CN104299385A - 用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，基于电磁耦合技术和载波通讯理论，在随钻测量仪器短节连接处构建旋转式无线电能、信号传输系统，实现短节之间安全、稳定地进行电能传递和信息交互，包括电能转换电路、载波通讯电路和电磁耦合机构；通过电源短节中电能转换电路将泥浆脉冲发电机产生的低频交流电能进行交流-直流-交流变换，由电磁耦合机构以非接触方式将电能传输至控制短节，实现了随钻测量仪器短节之间电能的无线传输，通过载波通讯电路对待传输信号进行调制、解调、分析和处理，实现随钻测量仪器短节之间信息的无线交互。降低了短节之间连接机构的复杂性，消除了导线式和滑环式连接方式存在的不安全因素和隐患，提高了稳定性、安全性和可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，特别是涉及一种基于电磁耦合和载波通讯技术的近钻头随钻测量仪器短节之间非接触式电能传输和信号交互，属于石油、天然气钻井领域。
背景技术
石油资源关系着一个国家的经济、国防和民生，经济高速发展导致对石油资源的需求不断增长，石油开采变得日益重要。随着科学技术的进步，石油勘探、开采技术向着自动化、智能化方向持续发展。
随钻测量(MWD)和随钻测井(LWD)技术是目前定向井、大位移水平井、分支井钻进过程中的关键技术，随钻测量仪器多采用机电液一体化的短节式连接方式，由泥浆脉冲发电机为井下控制系统和测量仪器供电，短节之间的电能传递和信息交互采用导线式点对点直接连接方式，电源线与信号线分立。这种连接方式容易受到腐蚀、水、灰尘和污物的影响，由于存在摩擦和磨损，因接触、摩擦产生的电火花很容易引起爆炸，造成重大事故，系统的安全性、可靠性及使用寿命较低。对于不同短节相对运动的随钻测量仪器，传统的电能、信号传输一般采用密封滑动连接方式，这种方式虽然结构简单、易于实现，但对滑动接触面的清洁度要求较高，可扩展性差，由于钻井过程中高温、高压、强振动冲击及泥浆的存在，导致滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导线等缺点。
如何实现随钻测量仪器短节间电能、信号的安全、稳定传输成为随钻测量仪器的一个重要研究方向，针对导线式和滑环式连接方式存在的缺陷，设计一种基于电磁耦合理论的无线电能、信号传输方法，成为当前智能钻井领域的研究焦点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，解决当前随钻测量仪器中短节间电能、信号传输采用的导线式、滑环式结构所带来的结构复杂、安全性和稳定性差等缺点，基于电磁耦合技术和载波通讯原理，实现随钻测量仪器短节之间非接触电能、信号传输，提高碎成测量仪器电能、信号传输的安全性、稳定性和可扩展性，降低维修成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，基于电磁耦合技术和载波通讯理论，在随钻测量仪器短节连接处构建旋转式无线电能、信号传输系统，实现短节之间安全、稳定地进行电能传递和信息交互，由电能转换电路、载波通讯电路和电磁耦合机构组成。其中，电能转换电路包括整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块、电能拾取模块和功率变换模块，整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块放置在电源短节壳体的密封舱中，电能拾取模块和功率变换模块放置在控制短节壳体的密封舱中，泥浆脉冲发电机产生的低频交流电能经整流滤波模块和DC-DC模块后产生稳定的直流电能输出至高频逆变模块，高频逆变模块将直流电能转换为高频交流电能输出至电磁耦合机构，由电磁耦合机构以非接触方式传递至控制短节，电能拾取模块和功率调节模块对接收到的高频交流电能进行处理，为各类负载提供稳定的直流电能。载波通讯电路包括调制模块、解调模块、单片机、监控模块和存储模块，放置于电源短节和控制短节的密封舱中，由调制模块将单片机发出的二进制信息调制到电源线上，输出至电磁耦合机构进行传输，由解调模块将电源线上传递的信息解调成二进制信息，输出至单片机中进行处理，由监控模块对单片机运行状态进行实时监控，由存储模块对短节交互信息和系统状态信息进行实时存储，实现短节之间信息的实时交互。电磁耦合机构包括初级磁芯、初级绕组、次级磁芯、次级绕组，初级绕组绕制于初级磁芯上，初级磁芯固定在电源短节上，钻进过程中随电源短节一起旋转，次级绕组绕制于次级磁芯上，次级磁芯固定在控制短节上，钻进过程中随控制短节保持静止，实现电能、信号的旋转式非接触传输。
所述电能转换电路的整流滤波模块采用三相全桥整流电路和电容滤波方式，实现泥浆脉冲发电机输出的低频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至DC-DC模块。
所述电能转换电路的DC-DC模块采用反激式开关电源方式，对整流滤波模块输出的直流电能进行直流-直流变换，输出稳定的直流电能至高频逆变模块，并为电源短节各短路模块提供稳定的直流电源。
所述电能转换电路的高频逆变模块采用电压型全桥逆变器电路，将DC-DC模块输出的稳定直流电能转换为高频交流电能，经电源线输出至电磁耦合机构的初级绕组侧，同时作为载波通讯电路的高频载波信号输出至载波通讯电路调制模块的输入端。
所述电能转换电路的电能拾取模块采用单相全桥型整流电路和电容滤波方式，将电磁耦合机构次级绕组输出的高频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至功率调节模块。
所述电能转换电路的功率调节模块采用Buck型降压电路，对电能拾取模块输出的直流电能进行功率调节，满足各类负载工作需求。
所述载波通讯电路采用数字频率调制方式，单片机发出的二进制信号由调制模块调制成频率信号输出至电磁耦合机构，经电磁耦合机构传输的调频信号由解调模块解调成二进制信号输出至单片机进行处理，单片机采用89C52系列芯片及其外围电路，调制模块采用XR2206芯片及其外围电路，解调模块采用XR2211芯片及其外围电路。
所述载波通讯电路的监控模块采用X25045芯片及其外围电路，用于对单片机的运行状态进行实时监控和复位操作，存储模块采用M25P16芯片及其外围电路，用于对电源短节和控制短节的交互信息和系统的运行状态信息进行实时存储。
所述电磁耦合机构的初级磁芯和次级磁芯采用同轴圆环式结构，两圆环对应横截面积相等，截面间气隙宽度为2mm～5mm，初级磁芯固定在电源短节上，钻进时随电源短节一起旋转，次级磁芯固定在控制短节上，钻进时随控制短节保持静止。
所述电磁耦合机构的初级绕组与次级绕组采用松耦合连接方式，分别绕制于初级磁芯和次级磁芯上，均采用反向绕制方式。
本发明的有益效果是：通过电源短节中电能转换电路将泥浆脉冲发电机产生的低频交流电能进行交流-直流-交流变换，由电磁耦合机构以非接触方式将电能传输至控制短节，实现了随钻测量仪器短节之间电能的无线传输，通过载波通讯电路对待传输信号进行调制、解调、分析和处理，实现随钻测量仪器短节之间信息的无线交互。该系统降低了短节之间连接机构的复杂性，消除了导线式和滑环式连接方式存在的不安全因素和隐患，提高了随钻测量仪器电能、信号传输的稳定性、安全性和可扩展性。
附图说明
图1为本发明的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统示意图。
图2为本发明的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统载波通讯电路示意图。
图3为本发明的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统数字调频技术波形图。
图4为本发明的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统电磁耦合机构示意图。
具体实施方式
本发明的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，基于电磁耦合技术和载波通讯理论，在随钻测量仪器短节连接处构建旋转式无线电能、信号传输系统，实现短节之间安全、稳定地进行电能传递和信息交互，由电能转换电路、载波通讯电路和电磁耦合机构组成。其中，电能转换电路包括整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块、电能拾取模块和功率变换模块，整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块放置在电源短节壳体的密封舱中，电能拾取模块和功率变换模块放置在控制短节壳体的密封舱中，泥浆脉冲发电机产生的低频交流电能经整流滤波模块和DC-DC模块后产生稳定的直流电能输出至高频逆变模块，高频逆变模块将直流电能转换为高频交流电能输出至电磁耦合机构，由电磁耦合机构以非接触方式传递至控制短节，电能拾取模块和功率调节模块对接收到的高频交流电能进行处理，为各类负载提供稳定的直流电能。载波通讯电路包括调制模块、解调模块、单片机、监控模块和存储模块，放置于电源短节和控制短节的密封舱中，由调制模块将单片机发出的二进制信息调制到电源线上，输出至电磁耦合机构进行传输，由解调模块将电源线上传递的信息解调成二进制信息，输出至单片机中进行处理，由监控模块对单片机运行状态进行实时监控，由存储模块对短节交互信息和系统状态信息进行实时存储，实现短节之间信息的实时交互。电磁耦合机构包括初级磁芯、初级绕组、次级磁芯、次级绕组，初级绕组绕制于初级磁芯上，初级磁芯固定在电源短节上，钻进过程中随电源短节一起旋转，次级绕组绕制于次级磁芯上，次级磁芯固定在控制短节上，钻进过程中随控制短节保持静止，实现电能、信号的旋转式非接触传输。
所述电能转换电路的整流滤波模块采用三相全桥整流电路和电容滤波方式，实现泥浆脉冲发电机输出的低频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至DC-DC模块。
所述电能转换电路的DC-DC模块采用反激式开关电源方式，对整流滤波模块输出的直流电能进行直流-直流变换，输出稳定的直流电能至高频逆变模块，并为电源短节各短路模块提供稳定的直流电源。
所述电能转换电路的高频逆变模块采用电压型全桥逆变器电路，将DC-DC模块输出的稳定直流电能转换为高频交流电能，经电源线输出至电磁耦合机构的初级绕组侧，同时作为载波通讯电路的高频载波信号输出至载波通讯电路调制模块的输入端。
所述电能转换电路的电能拾取模块采用单相全桥型整流电路和电容滤波方式，将电磁耦合机构次级绕组输出的高频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至功率调节模块。
所述电能转换电路的功率调节模块采用Buck型降压电路，对电能拾取模块输出的直流电能进行功率调节，满足各类负载工作需求。
所述载波通讯电路采用数字频率调制方式，单片机发出的二进制信号由调制模块调制成频率信号输出至电磁耦合机构，经电磁耦合机构传输的调频信号由解调模块解调成二进制信号输出至单片机进行处理，单片机采用89C52系列芯片及其外围电路，调制模块采用XR2206芯片及其外围电路，解调模块采用XR2211芯片及其外围电路。
所述载波通讯电路的监控模块采用X25045芯片及其外围电路，用于对单片机的运行状态进行实时监控和复位操作，存储模块采用M25P16芯片及其外围电路，用于对电源短节和控制短节的交互信息和系统的运行状态信息进行实时存储。
所述电磁耦合机构的初级磁芯和次级磁芯采用同轴圆环式结构，两圆环对应横截面积相等，截面间气隙宽度为2mm～5mm，初级磁芯固定在电源短节上，钻进时随电源短节一起旋转，次级磁芯固定在控制短节上，钻进时随控制短节保持静止。
所述电磁耦合机构的初级绕组与次级绕组采用松耦合连接方式，分别绕制于初级磁芯和次级磁芯上，均采用反向绕制方式。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，泥浆脉冲发电机(即交流电源1)产生的三相交流电输出至电能转换电路2，电能转换电路2的整流滤波模块21采用三相全桥型整流电路和电容滤波方式，将交流电压转换为直流电压，输出至电能转换电路2的DC-DC模块22，DC-DC模块22进行直流-直流变换，向高频逆变模块23提供电压稳定的连续直流电能，并为载波通讯电路提供稳定直流电源，高频逆变模块23采用功率MOSFET管IFR360作为主开关管，采用电压型全桥逆变器电路将直流电能转换成高频交流电能，同时该高频交流电能作为载波信号，对待传输信号进行调制，并输出至电磁耦合机构4的初级绕组41。电磁耦合机构4的次级绕组42通过电磁耦合接收初级绕组41发出的能量，输出至电能转换电路2的电能拾取模块24，电能拾取模块24采用单相全桥型整流电路和电容滤波方式，用于将次级绕组42输出的高频交流电能转换为直流电能并输出至电能转换电路2的功率调节模块25，功率调节模块采用Buck型降压电路，控制功率从次级绕组42向负载9的传输，满足各类负载9的供电需求。图1中8为地线。
如图2所示，载波通讯电路4用于将短节间交互的信息调制到电源线7上，以基于电磁耦合的无线方式随电能一起进行传递，其中单片机31采用80C52系列芯片，用于将二进制信号传送至调制电路32，接收经解调电路33解调的二进制信号并进行处理，调制电路32采用XR2206芯片及其外围电路，用于将单片机31输出的二进制信号调制成频率信号传送至电源线7上，解调电路33采用XR2211芯片及其外围电路，用于将电源线7上的调制信号解调为二进制信号传送至单片机31进行处理，监控电路34采用X25045芯片及其外围电路，用于对单片机31运行状态进行实时监控及复位操作，存储电路35采用M25P16存储芯片，用于对短节交互信息及系统运行状态信息进行实时存储。
如图3所示，s(t)为单片机31输出的二进制信号，为s(t)取反后得到的二进制信号，用载波信号f1对s(t)进行调制，f1频率选为150KHz，用载波信号f2对进行调制，f2频率选为124KHz，对s(t)调制后的信号为s′(t)。
如图4所示，电源短节5随中心轴10钻进过程中一起旋转，控制短节6保持静止，电能转换电路2和载波通讯电路3密封于电源短节5和控制短节6的壳体内，初级磁芯43与电源短节5相连，次级磁芯44与控制短节6相连，初级绕组41和次级绕组42分别反向绕制于初级磁芯43和次级磁芯44上，气隙宽度45保持在2mm～5mm之间。
交流电源1产生的三相交流电压范围在40V～150V之间，经电能转换机构2进行高频逆变，在电源短节5的初级绕组41上产生高频电流，控制短节6端的次级绕组通过电磁耦合接收初级绕组41发出的能量，经过能量调节后为负载9提供稳定的36V直流电压，电源短节5与控制短节6之间的信息交互由载波通讯电路3实现，通过将待传输的信号调制到高频逆变后的电源线7上，接收端对调制信号进行解调和处理，实现短节间信息的无线通讯。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，基于电磁耦合技术和载波通讯理论，在随钻测量仪器短节连接处构建旋转式无线电能、信号传输系统，实现短节之间安全、稳定地进行电能传递和信息交互，其特征是：旋转式无线电能、信号传输系统包括电能转换电路、载波通讯电路和电磁耦合机构；所述电能转换电路包括整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块、电能拾取模块和功率变换模块，整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变模块放置在电源短节壳体的密封舱中，电能拾取模块和功率变换模块放置在控制短节壳体的密封舱中，泥浆脉冲发电机产生的低频交流电能经整流滤波模块和DC-DC模块后产生稳定的直流电能输出至高频逆变模块，高频逆变模块将直流电能转换为高频交流电能输出至电磁耦合机构，由电磁耦合机构以非接触方式传递至控制短节，电能拾取模块和功率调节模块对接收到的高频交流电能进行处理，为各类负载提供稳定的直流电能；所述载波通讯电路包括调制模块、解调模块、单片机、监控模块和存储模块，放置于电源短节和控制短节的密封舱中，由调制模块将单片机发出的二进制信息调制到电源线上，输出至电磁耦合机构进行传输，由解调模块将电源线上传递的信息解调成二进制信息，输出至单片机中进行处理，由监控模块对单片机运行状态进行实时监控，由存储模块对短节交互信息和系统状态信息进行实时存储，实现短节之间信息的实时交互；所述电磁耦合机构包括初级磁芯、初级绕组、次级磁芯、次级绕组，初级绕组绕制于初级磁芯上，初级磁芯固定在电源短节上，钻进过程中随电源短节一起旋转，次级绕组绕制于次级磁芯上，次级磁芯固定在控制短节上，钻进过程中随控制短节保持静止，实现电能、信号的旋转式非接触传输。
2.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电能转换电路的整流滤波模块采用三相全桥整流电路和电容滤波方式，实现泥浆脉冲发电机输出的低频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至DC-DC模块。
3.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电能转换电路的DC-DC模块采用反激式开关电源方式，对整流滤波模块输出的直流电能进行直流-直流变换，输出稳定的直流电能至高频逆变模块，并为电源短节各短路模块提供稳定的直流电源。
4.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电能转换电路的高频逆变模块采用电压型全桥逆变器电路，将DC-DC模块输出的稳定直流电能转换为高频交流电能，经电源线输出至电磁耦合机构的初级绕组侧，同时作为载波通讯电路的高频载波信号输出至载波通讯电路调制模块的输入端。
5.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电能转换电路的电能拾取模块采用单相全桥型整流电路和电容滤波方式，将电磁耦合机构次级绕组输出的高频交流电能转换为直流电能，经电源线输出至功率调节模块。
6.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电能转换电路的功率调节模块采用Buck型降压电路，对电能拾取模块输出的直流电能进行功率调节，满足各类负载工作需求。
7.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述载波通讯电路采用数字频率调制方式，单片机发出的二进制信号由调制模块调制成频率信号输出至电磁耦合机构，经电磁耦合机构传输的调频信号由解调模块解调成二进制信号输出至单片机进行处理，单片机采用89C52系列芯片及其外围电路，调制模块采用XR2206芯片及其外围电路，解调模块采用XR2211芯片及其外围电路。
8.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述载波通讯电路的监控模块采用X25045芯片及其外围电路，用于对单片机的运行状态进行实时监控和复位操作，存储模块采用M25P16芯片及其外围电路，用于对电源短节和控制短节的交互信息和系统的运行状态信息进行实时存储。
9.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电磁耦合机构的初级磁芯和次级磁芯采用同轴圆环式结构，两圆环对应横截面积相等，截面间气隙宽度为2mm～5mm，初级磁芯固定在电源短节上，钻进时随电源短节一起旋转，次级磁芯固定在控制短节上，钻进时随控制短节保持静止。
10.根据权利要求1所述的用于随钻测量仪器的旋转式无线电能、信号传输系统，其特征是：所述电磁耦合机构的初级绕组与次级绕组采用松耦合连接方式，分别绕制于初级磁芯和次级磁芯上，均采用反向绕制方式。
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