井下石油儀器非接觸電能傳輸技術研究與應用

張璽亮，馬認琦

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300451)

井下石油儀器非接觸電能傳輸技術研究與應用

張璽亮，馬認琦

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 天津 300451)

非接觸電能傳輸技術是采用電磁耦合原理實現電能和信號從井下石油儀器的旋轉件傳送到非旋轉件、測量井下石油儀器狀態參數及準確控制導向機構姿態調整。針對電能和信號在井下有線、無線傳輸等技術缺點，著重研究了適用旋轉導向鉆井工具的非接觸電能傳輸系統，完成耦合器的結構設計和系統電路開發。通過此項技術的應用，解決了井下功率變換和數據通訊傳統方法的束縛，降低了故障率，為井下非接觸的、長時間的、穩定的供電和通訊提供了一條有效途徑。

旋轉件；非接觸；電能和信號傳輸；旋轉導向

0 引 言

在油氣井鉆井時，為了提高驅動能力，要對井下工作方式和環境進行實時監測和控制，將控制所需電能和雙路測量信號在旋轉機械與非旋轉機械之間進行相互傳輸[1]，傳統的方法是接觸式裝置傳輸，通過電氣連接和物理接觸實現，而井下的高溫、高壓及泥漿存在的惡劣環境下，儀器工作的可靠性和信號抗干擾性較差，且不易維護和方便使用；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，在日常生活和工業生產的大多領域中，非接觸式電能傳輸技術已經很成熟，主要以容性傳輸、電磁波傳輸、感應傳輸等電磁形式為傳輸途徑。容性非接觸電能傳輸通過電容兩個極板間的電場傳輸，主要用于實現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行定向的高頻調制和解調，主要用于飛機、衛星等的供電系統；感應非接觸電能傳輸通過電磁場傳導，通過分離式變壓器實現，屬松散耦合。感應非接觸電能傳輸是工程界最易實現的一種非接觸傳輸方法，是一個較新的研究領域，近年來受到廣泛的關注。

本文根據感應非接觸電能傳輸方法，提出一種適用于井下鉆井環境應用的石油儀器電能和信號傳輸技術，并進行了試驗應用。

1 井下石油儀器非接觸傳輸系統構成及工作原理

井下石油儀器非接觸傳輸系統分為原邊部分和副邊部分，如圖1所示。其中原邊部分(供電)，包括泥漿發電機、整流濾波(AC-DC)、直流穩壓、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、直流穩壓(DC-DC)模塊和用電設備(負載)[3]。系統設計輸出48VDC。

圖1 非接觸電能傳輸系統構成

井下石油儀器非接觸電能傳輸技術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電機發出的不穩定的交流電進行整流、穩壓、調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電機端(旋轉件)傳輸到外套(非旋轉件)，經逆變產生48V直流電源，以及井口控制指令傳輸給中央控制器，進而控制直流電機、電磁閥等實時改變鉆頭方向[4]。

2 井下石油儀器非接觸電能傳輸系統耦合器的結構設計

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

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

圖2 井下旋轉導向智能鉆井系統原理框圖

圖3 耦合器的結構樣機

3 井下石油儀器非接觸傳輸系統電路設計

3.1 信號傳輸電路設計

耦合器的信號傳輸是將多路測量信號經過A/D轉換、混合及解調，經FSK收發模塊進行旋轉鉆桿和不旋轉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控中心，從而實現對井下工作方式和環境進行實時監測和控制的目的。其中，FSK收發模塊是采用嵌入8051的頻移鍵控(FSK)發射接收電路CC1010輔以相應外圍電路組成，電路CC1010原理如圖4所示。

3.2 電能傳輸電路設計

系統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，初級繞組上的電能直接耦合至次級線圈，不需要經過中間的儲能環節，因而在相同條件下其傳輸的功率要大一些，效率也要高一些。根據實際設計要求，需傳輸的電源(DC)由井下泥漿發電機提供，非接觸感應傳輸至井下測控裝置。

4 試驗應用

2013年，井下石油儀器非接觸電能傳輸系統在天津塘沽陸地某試驗基地定向鉆井現場通過了應用驗證，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技術指標測試

4.1.1 空載到額定滿載

旋轉導向鉆井工具非接觸電能傳輸系統入井前進行調試作業，調試作業結果表明，其傳輸功率達到350 W以上，效率達到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間變化曲線圖如圖7所示。

圖7 輸出功率與輸入功率隨時間變化曲線圖

從現場實時數據分析可以看出，隨著工作時間的增加，輸入、輸出功率只有很小的變化，能夠正常工作達到10 h，能滿足設計要求。

4.2 信號傳輸測試

信號傳輸測試主要是為了驗證鉆軸上和外殼上兩個線圈在不同旋轉位置下信號傳輸能力。上位機軟件界面圖顯示，傳輸數據正常，接收數據完整、準確。

5 結 論

適用旋轉導向鉆井系統的井下石油儀器非接觸電能傳輸技術研究，為井下石油儀器的大功率變換和數據通信提出了一種穩定、可靠和高效的傳輸技術手段。通過現場應用，系統輸出直流電壓穩定，傳輸效率達75%以上，是國內首次將此項非接觸電能傳輸技術應用于石油行業井下鉆井環境中，希望能夠為國內旋轉導向鉆井工具的產業化發展與應用提供新思路。

[1] 李松林，蘇義腦，董海平.美國自動旋轉導向鉆井工具結構原理及特點[J].石油機械，2000，28 (1)：42-44.

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

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

[4] 姜 偉，蔣世全，盛利民，等.旋轉導向鉆井工具系統的研究及應用[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年畢業于西安石油大學儀器儀表工程專業，獲碩士學位，現從事井下石油儀器開發工作。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)