一种油田注水井配水管电控工具的供电装置的制作方法

本发明涉及一种供电装置，具体地，涉及一种油田注水井配水管电控工具的供电装置。

背景技术：

石油作为现阶段世界第一大能源，对我国的国民生产和军事战略具有重要意义和价值。目前，随着我国国内诸如大庆、辽河、四川等油田的不断开采和消耗，油田总体储油量不断下降且中低渗透层中油藏生产能力逐年减弱，在国内市场需求不断扩大的现实压力下，油田的可持续发展开采技术蓬勃发展，同时也面临着新的诸多挑战。例如，在油田的开发中后期，为了保证油藏的开采效率和开采速度，解决油层压力下降的问题，一般在油田中建立注水井，将水注入油藏以保证油层的有效压力，从而使油藏在开采过程中能将采集驱动力维持在较高水平。通常，在每一口注水井中，为提高采油质量并缓解油层的平面矛盾和层间干扰矛盾，我国油田现阶段采取分层注水采用工艺，对不同油层进行相应的分层分段定量配注。在注水井中的配水管路中，管内的实时流量、压力和温度等一系列物理参数需要集成了多个传感器的井下电控工具系统来完成状态监测和信息传输。然而，现阶段井下电控工具的供电多采用一次性电池或充电电池，电池寿命有限，更换电池或给电池充电时需要将整套电控工具系统从井下取出，考虑到油田数千米的深度以及所配注水井的实际数量与分布，这使更换电池作业的工作量和工作时间巨大，同时所更换的大量电池也会对环境造成极大负担。因此，油田注水井配水管中电控工具的供电难问题，是如今油田开采技术中最迫切需要解决的难题之一。

近年来，随着国际社会对于新能源技术和清洁可持续能源发展技术的看好，人们提出了管路内多种形式的基于涡激振动的压电发电装置，它一般具有结构简单、可靠性高、无电磁干扰和易于集成等优点，可满足一般无线传感器监测系统的供电需求。然而，现有的涡激振动压电发电装置由于布置在流场状态复杂多变的管内，在面对电控工具供电任务中仍然有输出功率较低、输出电压信号波动大、管内流体能量利用率低等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种油田注水井配水管电控工具的供电装置，利用流固耦合作用所产生的涡流作为激励源，通过压电材料所构成的核心俘能单元进行流体动能、机械振动能和电能之间的转换，可直接利用油田注水井配水管中源源不断的水流来解决或改善电控工具的供能问题。

为实现以上目的，本发明提供一种油田注水井配水管电控工具的供电装置，包括：配水管，所述配水管的左端口为入水口，所述配水管内壁对称安装有两个连接横条，两个连接横条的左右两端各对应开有一通孔，四个所述通孔沿连接横条的厚度方向开设，所述两个连接横条上由左至右分别安装有涡流发生体和夹具组件，其中：

所述涡流发生体的两端与所述两个连接横条左侧的两个所述通孔过盈配合；

所述夹具组件包括：夹具支撑轴、夹具主体和盖板，所述夹具支撑轴的两端与所述两个连接横条右侧的两个通孔过盈配合，所述夹具主体固定在所述夹具支撑轴上，所述盖板安装在所述夹具主体上，所述盖板中央有一通孔；

所述夹具组件上还安装有压电组件，所述压电组件包括第一配重块、四个副压电双晶片振子、主压电双晶片振子、第二配重块和涡街起振部件，所述主压电双晶片振子被所述盖板和所述夹具主体纵向夹紧于所述夹具组件左侧，且所述主压电双晶片振子的右端位于所述盖板中央的通孔处，所述主压电双晶片振子的左侧连接有所述涡街起振部件，所述涡街起振部件的两端皆连接有第二配重块，所述四个副压电双晶片振子的左端与所述涡街起振部件连接，且所述四个副压电双晶片振子两两一组横向等距设置于所述主压电双晶片振子的两侧，所述四个副压电双晶片振子的右端皆连接有第一配重块。

进一步的，所述配水管内壁对称开有两个矩形内槽，所述两个连接横条分别安装在对应的矩形内槽内。

进一步的，所述配水管的入水口内壁上开有一与所述矩形内槽联通的周向的环形内槽，所述环形内槽中安装有孔用弹性挡圈，所述两个连接横条的左端通过与所述孔用弹性挡圈连接固定在所述矩形内槽内。

进一步的，所述涡流发生体由不锈钢材料制成，且为阶梯轴结构。

进一步的，所述涡流发生体的表面涂覆有超疏水材料涂层。

进一步的，所述配水管的入水口内还可装卸安装有圆形蜂窝铝芯板，所述圆形蜂窝铝芯板位于所述涡流发生体的左侧。

进一步的，所述配水管的入水口内开有用于可装卸安装圆形蜂窝铝芯板的阶梯孔。

进一步的，所述圆形蜂窝铝芯板中设置有多个六角形铝箔蜂窝，所述多个六角形铝箔蜂窝外周边为圆形包边，所述圆形蜂窝铝芯板的圆形包边与所述配水管的阶梯孔的台肩孔形成可拆装的过渡配合。

进一步的，所述夹具组件还包括紧定部件，所述紧定部件将所述夹具主体固定在所述夹具支撑轴上。

进一步的，所述盖板通过螺栓安装在所述夹具主体上，所述螺栓用于调整所述盖板与所述夹具主体的松紧度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用流固耦合作用所产生的涡流作为激励源，通过压电材料所构成的核心俘能单元进行流体动能、机械振动能和电能之间的转换，可直接利用油田注水井配水管中源源不断的水流来解决或改善电控工具的供能问题；本发明结构简单紧凑，无电磁干扰，无需外部控制单元与电源供能，在长程管路内扩展性强，易于实现多点连续布置；在流场状态复杂多变的管内，本发明仍然具有输出功率较高、输出电压信号波动小、管内流体能量利用率的效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的一种油田注水井配水管电控工具的供电装置的一实施例的结构示意图；

图2为本发明的压电组件与夹具组件的结构示意图；

图3是图1中本发明的径向剖视图；

图4是图1中配水管和蜂窝铝芯板的周向剖视图；

图5是图1中配水管和孔用弹性挡圈的周向剖视图。

图中：1为配水管，2为圆形蜂窝铝芯板，3为孔用弹性挡圈，4为两个连接横条，501为涡流发生体，502为超疏水材料涂层，601为夹具支撑轴，602为夹具主体，603为盖板，604为螺栓，605为紧定螺钉，701为第一配重块，702为四个副压电双晶片振子，703为主压电双晶片振子，704为第二配重块，705为涡街起振板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，图1为本发明的一种油田注水井配水管电控工具的供电装置的一实施例的结构示意图，包括：配水管1，配水管1的左端口为入水口，配水管1内壁对称安装有两个连接横条4，两个连接横条4的左右两端各对应开有一通孔，四个通孔沿连接横条4的厚度方向开设，两个连接横条4上由左至右分别安装有涡流发生体501和夹具组件6，其中：

涡流发生体501的两端与两个连接横条4左侧的两个通孔过盈配合，涡流发生体501用于产生稳定结构的涡街，有利于后续的压电组件产生波动较小、周期规律的电压；

夹具组件6包括：夹具支撑轴601、夹具主体602和盖板603，用于夹持主压电双晶片振子703，夹具支撑轴601的两端与两个连接横条4右侧的两个通孔过盈配合，夹具主体602固定在夹具支撑轴601上，盖板603安装在夹具主体602上，盖板603中央开有一通孔，这样，该通孔处就会暴露一部分主压电双晶片振子703右侧的铜基板，用于给主压电双晶片振子703铜基板导线的焊点位置预留空间；

夹具组件6上还安装有压电组件7，压电组件7包括第一配重块701、四个副压电双晶片振子702、主压电双晶片振子703、第二配重块704和涡街起振板705，用于生成电压，主压电双晶片振子703被盖板603和夹具主体602纵向夹紧于夹具组件6左侧，且主压电双晶片振子703的右端位于盖板603中央的通孔处，主压电双晶片振子703的左侧连接有涡街起振板705，涡街起振板705的两端皆连接有第二配重块704，四个副压电双晶片振子702的左端与涡街起振板705连接，且四个副压电双晶片振子702两两一组横向等距设置于主压电双晶片振子703的两侧，四个副压电双晶片振子702的右端皆连接有第一配重块701。其中，第一配重块701为方形配重块，第二配重块704为长方体配重块，第一配重块701与第二配重块704也可以是其它结构，只要该结构不对流场产生重大干扰即可。可以通过调整第一配重块701和第二配重块704的重量或体积，改变主压电双晶片振子703和四个副压电双晶片振子702的固有频率。

具体的，本发明的基本原理是，将压电功能材料，即本发明的压电组件7作为供电装置的核心俘能部件，通过涡流发生体501产生涡激振动的流固耦合原理以及压电组件7的正压电效应原理来俘获油田注水井配水管内的流体动能，实现管内电控工具的供电功能。

参照图1-图2所示，主压电双晶片振子703、四个副压电双晶片振子702、长方体配重块704、方形配重块701和涡街起振板705共同构成本发明的核心俘能单元，及压电组件7，压电双晶片振子703、副压电双晶片振子702和涡街起振板705的竖直方向上几何中心截面均平行于配水管1的中轴线，涡街起振板705的长度方向与配水管1的中轴线垂直。在本实施例中，为延长本发明中主压电双晶片振子703和四个副压电双晶片振子702的使用寿命，增强其工作稳定性和可靠性，所有振子表面采用第一层50微米碳浆涂覆封装和第二层10微米派瑞林沉积封装，起到绝缘、隔离和保护作用，防止压电振子在工作中所产生的电荷泄露到流场环境中。

参照图1-图3所示，夹具支撑轴601、夹具主体602、盖板603和螺栓604共同构成用于夹住主压电双晶片振子703的夹具组件6，夹具主体602和盖板603均由不锈钢材料制成，材质表面经过绝缘处理，具有良好的刚度和绝缘性，防止主压电双晶片振子703与其连接导通导致电荷泄露；夹具组件6整体竖直布置，其夹具支撑轴601的中轴线与配水管1的中轴线垂直。

参照图3所示，在上述实施例的基础上，配水管1内壁对称开有两个矩形内槽，两个连接横条4分别安装在对应的矩形内槽内。

参照图3、图5所示，在上述任一实施例的基础上，配水管1的入水口内壁上开有一与矩形内槽联通的周向的环形内槽，环形内槽中安装有孔用弹性挡圈3，两个连接横条4的左端通过与孔用弹性挡圈3连接固定在矩形内槽内。

具体的，矩形内槽可以帮助固定两个连接横条4，使其不会晃动。

参照图1、图3所示，在上述任一实施例的基础上，涡流发生体501由不锈钢材料制成，且为阶梯轴结构。

参照图1、图3所示，在上述任一实施例的基础上，涡流发生体501的表面涂覆有超疏水材料涂层(502)。

具体的，涡流发生体501由不锈钢材料制成，其阶梯轴结构竖直布置且表面涂覆超疏水材料涂层(502),超疏水材料使涡流发生体501增强防腐防污特性外，有利于生成更稳定结构的涡街，产生对压电组件7更大的等效激励作用，增强发电装置的俘能能力。

压电组件7和涡流发生体501在配水管1中竖直布置的形式，有利于防止重力对压电振子简谐振动产生的作用力干扰若压电组件7水平布置，重力将会产生一个方向向下的作用力，使压电振子在长期简谐振动过程中逐渐向下偏转，偏离横向流的中心线所在水平面。

参照图1、图3和图4所示，在上述任一实施例的基础上，配水管1的入水口内还可装卸安装有圆形蜂窝铝芯板2，圆形蜂窝铝芯板2位于涡流发生体501的左侧。

参照图1、图3所示，在上述任一实施例的基础上，配水管1的入水口内开有用于可装卸安装圆形蜂窝铝芯板2的阶梯孔。

参照图1、图4所示，在上述任一实施例的基础上，圆形蜂窝铝芯板2中设置有多个六角形铝箔蜂窝，多个六角形铝箔蜂窝外周边为圆形包边，圆形蜂窝铝芯板2的圆形包边与配水管1的阶梯孔的台肩孔形成可拆装的过渡配合。

具体的，圆形蜂窝铝芯板2的截面最小单元为正六边形结构，孔径大小可随流场流速条件进行调整，由于圆形蜂窝铝芯板2是可拆卸的，因此可以应对不同情况使用相应孔径大小的圆形蜂窝铝芯板2。圆形蜂窝铝芯板2起整流作用，可消除流场中诸如气泡等不稳定性因素，提供涡流发生较好的均匀流场环境，有利于改善压电组件7输出电压信号不稳定性的问题。

参照图1-图3所示，在上述任一实施例的基础上，夹具组件6还包括紧定螺钉605，紧定螺钉605将夹具主体602固定在夹具支撑轴601上。

参照图1-图3所示，在上述任一实施例的基础上，盖板603通过螺栓604安装在夹具主体602上，螺栓604用于调整盖板603与夹具主体602的松紧度。

本发明上述实施例的工作原理：该发电装置在工作时，流体从配水管1的入水口流入管内，在满足特定的流速与圆柱体几何尺寸条件下，流体绕过涡流发生体501的圆柱主体时将周期性脱落两行对称平行且旋向相反的旋涡；两行旋涡随横向流向右运动，在涡街起振板705前后两侧引起周期性压力差，从而产生流固耦合作用，使其产生前后方向上的往复振动，这一过程将流体的动能转换为振动的机械能；与此同时，往复振动的涡街起振板705带动主压电双晶片振子703和四个副压电双晶片振子702也做周期性振动，其压电层的交替弯曲形变，这一过程通过压电组件7的压电正效应最终将振动的机械能转变为电能，并最终通过后续的电路后处理模块将能量传输给电控工具中的储能单元，从而实现本发明所提出的供电功能。

本发明上述实施例利用流固耦合作用所产生的涡流作为激励源，通过压电组件7所构成的核心俘能单元进行流体动能、机械振动能和电能之间的转换，可直接利用油田注水井配水管中源源不断的水流来解决或改善电控工具的供能问题。

总体来说，本发明上述实施例结构简单紧凑，无电磁干扰，无需外部控制单元与电源供能，在长程管路内扩展性强，易于实现多点连续布置；利用圆形蜂窝铝芯板2有利于提高该发电装置输出电压信号的稳定性；涡流发生体501与压电组件7竖直布置的方式有利于增强装置的抗重力干扰能力；本发明上述实施例所采用的封装工艺有利于延长装置的寿命以及提高其工作稳定性；所排列的多个压电振子的装置结构有利于最大化利用管内空间，提高管内流体能量利用和转换率，最终提升该供电装置的输出功率。

在本发明上述实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。