一种基于压电效应的抽油机井下自供电测量装置的制作方法

本发明涉及一种测量装置，具体说是基于压电材料的抽油机井下自供电测量装置。

背景技术：

在如今的采油工程中，有各式各样的采油方式，但是最主要使用的是有杆采油的方式。有杆采油使用细长的抽油杆连接着地下数千米的抽油泵，通过固定在地面的抽油机带动抽油杆上下运动达到抽油目的。

抽油杆是抽油机井的细长杆件，它上接抽油机的悬绳器，下接抽油泵起传递动力的作用。抽油杆单根长度为7.62、8或9.14米，材质一般是低碳合金钢经过调质处理,单根抽油杆的两端加工成外螺纹，然后用一种叫接箍的标准连接件将一根根抽油杆连接起来，接箍的两端加工成内螺纹，长度一般为100毫米，外径比抽油杆稍大，这样在油管内通过抽油杆将地下油层处的油泵活塞与抽油机“驴头”上的悬绳器相连接，通过抽油机往复运动来泵油。

目前随着油价的下跌，各油田生产单位越来越重视生产节能增效，如对抽油机改为变频控制，实现可调的抽油频次，对注水井的注水压力和流量的优化改变来提升产油量，但目前这些参数的设定均是基于操作人员的经验，因为缺乏井下环境数据的测量，如注水井中注水压力和流量均很大，在油井中抽上来的是含水量很高的原油，就会造成能量的极大浪费。另一方面，目前的油井深度一般在2～3千米左右，新疆克拉玛依的油井深度可达6～7千米，而井下工况十分复杂，工作环境非常恶劣，不仅受到机、杆、泵等抽油设备的影响，还直接受到砂、蜡、气、水的影响，故障率很高，为了保证抽油井正常生产，延长抽油设备使用寿命，就必须及时、准确地掌握抽油井的工作状况，诊断抽油井所存在的故障。

我国现有的油井在生产过程中，几乎没有对油井井下环境参数进行监测，目前对于抽油井的工况主要通过采油工程技术员对抽油机示功图的分析和油井的管理经验确定，诊断结果准确性不高，情况复杂时只能通过抽出所有井下抽油杆和油管来查探情况，但该方法容易导致判断错误或投入不必要的测试作业费，并且很少存在可以直接检测井下其他数据的测量装置。专利网公布了“一种抽油杆井下受力测量装置”（申请号：201310399077.6）这种井下受力测试装置虽然可以通过设计了一个测试短节连接在抽油杆上测试井下的压力但是其电源是通过大容量蓄电池的方式供电，实际上井下空间非常有限，不可能提供很大容量的蓄电池，充电不方便，只有当修井时取出更换才行，一旦修井周期较长，电池可能已耗完，影响工作。专利网公布的另一种“井下密封式载荷传感器”（申请号：200910072873.2）与前者类似，但是同样没有解决前面所述的问题。常见的自供电测量装置如专利网公布的“一种拉压式振动俘能器”（申请号：201510007482.8）是一种通过振动体带动惯性块运动从而使得压电振子振动发电，但是该发明是单端固定在振动体上的，与抽油环境并不能很好地相适应。除此之外也有尝试直接放电缆下去，但是在抽油过程中电线易被拉断，同时布线后也会干扰修井工作。

技术实现要素：

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供抽油机油井井下自供电测量装置，其可以实现测量装置自供电，结构简单，安装方便，适应性强，可以用在多种抽油机井下测量装置的供电上。

本发明的测量装置安装在两节抽油杆之间，其特征在于：本发明由短节，传感器，固定在短节内部的内部发电装置外壳，用于防止外界油液进入的橡胶密封盖，安装在内部发电装置外壳内部用于防水的上封盖，固定在上封盖上的蓄电池，固定在上封盖上的柔性印刷电路板，安装在内部发电装置外壳内部用于分隔两腔室的中封盖，压电片和振动体组成发电体，以及下封盖组成，其中六片压电片的一端与内部发电装置外壳、中封盖或下封盖固定，固定方式为螺栓连接，下封盖通过螺钉固定在内部发电装置外壳用于隔离防水，封盖与内部发电装置外壳都是通过螺钉连接，上下封盖周围都加了橡胶密封圈用于防止外界液体进入，橡胶密封圈可以是事先固定在封盖上，也可以在安装的过程中再固定

进一步所述的短节与抽油杆相连，短节要具有足够的强度，采用优质的碳素结构钢为原料制造而成，具有不易生锈，不易腐蚀的特点，其外形与接箍相仿，长度略长，两端为内螺纹，可代替接箍标准件。

进一步，所述的发电体由压电片和振动体组成，振动体每个面上都连接有“s”形的压电片，抽油机在上下冲程运动中，带动振动体运动，再通过振动体振动带动压电片振动发电。当其中一片压电片受到挤压时，与之相对的压电片处于不受力的状态，所有各压电片都不同程度地伸长或缩短，从而使压电片的应力交替变化、并将机械能转换成电能。

进一步，压电片由压电薄膜和基体组成，压电薄膜通过胶水粘接在基体材料上，发电体可以是通过3d打印直接获得。

进一步，所述的转换电路印刷在柔性印刷电路板，可以将压电片产生的电荷收集起来并充入蓄电池。所述的内部发电装置外壳被固定在短节中不能移动，使得振动体获得最大的振动，减少内部发电装置外壳振动带来的损失，同时减少外壳振动对内部元器件的损伤。

进一步，所述的柔性印刷电路上有用于数据存储和读取的电路，可以实现对传感器采集到的信息的存储和让上位机读取的能力。

进一步，所述的传感器可以是铠甲式的温度传感器，耐腐蚀不易损坏，稳定地固定在短节上并且做好防水防油处理，使得短节具有较好的密封性。

进一步，所述的传感器还可以是液体压力传感器，用于估计抽油机中的液体压力情况。

进一步，所述的传感器还可以是超声波传感器，用于估计原油中的含水情况。

本发明的优点在于，1.可以在传统的线缆式供电难以实现的抽油井下通过自供电实现井下环境参数的检测，同时相对于现用的井下测量装置的发明，具有不必隔一段时间就更换一次蓄电池的优点；2.由于是在井下直接测量温度，其准确性较高，而且结构简单不需要对现有的抽油杆做太大的改动即可使用；3.可以根据不同的测试条件，更换不同的传感器，可以是铠甲式的温度传感器，耐腐蚀不易损坏，可以是液体压力传感器，用于估计抽油机中的液体压力情况，可以是超声波传感器，用于估计原油中的含水情况，实现井下不同环境参数额测量。

附图说明

图1为抽油井的结构示意图。

图2为测量装置在抽油杆上的布置图。

图3为测量装置装配的爆炸图。

图4为测量装置的剖视图。

图5为测量装置中发电体示意图。

图中套管1，绝缘扶正器2，油管3，抽油杆4，井下抽油环境测量的自供电测量装置5，短节51，下封盖52，内部发电装置外壳53，发电体54，中封盖55，柔性印刷电路板56，蓄电池57，上封盖58，传感器59，橡胶密封盖510，接箍6。

具体实施方式

如图1所示，抽油井由套管1，绝缘扶正器2，油管3组成，其中抽油杆4在油管3之中运动。井下抽油环境测量的自供电测量装置5由短节51，下封盖52，内部发电装置外壳53，发电体54，中封盖55，柔性印刷电路板56，蓄电池57，上封盖58，传感器59，橡胶密封盖510组成，现有的抽油杆一般由接箍6连接，井下抽油环境测量的自供电测量装置5可以代替接箍6，在所需要测量的位置，将接箍6替换成井下抽油环境测量的自供电测量装置5，井下抽油环境测量的自供电测量装置5的短节51安装在两根抽油杆之间用于承担接箍的作用，短节51的两端都攻有内螺纹，可以和抽油杆端的外螺纹配合。

如图2所示，抽油杆是由单根短抽油杆通过接箍连接而成，短节51安装在两根短抽油杆之间，短节51具有内螺纹可以和抽油杆配合，可以在所需的深度代替接箍6用于连接抽油杆4，其余的部分仍用接箍6连接。

如图3,4,5所示，短节51上固定着传感器59，内部安装了内部发电装置，通过橡胶密封盖510固定在短节51内部，下封盖52通过螺栓和内部发电装置外壳53连接，发电体54通过螺栓将压电片固定在内部发电装置外壳53内壁，下封盖52,和中封盖55上，中封盖55通过螺栓固定在内部发电装置外壳53内壁，柔性印刷电路板56通过防水胶固定在中封盖55和内部发电装置外壳53内壁上，发电体上的压电片每个电极引出导线后做成接插件与柔性印刷电路板56上的接插件连接，蓄电池57也通过另一个接插件与柔性印刷电路板56连接，发电体54产生的电能通过柔性印刷电路板56转换后存入蓄电池57，蓄电池57与传感器59连接，用于给传感器59供电。

工作时抽油机时，在运动的过程中抽油杆速度一直在变化。本测量装置通过短节51与上下两根抽油杆4连接，短节51承担接箍的作用。抽油杆在运动时产生振动，带动发电体54运动，从而使连接在发电体54上的压电片振动发电，压电片的材料是聚偏氟乙烯pvdf高分子膜（压电薄膜），压电片由压电薄膜和基体组成，压电薄膜通过胶水粘接在基体材料上，压电片振动产生电荷传入上腔体中的柔性印刷电路板56，柔性印刷电路板56上有电荷收集电路，柔性印刷电路板56与蓄电池57相连，并将产生的电荷充入蓄电池57，蓄电池57与固定在短节51上的传感器59相连，并提其工作所需电能，传感器59的信号线接入柔性电路板18。整个腔体内都做好防水处理，并塞上橡胶密封盖510，螺栓连接处都做好防水措施，防止外界的原油、水等进入。

本实施实例所述的短节1要具有足够的强度，采用优质的碳素结构钢为原料制造而成，具有不易生锈，不易腐蚀的特点，其外形与接箍相仿，长度略长，两端为内螺纹，可代替接箍标准件。

所述的发电体54由压电片和振动体组成，振动体每个面上都连接有“s”形的压电片，抽油机在上下冲程运动中，带动振动体运动，再通过振动体振动带动压电片振动发电，当其中一片压电片受到挤压时，与之相对的压电片处于不受力的状态，所有各压电片都不同程度地伸长或缩短，从而使压电片的应力交替变化、并将机械能转换成电能。

所述的压电片由压电薄膜和基体组成，压电薄膜通过胶水粘接在基体材料上，发电体54可以是通过3d打印直接获得。

所述的转换电路印刷在柔性印刷电路板56上，可以将发电体54上压电片产生的电荷收集起来并充入蓄电池57。所述的内部发电装置外壳53被固定在短节51中不能移动，使得发电体54获得最大的振动，减少内部发电装置外壳53振动带来的损失，同时减少外壳振动对内部元器件的损伤，柔性印刷电路上还有用于数据存储和读取的电路，可以实现对测量装置采集到的信息的存储和让上位机读取的能力。

所述的传感器59可以是铠甲式的温度传感器，其耐腐蚀不易损坏，稳定地固定在短节上并且做好防水防油处理，使得短节具有较好的密封性。

另一种实施实例中，所述的传感器59还可以是液体压力传感器，用于估计抽油机中的液体压力情况。

另一种实施实例中，所述的传感器59还可以是超声波传感器，用于估计原油中的含水情况。

本文中所描述的具体实施实例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。