基于壓電效應的隨鉆式能量回收裝置設計

吳天予，鄭 君，張 博，陳 宇，田 紅，竇 斌

(中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074)

20 世紀以來，人類社會對能源的需求量不斷增長；鉆探工程在煤、石油及地熱等資源的勘探和開發中起到了無可替代的作用。隨著鉆進深度的增加和井身結構的復雜化，隨鉆測量系統等井下測量設備也得到了越來越廣泛的應用。例如石油鉆井中常用到泥漿脈沖隨鉆測量系統，用于氣體鉆井的電磁隨鉆測量系統研制近幾年也取得了實質性進展[1-3]。井下設備目前常采用鋰電池供電，但井下高溫高壓的環境會影響其性能，使其供電時長無法得到保證[4]。隨鉆設備也常采用井下渦輪發電機供電，這類發電機具有發電量大、耐高溫等優勢，但結構復雜，對泥漿排量也有一定限制，排量較大時渦輪可能超出極限轉速發生損壞[5]。此外，用于給井下自動垂直鉆井系統供電的鉆桿式發電機也進入研制階段，這類發電機工作壽命長且使用限制較少，但輸出功率受鉆桿轉速影響較大，工況惡劣時供電穩定性相對不足[6-7]。如何在不影響鉆進的同時給井下儀器設備連續穩定地供能是亟待解決的問題。

鉆進過程中，鉆頭會受到來自巖層的反作用力，在其作用下鉆桿會在軸向上產生可恢復的彈性形變，即產生縱向振動[8]。這種振動的特性與巖石堅固系數以及鉆桿的固有頻率相關[9]，因而在巖性相同或相近的地層鉆進時是連續且較為穩定的。如果能將鉆進過程中鉆桿縱向振動產生的能量進行收集并轉化為電能，將會為解決隨鉆測量系統和其他井下設備的供電問題提供一個新的思路。……