一种用于井下抽油杆的发电装置制造方法
【专利摘要】本发明属于计量测试【技术领域】,涉及一种井下抽油杆发电装置,可作为井下抽油杆受力状况测量的供电组件;它由传动转换机构、叶轮、整流体和小型发电机组成,传动转换机构、叶轮和小型发电机所组成机构安装于整流体内,传动转换机构的输入轴上安装叶轮,输出轴下端通过磁耦合器与小型发电机转轴相连,整流体上下端均有螺纹,连接抽油杆或与测量装置相连作为其供电组件;装置利用抽油杆工作时不断搅动得油液混合物作为发电机动力源,节约了能源,降低成本,并且满足了井下抽油杆的长期和持续性用电需求。
【专利说明】—种用于井下抽油杆的发电装置
【技术领域】
[0001]本发明属于计量测试【技术领域】,涉及一种井下抽油杆发电装置,本装置可作为井下抽油杆受力状况测量的供电组件。
【背景技术】
[0002]在当今采油工程中,有杆采油井在机械采油中所占比例高达90%以上,虽然近些年来出现了无杆采油等新技术,但是依然难以撼动有杆采油的主导地位。在有杆采油系统中,柔性、细长的抽油杆,它连接着游梁驱动系统和深在近千米到数千米的抽油泵,担负着运动和能量的传递,是该系统中的关键部件。然而由于多种特殊因素的影响,如抽油杆所在的复杂井眼轨迹、油管与抽油杆之间的滑动摩擦、抽油杆在受载时的变形和井下复杂的油液化学环境等,使得抽油杆的可靠性与使用寿命偏离设计指标,常常在有效寿命期就出现杆断、杆脱、杆偏磨和管偏磨等故障。
[0003]随着社会生产对石油资源需求的不断增长,勘探和计算机处理技术的不断发展,石油开采转向了采、测较困难的陆地和深海,出现了深达六千多米的定向深井,而这种油井的抽油杆运动、受力远比浅层直井更加复杂,直接导致抽油杆与油管的挤压摩擦更加剧烈、弯矩增大、承受的拉压平均应力不断增加,抽油杆出现故障的几率大大增加,因此需要更长时间、全面监测,从最初的井口功率控制发展到近年来的抽油杆工作状况监测,井下随杆测量技术也从存储式测量发展到与无线传输测量,测量参数增加和井下控制机构趋向复杂化,测量的井下工作时间进一步延长,测量装置的电力系统容量和可靠性成为制约其正常工作的关键。由于井下空间狭小,目前有关抽油杆受力测量装置的供电均采用大容量蓄电池,由于电池容量有限且受温度影响很大,视装置耗电功率,当前测量装置一般可支持的连续工作时间在200h左右,带无线实时传输数据的测量装置工作时限更短。为了使井下测量装置继续工作保障抽油杆安全,在测量装置电力不足时,不得不停止采油作业,从井下取出长达数千米的抽油杆,然后重新给装置换装电池,这一过程一般会导致油井停产2?3天。抽油杆力学测量与检测装置的供电部分已成为制约其发展的瓶颈,如果能有一套用于井下抽油杆的发电设备,将会减少这种非生产停井作业,保障抽油杆安全,提高采油作业效率。
[0004]关于井下发电装置有随钻涡轮发电机,利用钻杆钻进作业时沿着一个方向转动这一特征,在临近钻头部位安装涡轮发电机,利用钻杆与钻液之间的搅动带动涡轮转动,进而使发电机转动。由于钻进尺寸相对较大并且钻杆作业时始终是沿着一个方向均匀转动,所以适合安装涡轮发电机。但是很难直接将该发电机构用于井下抽油杆上,首先空间小,抽油杆装在油管内,油管内部容纳最大直径不超过55mm;另外抽油杆在作业过程中是规律性上下往复运动,不能讲动力直接传给发电机。因此现在还没有一套能满足井下抽油杆测量需求的发电装置。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:满足现有井下抽油杆测量设备供电需求,提供一种抽油杆井下发电装置,该装置体积小、结构简单,可以满足井下小功率测量设备的用电需求。
[0006]本发明的技术方案为:一种用于井下抽油杆的发电装置,由传动转换机构22、叶轮21、整流体3和小型发电机23组成。各个组成部分的位置和连接关系为:传动转换机构22、叶轮21和小型发电机23所组成机构安装于整流体3内,传动转换机构22的输入轴2201与叶轮主轴相连,输出轴2202下端通过磁耦合器24与小型发电机23转轴相连,整流体3上下端均有螺纹,连接抽油杆或其它装置,作为其供电组件;抽油杆上冲程运动时,油液混合物受突然挤压,沿着整流体3 —端外壁流动进入导流孔301,加速的油液混合流带动叶轮21转动,当抽油杆处于下冲程时,加速的油液混合流会带动叶轮21沿着与上冲程时相反方向转动,由于转换机构I的作用,无论叶轮带动传动转换机构输入轴2201沿着顺时针还是反时针转动,在其输出轴2202传递的扭矩方向仍然是一个方向,进而发电机在抽油杆的整个工作过程中沿着同一方向转动发电,保证了输出电力的稳定。
[0007]所述的传动转换机构22,具有换向和调节输入输出速比等功能,由四个直齿轮2203,2204,2205和2209,独立圆盘2206和2207,输入轴2201和输出轴2202组成。机构的输出轴2202的角速度与输入轴2201的角速度成正比,输入轴2201带动直齿轮2203,直齿轮2203的表面宽度大约是安装在输出轴2202上的直齿轮2204和2209的两倍;直齿轮2203与惰性轮2205和直齿轮2204相啮合,惰性轮2205与直齿轮2209相啮合;两个单向的独立圆盘2206和2207能分别带动输出轴2202转动;输入轴2201沿着不同方向转动时,带动输出轴2202转动的圆盘不同,产生的作用是使输出轴2202始终沿着一个方向转动。
[0008]所述的叶轮21,是把中、低浓度的油液湍流能量转换为旋转机械能的动力机构,由导叶和主轴组成。当抽油杆进行上冲程或下冲程运动时,来自油管与抽油杆之间的固、液混合物被挤压,以一定的速度和方向经过导流孔引入整流体3的腔体302,冲击导叶,带动叶轮21旋转,把抽油杆上下运动搅动的水能转换为旋转的机械能;抽油杆上、下冲程运动时,叶轮的旋转方向刚好相反。
[0009]所述的整流体3为纺锤形,中间为腔体302,上下两端为内螺纹,用于连接抽油杆,整流体上下纺锤面分别有导流孔301 ;整流体3最大外径比抽油杆大,比油管内径小,当抽油杆在上下冲程运动时,充斥在油管的油液混合物受整流体3突然增大直径的挤压,形成冲击流,由导流孔301进入整流体3内,冲击叶轮21运动,带动小型发电,4工作,最后油液混合物从另一端导流孔301流出;整流体3纺锤形的结构保证来自油管与油杆之间的油液混合流以较小的流体损失,均匀、对称地引入导流孔内,使所有导流孔301所受的水流作用均匀,进而保证叶轮所有叶片间受力均匀并产生一定的旋转量,满足叶轮21的需求;导流孔301共有两组,分布在整流体3的两个纺锤面上,并在纺锤面均匀分布,将整流体外挤压的油液混合流以一定的速度和方向引入腔体内,调节进入腔内的流量,保证叶轮21具有良好的水力特性;当抽油杆进行上冲程运动时,油液混合流从一端导流孔301流入整流体腔3内,带动叶轮21旋转,经过传动转换机构22进而带动发电机4转动产生电能,流速减慢的油液流经过另一端导流孔301从整流体腔内流出,下冲程运动时,流入的导流孔301变成流出,而本来流出的导流孔301变成流入,其它相似。
[0010]所述的小型发电机23,为三相永磁同步发电机,其扭矩输入来源于传动转换机构22,它们之间采用磁耦合器24连接,通过磁场的相互作用来传递扭矩,该连接方式不需要设计密封结构,从而避免了高温高压高湿环境下发电机动密封的泄露问题,保证发电装置在井下持续稳定工作。
[0011]本发明的优点是:
[0012]装置利用抽油杆上下冲程运动不断搅动油液混合物的液动能为动力源,利用液动能发电,产生电能具有长期性和持续性,满足井下测量设备长期用电需求;相对与大容量蓄电池,本发明降低了设备成本,节约了能源,对环境无污染。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为发电装置整体示意图;
[0014]图2内部组件;
[0015]图3为传动转换机构;
[0016]图4方向机构一的局部构成;
[0017]图5方向机构一局部构成剖视图;
[0018]图6独立圆盘;
[0019]图7方向机构一构成;
[0020]图8方向机构二构成;
[0021]图9叶轮;
[0022]图10为整流体。
[0023]图中符号说明如下:
[0024]I 一抽油杆;2—内部组件;3 —整流体
[0025]21—叶轮;22 —传动转换机构;23—小型发电机;24—磁耦合器
[0026]2201 —输入轴;2202 —输出轴;2203 —直齿轮;2204 —直齿轮;2205—惰性直齿轮;2206—独立圆盘;2207独立圆盘;2208—销钉;2209 —直齿轮;22010—销钉;22011 —销钉;22012— 销钉;220901— 销槽;220902— 销槽;220903— 弹簧;220904— 弹簧
[0027]301 -导流孔;302 —腔体
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对于本发明的技术方案进行详细说明:
[0029]一种用于井下抽油杆的发电装置,有传动转换机构22、叶轮21、整流体3和小型发电机23组成。如图1所示,传动转换机构22、叶轮21和小型发电机23所组成机构安装于整流体3内,传动转换机构22的输入轴2201与叶轮主轴相连,输出轴2202下端通过磁耦合器24与小型发电机23转轴相连,整流体3上下端均有螺纹,连接抽油杆或测量装置,作为其供电组件;抽油杆上冲程运动时,油液混合物受突然挤压,沿着整流体3 —端外壁流动进入导流孔301,加速的油液混合流带动叶轮21转动,当抽油杆处于下冲程时,加速的油液混合流会带动叶轮21沿着与上冲程时相反方向转动,由于转换机构I的作用,无论叶轮带动传动转换机构输入轴2201沿着顺时针还是反时针转动,在其输出轴2202传递的扭矩方向仍然是一个方向,进而发电机在抽油杆的整个工作过程中沿着同一方向转动发电,保证了输出电力的稳定。
[0030]所述的传动转换机构,具有换向和调节输入输出速比等功能,由四个直齿轮2203、2204,2205和2209,独立圆盘2206和2207,四个销钉2208和拉力弹簧,输入轴2201和输出轴2202组成,如图3所示。机构的输出轴2202的角速度与输入轴2201的角速度成正比,输入轴2201带动直齿轮2203,直齿轮2203的齿宽大约是安装在输出轴2202上的直齿轮2209和直齿轮2204的两倍以上。四个直齿轮具有相同模数,输入轴2201转动时形成三组啮合一直齿轮2203与直齿轮2204、直齿轮2203与惰性轮2205以及惰性轮2205与直齿轮2209。输入轴2201与齿轮2203为固定连接,输出轴2202与直齿轮2209和直齿轮2204活动连接一轴102与齿轮2209和齿轮2204可以相对转动,直齿轮2209和直齿轮2204端面分别有两个槽,槽的宽度与销钉直径相近,用于安装销钉,以直齿轮2209为例,其上有销槽220901和销槽220902,槽内分别安装销钉22010和销钉2208,结构如图3所示,弹簧220903 —端连接销槽220901的壁一端连接销钉22010,同理弹簧220904 —端连接销槽220902的壁一端连接销钉2208,这样在弹簧的拉压作用下,销钉22010和销钉2208可以在槽内移动,结构如图5所示;独立圆盘结构如图6所示,其有两个V形缺口,V形缺口 一边以光滑圆弧与独立圆盘边线连接,另一边为非光滑连接,以独立圆盘2206和直齿轮2209组合的机构为例,如图7所示,独立圆盘2206紧贴直齿轮2209有槽端面,且与输出轴2固定连接,销钉8和销钉10分别卡在独立圆盘6的两个缺口处,这样当直齿轮2209沿着图7箭头所示方向转动时,弹簧220903与弹簧220904分别受拉伸,拉着销钉2208和销钉22010使之不能沿着非光滑连接边滑出并卡在V形槽内,进而带动独立转盘2206沿着一个方向转动,即直齿轮2209只能使输出轴2202沿着图7箭头所示方向转动,反之当直齿轮2209沿着图7箭头所示反方向转动时,销钉2208和销钉22010能沿着光滑连接边滑出,进而环绕独立圆盘2206空转;独立圆盘2207与直齿轮2204所组成的输出结构如图8所示,直齿轮2204只能带动输出轴2202沿着图7箭头所指方向转动,这样独立圆盘2207和直齿轮2204、独立圆盘2206和直齿轮2209组成的输出结构产生的轴2202输出方向刚好相同,且它们不会同时产生输出;当输入轴2201沿着图3中箭头所示的方向旋转时,由于直齿轮2203与轴2201固定连接,因此也沿着箭头方向旋转,这样与之外啮合的直齿轮2204沿着箭头反方向旋转,并且环绕独立圆盘2207空转,直齿轮2209则沿着箭头方向旋转,带动独立转盘2206与输出轴2202沿箭头方向旋转;当输入轴2201沿着图3中箭头所示的反方向旋转时,这时与之外啮合的直齿轮2204沿着箭头方向旋转,并且带动独立圆盘2207与输出轴2202沿箭头方向旋转,直齿轮2209则沿着箭头反方向旋转,并且环绕独立圆盘2206空转;这样不管输入轴2201转方向如何变化,而输出轴2202始终时沿着箭头方向旋转输出的。
[0031]如图9所示,所述的叶轮21,是把中、低浓度的油液湍流能量转换为旋转机械能的动力机构,由导叶和主轴组成。当抽油杆进行上冲程或下冲程运动时,来自油管与抽油杆之间的固、液混合物被挤压,以一定的速度和方向经过导流孔引入整流体3的腔体302,冲击导叶,带动叶轮旋转,进而完成能量转换,把抽油杆上下运动搅动的水能转换为旋转的机械能。抽油杆上、下冲程运动时,叶轮的旋转方向刚好相反。
[0032]如图10所示,所述的整流体3为纺锤形,中间为腔体302,上下两端为内螺纹,整流体上下纺锤面分别有导流孔301,它具有整流和保护内部装置的作用;整流体3最大外径比抽油杆大,比油管内径小,当抽油杆在上下冲程运动时,充斥在油管的油液混合物受整流体突然增大直径的挤压,形成冲击流,由导流孔301进入整流体3内,冲击叶轮运动,带动小型发电机23工作,最后油液混合物从另一端导流孔301流出;整流体3纺锤形的结构保证来自油管与油杆之间的油液混合物以较小的流体损失,均匀、对称地弓I入导流孔301内,使所有导流孔301所受的水流作用均匀,进而保证叶轮所有叶片间受力均匀并产生一定的旋转量,满足叶轮的需求;导流孔301共有两组,分布在整流体的两个纺锤面上,并在纺锤面均匀分布,将整流体3外挤压的油液混合流以一定的速度和方向引入腔体302内,调节进入腔内302的流量,保证叶轮具有良好的水力特性;当抽油杆进行上冲程运动时,油液混合流从一端导流孔301流入整流体腔302内,带动叶轮旋转,经过传动转换机构进而带动发电机4转动产生电能,流速减慢的油液流经过另一端导流孔从整流体3腔内流出,下冲程运动时,流入的导流孔301变成流出,而本来流出的导流孔301变成流入,其它相似。
[0033]所述的小型发电机23,为三相永磁同步发电机,其扭矩输入来源与传动转换机构,它们之间采用磁耦合器24连接,通过磁场的相互作用来传递扭矩,该连接方式不需要设计密封结构,从而避免了高温高压高湿环境下发电机动密封的泄露问题,保证发电装置在井下持续稳定工作。
[0034]上述本发明所用的叶轮21作为发电机能量转化的关键部件,具有尺寸小、抗磨蚀、高压的特点,其叶片均通过钢板线切割后,挤压成形,然后焊接到主轴上,要求装配误差控制在0.5mm以内、焊缝致密流畅,减小它们使流体在叶轮中产生额外的冲击损失和摩擦损失;整流体3采用耐腐蚀的、性能稳定的弹簧钢;传动转换机构22的直齿轮材料选用20CRMnTi,要求进行渗碳、淬火处理,独立圆盘2206和2207选用耐腐蚀的0Crl8Ni9型钢;三相永磁同步发电机和磁耦合器24为成熟设备,可按需要选购。
【权利要求】
1.一种用于井下抽油杆的发电装置,包括传动转换机构[22]、叶轮[21]、整流体[3]和小型发电机[23],其特征在于: (1)传动转换机构[22]、叶轮[21]和小型发电机[23]安装于整流体[3]腔内,在传动转换机构[22]的输入轴[2201]上安装有叶轮[21],输出轴[2202]的下端通过磁耦合器[24]与小型发电机[23]的转轴相连,整流体[3]的上下两端均有螺纹,连接抽油杆[I]或其它装置作为其供电组件; (2)—套传动转换机构[22],由四个直齿轮、两个独立圆盘、四个销钉、四个拉力弹簧、输入轴[2201]和输出轴[2202]组成,具有换向和调节传动比的功能,无论输入轴[2201]的转矩沿何方向,输出轴[2202]的方向均保持不变; (3)—个叶轮[21],由导叶和主轴组成,把中、低浓度的油液湍流能量转换为旋转机械能的动力机构;当抽油杆[I]进行上冲程或下冲程运动时,来自油管与抽油杆[I]之间的固、液混合物被挤压,以一定的速度和方向经过导流孔引入整流体[23]的腔体,冲击导叶并且带动叶轮[21]旋转,进而完成能量转换,把抽油杆[I]上下运动搅动的水能转换为旋转的机械能。 (4)一个纺锤形的整流体[3],中间为腔体[302],上下两端为内螺纹,整流体上下纺锤面分别有导流孔[301],具有整流和保护内部装置的双重作用;腔体[302]用于安装传动转换机构[22]、叶轮[21]和小型发电机[23],两端的内螺纹用于连接抽油杆[I];整流体[3]的最大外径比抽油杆[I]大、比油管的内径小,当抽油杆[I]在上下冲程运动时,充斥在油管内的油液混合物受整流体[3]突然增大直径的挤压,形成冲击流,经导流孔[301]进入整流体[3]内,冲击叶轮[21]运动,带动小型发电机[23]工作,最后油液混合物从另一端导流孔[3]流出。
【文档编号】E21B47/009GK103437939SQ201310399049
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】王中宇, 李强, 燕虎, 王倩 申请人:北京航空航天大学