旋轉導向系統中非接觸電能與信號一體化傳輸技術

謝棋軍， 底青云， 楊永友， 劉慶波， 張輝， 馬良令

1 中國科學院深地資源裝備技術工程實驗室， 中國科學院地質與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學院地球科學研究院， 北京 100029

0 引言

旋轉導向系統是當今石油鉆井工程領域向智能化方向發展的最重要的前沿裝備之一，可有效提高鉆井速度、安全性和井眼軌跡控制精度.如何通過旋轉主軸給非旋轉套上的執行機構提供動力，如何實現旋轉主軸上的控制電路和非旋轉套上的執行機構之間的雙向通信是旋轉導向系統必須解決的關鍵問題.

傳統的滑動導向鉆井儀器通過有線傳輸的方式來進行電能和信號的傳輸，不適用于有非接觸結構的旋轉導向工具.基于電磁感應原理的非接觸電能與信號耦合傳輸方式(Klontz et al.,1995)，可以在井下惡劣的環境中替代有線電連接和滑環連接，實現旋轉主軸和非旋轉外套之間的電能和信號的同步傳輸.基于電磁感應原理的非接觸電能與信號傳輸分為兩種傳輸方法，分別為分離式通道傳輸和一體化通道傳輸.分離式通道傳輸分別采用一個能量傳輸線圈和一個信號傳輸線圈來傳輸電能和信號，其中和旋轉主軸連接的渦輪發電機作為直流電源，經高頻逆變電路后變為高頻交流電，再由初級回路的能量發射線圈將電能耦合至次級回路的能量接收線圈，通過整流電路變為直流電供給非旋轉套上的負載使用(Lu et al.,2010; Chopra and Bauer,2011; 艾維平等, 2013).旋轉主軸和非旋轉套上的……