專利名稱：用于井下發(fā)電的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及發(fā)電領域，具體來說，涉及井下發(fā)電。
背景技術：
用于井下鉆探環(huán)境中的電力可由井下設備中的電池或由井下的流體驅動的發(fā)電 機來提供。井下的流體驅動的發(fā)電機有可靠性的問題。井下電池在高溫和低溫下也會有可 靠性的問題。


結合以下附圖來考慮以下示例實施例的詳細描述可獲得對本發(fā)明的更好理解，附 圖中圖1是鉆井裝置的示意圖；圖2A是井下發(fā)電機的示范實施例的視圖； 圖2B是圖2A的井下發(fā)電機的截面圖；圖2C是圖2A的井下發(fā)電機的另一截面圖；圖2D是圖2C的圈出部分2D的放大圖；圖3示出壓電發(fā)電機產生的電壓的實例；圖4是一示意圖，示出一個轉換壓電元件產生的電力的電路實例；圖5A是顯示一井下發(fā)電機所用偏心體實例的視圖；圖5B是顯示一井下發(fā)電機所用偏心套筒實例的視圖；圖5C是顯示一具有井下發(fā)電機所用單個外葉片的套筒實例的視圖；圖6A是具有軸承安裝蓋的井下發(fā)電機的實例；圖6B是圖6A井下發(fā)電機的截面圖，示出用來致動壓電元件組件的內部葉片；圖7是井下發(fā)電機的實例，該發(fā)電機包括與壓電元件互相作用的沿徑向移動的葉 片；圖8是井下發(fā)電機的實例，該發(fā)電機具有位于蓋子外表面上的葉片；以及圖9示出鉆桿柱，其具有多個間距開的分布在其中的發(fā)電機。盡管本發(fā)明易作出各種修改和替代的形式，但借助于附圖中的實例來示出本發(fā)明 的特殊實施例，并將在本文中作出詳細描述。然而，應該理解到，附圖和本發(fā)明的詳細描述 并不意圖將本發(fā)明限制在這里所揭示的特殊形式中，恰好相反，本發(fā)明要涵蓋所有落入如 附后權利要求書所定義的本發(fā)明范圍之內的修改物、等價物和替代物。
具體實施例方式下面描述本發(fā)明的幾個說明性的實施例。它們意味著示例而不是對下面權利要求 書的限制。參照圖1，圖中示出鉆井裝置，其包括井架10，該井架10構造在鉆井的地面12上并支承著鉆桿柱14。鉆桿柱14延伸通過旋轉臺16進入到鉆孔18內，該鉆孔18被鉆探通 過地層20。鉆桿柱14可包括其上端的凱氏(kelly)鉆桿22、連接到凱氏鉆桿22的鉆管 24和連接到鉆管24下端的井底組件26 (BHA)。BHA26可包括鉆鋌28、MWD工具30以及鉆 頭32，其穿透地層而形成鉆孔18。在操作中，凱氏鉆桿22、鉆管24和BHA26可通過旋轉臺 16而轉動。替代于或附加于旋轉臺16所形成的鉆管24的轉動，也可通過井下馬達(未示 出)來轉動BHA26，這為本技術領域內的技術人員所理解。鉆鋌將重量添加到鉆頭32并加 固BHA26，由此，能使BHA26將重力傳遞到鉆頭32而不發(fā)生屈曲失穩(wěn)。通過鉆鋌施加到鉆頭 32上的重力允許鉆頭來粉碎地下結構。如圖1所示，BHA26可包括MWD工具30，其可以是鉆鋌28的一部分。當鉆頭32操 作時，鉆井流體(通常稱之為“鉆井泥漿”)可通過泵15從地面上的泥漿坑34中被泵送經 過立管11和凱氏鉆桿軟管37、經過鉆桿柱14，如箭頭5所示，一直泵送到鉆頭32。鉆井泥 漿從鉆頭32排出，起到冷卻和潤滑鉆頭的功能，并將鉆頭形成的鉆屑帶走。鉆井泥漿流過 鉆頭32之后，鉆井泥漿就流回到地面，如箭頭6所示，經過鉆桿柱14和鉆孔壁19或套筒壁 29之間的環(huán)形區(qū)域而回到地面。在地面上，泥漿被收集和返回到泥漿坑34以便作過濾。在 一個實例中，流過鉆桿柱的鉆井泥漿的循環(huán)泥漿柱也可起到傳送壓力信號21的介質功能， 將信息從MWD工具30帶到地面。在一個實施例中，提供井下數據信號發(fā)送單元35作為MWD 工具30的一部分。數據信號發(fā)送單元35可包括壓力信號發(fā)送器100，用來產生發(fā)送給地面 的壓力信號。MWD工具30可包括傳感器39和41，它們可聯(lián)接到合適的數據編碼電路，諸如編碼 器38，其順序地產生編碼的數字數據電信號，這些電信號代表著傳感器39和41所獲得的測 量值。盡管示出了兩個傳感器，但本技術領域內的技術人員將會理解到，也可使用或多或少 數量的傳感器，而不會脫離本發(fā)明的原理。可選擇傳感器39和41來測量井下的參數，參數 包括但不限于環(huán)境參數、方向鉆井參數和地層評價參數。如此的參數可包括井下壓力、井 下溫度、鉆井泥漿和地層的電阻率或傳導率、地層的密度和孔隙率，以及井孔的定向。MWD工具30可位于鉆頭32附近。以上討論的代表傳感器的參數測量值的數據可 產生和儲存在MWD工具30內。某些數據或全部數據可由數據信號發(fā)送單元35通過鉆桿柱 14內的鉆井流體進行傳送。鉆井流體立柱中傳送的壓力信號可在地面上通過信號探測器單 元36進行探測，該探測器單元使用以流體方式與鉆井流體連通的壓力探測器80。探測到的 信號可在信息處理系統(tǒng)33中解碼。為了揭示發(fā)明，信息處理系統(tǒng)可包括任何工具或工具組 合，這些工具可工作以計算、分類、處理、發(fā)送、接收、取回、發(fā)生、切換、儲存、顯示、放大、探 測、記錄、復制、操作或利用任何形式的信息、情報或數據，以用于科學、控制或其它的目的。 壓力信號可包括測量數據的二進制代碼，這些測量數據表示傳感器39和41測得的井下鉆 探參數和地層特征。信息處理系統(tǒng)33可位于臺架地板附近?；蛘?，信息處理系統(tǒng)33可定 位成遠離臺架地板。在一個實施例中，信息處理系統(tǒng)33可被納入作為測井單元的一部分。 或者，可使用其它類型的遙測信號來從井下向地面?zhèn)魉蛿祿?。這些信號包括但不限于通過 地球的電磁波、使用鉆桿柱作為傳遞介質的聲信號。在還有另一替代的實例中，鉆桿柱可包 括有導線的管子，其能使電信號和/或光信號在井下和地面之間傳輸。 在一實例中，發(fā)電機102提供電力，其可位于BHA26內，以提供各種井下的電子裝 置和/或傳感器所需的至少一部分電力。
還可參照圖2A-2D，在一實例中，發(fā)電機102包括管狀本體202，其可連接到鉆桿柱 14中。流動通道201提供讓鉆井流體流過本體202的通道。在此實例中，流動通道201的 軸線203大致與靠近本體202的鉆桿柱的轉動軸線相一致。多個縱向凹腔230可圍繞管狀 本體202的外周界形成。在所示實例中，六個凹腔230圍繞管狀本體202形成。或者，或多 或少數量的凹腔可圍繞管狀本體202形成。壓電組件212可設置在各個凹腔230內。例如， 壓電組件212a-f可分別設置在凹腔230a-230f內。
在一個實施例中，每個壓電組件212可包括一疊壓電元件211，它們被包封在柔性 的封裝材料210內。在一個實施例中，每個壓電元件211與鄰近的壓電元件211分離開一 距離L。各個鄰近元件之間的中間間距可用柔性的封裝材料210填充。在一個實例中，大致 相同厚度的封裝材料210使底部壓電元件與凹腔230底部分離開。在一個實施例中，壓電元件211包括壓電膜材料。這些實例包括但不限于聚偏二 氟乙烯(PVDF)和共聚物，諸如PVDF和三氟乙烯的共聚物，以及PVDF和四氟乙烯的共聚物。 或者，壓電元件211可包括壓電陶瓷材料，諸如鈦酸鉛鋯(PZT)和鈦酸鋇(BATiO3),或壓電 晶體材料，例如石英，或任何其它呈現(xiàn)壓電特性的材料。在還有其它實施例中，壓電元件211 可包括壓電纖維復合材料。在一個實例中，蓋子204是大致圓柱形的構件，其配裝成圍繞管狀本體202容納 壓電組件212的部分。蓋子204沿各個軸向方向延伸超過凹腔230，并具有形成在其內表 面217至少一部分上的內花鍵206。內花鍵217嚙合到形成在本體202外表面219上的匹 配的外花鍵208。如圖2B-2D所示，花鍵206的尺寸做成在花鍵206內表面217和花鍵208 外表面219之間形成一間隙G。由于蓋子204和鉆孔壁19的相互作用，該間隙G允許蓋子 204徑向地移動。在一個實例中，柔性的封裝材料210向外延伸而接觸蓋子204的花鍵表面 215。柔性的封裝材料210可通過合適的粘結劑材料213粘結到花鍵表面215底部?；蛘撸?封裝材料210可不粘結到花鍵表面215底部。在另一實施例中，見圖8，至少一個葉片280附連到蓋子204外面，以加強與鉆孔壁 的接觸。盡管圖中顯示為三個葉片280，但可以使用任何數量的葉片。附連可用任何合適的 機械過程，包括但不限于機械緊固件、焊接和銅焊?；蛘?，至少一個葉片可使用任何合適的 形成過程一體地形成到蓋子204的外面。例如，蓋子和至少一個葉片可以用單一棒材機加 工而成。在一個實例中，在鉆孔操作過程中，鉆桿柱14和/或鉆鋌部分28轉動。在轉動過 程中，蓋子204可徑向加力而與鉆孔壁19接觸。該接觸將致使蓋子204相對于本體202徑 向地移動，導致壓電組件212受壓縮，從而橫貫壓電元件211產生電壓升高302，見圖3。當 蓋子204移離壁時，蓋子204可移回到中性位置，使壓電組件的電壓返回到其基準電平300。 如果各個凹腔230內的封裝材料粘結到各個凹腔230內的花鍵表面215，則蓋子204 —側上 的壓縮導致蓋子204拉伸本體202相對側上的壓電組件，導致產生負電壓304。同樣地，當 蓋子移離壁時，蓋子204可移回到中性位置，使壓電組件的電壓304返回到其基準電平300。 在封裝復合物不粘結到花鍵表面217的情形中，只有壓縮施加到壓電元件211上，從而只產 生正電壓302。在另一鉆井實例中，本體202可經歷循環(huán)的彎曲應力，使得本體202相對于蓋子 204撓曲。如果壓電組件212粘結地連接到蓋子204，則如此的循環(huán)運動在本體202相對側上對壓電組件212同時產生循環(huán)的壓縮和拉伸。循環(huán)加載將產生循環(huán)的正電壓和負電壓， 它們可饋送到合適的電路內以便井下之用。在一個實例中，還是參照圖4，各個壓電元件211包括如上所述的壓電材料240。壓 電材料240具有設置在其上表面和下表面上的導電材料241。當載荷施加到壓電組件212 上時，產生的電壓/電荷并行地從各個壓電元件211饋送到整流器260，通過平滑/過濾電 容器送到負載262。負載262可包括容納在電子凹腔216內的附加的電子電路218。電子凹 腔216可以是類似于凹腔230的縱向凹腔?；蛘?，電子凹腔216可包括圍繞本體202的周 界體積。電路216可包括電壓轉換器、處理器和存儲器，存儲器與處理器數據上連通，以儲 存編程的指令來控制能量儲存和/或分配到其它井下裝置和/或鉆桿柱14內的工具。在 一個實例中，來自壓電組件212的電力可用來對電容器和/或可充電的電池充電。導線(未示出)可在通道232和234內走線，以向本體202內的其它裝置供電，和 /或通過合適的連接器向本體202外面的其它井下系統(tǒng)內的裝置供電。電子電路蓋子214 配裝在電子凹腔216上，并通過密封件220密封電子凹腔216與外部環(huán)境隔絕。在一個實 例中，電子電路蓋子214用分別形成在電子電路蓋子214和本體202上的螺紋222和223 螺紋地旋入到本體202上。在一個實施例中，當需要較高電力時，多個發(fā)電機102可連接到 一個公共電力總線上，以便從發(fā)電機102中組合電力。 在一個實施例中，還參照圖5A，形成本體502，使其中心504偏離鉆桿柱14的轉動 軸線506。這形成一偏心體，其基本上總是與鉆孔壁19接觸，由此，產生電力。在此實例中， 流動通道501大致與靠近本體502的鉆桿柱14的轉動軸線同心。在另一實施例中，見圖5B，使用本技術領域內公知的技術將偏心部分513形成在 套筒514上。偏心部分513從套筒514向外延伸，當鉆桿柱14轉動時，偏心部分接觸鉆孔 壁19，由此產生電力?；蛘?，參照圖5C，單個葉片515可附連到套筒204以實現(xiàn)偏心的幾何 形狀，這樣，鉆桿柱14的轉動致使葉片515與鉆孔壁19接觸，由此，產生電力。在另一實施例中，參照圖6A和6B，蓋子604安裝在軸承620上，以使蓋子604和 本體602可相對于彼此轉動。多個穩(wěn)定器葉片605可附連到在蓋子604上，或一體地形成 在蓋子604上。葉片605可以是如圖6B所示的直葉片、本行業(yè)內已知的螺旋形葉片，或任 何其它合適的葉片幾何形狀。在一個實例中，至少一個葉片605可接觸鉆孔壁19，以使蓋 子604和葉片605相對于鉆孔壁19基本上靜止。如圖6B所示，至少一個內葉片606可定 位在蓋子604內的內部凹腔609中。在鉆桿柱14轉動本體602過程中，彈簧608強迫內葉 片606接觸壓電組件212。內葉片606的接觸致使壓電組件212受壓縮，導致產生電壓/電 荷，它們可如上所述地被收集起來。如圖所示，多個內葉片606可圍繞蓋子604定位，以增 加內葉片606與壓電組件212接觸的頻度。彈簧608可以是彈性體彈簧或金屬彈簧，例如， 片彈簧。在還有另一實施例中，參照圖7，本體702具有至少一個形成在其中的縱向凹腔 730，如上所述，該凹腔接受壓電組件212。如上所述，葉片710可設置成與封裝材料210接 觸，這樣，由于至少一個葉片710與鉆孔壁19互相作用，葉片710的徑向運動導致壓電組件 212受壓縮，由此，產生電力。圖7中示出三個葉片710。但可使用任何合適數量的葉片，包 括單個葉片。盡管發(fā)電機102在這里被描述為位于BHA26內，但應該認識到，多個發(fā)電機102可在鉆桿柱14內間距開布置，見圖9。每個發(fā)電機102可包含傳感器和遙測發(fā)送器和/或接 收器。本技術領域內的技術人員將會認識到，發(fā)電量與特殊本體內的壓電元件組件的數 量有關。此外，如上所述，任何數量的發(fā)電機本體可電氣地連接到公共電力總線，以提供附 加的電力。例如，上述實施例可構造成產生20-100毫瓦的電力，例如用于轉發(fā)器的結構中， 或可高達約20瓦的電力，例如用于BHA內裝置的供電。 本技術領域內的技術人員將會認識到，壓電元件的堆疊可使用不同定向來完成， 例如，縱向地堆疊。在一個實施例中，縱向堆疊和徑向堆疊都可用來提高從多個振動模式和 振動源中的發(fā)電。在一個實施例中，瞬時的扭轉運動，例如，在上述任何的結構中，粘滑運動 可與封裝材料互相作用并使封裝材料變形而在壓電元件上施加壓縮和/或扭轉載荷，從而 產生電力。本技術領域內的技術人員將會明白到許多變體和修改。以下的權利要求書旨在詮 釋成包括所有如此的變體和修改。
權利要求
1.一種井下發(fā)電機，包括；大致管狀的本體；包圍所述本體的至少一部分的蓋子；至少一個設置在所述本體內的壓電元件，所述壓電元件與所述蓋子配合，以使所述蓋 子相對于所述本體的運動致使所述壓電元件發(fā)電。
2.如權利要求1所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個壓電元件包括選自如 下的材料壓電膜、壓電陶瓷、壓電晶體材料，以及壓電纖維復合材料。
3.如權利要求1所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個壓電元件包括多個壓 電元件。
4.如權利要求3所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述多個壓電元件被包封在封裝材 料內而形成壓電組件。
5.如權利要求4所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括多個圍繞所述本體沿周界布 置的壓電組件。
6.如權利要求1所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括形成在所述本體的外表面上 的外花鍵和形成在所述蓋子的內表面上的內花鍵，所述外花鍵和內花鍵合作作用以基本上 防止所述蓋子相對于所述本體轉動。
7.如權利要求1所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括至少一個位于所述蓋子的外 表面上的葉片。
8.如權利要求1所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括設置在所述本體和所述蓋子 之間的軸承，以允許所述本體相對于所述蓋子作相對轉動。
9.如權利要求8所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括至少一個附連到所述蓋子上 的內葉片，所述至少一個內葉片在所述本體相對于所述蓋子轉動過程中接觸所述至少一個 壓電元件，從而致使載荷施加在所述至少一個壓電元件上。
10.如權利要求8所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括處理器和與所述處理器進行 數據連通的存儲器。
11.一種用于井下發(fā)電的方法，包括圍繞大致管形本體的至少一部分設置蓋子；在所述本體內設置至少一個壓電元件；以及使所述壓電元件與所述蓋子配合，以使所述蓋子相對于所述本體的運動導致所述壓電 元件發(fā)電。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述壓電元件包括選自如下的材料壓電 膜、壓電陶瓷、壓電晶體材料，以及壓電纖維復合材料。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個壓電元件包括多個壓電元件。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，還包括將所述多個壓電元件包封在封裝 材料內而形成壓電組件。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，還包括圍繞所述本體沿周界布置多個壓 電組件。
16.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在所述本體的外表面上形成外花鍵并在所述蓋子的內表面上形成內花鍵，所述外花鍵和內花鍵合作作用以基本上防止所述 蓋子相對于所述本體轉動。
17.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在所述蓋子的外表面上設置至少 一個葉片。
18.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在所述本體和所述蓋子之間設置 軸承，以允許所述本體相對于所述蓋子作相對轉動。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，還包括將至少一個內葉片附連到所述蓋 子上，這樣，在所述本體相對于所述蓋子轉動而發(fā)電期間，所述至少一個內葉片接觸所述至 少一個壓電元件。
20.一種井下發(fā)電機包括大致管狀的本體；設置在所述本體內的至少一個壓電元件；以及至少一個可徑向移動的葉片，所述至少一個葉片與所述至少一個壓電元件配合，而使 所述至少一個葉片相對于所述本體的徑向運動導致所述壓電元件發(fā)電。
21.如權利要求20所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個壓電元件包括選自 如下的材料壓電膜、壓電陶瓷、壓電晶體材料，以及壓電纖維復合材料。
22.如權利要求20所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述至少一個壓電元件包括多個 壓電元件。
23.如權利要求22所述的井下發(fā)電機，其特征在于，所述多個壓電元件被包封在封裝 材料內而形成壓電組件。
24.如權利要求23所述的井下發(fā)電機，其特征在于，還包括多個圍繞所述本體沿周界 布置的壓電組件。
25.如權利要求23所述的井下發(fā)電機，其特征在于，載荷通過所述封裝材料傳送到所 述多個壓電元件。
全文摘要
一種井下發(fā)電機包括大致管狀的本體。蓋子包圍所述本體的至少一部分。至少一個壓電元件設置在本體的凹腔內，壓電元件與所述蓋子合作地作用，以使蓋子相對于本體的運動致使所述壓電元件發(fā)電。一種用于井下發(fā)電的方法包括圍繞大致管形本體的至少一部分設置蓋子；在所述本體內設置至少一個壓電元件；以及使壓電元件與蓋子配合，以使蓋子相對于本體的運動導致壓電元件發(fā)電。
文檔編號E21B43/00GK102105650SQ200880111280
公開日2011年6月22日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權日2008年7月16日
發(fā)明者R·T·海 申請人:哈里伯頓能源服務公司