可以调节处于流体中的压电双晶片3的另一端产生振动时振幅的大小，也可以减小压电双晶片3另一端受到流体流动影响的程度。
在一种优选的实施方式中，图7为本发明实施例中井下发电装置的仰视图，如图1、图2和图7所示，在转轮2的上游可以设置有上导叶机构7，上导叶机构7套设在转轮2的轴21上。上导叶机构7的中心具有一贯穿孔，以便转轮2的轴21能够穿入上导叶机构7，同时，上导叶机构7还具有外框架，外框架的形状和外壳1的内壁的形状相配合，从而使得上导叶机构7的侧壁与外壳1的内壁之间相抵进行限位。上导叶机构7的外框架形成有上导叶，流体从上导叶机构7的上导叶流入，上导叶对流体产生整流效果，从而在一定流量下有利于流体能够稳定的驱动转轮2旋转。上导叶机构7与转轮2的轴21之间可以进行转动，如此，上导叶机构7不会影响流体驱动转轮2时转轮2的转动且上导叶机构7能够将转轮2的轴21定位在外壳1的中心。
在一种优选的实施方式中，如图1和图2所示，井下发电装置还可以包括：套设在转轮2的轴21上的下支撑件5，下支撑件5位于转轮2的下游，下支撑件5用于对转轮2的轴21进行限位。转轮2的轴21穿过下支撑件5的内环51，转轮2的轴21在下支撑件5的内环51中能够进行转动，下支撑件5的外环52与外壳1的内壁之间相抵进行限位，如此，通过外壳1对下支撑件5进行固定，防止其转动。同时，下支撑件5能够将转轮2的轴21定位在外壳1的中心。在一种可行的实施方式中，外壳1可以包括上外筒11和与上外筒11相连接的下外筒12，上外筒11和下外筒12之间可以采用卡合连接或螺纹连接等，在此不作任何限制。由于上外筒11和下外筒12之间为可拆卸连接，因此，下支撑件5可以方便的固定于上外筒11和下外筒12的连接处。例如，下支撑件5可以插入或卡合连接在上外筒11或下外筒12上。
为了避免上导叶机构7、下支撑件5在转轮2的轴21上在轴线方向产生滑动，在一种可行的实施方式中，如图2所示，转轮2的轴21和/或外壳1的内壁可以设置有相应的台阶211，从而对上导叶机构7、下支撑件5、安装座6等在轴线方向上进行限位，有效防止上导叶机构7、下支撑件5的滑动至转轮2的叶片22上。同时，安装座6的下端可以抵住下支撑件5的外环52，外壳1内壁的台阶211再抵住安装座6的上端，如此可以对下支撑件5、安装座6进行限位和定位，防止其发生上下移动。
在本申请中还提出了一种分层注水装置，该分层注水装置包括上述任一的井下发电装置，该分层注水装置能够通过振动轮41使得驱动压电双晶片3的另一端产生振动，并在压电双晶片3的长度作用下使得压电双晶片3的另一端即自由端的振幅得到放大，进而对注水的能量进行采集，从而提供稳定、持续的电能，为分层注水装置等用电系统提供稳定、持续的电能，以延长甚至避免井下供电设备的置换，从而提高注水周期。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。