基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统

1.本发明属于油气井钻探技术领域，具体涉及到基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统。


背景技术：

2.在油气钻井中，自动定向钻井是当今应用最广泛的钻井工具之一。自动定向钻井工具主要由液压动力单元、电子测控单元和机械旋转单元组成，而液压动力单元中的各类电磁控制阀和电子测控单元中的传感器均需要输出持续且稳定的井下电源的支持，井下电源往往影响了钻井工具使用寿命和钻井作业效率。
3.目前，自动定向钻井工具的井下电源主要有井下电池组、井下涡轮发电机和井下有缆供电等三种形式。井下电池组因体积小、成本低、易携带和电力输出稳定等优点，常作自动定向钻井工具电源的首选。但在井下高温的环境下，需定期更换井下电池组，这将影响钻探效率，延长油气开采时间，增加钻井工具的维护成本。井下涡轮发电机相较于井下电池组，具有输出电能持续、使用寿命长和耐高温等特点，而成为主流供电方式。但由于井下涡轮发电机易受钻井液流量和粘度的限制，其发电质量远低于井下电池组。较前两种供给电源，井下有缆供电具有输出电能稳定、充足和持续，但电缆造价昂贵且不易维护，一旦在电力传输过程中出现故障，会导致电子测控单元瘫痪，因此该种供电方式未被广泛使用。
4.中国专利cn102779957a采用井下大功率电池组，适用于自动定向钻井工具狭小的空间，满足井下液压动力单元中各电磁控制阀和电子测控单元中传感器等电力装置需求，具有体积小、重量轻、耐高温、结构简单等特点。但仍然需要定期对井下大功率电池组进行充电或更换，维护成本高。同时，该专利所述的井下大功率电池组还有包括电池组采用何种电解质、金属电极等材料，以及在高温环境中正常工作等技术难题有待研究。
5.中国专利cn207664162提供了一种无线随钻定向钻井设备用锂电池组技术方案。该锂电池组使用新型可充电锂电池组采用硅胶保护套防护包裹和锂电池保护板加以保护，并用硅胶封装密封安装在钛合金筒中，具有密封性好、抗震性好、不受损伤和工作时间长等优点。但该锂电池组仅适用于井下70-80℃的中温环境，无法实现井下3000米以上（即90℃以上）的定向钻井工程。
6.中国专利cn105443301a提供了一种随钻测量的井下涡轮发电机，解决了传统井下涡轮发电机易受钻井液流量和粘度的干扰，以及发电不稳定的问题。但由于钻井液对涡轮叶片长时间的剧烈冲击下，会致涡轮出现磨损甚至损坏，缩短涡轮的使用寿命，增加了维护成本。
7.中国专利cn102080570a采用一种双涡轮大功率发电机。该专利使用了两组涡轮组件，通过切割磁感线运动，达到发电的目的，输出功率大、性能可靠。但会随着井下温度升高会产生退磁，影响发电机的工作性能。而且泥浆液会磨损叶片，缩短涡轮的使用寿命。
8.基于井下电池组和井下涡轮发电机供电特点和工作方式，研究具有携带方便、电力输出持续稳定（或电力永恒性输出）、耐高温，同时，能量自收集、自发电和自储电的电源，
对提高钻井效率有着重要作用。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明提供了基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统，其通过引入基于压电效应和热释电效应的纳米材料，在井下液压动力单元的液压泵辅助下，为自动定向钻井工具设计出一种以钻杆旋转的机械能和井下热能为驱动源的井下电源。
10.本发明为了解决上述技术问题而提供的技术解决方案如下：基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统，它包括有泵体、活塞、活塞杆、偏心轴承、第一复位弹簧和能量收集转换存储装置，所述活塞滑动安装在泵体内，该活塞将泵体的内腔分隔成吸压油腔和能量转换腔，位于所述吸压油腔的泵体上开设有进油口和排油口，在该进油口和排油口内分别安装有单向阀，所述第一复位弹簧的两端分别与活塞一侧和泵体的内壁固定连接，所述活塞杆的一端固定安装在活塞另一侧，该活塞杆的另一端延伸出泵体外与所述偏心轴承固定连接，所述能量收集转换存储装置包括有壳体、活塞环、l形杆、弧形电极板、压电纳米线阵列、多孔凝胶电解质、导电基底、第二复位弹簧、绝缘隔热层、第一铜电极、热电膜和第二铜电极，所述壳体为设置有中孔的密闭环形柱状容器，该壳体固定于泵体内，并通过其中孔活动套置安装在活塞杆上，在所述壳体与活塞之间形成气动腔，所述活塞环活动置于壳体内，在该壳体内设置有活塞环上行限位凸台，所述l形杆的一端与活塞环相固定，另一端延伸出壳体外与活塞杆固定连接，所述绝缘隔热层固定安装在壳体内，该绝缘隔热层将壳体内侧分隔成上容腔和下容腔，所述导电基底位于上容腔内，并固定安装在绝缘隔热层上，所述多孔凝胶电解质覆盖在导电基底上，所述压电纳米线阵列穿过多孔凝胶电解质固定于导电基底上，所述弧形电极板通过第二复位弹簧安装在导电基底上，并与压电纳米线阵列保留间隙，所述第一铜电极、热电膜和第二铜电极分别位于下容腔内，并依次固定安装在导电基底上，在所述下容腔的壳体底部，位于中孔的两侧分别开设有多个通孔，在该中孔两侧的各通过内分别安装有正向导向轮和逆向导向轮。
11.所述气动腔内设置有活塞限位装置，该活塞限位装置由限位底板，以及通过弹簧与该限位底板弹性连接的缓冲板构成，所述限位底板和缓冲板上分别开设有相对应的孔，活塞限位装置通过该孔套置安装在活塞杆上，所述限位底板固定安装在泵体的内壁上。
12.所述压电纳米线阵列呈垂直分布，由氧化锌构成。
13.所述多孔凝胶电解质由聚偏二氟乙烯和醋酸丁酸纤维素材料构成。
14.本发明采用上述技术解决方案所能够达到的有益效果是：1、本发明为自动定向钻井工具提供了一种新型的井下电源，即基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统。该系统具有携带方便、较好的抗振动和耐高温性、电力输出持续（或电力永恒性输出）、输出稳定、能量自收集、自发电和自储电的特点。所述聚偏氟乙烯和醋酸丁酸纤维素所构成的多孔凝胶电解质使该系统内部结构具有较好的耐高温性和耐冲击性。所述井下能量收集转换存储系统的机械能收集器、第一流体能量收集器和第二流体能量收集器实现了钻杆的机械能和井下热能自收集功能。所述井下能量收集转换存储系统的热释电纳米发电机具有自发电功能。所述井下能量收集转换存储系统的机
械能转换-存储器具有自发电和自储电的功能，并为井下传感器和各电磁控制阀提供输出持续且稳定的直流电压和电流。所述井下持续的热能和钻杆持续性的机械能保证了井下能量收集转换存储系统能够产生源源不断的电力。
15.2、本发明井下能量收集转换存储系统具有以下几个特点：（1）为井下液压动力单元提供油源压力，保证液压动力单元的正常工作；（2）为自动定向钻井工具的各电磁控制阀和传感器提供持续且稳定的电力；（3）可将钻杆上的转动动能转换成不同形式的能量（液压能、平动动能和电能等），实现能量回收后的多样化利用；（4）在井下空间有限的条件下，为电子测控单元节省了一定的器件占用空间，实现了结构上的合理化设计。
16.3、本发明中的流体能量收集-转换器，包括流体热能收集与热能
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电能转换的双重功能器件。流体能量收集-转换器是一种将流体（气体）中所产的热能转换电能的能量收集与转换器。当处于流体能量收集模式时，第一流体能量收集器和第二流体能量收集器将井下持续产生并增加的热能和第二铜电极表面上的局部连续湍流所产生的热能收集起来。在流体能量收集-转换器处于热能-电能转换模式时，热释电纳米发电机将所收集的两种形式的流体复合热能转换为电能。目前国内外流体能量收集-转换器主要以收集液体的热能转换为电能为主，特别是没有用于井下的流体能量收集
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转换器，而且采用热释电纳米发电机作为流体能量转换器以及应用于井下特殊环境更是未见报道。
17.4、本发明井下能量收集-转换-存储系统结构简单与紧凑、维护方便、可靠性强和节能环保。
附图说明
18.图1是本发明结构示意图；图2是本发明能量收集转换存储装置结构示意图；图3是本发明能量收集转换存储装置底部结构示意图；图4是本发明活塞限位装置结构示意图；图5是图4的左视结构示意图。
19.图中：1、泵体；2、活塞；3、活塞杆；4、偏心轴承；5、第一复位弹簧；6、吸压油腔；7、能量转换腔；8、进油口；9、排油口；10、壳体；11、活塞环；12、l形杆；13、弧形电极板；14、压电纳米线阵列；15、多孔凝胶电解质；16、导电基底；17、第二复位弹簧；18、绝缘隔热层；19、第一铜电极；20、热电膜；21、第二铜电极；22、中孔；23、气动腔；24、活塞环限位凸台；25、上容腔；26、下容腔；27、正向导向轮；28、逆向导向轮；29、限位底板；30、弹簧；31、缓冲板；32、孔；33、钻杆。
具体实施方案
20.下面结合附图对本发明作进一步地说明：由图1至图5所示，基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统，它包括有泵体1、活塞2、活塞杆3、偏心轴承4、第一复位弹簧5和能量收集转换存储装置，所述活塞2滑动安装在泵体1内，该活塞2将泵体1的内腔分隔成吸压油腔6和能量转换腔7，位于所述吸压油腔6的泵体1上开设有进油口8和排油口9，在该进油口8和排油口9内分别安装有单
向阀，所述第一复位弹簧5的两端分别与活塞2一侧和泵体1的内壁固定连接，所述活塞杆3的一端固定安装在活塞2另一侧，该活塞杆3的另一端延伸出泵体1外与所述偏心轴承4固定连接，所述能量收集转换存储装置包括有壳体10、活塞环11、l形杆12、弧形电极板13、压电纳米线阵列14、多孔凝胶电解质15、导电基底16、第二复位弹簧17、绝缘隔热层18、第一铜电极19、热电膜20和第二铜电极21，所述壳体10为设置有中孔22的密闭环形柱状容器，该壳体10固定于泵体1内，并通过其中孔22活动套置安装在活塞杆3上，在所述壳体10与活塞2之间形成气动腔23，所述活塞环11活动置于壳体10内，在该壳体10内设置有活塞环上行限位凸台24，所述l形杆12的一端与活塞环11相固定，另一端延伸出壳体10外与活塞杆3固定连接，所述绝缘隔热层18固定安装在壳体10内，该绝缘隔热层18将壳体10内侧分隔成上容腔25和下容腔26，所述导电基底16位于上容腔25内，并固定安装在绝缘隔热层18上，所述多孔凝胶电解质15覆盖在导电基底16上，所述压电纳米线阵列14穿过多孔凝胶电解质15固定于导电基底16上，所述弧形电极板13通过第二复位弹簧17安装在导电基底16上，并与压电纳米线阵列14保留间隙，所述第一铜电极19、热电膜20和第二铜电极21分别位于下容腔26内，并依次固定安装在导电基底16上，在所述下容腔26的壳体10底部，位于中孔22的两侧分别开设有多个通孔，在该中孔22两侧的各通过内分别安装有正向导向轮27和逆向导向轮28。
21.所述气动腔23内设置有活塞限位装置，该活塞限位装置由限位底板29，以及通过弹簧30与该限位底板29弹性连接的缓冲板31构成，所述限位底板29和缓冲板31上分别开设有相对应的孔32，活塞限位装置通过该孔32套置安装在活塞杆3上，所述限位底板29固定安装在泵体1的内壁上。所述活塞限位装置仅当活塞2运动速度过快（即钻杆33的转速或转速增量过大），导致活塞2惯性力过大而冲击壳体10，起到安全保护的作用。
22.所述压电纳米线阵列14呈垂直分布，由氧化锌构成。
23.所述多孔凝胶电解质15由聚偏二氟乙烯和醋酸丁酸纤维素材料构成。所述聚偏氟乙烯具有较好的耐高温性（最高温度可达316℃以上）、耐腐蚀性和耐冲击性。所述醋酸丁酸纤维素具有较好的耐高温性（最高温度可达200℃以上）。所述多孔凝胶电解质15具有良好的导电性、循环稳定性和较好的储存性能。
24.所述泵体1、活塞2、活塞杆3、第一复位弹簧5、能量转换腔7、进油口8和排油口9组成所述井下液压泵。
25.所述活塞环11、l形杆12和上容腔25组成机械能收集器。
26.所述压电纳米线阵列14、弧形电极板13、多孔凝胶电解质15、导电基底16和第二复位弹簧17组成机械能转换-存储器。所述压电纳米线阵列14、弧形电极板13、导电基底16和第二复位弹簧17组成所述压电式纳米发电机。所述弧形电极板13和多孔凝胶电解质15组成所述纳米超级电容。所述纳米超级电容和压电式纳米发电机组成所述机械能转换-存储器。通过增加压电纳米线14的直径、高度（或长度）、密度和对压电纳米线14的压力，以及增大所述压电纳米线14与弧形电极板13上的多个弧面的接触面积，从而提高机械能-电能之间的转换效率。通过增大多孔凝胶电解质15的表面积，并在弧形电极板13无外力的状态下，通过改变所述第二复位弹簧17的初始位移，使更多的垂直分布的压电纳米线14嵌入在多孔凝胶电解质15中，从而提高机械能转换-存储器的电能存储效率。
27.所述机械能收集器和所述机械能转换-存储器组成所述机械能收集-转换-存储
器。
28.所述下容腔26自发形成湍流发生器。
29.所述下容腔26、正向导向轮28、逆向导向轮29和气动腔23组成第一流体能量收集器。
30.所述液压动力单元的泵体1内外表面自发形成的第二流体能量收集器。
31.所述第一铜电极19、热电膜20和第二铜电极21组成热释电纳米发电机。
32.所述第一铜电极19和第二铜电极21铜片较薄，防止因铜片较厚而使外界热量无法通过铜片传递至热电膜20上。所述热电膜20主要由锆钛酸铅材料构成的薄膜。
33.所述第一流体能量收集器、第二流体能量收集器和热释电纳米发电机组成所述流体能量收集-转换器。
34.所述机械能收集-转换-存储器和所述流体能量收集-转换器组成所述能量收集转换存储装置。
35.所述能量收集转换存储装置与井下液压泵组成所述井下能量收集转换存储系统。
36.下面对基于压电-热释电混合效应的井下能量收集转换存储系统的原理及功能进一步地说明：1、所述井下能量收集、转换和存储系统的液压泵为井下液压动力单元的提供高压油源，保证井下液压动力单元的正常工作。
37.2、井下能量收集转换存储系统的机械能收集-转换-存储器所实现的功能及原理：由于偏心轴承4周期性运动的特点，所述活塞杆3和l杆12以周期性来回运动，所述活塞环11作用于弧形电极板13上的力呈正弦正值力信号（近似呈脉冲力信号）。偏心轴承4旋转一周时，所述活塞环11对机械能转换-存储器的弧形电极板13的推力随着偏心轴承4的偏心距的改变而改变。所述偏心距由初始值逐渐增加到最大值时，所述活塞环11由静止状态逐渐移动到极限位置（压电纳米线17发生最大应变的位置），所述弧形电极板13表面承受压力由零逐渐增加到最大值。此过程为所述机械能收集器实现对机械能的采集工作。随着活塞环11沿弧形电极13方向持续推进，当所述弧形电极板13的多个弧形面与压电纳米线阵列14恰好开始接触并相互挤压时，压电纳米线14与弧形电极板13接触面上的电极与即压电纳米线14与导电基底16接触面上的电极形成正电位和负电位，所述机械能转换-存储器进入所述纳米发电机模式，从而产生电能。与此同时，机械能转换-存储器的超级电容模式开启，弧形电极板13和压电纳米线14接触面上的部分电荷从压电纳米线14上流入到所述多孔凝胶电解质15中，并储存在所述多孔凝胶电解质15内。反之，所述偏心距由最大值减小到初始值时，所述活塞环11作用于弧形电极板13上推力逐渐开始减小。所述活塞环11完全离开弧形电极板13后，压电纳米线14借助第二复位弹簧17逐渐恢复到应变中性状态，而且所述弧形电极板13和压电纳米线阵列14失去接触，所述机械能转换-储存器的纳米发电机模式结束。此时机械能转换-储存器的超级电容模式仍然持续，将储存在多孔凝胶电解质15中负电位与失去接触的弧形电极板15表面上的正电位形成电位差，所述电位差通过外部电路的输出连接为井下液压动力单元的各电磁控制阀提供一段时间的电能。
38.因此，只要套置安装在钻杆33上的偏心轴承4连续旋转，机械能收集器就能够不断收集压力，就可实现间歇行地驱动机械能转换-存储器的纳米发电机模式的开启，从而保证了机械能转换-存储器的超级电容模式永久性的开启，为井下液压动力单元的各电磁控制
阀提供持续性和稳定性的直流电。
39.3、井下能量收集转换存储系统的流体能量收集-转换器所实现的功能及原理：所述流体能量收集-转换器可在两种情况下收集流体热能并转换为电能。其分别为气流通过湍流发生器所产生的局部连续湍流而产生的温度波动和井下环境温度波动。
40.所述活塞杆3外伸时，气动腔23体积逐渐减小，活塞2的推力赋予气动腔23内的气体动能，具有动能和压力能的气体使正向导向轮28和逆向导向轮29发生旋转运动，从而使正向导向轮和逆向导向轮分别具有吸引气体和排放气体的功能。因此，气动腔23内的部分气体通过正向导向轮27流入下容腔26内，并从逆向导向轮28流出到气动腔23内，从而使气体在气动腔23和下容腔26之间形成一个顺时针循环流动。所述活塞杆3内伸时，气动腔23体积逐渐增大，下容腔26内的气流开始逐渐向气动腔23内作补偿流动，下容腔26内的部分气体动能使正向导向轮27和逆向导向轮28发生旋转运动，从而使正向导向轮27和逆向导向轮28分别具有排放和吸引的功能。因此，下容腔26内的部分气体通过正向导向轮27流出至有气动腔23内，气动腔23内的气体通过逆向导向轮28流入到下容腔26内，从而使气体在气动腔23和下容腔26之间形成一个逆时针循环流动。
41.所述循环流动可间歇性的循环更替气流温度，防止因部分或少量气体在下容腔32内部滞留而使气体温度变化不明显。
42.在所述循环流动过程中，气动腔23内的气流通过正向导向轮27（或逆向导向轮28）流入到湍流发生器中，从而使气流成为湍流状态。所述湍流流过第二铜电极21表面时，所述湍流将热量传递至第二铜电极21，再传递至热电膜20上，从而导致热电膜20电荷状态发生变化。此时，气流的流速、温度、压力和其它物理性质会在湍流的每个质点上随时间推移而发生连续性的变化，这些变化引起了气流的流速和温度等物理性质发生了不规则的波动，因此波动的温度通过第二铜电极21传递至热电膜20中，自发电偶极子的分子热运动随着温度波动而变化，从而使电偶极子偏离平衡方向并沿着各自的平衡轴而摆动。当温度波动增量越大时，电偶极子的摆动角度的增量也就越大，第二铜电极21上产生的感应电荷数越多，热释电纳米发电机所产生的电能就越多。当温度波动增量越小时，电偶极子的摆动角度的增量也就越小，第二铜电极上产生的感应电荷数越少，热释电纳米发电机所产生的电能就越少。当温度波动增量为零时，电偶极子的摆动角度的增量为零，热释电纳米发电机所不产生的电能。由于活塞2始终保持循环往复运动，第二铜电极21表面上所流过局部湍流是连续不断的，因此热释电纳米发电机所产生的电能也是持续不断的。
43.井下环境温度会随着井深的增加而增高，通常情况下，自动定向钻井工具每下降1米就会增加8.2245k，依据热释电纳米发电机所能产生的短路热电流公式为:，由于a和p分别为流体和第二铜电极21的接触面积与热电膜20的热释电系数且均不为零，因此a和p只会影响着短路热电流i的大小，但（井下环境温度波动增量对时间的一阶导数）却影响着短路电流的有或无。因此，当=不为0时，即在整个钻井过程时间段上的
某一时刻t0或某一很小的时间段δt0上使井下环境温度产生了波动，从而产生电流。理论上井下环境温度所产生的波动是连续性的，但在实际钻井作业中，自动定向钻井工具的机械旋转单元、钻速和井下地质层结构等因素影响着钻进距离，导致钻具钻进并下降的距离并不是连续均匀变化的，井下所产生连续性的温度波动增量（本文所提及的温度波动增量即为温度波动前后的差值）也是在不断变化的。因而所述连续的温度波动增量的变化影响着热释电纳米发电机所产生的电压、电流和功率。所述工具钻进速度越快，地质层越疏松，单位时间内的井深增量就越大，井下温度波动的频率就越高，热释电纳米发电机所产生的电压、电流的频率越高，所述热释电纳米发电机所产生的交变电流的持续性越好。当自动定向钻井工具始终保持钻进工作的状态时且钻具能够持续性产生下降，此时井下的环境温度就会产生波动。这股波动温度通过所述第二流体能量收集器以热能或热量的形式传递至气动腔23中，从而使有气动腔23内部的气体温度产生波动，并通过上述循环流动方式将热量传递至热电膜20中，从而产生电能（其热能向电能转换原理与上所相同）。因此，热释电纳米发电机在整个钻井过程时间段上的许多个某一时刻t0或某一很小的时间段δt0上产生出电流和电压。
44.但是，在实际工况下，自动定向钻井工具是在井下温度不断变化的情况下不断工作的，所述流体能量收集-转换器是在井下环境温度波动和气流通过湍流发生器所产生的局部连续湍流而产生的温度波动共同所引起温度波动总和的情况下，实现热能的收集与热能向电能的转换。所述流体能量收集-转换器的热释电纳米发电机所产生的电能即为两种工作工况下所产生电能的总和。