一种往复式管径自适应井下发电装置的制作方法

本发明涉及一种井下发电装置。

背景技术：

随着油田的不断开发，油田采出液含水率逐年升高，地面采出液分离及含油污水的分离、集输及处理压力逐渐增大。为了解决上述问题，井下油水分离及同井回注技术被提出，并经过多年的研发阶段，现已逐渐投产使用。但同井注采的应用过程中发现，为了保障井下油水分离设备的高精度运行，需要及时获取井下流量、压力及温度等工况参数信息，但各类传感器在井下由于无法获得充足的电能而被限制使用。现行方式主要有电缆传输以及附加传感电池，由于井筒内空间有限采用井下传输电缆方法并不适用，同时井下传感器电池的使用寿命较短，循环起井更换电池并不符合油田生产的经济性。但是，现在还没有一种可以有效地在井下进行自发电的井下发电装置。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种往复式管径自适应井下发电装置，可借助井下液流流量变化实现流体动能-机械能-电能的转化，无需井下电缆传输，对井下信息实时检测保障井下油水分离的高效运行意义重大，同时也为同井注采技术的进一步推广应用保驾护航。

本发明的技术方案是：该种往复式管径自适应井下发电装置，包括具有液流进口1和液流出口2的发电外筒3；在发电外筒3上端开有外筒上接螺纹301，下端设有外筒下接螺纹302，用于在井筒内分别与油管连接，其特征在于：

所述发电装置还包括管径适应装置4、上同心支架5、下同心支架6、正向发电箱7、逆向发电箱8以及齿条式传动杆9；

其中，所述管径适应装置包括变径连杆10、变径支杆11、花式变径顶座12、变径片组13、变径滑轮14、变径调节滑块15以及花式变径底座16；

变径连杆10整体呈实心圆柱状，顶部开有连杆上螺纹1001以及定位凸台1002，底端开有连杆下螺纹1003以及连杆下接头1004；变径预紧弹簧17装配在变径连杆10上；

变径支杆11的顶部设有支杆连接销钉1101用来连接变径片组13，变径支杆11的底部开有圆形的支杆定位孔1102，用来连接花式变径底座16；

花式变径底座16上设置有花式凸台1601、花式凹槽1603以及变径定位圈1602，6个花式凹槽1603与6个花式凸台1601均以花式变径底座16轴心线为圆心呈圆周阵列式分布；花式变径底座16与变径支杆11相连接，变径支杆11通过底端的支杆定位孔1102与变径定位圈1602固定连接，且通过花式凸台1601限制各变径支杆11的周向转动，使其仅沿着花式凹槽1603做绕变径定位圈1602的垂直转动；

花式变径顶座12的前端呈平滑的圆球状，由花式定位板1201、顶座接头1202、花式定位销钉1203以及顶座棱台1204组成，顶座棱台1204为六棱台，各棱面上设有一组花式定位板1201，每组花式定位板1201中间设有花式定位销钉1203用来与变径片组13连接；

花式变径顶座12、变径预紧弹簧17、花式变径底座16、变径调节滑块15与变径连杆10装配后共同构成了所述管径适用装置轴心杆状结构；变径支杆11、变径片组13以及变径滑轮14与所述管径适用装置轴心杆状结构相连接，变径片组13与花式变径顶座12通过花式定位销钉1203连接，变径支杆11与花式变径底座16连接，同时变径片组13通过支杆连接销钉1101与变径支杆11相连接；变径支杆11与变径片组13绕变径连杆10轴心呈圆周阵列安装；软体承压面18固定在变径片组13外侧；

管径适应装置4与发电外筒3内壁相切合，以实现在液流冲击下管径适应装置4沿发电外筒3内壁运动；

上同心支架5以及下同心支架6的外径与发电外筒3内径相同，固定在发电外筒3内部；

发电外筒3内设有上同心支架定位槽304以及下同心支架定位槽305，用来实现对上同心支架5和下同心支架6的定位与装配；发电外筒3内设有呈槽型并连接有导线的逆向发电箱固定基座303和正向发电箱固定基座306，两个基座沿两个基座沿发电外筒3过轴心截面相对称，分别用来固定逆向发电箱8和正向发电箱7；

正向发电箱7包括正向动力齿轮701及箱板702；箱板702内部设有传动大齿轮703以及传动小齿轮704，正向动力齿轮701的转动带动传动大齿轮703发生转动，从而使传动小齿轮704发生转动；传动小齿轮704与棘轮机构连接，所述棘轮机构结构包括棘轮座705、传动卡扣706以及传动条707，当传动小齿轮704发生顺时针旋转时，带动传动条707发生顺时针旋转，此时传动卡扣706与棘轮座705啮合脱离，棘轮座705不随之发生转动；当传动小齿轮704发生逆时针旋转时，带动传动条707发生逆时针旋转，此时传动卡扣706与棘轮座705啮合在一起，带动棘轮座705做旋转运动；所述棘轮座底部连接环式磁铁709、发电架7010以及金属线圈7011，通过同心定位栓7012同心固定连接；当棘轮座705发生转动时，带动环式磁铁709随着转动，与发电架7010发生相对运动，发电架7010切割磁感线产生电能；

逆向发电箱8与正向发电箱7结构相同，在发电外筒3内的安装方向不同，其中正向发电箱7嵌入在正向发电箱固定基座306内部，而逆向发电箱8嵌入在逆向发电箱固定基座303内，以使得正向动力齿轮701与逆向动力齿轮801朝向相反；

齿条式传动杆9设有双面的传动齿条901且与连杆下接头1004装配连接；齿条式传动杆9通过传动齿条901与正向发电箱7外部的正向动力齿轮701和逆向发电箱8外部的逆向动力齿轮801啮合；齿条式传动杆9穿过上同心支架5以及下同心支架6的轴心圆孔，完成同心定位，在传动齿条901与下同心支架6之间装有往复弹簧902，保障齿条式传动杆9的往复运动；齿条式传动杆9通过传动齿条901与正向动力齿轮701以及逆向动力齿轮801啮合连接，以实现当齿条式传动杆9轴向向上运动时，正向发电齿轮701内部环形磁铁709与发电架7010产生相对转动，切割磁感线产生电能，此时逆向发电箱内棘轮机构空转；当齿条式传动杆9轴向向下运动时，正向发电箱内棘轮机构空转，逆向发电箱内切割磁感线产生电能；

齿条式传动杆9上端与管径适应装置4连接，与上同心支架5以及下同心支架6共同保障齿条式传动杆的同心配合，并在上同心支架5与下同心支架6中间与正向发电箱7以及逆向发电箱8齿轮啮合；

管径适应装置4与齿条式传动杆9以及软体承压面18相连接。

本发明具有如下有益效果：1.可用于石油行业实现采用油井筒内的井下发电，具有可观的推广前景；2.可根据井筒尺寸大小调节自身结构尺寸以适应不同井筒管径，保障井下发电具有更强的适用性；3.可实现液流无论增大还是减小均会产生动能-机械能-电能的转化，保障随液流变化产生充足的电能。4.模块化设计，机械结构稳定，安装方便，可实现变流量工况下的连续高效发电；

本种往复式管径自适应井下发电装置可借助井下流体介质流量变化在井下产生电能，具有结构简单、发电效率高等优点，可通过井下流体介质流量变化借助自身结构的往复运动将机械能转化为电能，实现在井下井筒内狭窄空间为井下需电设备无电缆供电，保障井下各类传感器的有效运行。为井下油水分离及同井注采技术的高精度高效率实施提供电能保障，同时为井下油水分离器的高精度运行提供数据监测支撑。本装置结构简单，运行成本低廉，发电高效且易于加工具有较高的可行性将在同井注采工艺推广应用的过程中得到广泛的认可与应用。

附图说明：

图1为一种往复式管径自适应井下发电装置外观图。

图2为一种往复式管径自适应井下发电装置剖视图。

图3为一种往复式管径自适应井下发电装置内部结构图。

图4为发电外筒剖视图。

图5为发电外筒左视图。

图6为正向发电箱与发电外筒装配图。

图7为上、下同心支架与发电外筒装配图。

图8为管径适应装置结构图。

图9为变径连杆外观图。

图10为变径连杆与变径预紧弹簧装配图。

图11为变径支杆结构图。

图12为花式变径底座结构图，图中序号表示内容如下：

图13为变径支杆与花式变径底座装配图。

图14为花式变径顶座外观他图，图中序号表示内容如下：

图15为花式变径顶座局部外观图。

图16为轴心零部件装配图。

图17为变径片组、变径支杆、变径滑轮与轴心结构连接图。

图18管径适应装置整体结构图。

图19为管径适应装置与齿条式传动杆连接图。

图20为传动齿条与正、逆向发电箱装配图。

图21为同心支架与齿条式传动杆连接示意图。

图22为正向发电箱外观图。

图23为发电箱内部结构主视图。

图24为发电箱内部装配图。

图25为棘轮机构结构图。

图26为发电箱内部结构爆炸视图。

图27为棘轮机构与环式磁铁、发电架的装配示意图。

图28为正向、逆向发电箱与齿条式传动杆的装配图。

图29为一种往复式管径自适应井下发电装置内部结构装配图。

图30为正向发电箱与逆向发电箱安装示意图。

图中1-液流入口；2-液流出口；3-发电外筒，301-上连接螺纹，302-下连接螺纹，303-逆向发电箱固定基座，304-上同心支架定位槽，305-下同心支架定位槽，306-正向发电箱固定基座，307-正向导线，308-逆向导线；4-管径适应装置；5-上同心支架；6-下同心支架；7-正向发电箱，701-正向动力齿轮，702-箱板，703-传动大齿轮，704-传动小齿轮，705-棘轮座，706-传动卡扣，707-传动条，708-传动销钉，709-环式磁铁，7010-发电架，7011-金属线圈，7012-同心定位柱；8-逆向发电箱，801-逆向动力齿轮；9-齿条传动杆，901—传动齿条，902-往复弹簧；10-变径连杆，1001-支杆连接销钉，1002-支杆定位孔，1003-连杆下螺纹，1004-连杆下接头；11-变径支杆；12-花式变径顶座，1201-花式定位板，1202—顶座接头，1203-花式定位销，1204-顶座棱台；13-变径片组；14-变径滑轮；15-变径调节滑块；16-花式变径底座，1601-花式凸台，1602-变径定位圈，1603-花式凹槽；17-变径预紧弹簧。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

为了克服同井注采工艺中井筒内由于空间狭窄无法获取电能致使井下工况信号无法实时获取的问题，本发明设计出了一种往复式管径自适应井下发电装置，

本种井下发电装置目的在于通过井下流体介质流量变化借助自身结构的往复运动将机械能转化为电能，实现在井下井筒内狭窄空间为井下需电设备无电缆供电，保障井下各类传感器的有效运行。为井下油水分离及同井注采技术的高精度高效率实施提供电能保障，同时为井下油水分离器的高精度运行提供数据监测支撑。

发电装置外观如图1所示，整体呈圆筒状，发电外筒3设有一个进液入口1以及一个进液出口2，井下流体介质由液流进口1流入，由液流出口2流出。

一种往复式管径自适应井下发电装置剖视图如图2所示，发电外筒3上端开有外筒上接螺纹301，下端设有外筒下接螺纹302，在井筒分别与油管连接，完成整个装置的定位及固定。

管径适应装置4与发电外筒3内壁相切合，在液流冲击下沿发电外筒3内壁运动。

上同心支架5以及下同心支架6的外径与发电外筒3内径相同，固定在发电外筒3内部。

发电外筒3内的装置结构如图3所示，可以看出齿条式传动杆9上端与管径适应装置4连接，与上同心支架5以及下同心支架6保障齿条式传动杆的同心配合，并在上同心支架5与下同心支架6中间与正向发电箱7以及逆向发电箱8齿轮啮合。

发电外筒3剖视图如图4所示，设有上同心支架定位槽304以及下同心支架定位槽305，完成对同心支架的定位与装配。并设有两个对称的发电箱定位结构，图4中所示为逆向发电箱固定基座303，用来固定逆向发电箱8。发电外筒3的左视图如图5所示，可以看出逆向发电箱固定基座303与正向发电箱固定基座306呈槽型，且在发电外筒内呈对称分布，分别接有逆向导线308以及正向导线307，用来获取及传输电能。上同心支架5、下同心支架6以及正向发电箱7与发电外筒3的装配形式如图6所示，正向发电箱7直接坐入正向发电箱固定基座306内，逆向发电箱8装配固定形式与此相同。上同心支架5、下同心支架6与发电外筒3的固定形式如图7所示，上同心支架5与上同心支架定位槽304固定连接，下同心支架6与下同心支架定位槽305固定连接。

管径适应装置4外观如图8所示，由变径连杆10、变径支杆11、花式变径顶座12、变径片组13、变径滑轮14、变径调节滑块15以及花式变径底座16等部分组成。其中变径连杆10结构形式如图9所示，可以看出变径连杆10整体呈实心圆柱状，顶部开有连杆上螺纹1001以及定位凸台1002，底端开有连杆下螺纹1003以及连杆下接头1004。变径连杆10与变径预紧弹簧17的装配形式如图10所示。变径支杆11的结构形式如图11所示，变径支杆顶部设有支杆连接销钉1101用来连接变径片组13，底部开有支杆定位孔1102孔状呈圆形，用来连接花式变径底座16。花式变径底座16的结构形式如图12所示，设有花式凸台1601、花式凹槽1603以及变径定位圈1602，6个花式凹槽1603与6个花式凸台1601均呈圆周阵列分布。花式变径底座16与变径支杆11的连接形式如图13所示，变径支杆11通过底端的支杆定位孔1102与变径定位圈1602固定连接，且通过花式凸台1601限制各变径支杆11的周向转动，使其仅沿着花式凹槽1603做绕变径定位圈1602的垂直转动。花式变径顶座12的结构形式如图14所示，前端呈平滑的圆球状，由花式定位板1201、顶座接头1202、花式定位销钉1203以及顶座棱台1204组成，顶座棱台1204为六棱台，各棱面上设有一组花式定位板1201，每组花式定位板1201中间设有花式定位销钉1203用来与变径片组13连接，花式定位板1201与花式定位销钉1203的阵列形式如图15所示。花式变径顶座12、变径预紧弹簧17、花式变径底座16、变径调节滑块15与变径连杆10的装配形式如图16所示，共同构成了管径适用装置4轴心的杆状结构。变径支杆11、变径片组13以及变径滑轮14与轴心杆状结构连接形式如图17所示，变径片组13与花式变径顶座12通过花式定位销钉1203连接，变径支杆11与花式变径底座16连接，同时变径片组13通过支杆连接销钉1101与变径支杆11相连接。当工作管径较大时，旋动变径调节滑块15在变径连杆10上的位置，向变径支杆10顶端运动时，花式变径底座16也向顶端运动，致使变径支杆11向外扩张，推动变径片组13向外扩张，变径滑轮14与变径连杆10的垂直距离增大，完成对大管径的适应。当工作管径较小时，旋动变径调节滑块15在变径连杆10上的位置，向变径支杆10底端运动时，花式变径底座16也向底端运动，致使变径支杆11向内收缩，推动变径片组13向内收缩，变径滑轮14与变径连杆10的垂直距离减小大，完成对小管径的适应。变径支杆11与变径片组13绕变径连杆10轴心呈圆周阵列安装，如图18所示。如图19所示为管径适应装置4与齿条式传动杆9以及软体承压面18的装配形式。软体承压面18固定在变径片组13外侧，齿条式传动杆9设有双面的传动齿条901且与连杆下接头1004装配连接，如图19所示。齿条式传动杆9通过传动齿条901与正向发电箱7外部的正向动力齿轮701和逆向发电箱8外部的逆向动力齿轮801啮合，装配形式如图20所示。如图21所示，齿条式传动杆9穿过上同心支架5以及下同心支架6的轴心圆孔，完成同心定位，在传动齿条901与下同心支架6直接装有往复弹簧902，保障齿条式传动杆9的往复运动。正向发电箱7的外观图如图22所示，整体由正向动力齿轮701及箱板702组成。正向发电箱7内部结构如图23所示，箱板内部设有传动大齿轮703以及传动小齿轮704，正向动力齿轮701的转动带动传动大齿轮703发生转动，从而使传动小齿轮704发生转动。由图24可以看出，传动小齿轮704与棘轮机构连接，棘轮机构结构形式如图25所示，由棘轮座705、传动卡扣706以及传动条707组成，当传动小齿轮704发生顺时针旋转时，带动传动条707发生顺时针旋转，此时传动卡扣706与棘轮座705啮合脱离，棘轮座705不随之发生转动。当传动小齿轮704发生逆时针旋转时，带动传动条707发生逆时针旋转，此时传动卡扣706与棘轮座705啮合在一起，带动棘轮座705做旋转运动。如图26可以看出，棘轮座底部连接环式磁铁709、发电架7010以及金属线圈7011，通过同心定位栓7012同心固定连接。当棘轮座705发生转动时，带动环式磁铁709随着转动，与发电架7010发生相对运动，发电架7010切割磁感线产生电能，正向发电箱7内部结构装配图如图27所示。图28所示为齿条式传动杆9与正向发电箱7以及逆向发电箱8的连接方式，通过传动齿条901与正向动力齿轮701以及逆向动力齿轮801啮合连接。当齿条式传动杆9轴向向上运动时，正向发电齿轮701内部环形磁铁709与发电架7010产生相对转动，切割磁感线产生电能，此时逆向发电箱内棘轮机构空转。当齿条式传动杆9轴向向下运动时，正向发电箱内棘轮机构空转，逆向发电箱内切割磁感线产生电能。一种往复式管径自适应井下发电装置内部结构装配图如图29所示，当流体介质由液流入口1进入到装置内时，冲击到软体承压面18上，当流量增大时管径适应装置4整体向底部运动，此时带动齿条传动装置向底部运动，致使正向发电箱7产生电能，通过正向导线307将电能输出。但流体流量减小使，在往复弹簧902的作用下，齿条式传动杆9向顶部运动，致使逆向发电箱8产生电能，通过逆向导线308将电能输出，完成往复式发电。

本装置的目的主要在于解决：井下油水分离及同井注采工艺中，由于井筒内空间狭窄井筒过深无从经济有效的从地面获取电能，致使井下压力及流量传感器无法工作，从而无法实时获取及时准确的井下信息，因调控滞后而导致的分离性能下降等问题。本发明提出的一种可用于井筒内借助井下流体冲击而产生电能的一种往复式井下发电装置。装置借助井下流体介质流量变化，将流体的动能转化成机械能，再将机械能转化成电能为井下压力传感器、流量传感器及其它信号采集装置原地提供充足的电能。发电装置，前端采用伞式承压结构设计，充分获取流体流动过程中的湍动能变化，同时设有变径调节系统，针对不同井筒尺寸可随意调节以适应不同井下管径工况。通过正向及逆向两个发电箱设计，使液流无论是增大还是减小都会产生电能，对井下液量湍动能充分利用。本装置解决了同井注采工艺中，因无法实现井下供电无法获取井下流量压力温度等实时信息导致的井下工况信息获取不准确和无法对井下分离器实时调节保障油水高效分离的问题。克服了井筒内无法实现持续、稳定、连续充足供电的技术难题。