CN110994808B - 用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置及充电方法，其中用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置包括地面主机、投捞仪部分、井下装置，地面主机与投捞仪通过电缆连接，投捞仪下端设置原边能量发射线圈；投捞仪部分包含DC‑DC降压模块、控制模块、电压电流相位检测模块、驱动电路、高频逆变电路、原边补偿电路、无线通讯模块投捞仪端、电力载波通讯投捞仪端；井下装置包含副边能量拾取线圈、副边补偿电路、电池组；电池组充电时，随着投捞仪的下放，原边能量发射线圈同轴套入副边能量拾取线圈中充电，充电完成后，将原边能量发射线圈从井内提出。本发明在井下使用电磁感应耦合供电技术给电池充电，工作量少且简单。

Description

用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置及充电方法

技术领域：

本发明涉及的是一种电磁感应耦合充电技术，具体涉及的是用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置及充电方法。

背景技术：

现在的精细分层注水技术是在生产井内安装压力、温度、流量监控设备，并能够对监控数据进行综合分析，通过流量控制设备在地面对油层流出、流入的液流进行控制。从电能供应角度划分，现有配水分注工艺包括两种形式，一种是有缆式，井下电控设备通过电缆与地面主机连接，从地面可以随时传递信号控制井下装置的各种操作，同时将井下数据传递到地面。这种方式可实现远程遥控，但由于增加了电缆，增加了成本，且维护一次工作周期长。另一种形式是无缆式，井下配产器预置电池，给配产器供电，电机带动水嘴来控制各油层的配水情况，借助压力波来进行信号传输，但是预制于井下的电池电量有限，电量使用完后，必须把整节管柱取出，工作量大，配产器工作寿命短。

发明内容：

本发明的一个目的是提供用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置，这种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置用于解决井下用电设备成本高、维护周期长或电池不能充电，使用后取出工作量大的问题，本发明的另一个目的是提供这种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置的充电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置包括地面主机、投捞仪部分、井下装置，地面主机与投捞仪通过电缆连接，投捞仪下端设置原边能量发射线圈，井下装置设置于套管内； 地面主机包含直流电源、电力载波井上端；投捞仪部分包含DC-DC降压模块、控制模块、电压电流相位检测模块、驱动电路、高频逆变电路、原边补偿电路、无线通讯模块投捞仪端、电力载波通讯投捞仪端，井下装置包含副边能量拾取线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、电池组、电压电流检测模块、信号处理模块、无线通讯模块井下端；

圆柱形磁芯有中心孔，四氟乙烯支撑架为丁字型的，四氟乙烯支撑架的竖直部分穿过中心孔插入支撑头中，原边能量发射线圈缠绕于圆柱形磁芯外，支撑头处设置卡槽，温度传感器安装于卡槽中；副边能量拾取线圈置于井下配产器上，副边能量拾取线圈缠绕四氟乙烯骨架上，四氟乙烯骨架为筒形的，筒形磁芯内壁的两端具有环形卡台，筒形磁芯包绕在副边能量拾取线圈外，且其两端环形卡台分别套四氟乙烯骨架两端；原边能量发射线圈直径小于副边能量拾取线圈，电池组充电时，随着投捞仪的下放，原边能量发射线圈同轴套入副边能量拾取线圈中，实现电磁感应耦合充电，充电完成后，通过将投捞仪上提，将原边能量发射线圈从井内提出。

上述方案中充电线圈采用螺线管式，圆柱形磁芯及筒形磁芯均为锰锌功率型铁氧体磁芯。

上述方案中原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的外壁上均留有小孔，方便水进入，平衡压力，原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈均浸于井下液体环境中。

上述用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置的充电方法：

装置工作时，地面主机上电，通过电缆供电投捞仪，此时原边电路输入电压为试充电电压，向井内下放投捞仪，地面主机和投捞仪进行电力载波通信检测，同时开启无线通讯模块投捞仪端，投捞仪通过电缆长度和井下装置进行粗定位，此时，无线通讯模块投捞仪端和无线通讯模块井下端接驳，开启投捞仪充电开关，进入试充电状态，随着电缆缓缓下放，原边能量发射线圈通过电磁耦合感应到副边能量拾取线圈，通过电缆调整投捞仪位置，从试充电空载状态到试充电最大负载状态，固定电缆，投捞仪精准定位成功，切换地面主机电压至正常充电电压，电磁感应耦合充电装置开始工作，原边电路、副边电路均设置补偿网络，以提高装置电能传输功率和效率，副边电路采用串联电容补偿方式，原边电路采用复合拓扑补偿方式，原边串联电容补偿时，电池恒流充电，原边并联电容补偿时，电池恒压充电，通过控制模块切换；为保证电路稳定工作，设置反馈环节，采集原边能量发射线圈电流电压以及相位信号反馈到控制模块，控制模块改变频率调整充电频率；为保证电池充电状态正常，反馈电池信息到控制模块；温度传感器采集温度信息，联同电压电流数据一同传到地面主机。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明在井下，使用电磁感应耦合供电技术给电池充电，仅仅只需要往井下投放一节投捞仪，工作量少且简单，大大延长了井下用电装置的使用周期。

2、本发明采用非接触供电技术由于实现了电源和用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活等传统电能传输方式无可比拟的优点。

3、 本发明通过设计磁路结构、优化电路结构、改良控制手段等方法，使井下充电稳定可靠，电能传输效率、传输功率都大大提升。

四、附图说明：

图1为电磁感应耦合充电装置系统结构示意图；

图2为系统功能模块框图；

图3 为电能传输线圈部分结构图；

图4为原边能量发射线圈磁芯结构图；

图5为副边能量拾取线圈磁芯结构图；

图6为电磁感应耦合充电系统电路拓扑图。

图中：1电缆，2投捞仪电路板腔，3副边能量拾取线圈，4原边能量发射线圈，5电池腔，6副边电路板腔，7圆柱形磁芯，8四氟乙烯支撑架，9支撑头，10卡槽，11筒形磁芯，12地面主机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，这种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置包括地面主机12、投捞仪部分、井下装置，地面主机12与投捞仪通过电缆1连接，投捞仪下端设置原边能量发射线圈4，井下装置设置于套管内；地面主机12包含直流电源、电力载波井上端；投捞仪部分包含DC-DC降压模块、控制模块、电压电流相位检测模块、驱动电路、高频逆变电路、原边补偿电路、无线通讯模块投捞仪端、电力载波通讯投捞仪端均设置在投捞仪电路板腔2内，其中驱动电路、高频逆变电路、原边补偿电路构成原边电路；井下装置设置电池腔5和副边电路板腔6，电池组置于电池腔5内，副边补偿电路、整流滤波电路、电压电流检测模块、信号处理模块、无线通讯模块井下端均设置在副边电路板腔6内，整流滤波电路、副边补偿电路构成副边电路，副边能量拾取线圈3和充电电池（电池组）置于井下，和井下用电设备接驳，原边能量发射线圈4装于投捞仪上，投捞仪通过电缆1和地面主机12相连，原、副边电路通过无线通讯模块通信，投捞仪和地面主机12之间通过电力载波模块通信。

工作时，投捞仪下放入井中，到达预定位置，地面主机12通过电力载波控制充电装置原边电路控制模块开启充电，井下电路通过无线通讯和电力载波通信把充电装置数据实时传给地面主机12。

本发明的工作原理：电磁感应耦合原理，综合利用现代电力电子技术，磁场耦合技术及大功率高频交换技术(包括谐振变换技术和电磁兼容技术等)，借助现代控制理论和策略，实现非接触给井下锂电池充电。

参阅图4，圆柱形磁芯7有中心孔，既减少充电过程的涡流发热，又利于安装，四氟乙烯支撑架8为丁字型的，四氟乙烯支撑架8的竖直部分穿过中心孔插入支撑头9中，原边能量发射线圈4缠绕在圆柱形磁芯7外，主体部分直径30mm，线圈缠绕在此部位，上下端直径为35mm，端部用于疏导磁力线，增强和副边线圈的磁耦合强度。支撑头9处设置卡槽10，温度传感器安装于卡槽10中。

副边能量拾取线圈3置于井下配产器上，参阅图5，副边能量拾取线圈3缠绕在四氟乙烯骨架上，四氟乙烯骨架为筒形的，筒形磁芯11内壁的两端具有环形卡台，筒形磁芯11包绕在副边能量拾取线圈3外，且其两端环形卡台分别套四氟乙烯骨架两端，紧贴线圈端部，圆柱薄壁型磁芯把整个副边线圈包含在内，这样筒形磁芯11结构设计为三段，可以和原边线圈相吻合，降低磁阻，减少漏磁，从结构上也易于加工。

针对井下环境，设计磁芯结构，使整个电磁感应耦合电能传输线圈包含于磁芯圆柱内，增加了原副边线圈耦合系数。线圈导线采用运用于井下环境的三层绝缘线，为适应井下的高压环境，原副边线圈外壁上均留有小孔，方便水进入，平衡压力，原边能量发射线圈4和副边能量拾取线圈3均浸于井下液体环境中。

如图3所示，原边能量发射线圈4直径小于副边能量拾取线圈3，电池组充电时，随着投捞仪的下放，原边能量发射线圈4同轴套入副边能量拾取线圈3中，实现电磁感应耦合充电，充电完成后，通过将投捞仪上提，将原边能量发射线圈4从井内提出。

电磁感应耦合电能传输线圈（原边能量发射线圈4和副边能量拾取线圈3）采用采用螺线管式，原副边线圈均有磁芯结构，磁芯材料为锰锌功率型铁氧体，特有的磁路结构提高了线圈耦合系数。电磁感应耦合电能传输线圈也称为电磁感应耦合器。

原副边电路均设置补偿，提高装置电能传输功率，副边电路采用串联电容补偿方式；原边电路采用复合拓扑补偿方式，原边电路串联电容补偿时，电池恒流充电，原边电路并联电容补偿时，电池恒压充电，通过控制模块切换。

为保证稳定工作，设置反馈环节，采集原边线圈电流电压以及相位信息反馈到控制模块，控制模块改变频率调整充电频率；为保证电池充电状态正常，通过无线通信模块建立采集电池电压电流信息。

电磁感应耦合充电装置置于井下液体环境中，液体介质环境相对磁导率受温度影响，温度传感器采集温度信息，反馈到控制模块。

投捞仪上有无线通讯模块，用来和井下装置通讯，电力载波模块，可以在电缆带电条件下和地面主机通讯，由无线通讯和电力载波模块组成的通讯环节，可以让地面主机12实时掌握井下非充电装置的状态。

如图6所示，高频逆变电路为全桥逆变电路，开关管为IRFP260N型功率MOSFET，整流滤波电路采用全桥整流，整流二极管采用SS560肖特基型高速二极管，电容滤波。为补偿系统无功功率，需设计补偿电路，副边电路采用电容串联补偿，为降低损耗，使电池充电功率达到最大，电池组直接接于副边滤波电路上。锂离子电池最佳充电方式为恒流恒压充电方式，电压低时采用恒流充电方式，高于额定充电电压，则进入恒压充电模式。本发明通过控制原边电路，切换补偿结构的手段达到恒流充电和恒压充电的目的，如图6，原边串联补偿时，此时闭合开关

,断开

和

，整个系统是串串补偿方式，输出恒流；当电压达到电池充电电压上限，电路切换，此时断开开关

，闭合

和

，系统补偿结构为并串补偿，恒压输出，电池恒压充电。

如图2所示，控制模块接受原边线圈电压电流相位信号，同时通过无线通讯模块接受副边电池的电压电流信号，构成双反馈。原边线圈电压电流以及相位信号进入控制模块，可以检测电路无功功率，控制模块通过调整驱动信号调整系统工作频率，可以改变原边发射线圈电压电流相位，从而提高系统传输功率。电池充电的电压电流信号通过无线通讯模块，进入控制模块，用来判别电池组所处状态，进而进行电路补偿结构的切换，同时构成整个系统的完整反馈环节，通过PI控制，通过调整驱动信号的频率，保持整个系统的稳定工作。

进行电磁感应耦合充电时，地面主机12直流电源上电至电路正常工作最低电压，定义此时为试充电状态，下放投捞仪，地面主机12和投捞仪进行电力载波通信检测，同时开启投捞仪无线通讯模块，投捞仪通过下放的电缆长度和井下装置进行粗定位，此时，无线模块和井下装置无线模块接驳，地面主机12收到信号，通讯系统开始正常工作，开启投捞仪充电开关，进入试充电状态下的空载状态，随着电缆1缓缓下放，原边线圈通过电磁耦合感应到副边线圈，通过电缆调整投捞仪位置，从试充电空载状态到试充电最大负载状态，固定电缆，投捞仪精准定位成功。地面主机12可以收到电压电流温度等信号，试机正常，切换地面主机电压至正常充电电压，进入正式充电状态，电磁感应耦合充电装置开始工作，此时为恒流充电，当电池电压到达充电电压上限，切换原边补偿电路，进入恒压充电，当充电电流低于充电结束电流时，电池充满。此时，地面主机12收到信号，切换电压至试充电状态，持续接收电压电流等数据，等待约10min，电池电压稳定，断开地面主机开关，收回投捞仪，完成充电工作。

Claims (3)

1.一种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置，其特征在于：这种用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置包括地面主机、投捞仪、井下装置，地面主机与投捞仪通过电缆连接，投捞仪下端设置原边能量发射线圈，井下装置设置于套管内；地面主机包含直流电源、电力载波井上端；投捞仪包含DC-DC降压模块、控制模块、电压电流相位检测模块、驱动电路、高频逆变电路、原边补偿电路、无线通讯模块投捞仪端、电力载波通讯投捞仪端均设置在投捞仪上，井下装置包含副边能量拾取线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、电池组、电压电流检测模块、信号处理模块、无线通讯模块井下端；

圆柱形磁芯通过四氟乙烯支撑架固定在投捞仪上，圆柱形磁芯有中心孔，四氟乙烯支撑架为丁字型的，四氟乙烯支撑架的竖直部分穿过中心孔插入支撑头中，原边能量发射线圈缠绕于圆柱形磁芯外，支撑头处设置卡槽，温度传感器安装于卡槽中；副边能量拾取线圈置于井下装置上，副边能量拾取线圈缠绕四氟乙烯骨架上，四氟乙烯骨架为筒形的，筒形磁芯内壁的两端具有环形卡台，筒形磁芯包绕在副边能量拾取线圈外，且其两端环形卡台分别套四氟乙烯骨架两端；原边能量发射线圈绕组直径小于副边能量拾取线圈，电池组充电时，随着投捞仪的下放，原边能量发射线圈同轴套入副边能量拾取线圈中，实现非接触电磁耦合充电，充电完成后，通过将投捞仪上提，将原边能量发射线圈从井内提出；

工作时，地面主机上电，通过电缆供电投捞仪，此时所述用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置输入电压为试充电电压，向井内下放投捞仪，地面主机和投捞仪进行电力载波通信检测，同时开启无线通讯模块投捞仪端，投捞仪通过电缆长度和井下装置进行粗定位，此时，无线通讯模块投捞仪端和无线通讯模块井下端接驳，开启投捞仪充电开关，充电装置进入试充电状态，随着电缆缓缓下放，原边能量发射线圈通过电磁耦合感应到副边能量拾取线圈，通过电缆调整投捞仪位置，电路从试充电空载状态到试充电最大负载状态，固定电缆，投捞仪精准定位成功，切换地面主机电压至正常充电电压，非接触充电装置进入正式充电状态，电磁感应耦合充电装置开始工作；为提高装置电能传输功率和效率，原边能量发射线圈和高频逆变电路之间装有原边补偿电路，副边能量拾取线圈和整流滤波电路之间装有副边补偿电路，副边补偿电路采用串联电容补偿方式，原边补偿电路采用既可串联电容补偿又可并联电容补偿的复合拓扑补偿方式，控制模块通过控制开关

、开关

、开关

的开合状态进行切换，切换到原边串联电容补偿时，充电装置恒流输出，电池恒流充电，切换到原边并联电容补偿时，充电装置恒压输出，电池恒压充电；为保证非接触电磁耦合电路稳定工作，设置反馈环节，采集原边能量发射线圈电流电压以及相位信号反馈到控制模块，控制模块改变频率调整充电频率；为保证电池充电状态正常，通过无线通信模块反馈电池信息到控制模块；温度传感器采集温度信息，联同电压电流数据通过电力载波一同传到地面主机。

2.根据权利要求1所述的用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置，其特征在于：所述的原边能量发射线圈和副边能量拾取采用螺线管式，圆柱形磁芯及筒形磁芯均为锰锌功率型铁氧体磁芯。

3.根据权利要求2所述的用于油田井下环境中的电磁感应耦合充电装置，其特征在于：所述的原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈的外壁上均留有小孔，方便水进入，平衡压力，原边能量发射线圈和副边能量拾取线圈均浸于井下液体环境中。

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