井下石油仪器非接触电能传输技术研究与应用

张玺亮，马认琦

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300451)

井下石油仪器非接触电能传输技术研究与应用

张玺亮，马认琦

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300451)

非接触电能传输技术是采用电磁耦合原理实现电能和信号从井下石油仪器的旋转件传送到非旋转件、测量井下石油仪器状态参数及准确控制导向机构姿态调整。针对电能和信号在井下有线、无线传输等技术缺点，着重研究了适用旋转导向钻井工具的非接触电能传输系统，完成耦合器的结构设计和系统电路开发。通过此项技术的应用，解决了井下功率变换和数据通讯传统方法的束缚，降低了故障率，为井下非接触的、长时间的、稳定的供电和通讯提供了一条有效途径。

旋转件；非接触；电能和信号传输；旋转导向

0 引 言

在油气井钻井时，为了提高驱动能力，要对井下工作方式和环境进行实时监测和控制，将控制所需电能和双路测量信号在旋转机械与非旋转机械之间进行相互传输[1]，传统的方法是接触式装置传输，通过电气连接和物理接触实现，而井下的高温、高压及泥浆存在的恶劣环境下，仪器工作的可靠性和信号抗干扰性较差，且不易维护和方便使用；而无线传输方式也由于井下部分仪器本身为电磁波屏蔽体而难以奏效[2]。

然而，在日常生活和工业生产的大多领域中，非接触式电能传输技术已经很成熟，主要以容性传输、电磁波传输、感应传输等电磁形式为传输途径。容性非接触电能传输通过电容两个极板间的电场传输，主要用于实现信号和微小能量的传递；电磁波非接触电能传输以电磁波为媒介进行定向的高频调制和解调，主要用于飞机、卫星等的供电系统；感应非接触电能传输通过电磁场传导，通过分离式变压器实现，属松散耦合。感应非接触电能传输是工程界最易实现的一种非接触传输方法，是一个较新的研究领域，近年来受到广泛的关注。

本文根据感应非接触电能传输方法，提出一种适用于井下钻井环境应用的石油仪器电能和信号传输技术，并进行了试验应用。

1 井下石油仪器非接触传输系统构成及工作原理

井下石油仪器非接触传输系统分为原边部分和副边部分，如图1所示。其中原边部分(供电)，包括泥浆发电机、整流滤波(AC-DC)、直流稳压、高频逆变电路(DC-AC)和耦合器(松耦合变压器)的原边磁芯及绕组；副边部分(负载)，包括耦合器(松耦合变压器)的副边磁芯及绕组、高频整流(AC-DC)模块、直流稳压(DC-DC)模块和用电设备(负载)[3]。系统设计输出48VDC。

图1 非接触电能传输系统构成

井下石油仪器非接触电能传输技术是以可分离变压器为载体通过电磁耦合的方法，如图2所示。工作原理是对井下泥浆发电机发出的不稳定的交流电进行整流、稳压、调压等一系列功率变换，通过非接触电能传输方式将电能从发电机端(旋转件)传输到外套(非旋转件)，经逆变产生48V直流电源，以及井口控制指令传输给中央控制器，进而控制直流电机、电磁阀等实时改变钻头方向[4]。

2 井下石油仪器非接触电能传输系统耦合器的结构设计

可分离变压器在井下石油仪器非接触电能传输系统中完成的功能是电磁耦合传输，故也称为耦合器，其结构样机如图3所示。耦合组件为一对耦合线圈，包括定圈和动圈。耦合线圈包括一个磁芯和绕在其上的绕组。定圈与外壳固定连接，而动圈与内轴固定连接并随轴一起旋转。

耦合器定圈和动圈同心布置，其圆心即为内轴轴心。定圈内径和动圈外径之间留有间隙，磁芯材料由高磁导率、低电导率、高响应频率以及对温度不敏感的软磁材料构成。

图2 井下旋转导向智能钻井系统原理框图

图3 耦合器的结构样机

3 井下石油仪器非接触传输系统电路设计

3.1 信号传输电路设计

耦合器的信号传输是将多路测量信号经过A/D转换、混合及解调，经FSK收发模块进行旋转钻杆和不旋转外套之间的信号传输，也可再通过RS232接口外围电路反馈至地面监控中心，从而实现对井下工作方式和环境进行实时监测和控制的目的。其中，FSK收发模块是采用嵌入8051的频移键控(FSK)发射接收电路CC1010辅以相应外围电路组成，电路CC1010原理如图4所示。

3.2 电能传输电路设计

系统功率传输采用正激电源变换方式。正激方式的电源变换电路原理图如图5所示。由于在电源工作时，初级绕组上的电能直接耦合至次级线圈，不需要经过中间的储能环节，因而在相同条件下其传输的功率要大一些，效率也要高一些。根据实际设计要求，需传输的电源(DC)由井下泥浆发电机提供，非接触感应传输至井下测控装置。

4 试验应用

2013年，井下石油仪器非接触电能传输系统在天津塘沽陆地某试验基地定向钻井现场通过了应用验证，取得了良好的效果。

图4 CC1010原理框图

图5 正激方式的电源变换主电路原理图

4.1 井下石油仪器非接触电能传输系统技术指标测试

4.1.1 空载到额定满载

旋转导向钻井工具非接触电能传输系统入井前进行调试作业，调试作业结果表明，其传输功率达到350 W以上，效率达到75%以上，如图6所示。

图6 效率随输出功率变化曲线图

4.1.2 可靠性测试

输出功率与输入功率随时间变化曲线图如图7所示。

图7 输出功率与输入功率随时间变化曲线图

从现场实时数据分析可以看出，随着工作时间的增加，输入、输出功率只有很小的变化，能够正常工作达到10 h，能满足设计要求。

4.2 信号传输测试

信号传输测试主要是为了验证钻轴上和外壳上两个线圈在不同旋转位置下信号传输能力。上位机软件界面图显示，传输数据正常，接收数据完整、准确。

5 结 论

适用旋转导向钻井系统的井下石油仪器非接触电能传输技术研究，为井下石油仪器的大功率变换和数据通信提出了一种稳定、可靠和高效的传输技术手段。通过现场应用，系统输出直流电压稳定，传输效率达75%以上，是国内首次将此项非接触电能传输技术应用于石油行业井下钻井环境中，希望能够为国内旋转导向钻井工具的产业化发展与应用提供新思路。

[1] 李松林，苏义脑，董海平.美国自动旋转导向钻井工具结构原理及特点[J].石油机械，2000，28 (1)：42-44.

[2] 武 瑛，严陆光，黄常纲,等.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术，2003, 22(4)：10-13.

[3] 韩 腾，卓 放，刘 涛，等.可分离变压器实现的非接触电能传输系统研究[J].电力电子技术，2004，38(5)：28-29.

[4] 姜 伟，蒋世全，盛利民，等.旋转导向钻井工具系统的研究及应用[J].石油钻采工艺， 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

张玺亮，男，1984年生，工程师，2015年毕业于西安石油大学仪器仪表工程专业，获硕士学位，现从事井下石油仪器开发工作。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 编辑：葛明君)