33.适用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输方法

旋转导向工具导向模块部件组成及原理摘要：本文主要对旋转导向钻井工具研发的关键技术之一导向模块的研究情况作了简要介绍，并对目前导向模块的机械设计结构、供电、通讯、控制系统的工作原理、非接触供电部分的试验设计做了详细的说明，确定了存在的技术难点及下一步我们要主攻的研究方向。

关键词：旋转导向工具导向模块非接触供电电磁感应定向控制一、旋转导向结构旋转导向钻井工具由双向通讯系统、MWD随钻测井系统以及导向系统三部分组成。

导向系统是其主要执行机构，是能否实现定向自动控制的重要部件。

导向头设计结构，如图1所示。

图1：导向头结构图导向头从结构上分为旋转轴和不旋转导向外套两大部分。

旋转轴从导向套中间穿过与钻头连接，带动钻头与钻柱一起旋转，导向套与旋转轴之间镶有金刚石耐磨片的硬质合金滑动轴承，以保证相对转动时产生较小的磨损。

三个可伸缩翼肋布置在导向套中，由地面大控制闭环或地下小控制闭环控制其伸缩量以进行方位和井斜的控制。

二、导向头各部件组成与工作原理(一)导向头各部件组成导向头部分由初级电路模块、非接触供电及通讯模块、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块等组成。

其中初级电路模块、非接触供电的内套部分和中心轴一起旋转，而非接触供电的外套部分、次级电路及近钻头井斜工具面测量模块、液压模块置于不旋转导向套中。

1.初级电路模块包括信号解调电路、信号与能量载波调制电路。

它用于接收上部泥浆发电机向下传递的电能及地面给出的命令信号给出的轨迹井斜方位信号并经过处理后输出。

再通过信号与能量载波调制电路与命令信号、轨迹井斜方位信号进行相应的调制，输出给非接触供电及通讯模块。

2.非接触供电及通讯模块信号与电能的共同传递还会带来信号调制和双向同步传输能量与信号的问题。

信号调制的关键是如何进行优化调制以达到最小的错码率。

双向同时传输的主要问题是在一条通路上如何进行下传150W交流电能的同时上传控制信号。

这些方面都需要进行深入的理论研究及实验。

ICPT技术在旋转导向钻井工具中的应用作者：孟巍朱伟红孙师贤来源：《电子技术与软件工程》2018年第09期摘要本文介绍ICPT （InductivelyCoupled Power Transfer）技术在旋转导向钻井系统中的应用感应式随钻电能耦合传输装置，并侧重介绍初级和次级电路的设计。

该装置可以在井下恶劣的环境中替代有线电连接和滑环连接，并提供无可比拟的可靠性。

该装置的初级线圈及电路安装在井下仪器的旋转部件上（驱动轴），次级线圈及电路安装在不旋转部件上，初级及次级之间有一定的间隙，间隙中有高压泥浆通过。

该装置通过非接触式电磁耦合将初级输入的直流电源传送到次级。

经实验验证该装置在150℃的高温条件下，可以实现稳定的电能传输，在输出功率200W的条件下，功率传输效率达到70%以上。

【关键词】旋转导向 ICPT 并联谐振电路高温开关电源电路1 研究背景1.1 研究需求上世纪末开始，旋转导向系统（ RotarySteerable System，RSS）逐渐发展，到今天已经成熟，并逐渐被用到各类商业钻井中。

它具有更好的旋转方向控制能力、能够减少井筒的迂曲、同时配备比较良好的随钴测井测量工具，在钻头工作时，能够保持连续的旋转。

这些独具的技术优点，使得在很多其他石油开采国，旋转导向钻井技术已逐步开始取代传统的滑动导向马达钻井技术。

中海油服自主研发的Welleader⑧旋转导向钻井系统采用的是推靠式的工作方式，最靠近钻头的导向短节如图1所示。

不旋转外套相对于驱动轴是几乎不旋转的（1小时最多5、6转），它的三个翼肋推靠在井壁上，施加导向力。

我们需要将电能从与驱动轴同步旋转的电子单元上传送到不旋转外套上。

相互旋转两部件之间是泥浆高压的恶劣环境。

在井下仪器中，电能和信号的传输一般都是通过接触的方式进行传输，其中最常用的方式是电缆直连和接触滑环。

电缆直连的方式适用于随钻仪器之间不存在相对转动的情况，接触滑环虽然适用于随钻仪器之间有相对转动的情况，但很难为其在井下高温高压的泥浆环境中设计旋转动密封。

专利名称：一种用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输系统
专利类型：发明专利
发明人：解庆,苏静静,白玉新,马志新,李广伟,罗翔,张建国
申请号：CN201210249803.1
申请日：20120718
公开号：CN103580292A
公开日：
20140212
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输系统，包括高频逆变器、旋转变压器、以及电源变换器；旋转变压器的初级安装在中心钻杆上，次级安装在非旋转外套上；高频逆变器固定在中心钻杆中位于泥浆发电机与旋转变压器之间，电源变换器安装在电子控制单元；泥浆发电机输出的低频三相交流信号经高频逆变器转换为高频单相交流信号，并输出给旋转变压器的初级，旋转变压器的初级与次级间通过感应电磁耦合传递能量，再通过旋转变压器的次级输出给电源变换器。

本发明实现了旋转导向钻井工具的电能从转子到定子的非接触式的耦合传输，并满足井下近钻头处随钻仪器设备的大功率供电需求。

申请人：北京精密机电控制设备研究所,中国运载火箭技术研究院
地址：100076 北京市丰台区南大红门路1号
国籍：CN
代理机构：核工业专利中心
代理人：高尚梅
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旋转导向工具载波通信专用集成电路设计闫恒宇*李雪 白玉新 王贵刚(航天深拓(北京)科技有限公司 北京 100176)摘要：旋转导向工具工作环境恶劣，且可靠性要求高，指令下发及上传任务一般采用单总线通信，该文设计了一种ASIC专用芯片，ASIC芯片用于旋转导向钻井系统主电源/通信回路，在传输33 V电能的同时，实现最高9 600 bps半双工串行通信。

与通用集成电路相比，具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强等优点。

通过专用芯片的设计，增强了旋转导向工具耐高温能力。

关键词：专用集成电路 单总线载波通信 频移键控 半双工串行通信中图分类号：TN492文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)09-0017-05Design of Application-Specific Integrated Circuits for Carrier Communication of the Rotary Steering ToolYAN Hengyu*LI Xue BAI Yuxin WANG Guigang(Aerospace Shentuo(Beijing) Technology Co., Ltd., Beijing, 100176 China)Abstract:The rotary steering tool has harsh working environment and has high requirements for the reliability, and the tasks of the command delivery and upload generally use single-bus communication. This paper designs a special-purpose ASIC chip, and the ASIC chip is used for the main power supply/communication circuit of the rotary steering drilling system, and realizes the half-duplex serial communication of up to 9 600 bps while transmitting 33 V power. Compared with the universal integrated circuit, it has the advantages of the smaller volume, lower power consumption, improved reliability, improved performance and enhanced confidentiality, and enhances the high temperature resistance of the rotary guide tool through the design of the special-purpose chip.Key Words: ASIC；Single bus carrier communication；Frequency-shift keying; Half-duplex serial communication旋转导向钻井系统电子控制电路功能复杂，通过将数百个阻容器件、通用集成电路等元器件焊接、组装在高TG值PCB电路板上实现，这种设计方式在高温环境下主要存在如下问题。

旋转导向钻井技术及Power-V第一篇：旋转导向钻井技术及Power-V旋转导向钻井技术及Power-V导向系统介绍摘要：旋转导向钻井技术主要指井眼轨迹自动控制的闭环自动钻井技术，是20世纪90年代初期发展起来的一项钻井新技术，代表着当今国际钻井技术的最新发展方向，对超深井、超薄油层水平井、大位移井、分支水平井等轨迹控制具有独特效果。

本文分析了旋转导向钻井系统的技术特点，介绍了国内外旋转导向钻井系统的发展、应用情况。

并详细介绍了斯伦贝谢公司旋转导向系统Power-V的组成和工作原理。

1.概述所谓旋转导向钻井，是指钻柱在旋转钻进过程中实现过去只有传统泥浆马达才能实现的准确增斜、稳斜、降斜或者纠方位功能。

旋转导向钻井技术的核心是旋转导向钻井系统，如图1所示。

它主要由井下旋转自动导向钻井系统、地面监控系统和将上述2部分联系在一起的双向通讯技术3部分组成。

旋转导向钻井系统的核心是井下旋转导向工具，旋转导向钻井系统主要由以下几部分组成：①测量系统:包括近钻头井斜测量、地层评价测量，MWD/LWD 随钻测量仪器等，用于监测井眼轨迹的井斜、方位及地层情况等基本参数。

②控制系统:接收测量系统的信息或对地面的控制指令进行处理，并根据预置的控制软件和程序，控制偏置导向机构的动作。

图1 旋转自动导向钻井系统功能框图2.旋转导向钻井技术的特点旋转导向钻井技术与传统的滑动导向方式相比有如下突出特点：①旋转导向代替了传统的滑动钻进：一方面大大提高了钻井速度，另一方面解决了滑动导向方式带来的诸如井身质量差、井眼净化效果差及极限位移限制等缺点，从而大大提高了钻井安全性，解决了大位移井的导向问题；②具有不必起下钻自动调整钻具导向性能的能力，大大提高了钻井效率和井眼轨迹控制的灵活性，可满足高难特殊工艺井的导向钻井需要；③具有井下闭环自动导向的能力，结合地质导向技术使用，使井眼轨迹控制精度大大提高。

旋转导向钻井技术的上述特点，使其可以大大提高油气开发能力和开发效率，降低钻井成本和开发成本，满足了油气勘探开发形势的需要。

非接触滑环的设计兰洪波;郭云;菅志军;孟巍;李春楠【摘要】非接触滑环是一种利用磁芯天线将输入的电能和信号进行耦合,并将电能和信号输出到接收设备的装置.菲接触滑环主要用于将涡轮发电机产生的电能传递给旋转导向工具中的电机和控制系统,并且能够将旋转导向工具中传感器的信号和地面指令进行双向传输,从而实现旋转导向工具的功能和闭环控制.非接触滑环结构简单,性能可靠,适用范围广,也可作为其它石油井下工具的电能和信号的传输装置.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】3页(P82-84)【关键词】旋转导向;非接触传输;滑环;感应耦合【作者】兰洪波;郭云;菅志军;孟巍;李春楠【作者单位】中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京065201;中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京065201;中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京065201;中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京065201;中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京065201【正文语种】中文【中图分类】TE9281 引言在石油随钻工具中，电能和信号的传输一般都是通过接触的方式进行传输，其中最常用的方式是电缆直连和接触滑环。

电缆直连的方式适用于随钻仪器之间不存在相对转动的情况，接触滑环虽然适用于随钻仪器之间有相对转动的情况，但却要求接触面清洁度高，接触可靠。

但由于钻井过程中高温、高压、强机械振动和冲击以及泥浆的存在，大大降低了接触滑环的可靠性和使用寿命［1］。

在旋转导向工具中，需要将涡轮发电机的电能和地面指令传输给仪器中的控制电路，而且也要将近钻头传感器所测信号上传给地面系统。

如果使用动密封式电缆直连和接触式滑环，均不能满足耐高压、高温和可靠性的要求，所以需研制非接触滑环，以满足旋转导向工具的要求。

2 工作原理非接触滑环是一种非接触式电磁耦合器，用来实现初级和次级间的非接触式电能及数字信号的双向传输。