井下石油儀器非接觸電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用

張璽亮，馬認(rèn)琦

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300451)

井下石油儀器非接觸電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用

張璽亮，馬認(rèn)琦

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300451)

非接觸電能傳輸技術(shù)是采用電磁耦合原理實(shí)現(xiàn)電能和信號從井下石油儀器的旋轉(zhuǎn)件傳送到非旋轉(zhuǎn)件、測量井下石油儀器狀態(tài)參數(shù)及準(zhǔn)確控制導(dǎo)向機(jī)構(gòu)姿態(tài)調(diào)整。針對電能和信號在井下有線、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)缺點(diǎn)，著重研究了適用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，完成耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)電路開發(fā)。通過此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，解決了井下功率變換和數(shù)據(jù)通訊傳統(tǒng)方法的束縛，降低了故障率，為井下非接觸的、長時(shí)間的、穩(wěn)定的供電和通訊提供了一條有效途徑。

旋轉(zhuǎn)件；非接觸；電能和信號傳輸；旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向

0 引 言

在油氣井鉆井時(shí)，為了提高驅(qū)動能力，要對井下工作方式和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，將控制所需電能和雙路測量信號在旋轉(zhuǎn)機(jī)械與非旋轉(zhuǎn)機(jī)械之間進(jìn)行相互傳輸[1]，傳統(tǒng)的方法是接觸式裝置傳輸，通過電氣連接和物理接觸實(shí)現(xiàn)，而井下的高溫、高壓及泥漿存在的惡劣環(huán)境下，儀器工作的可靠性和信號抗干擾性較差，且不易維護(hù)和方便使用；而無線傳輸方式也由于井下部分儀器本身為電磁波屏蔽體而難以奏效[2]。

然而，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的大多領(lǐng)域中，非接觸式電能傳輸技術(shù)已經(jīng)很成熟，主要以容性傳輸、電磁波傳輸、感應(yīng)傳輸?shù)入姶判问綖閭鬏斖緩健Ｈ菪苑墙佑|電能傳輸通過電容兩個(gè)極板間的電場傳輸，主要用于實(shí)現(xiàn)信號和微小能量的傳遞；電磁波非接觸電能傳輸以電磁波為媒介進(jìn)行定向的高頻調(diào)制和解調(diào)，主要用于飛機(jī)、衛(wèi)星等的供電系統(tǒng)；感應(yīng)非接觸電能傳輸通過電磁場傳導(dǎo)，通過分離式變壓器實(shí)現(xiàn)，屬松散耦合。感應(yīng)非接觸電能傳輸是工程界最易實(shí)現(xiàn)的一種非接觸傳輸方法，是一個(gè)較新的研究領(lǐng)域，近年來受到廣泛的關(guān)注。

本文根據(jù)感應(yīng)非接觸電能傳輸方法，提出一種適用于井下鉆井環(huán)境應(yīng)用的石油儀器電能和信號傳輸技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

1 井下石油儀器非接觸傳輸系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

井下石油儀器非接觸傳輸系統(tǒng)分為原邊部分和副邊部分，如圖1所示。其中原邊部分(供電)，包括泥漿發(fā)電機(jī)、整流濾波(AC-DC)、直流穩(wěn)壓、高頻逆變電路(DC-AC)和耦合器(松耦合變壓器)的原邊磁芯及繞組；副邊部分(負(fù)載)，包括耦合器(松耦合變壓器)的副邊磁芯及繞組、高頻整流(AC-DC)模塊、直流穩(wěn)壓(DC-DC)模塊和用電設(shè)備(負(fù)載)[3]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出48VDC。

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

井下石油儀器非接觸電能傳輸技術(shù)是以可分離變壓器為載體通過電磁耦合的方法，如圖2所示。工作原理是對井下泥漿發(fā)電機(jī)發(fā)出的不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行整流、穩(wěn)壓、調(diào)壓等一系列功率變換，通過非接觸電能傳輸方式將電能從發(fā)電機(jī)端(旋轉(zhuǎn)件)傳輸?shù)酵馓?非旋轉(zhuǎn)件)，經(jīng)逆變產(chǎn)生48V直流電源，以及井口控制指令傳輸給中央控制器，進(jìn)而控制直流電機(jī)、電磁閥等實(shí)時(shí)改變鉆頭方向[4]。

2 井下石油儀器非接觸電能傳輸系統(tǒng)耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可分離變壓器在井下石油儀器非接觸電能傳輸系統(tǒng)中完成的功能是電磁耦合傳輸，故也稱為耦合器，其結(jié)構(gòu)樣機(jī)如圖3所示。耦合組件為一對耦合線圈，包括定圈和動圈。耦合線圈包括一個(gè)磁芯和繞在其上的繞組。定圈與外殼固定連接，而動圈與內(nèi)軸固定連接并隨軸一起旋轉(zhuǎn)。

耦合器定圈和動圈同心布置，其圓心即為內(nèi)軸軸心。定圈內(nèi)徑和動圈外徑之間留有間隙，磁芯材料由高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率、高響應(yīng)頻率以及對溫度不敏感的軟磁材料構(gòu)成。

圖2 井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向智能鉆井系統(tǒng)原理框圖

圖3 耦合器的結(jié)構(gòu)樣機(jī)

3 井下石油儀器非接觸傳輸系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 信號傳輸電路設(shè)計(jì)

耦合器的信號傳輸是將多路測量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、混合及解調(diào)，經(jīng)FSK收發(fā)模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆桿和不旋轉(zhuǎn)外套之間的信號傳輸，也可再通過RS232接口外圍電路反饋至地面監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對井下工作方式和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制的目的。其中，F(xiàn)SK收發(fā)模塊是采用嵌入8051的頻移鍵控(FSK)發(fā)射接收電路CC1010輔以相應(yīng)外圍電路組成，電路CC1010原理如圖4所示。

3.2 電能傳輸電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功率傳輸采用正激電源變換方式。正激方式的電源變換電路原理圖如圖5所示。由于在電源工作時(shí)，初級繞組上的電能直接耦合至次級線圈，不需要經(jīng)過中間的儲能環(huán)節(jié)，因而在相同條件下其傳輸?shù)墓β室笠恍室惨咭恍８鶕?jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，需傳輸?shù)碾娫?DC)由井下泥漿發(fā)電機(jī)提供，非接觸感應(yīng)傳輸至井下測控裝置。

4 試驗(yàn)應(yīng)用

2013年，井下石油儀器非接觸電能傳輸系統(tǒng)在天津塘沽陸地某試驗(yàn)基地定向鉆井現(xiàn)場通過了應(yīng)用驗(yàn)證，取得了良好的效果。

圖4 CC1010原理框圖

圖5 正激方式的電源變換主電路原理圖

4.1 井下石油儀器非接觸電能傳輸系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)測試

4.1.1 空載到額定滿載

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具非接觸電能傳輸系統(tǒng)入井前進(jìn)行調(diào)試作業(yè)，調(diào)試作業(yè)結(jié)果表明，其傳輸功率達(dá)到350 W以上，效率達(dá)到75%以上，如圖6所示。

圖6 效率隨輸出功率變化曲線圖

4.1.2 可靠性測試

輸出功率與輸入功率隨時(shí)間變化曲線圖如圖7所示。

圖7 輸出功率與輸入功率隨時(shí)間變化曲線圖

從現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著工作時(shí)間的增加，輸入、輸出功率只有很小的變化，能夠正常工作達(dá)到10 h，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 信號傳輸測試

信號傳輸測試主要是為了驗(yàn)證鉆軸上和外殼上兩個(gè)線圈在不同旋轉(zhuǎn)位置下信號傳輸能力。上位機(jī)軟件界面圖顯示，傳輸數(shù)據(jù)正常，接收數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

適用旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的井下石油儀器非接觸電能傳輸技術(shù)研究，為井下石油儀器的大功率變換和數(shù)據(jù)通信提出了一種穩(wěn)定、可靠和高效的傳輸技術(shù)手段。通過現(xiàn)場應(yīng)用，系統(tǒng)輸出直流電壓穩(wěn)定，傳輸效率達(dá)75%以上，是國內(nèi)首次將此項(xiàng)非接觸電能傳輸技術(shù)應(yīng)用于石油行業(yè)井下鉆井環(huán)境中，希望能夠?yàn)閲鴥?nèi)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與應(yīng)用提供新思路。

[1] 李松林，蘇義腦，董海平.美國自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)[J].石油機(jī)械，2000，28 (1)：42-44.

[2] 武 瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱,等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J].電工電能新技術(shù)，2003, 22(4)：10-13.

[3] 韓 騰，卓 放，劉 濤，等.可分離變壓器實(shí)現(xiàn)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)研究[J].電力電子技術(shù)，2004，38(5)：28-29.

[4] 姜 偉，蔣世全，盛利民，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝， 2008，(05)：21-24.

Research and Application of Contactless Electrical Energy Transmission Technology for Downhole Petroleum Instrument

ZHANG Xiliang, MA Renqi

(CNOOCEnerTech-Drilling&ProductionCo.，Tianjin300451,China)

The contactless electrical energy transmission technology is adopting the electromagnetic coupling principle to realize electrical energy and signal transmission from the rotating parts to the no-rotating parts of downhole petroleum instrument to measure the downhole instrument state parameters and control the attitude adjustment of guide mechanism accurately. Aimed to the technical shortcomings of the electrical energy and signal transmission by the underground cable and wireless transmission, the contactless electrical energy transmission system suitable to the rotary steering drilling tool is studied emphatically. The coupler structure is designed, and the system circuit is developed. Through the application of this technology, it resolves the bound of the underground power conversion and data communication of traditional method and reduces the failure rate. And it can provide an effective way for a long time stable non-contact power supply and communication.

rotary parts; non contact electric energy; signal transmission; rotary steering tool

張璽亮，男，1984年生，工程師，2015年畢業(yè)于西安石油大學(xué)儀器儀表工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事井下石油儀器開發(fā)工作。E-mail: zhangxl17@cnooc.com.cn

TM724.1

A

2096-0077(2017)04-0045-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.011

2016-12-03 編輯：葛明君)