井下发电结构以及井下长效供能装置的制作方法

本发明涉及石油开采，特别涉及一种井下发电结构以及井下长效供能装置。

背景技术：

1、在石油开采中，为更准确地监控井下环境参数以供生产过程管控，需要在井下设置温度、压力等各种传感器，并设置储能电池向各传感器供电。电池储能有限，一般使用两三年就必须更换一次，更换时需要将油管整体从井下取出。更换流程包括：事先确定油管所在区域及其生产工况，再结合供电期限和生产情况确定更换时间，制定应急预案和安装措施后，停止生产，取出油管、清理井眼后，再将新油管安装到井眼中，安装完成后还需要重新对油管进行压力测试、密封性测试等，以确保油管的连接质量和安全性满足要求。因此，油管的更换工作流程繁琐，需要多工种协作，耗费时间较长、人工较多。

2、为减少因电池耗尽而更换油管的频率，相关技术中，有考虑设置井下发电机补充电池储能方案，例如在井下设置涡轮发电机或温差发电机，然而这些发电方式在应用于油田生产井时存在诸多问题。涡轮发电机是利用井下流体冲击涡轮叶片，使涡轮叶片带动转子转动而产生电流，然而，涡轮发电机的结构复杂，包括涡轮叶片、转子、传动轴组件、齿轮箱、电机等，需要较大的安装空间，油管的直径一般小于100mm，甚至内径多为50mm-80mm，油管内空间狭小，设置涡轮发电机后流通性较差，还不便于在发生阻塞时疏通管道，对安全生产存在不良影响，并且流体具有较高的流速才能带动涡轮叶片，而油井内的流体通常难以满足该高流速要求，此外，地层和流体的温度较高，长期转动磨损较大，各元件容易发生故障。温差发电机是利用地层与流体间的温度差作用于半导体元件的pn结，热能从高温侧流入器件内，通过器件将热能从低温侧排出时，流入器件的一部分热能不放热，并在器件内变成电能，输出直流电压和电流，通过连接多个这样的器件来获得较大的电压，然而，油田生产井的地层与流体之间的温差较小，地层和流体的温度都较高，难以有效发电。因此，如何更好地实现井下长效发电成为了目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种井下发电结构以及井下长效供能装置，用于更好地实现井下长效发电。

2、本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现，本发明提供了一种井下发电结构，包括：

3、第一管体，所述第一管体用于连通油管的通路；

4、绝缘层，所述绝缘层设置在所述第一管体的内壁上；

5、电极组件，所述电极组件用于电连接储能装置，所述电极组件包括间隔设置在所述绝缘层上的正电极和负电极；

6、发电组件，所述发电组件设置在所述绝缘层上，所述发电组件包括覆盖所述正电极的第一纳米材料层、以及覆盖所述负电极的第二纳米材料层，所述第一纳米材料层用于与所述第一管体中流体摩擦产生正电荷并传递至所述正电极，所述第二纳米材料层用于与所述第一管体中流体摩擦产生负电荷并传递至负电极。

7、在本发明的一较佳实施方式中，所述正电极和所述负电极均设置有多个，多个所述正电极和多个所述负电极沿所述第一管体的轴向依次间隔交错排布，所述第一纳米材料层和所述第二纳米材料层均设置有多个，每个所述第一纳米材料层覆盖至少一个所述正电极，每个所述第二纳米材料层覆盖至少一个所述负电极。

8、在本发明的一较佳实施方式中，多个所述正电极呈并联设置；和/或，多个所述负电极呈并联设置。

9、在本发明的一较佳实施方式中，所述绝缘层通过al2o3、石英玻璃、陶瓷、ptfe中的至少一种制成。

10、在本发明的一较佳实施方式中，所述绝缘层的厚度为0.5mm至1.5mm。

11、在本发明的一较佳实施方式中，所述第一纳米材料层和/或所述第二纳米材料层通过聚醚醚酮、纳米铜、纳米铝、聚碳酸酯、聚酰胺尼龙、聚四氟乙烯中的至少一种制成。

12、在本发明的一较佳实施方式中，相邻的所述第一纳米材料层和所述第二纳米材料层之间设置绝缘隔离件。

13、在本发明的一较佳实施方式中，所述绝缘隔离件通过al2o3、石英玻璃、陶瓷、ptfe中的至少一种制成。

14、在本发明的一较佳实施方式中，所述第一纳米材料层和/或所述第二纳米材料层的厚度为2mm至5mm。

15、在本发明的一较佳实施方式中，所述第一纳米材料层背离所述绝缘层的端面上设有第一凹陷部。

16、在本发明的一较佳实施方式中，所述第一凹陷部包括间隔分布在所述第一纳米材料层表面的多个第一凹槽；或，所述第一凹陷部包括以所述第一管体的轴线为中心线的螺纹槽。

17、在本发明的一较佳实施方式中，所述第二纳米材料层背离所述绝缘层的端面上设有第二凹陷部。

18、在本发明的一较佳实施方式中，所述第二凹陷部包括间隔分布在所述第二纳米材料层表面的多个第二凹槽；或，所述第二凹陷部包括以所述第一管体的轴线为中心线的螺纹槽。

19、本发明还提供了一种井下长效供能装置，包括前述的井下发电结构、第二管体、以及储能装置，所述第二管体套设在所述井下发电结构的第一管体外侧，所述第二管体与所述第一管体之间形成有容置空间，所述储能装置设置在所述容置空间中并电连接所述井下发电结构的电极组件。

20、在本发明的一较佳实施方式中，所述井下长效供能装置还包括扰流管体，所述扰流管体设置在所述第一管体靠近上游的一端，所述扰流管体包括扩径段、以及设置在所述扩径段的两端的两个连接管段，两个所述连接管段分别用于连接油管和所述第一管体。

21、在本发明的一较佳实施方式中，所述扩径段的内壁包括沿所述第一管体内流体的流动方向依次设置的第一斜面、连接面和第二斜面，所述第一斜面的斜率小于所述第二斜面的斜率。

22、在本发明的一较佳实施方式中，所述第一斜面和所述连接面之间具有第一夹角a，110°＜a＜180°；和/或，所述第二斜面和所述连接面之间具有第二夹角b，70°＜b＜110°。

23、在本发明的一较佳实施方式中，沿所述第一管体的轴线方向，所述井下发电结构的第一纳米材料层、第二纳米材料层均不超出所述连接管段的内壁。

24、在本发明的一较佳实施方式中，所述储能装置包括依次电连接的稳压整流模块、储能模块和电源管理模块，所述稳压整流模块电连接所述井下发电结构的电极组件。

25、在本发明的一较佳实施方式中，所述储能模块包括二次电池或电容。

26、本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

27、本发明所述井下发电结构使用时，将绝缘层设置在第一管体的内壁上，并在绝缘层上设置电极组件，然后将发电组件设置在电极组件上。具体的，电极组件包括正电极和负电极，发电组件包括覆盖在正电极表面上的第一纳米材料层、以及覆盖在负电极表面上的第二纳米材料层。通过利用流经第一管体的流体引起第一纳米材料层和第二纳米材料层摩擦振动，从而在第一纳米材料层中的正电极和第二纳米材料层中的负电极之间产生电压差，正电极和负电极之间产生电流并能够对储能装置充电，从而增加了储能装置的电量，实现了井下长效供能的作用。其中，流体与纳米材料层之间摩擦起电，并非是真正的硬摩擦，而是利用流体的扰动产生的轻微接触或碰触，可极大地降低材料的磨损。

28、本发明所述井下发电结构不依赖于活动的零部件发电，仅依赖于流体的摩擦发电，并且用于发电的第一纳米材料层和第二纳米材料层沿第一管体的通道平铺设置，在第一管体的通道径向上占用的空间小。本发明的整套结构简单、占用空间小、不影响流通性，具有不易磨损、耐久性高及受温度、压力影响较小等优点，能够在温度和压力较高的生产油井中工作以实现长效充电的作用。