CN115664053A - 一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法及装置，属于涉及油田开发技术领域。所述一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输工具，包括无线传能内筒与无线传能外筒两部分组成。所述非接触式电能传输基于磁谐振耦合原理，无线电能传输原理为电磁感应式无线传能系统。电磁感应式无线传能系统则是采用分离变压器原理实现无线电能传输。非接触式信号传输采用两路不同频段的方式进行无线信号与电能的传输方法。该方法实现生产管柱与配产管柱之间的非接触式电能与信号传输。在厘米量级的短距离范围内具有传输效率高、传输功率大、稳定可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及油田开发技术领域，特别涉及一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法及装置。
背景技术
油田的修井作业，指的是石油钻井以及后续油井维护的一种作业，为了确保油井能顺利使用，而采取的维护和保养措施。
丢手工具自1996年研制成功以来，广泛的运用于套管内的油井分层开采及卡气、卡水，该套技术的实施缩短了油井的修井作业时间。
油田在修井作业中，为保障生产管柱与配产管柱在检泵修井前后均能可靠工作，必须在生产管柱与配产管柱之间设置类似“丢手”的电能与信号传输工具。 但在井下长期工作过程中，类似“丢手”的电能与信号传输工具对接后的密封可靠性难以保障，且难以保证电能与信号的可靠传输。
因此，急需提供一种对接简单可靠、传输效率高的井下无线传能装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法及装置，实现生产管柱与配产管柱之间的对接。具备对接简单可靠、传输效率高等特性。极大地提高了非接触式能量的传输效率和传输距离。
一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，所述方法包括：
采用内筒电缆获取地面电能和载波信号；
采用内筒电路板对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
带信号的高频交流电流经内筒初级线圈传递至电磁耦合的外筒次级线圈，其中电能经过外筒电路板整流滤波后输出为直流电传输至地下配套设备使用，信号经过外筒电路板进行解析，实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
进一步的，所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈传递至电磁耦合的外筒次级线圈，包括：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
进一步的，所述实现地下配套设备与地面的无线通信，具体包括：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板对载波信号进行调制，经过外筒电路板进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板对载波信号进行调制，经过内筒电路板进行解析信号，并传递至地面控制中心。
进一步的，所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈传递至电磁耦合的外筒次级线圈，具体包括：
电能传输基于磁谐振耦合原理，信号传输为电磁感应式。
一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，所述装置包括：上下连接的无线传能内筒与无线传能外筒；
所述无线传能内筒包括内筒电缆、内筒电路板和内筒初级线圈；
所述无线传能外筒包括外筒次级线圈和外筒电路板；
内筒电缆，用于获取地面电能和载波信号；
内筒电路板与内筒电缆电连接，内筒电路板用于对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
内筒初级线圈与内筒电路板电连接，内筒初级线圈用于将带信号的高频交流电流传递至外筒次级线圈；
外筒次级线圈与内筒初级线圈电磁感应耦合；
外筒电路板与外筒次级线圈电连接，用于整流滤波输出为直流电传输至地下配套设备使用，进行解析信号实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
进一步的，所述外筒次级线圈与内筒初级线圈，具体用于：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
进一步的，所述内筒电路板和外筒电路板，具体用于：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板对载波信号进行调制，经过外筒电路板进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板对载波信号进行调制，经过内筒电路板进行解析信号，并传递至地面控制中心。
进一步的，所述无线传能内筒还包括内筒上接头、内筒连接件、内筒中心过液管、内筒电路板外壳体和内筒主体；
所述内筒上接头与生产管柱通过螺纹连接，内筒电缆穿过内筒上接头与内筒电路板连接；
所述内筒连接件上部与内筒上接头通过螺纹连接，下部与内筒电路板外壳体通过螺纹连接；
所述内筒电路板固定在内筒中心过液管上；
所述内筒电路板外壳体与内筒主体通过螺纹连接；
所述内筒初级线圈缠绕于内筒主体内部。
进一步的，所述无线传能外筒还包括外筒主体、外筒主体连接件、外筒中心过液管、外筒电路板外壳体、外筒电缆、外筒连接件和外筒下接头；
所述外筒次级线圈缠绕于外筒主体内部；
所述外筒主体连接件上部与外筒主体通过螺纹连接，下部与外筒电路板外壳体通过螺纹连接；
所述外筒电路板固定在外筒中心过液管上；
所述外筒电路板外壳体与外筒连接件通过螺纹连接；
所述外筒下接头与外筒连接件通过螺纹连接；外筒电缆穿过外筒下接头与外筒电路板连接；外筒下接头与配产管柱通过螺纹连接。
进一步的，所述无线传能的无线传能内筒与无线传能外筒连接成一体后，内筒初级线圈与外筒次级线圈形成感应单元，用于实现非接触式电能与信号传输。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：该方法实现生产管柱与配产管柱之间的非接触式电能与信号传输。在厘米量级的短距离范围内具有传输效率高、传输功率大、稳定可靠的优点。保障生产管柱与配产管柱在检泵修井前后均能可靠工作，生产管柱与配产管柱对接简单可靠、电能与信号传输效率高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的无线传能内筒示意图；
图2为本发明实施例提供的无线传能外筒示意图；
图3为本发明实施例提供的无线传输工具装配示意图。
附图中：1-内筒上接头，2-内筒电缆，3-内筒连接件，4-内筒中心过液管，5-内筒电路板，6-内筒电路板外壳体，7-内筒主体，8-内筒初级线圈，9-外筒主体，10-外筒次级线圈，11-外筒主体连接件，12-外筒中心过液管，13-外筒电路板，14-外筒电路板外壳体，15-外筒电缆，16-外筒连接件，17-外筒下接头，18-感应单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
油田在修井作业中，为保障生产管柱与配产管柱在检泵修井前后均能可靠工作，必须在生产管柱与配产管柱之间设置类似“丢手”的电能与信号传输工具。 但在井下长期工作过程中，类似“丢手”的电能与信号传输工具对接后的密封可靠性难以保障，且难以保证电能与信号的可靠传输。
为此，本发明提出了一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法及装置，包括一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法和一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置。
本发明实现了生产管柱与配产管柱之间的对接。具备对接简单可靠、传输效率高等特性。极大地提高了非接触式能量的传输效率和传输距离。
第一方面，本发明提供了一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，所述方法包括：
采用内筒电缆2获取地面电能和载波信号；
采用内筒电路板5对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
带信号的高频交流电流经内筒初级线圈8传递至电磁耦合的外筒次级线圈10，其中电能经过外筒电路板13整流滤波后输出为直流电传输至地下配套设备使用，信号经过外筒电路板13进行解析，实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
本实施例中，所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈8传递至电磁耦合的外筒次级线圈10，包括：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈8中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈10感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
本实施例中，所述实现地下配套设备与地面的无线通信，具体包括：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板5对载波信号进行调制，经过外筒电路板13进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板13对载波信号进行调制，经过内筒电路板5进行解析信号，并传递至地面控制中心。
本实施例中，所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈8传递至电磁耦合的外筒次级线圈10，具体包括：
电能传输基于磁谐振耦合原理，信号传输为电磁感应式。
第二方面，本发明提供了一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，所述装置包括：无线传能内筒与无线传能外筒；
所述无线传能内筒包括内筒电缆2、内筒电路板5和内筒初级线圈8；
所述无线传能外筒包括外筒次级线圈10和外筒电路板13；
内筒电缆2，用于获取地面电能和载波信号；
内筒电路板5与内筒电缆2电连接，内筒电路板5用于对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
内筒初级线圈8与内筒电路板5电连接，内筒初级线圈8用于将带信号的高频交流电流传递至外筒次级线圈10；
外筒次级线圈10与内筒初级线圈8电磁感应耦合；
外筒电路板13与外筒次级线圈10电连接，用于整流滤波输出为直流电传输至地下配套设备使用，进行解析信号实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
本实施例中，所述外筒次级线圈10与内筒初级线圈8，具体用于：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈8中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈10感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
本实施例中，所述内筒电路板5和外筒电路板13，具体用于：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板5对载波信号进行调制，经过外筒电路板13进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板13对载波信号进行调制，经过内筒电路板5进行解析信号，并传递至地面控制中心。
本实施例中，所述无线传能内筒还包括内筒上接头1、内筒连接件3、内筒中心过液管4、内筒电路板外壳体6和内筒主体7；
所述内筒上接头1与生产管柱通过螺纹连接，内筒电缆2穿过内筒上接头1与内筒电路板5连接；
所述内筒连接件3上部与内筒上接头1通过螺纹连接，下部与内筒电路板外壳体6通过螺纹连接；
所述内筒中心过液管4固定在内筒连接件3与内筒主体的定位槽处，主要保护内筒初级线圈8的作用；
所述内筒电路板5固定在内筒中心过液管4上；
所述内筒电路板外壳体6与内筒主体7通过螺纹连接；
所述内筒初级线圈8缠绕于内筒主体7内部。
本实施例中，所述无线传能外筒还包括外筒主体9、外筒主体连接件11、外筒中心过液管12、外筒电路板外壳体14、外筒电缆15、外筒连接件16和外筒下接头17；
所述外筒次级线圈10缠绕于外筒主体9内部；
所述外筒主体连接件11上部与外筒主体9通过螺纹连接，下部与外筒电路板外壳体14通过螺纹连接；
所述外筒中心过液管12固定在外筒主体连接件11与外筒连接件16的定位槽处，主要保护外筒次级线圈10的作用；
所述外筒电路板13固定在外筒中心过液管12上；
所述外筒电路板外壳体14与外筒连接件16通过螺纹连接；
所述外筒下接头17与外筒连接件16通过螺纹连接；外筒电缆15穿过外筒下接头17与外筒电路板13连接；外筒下接头17与配产管柱通过螺纹连接。
本实施例中，所述无线传能的无线传能内筒与无线传能外筒连接成一体后，内筒初级线圈8与外筒次级线圈10形成感应单元18，用于实现非接触式电能与信号传输。
具体实施时，所述非接触式信号传输采用两路不同频段式无线信号传输方法；两路不同频段式无线信号传输方法是在同一线圈通过不通频段实现电能与信号的传输。
具体实施时，本发明一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置和一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法的实现方式一一对应，在此就不赘述。
为使本领域的技术人员能更好的理解本发明，结合附图对本发明的原理阐述如下：
本发明提供了一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输工具，实现生产管柱与配产管柱之间的对接。具备对接简单可靠、传输效率高等特性。极大地提高了非接触式能量的传输效率和传输距离。
本发明实施例提供的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输工具，包括无线传能内筒与无线传能外筒两部分组成。
如图1所示，所述无线传能内筒包括内筒上接头1、内筒电缆2、内筒连接件3、内筒中心过液管4、内筒电路板5、内筒电路板外壳体6、内筒主体7、内筒初级线圈8。
所述无线传能的内筒上接头1与生产管柱通过螺纹连接，内筒电缆2穿过内筒上接头1与内筒电路板5连接，传输电能与信号。
所述无线传能的内筒连接件3上部与内筒上接头1通过螺纹连接，下部与内筒电路板外壳体6通过螺纹连接
所述无线传能的内筒电路板5固定在内筒中心过液管4上。
所述无线传能的内筒电路板外壳体6与内筒主体7通过螺纹连接。
所述无线传能的内筒初级线圈8缠绕于内筒主体7内部。
如图2所示，所述无线传能外筒包括外筒主体9、外筒次级线圈10、外筒主体连接件11、外筒中心过液管12、外筒电路板13、外筒电路板外壳体14、外筒电缆15、外筒连接件16、外筒下接头17。
所述无线传能的外筒次级线圈10缠绕于外筒主体9内部。
所述无线传能的外筒主体连接件11上部与外筒主体9通过螺纹连接，下部与外筒电路板外壳体14通过螺纹连接。
所述无线传能的外筒电路板13固定在外筒中心过液管12上。
所述无线传能的外筒电路板外壳体14与外筒连接件16通过螺纹连接。
所述无线传能的外筒下接头17与外筒连接件16通过螺纹连接。 外筒电缆15穿过外筒下接头17与外筒电路板13连接，传输电能与信号。
如图3所示，所述无线传能的无线传能内筒与无线传能外筒连接成一体后，内筒初级线圈8与外筒次级线圈10形成感应单元18，实现非接触式电能与信号传输。
所述非接触式电能传输基于磁谐振耦合原理，无线电能传输原理为电磁感应式无线传能系统，
所述电磁感应式无线传能系统则是采用分离变压器原理实现无线电能传输,在短距离范围内具有传输效率高、传输功率大、稳定可靠的优点。
所述非接触式信号传输采用两路不同频段式无线信号传输方法。两路不同频段式无线信号传输方法是在能源传输线圈通过不通频段对信号传输，高频调制式无线信号传输方法则是将数据信号调制后加载到能量传输通道上进行传输。
所述非接触式电能传输基于磁谐振耦合原理，两路不同频段电磁感应耦合系统分别实现井下电能与信号的无线传输，由此构成的系统可以有效避免无线电能传输对信号传输的干扰。
所述无线电能传输过程中，首先采用内筒电路板5对来自地面的直流电源进行整流，获得高频交流电流；然后再经由谐振补偿处理后，高频交流电流加载到内筒初级线圈8中，交变的电流产生相应的磁场。外筒次级线圈10感应磁场并耦合出交流的电信号，再经整流滤波后输出为直流电，供给至外筒电缆15传输至地下配套设备使用，由此实现了井下无线电能传输。
所述无线信号传输方面，载波通信通过内筒电缆2与地面建立双向通信，数字信号再经内筒电路板5转变成高频的交变信号，然后经内筒初级线圈8传递至外筒次级线圈10，再由外筒电路板13进行解析，最终传递给外筒电缆15。来自地下配套设备的压力、流量、温度、电流等数据同样以相同的路径传递至载波通讯单元，由此建立起井下无线双向通信系统。
本发明实现了生产管柱与配产管柱之间的非接触式电能与信号传输。在短距离范围（厘米量级）内具有传输效率高、传输功率大、稳定可靠的优点。保障生产管柱与配产管柱在检泵修井前后均能可靠工作，生产管柱与配产管柱对接简单可靠、电能与信号传输效率高。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，其特征在于，所述方法包括：
采用内筒电缆（2）获取地面电能和载波信号；
采用内筒电路板（5）对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
带信号的高频交流电流经内筒初级线圈（8）传递至电磁耦合的外筒次级线圈（10），其中电能经过外筒电路板（13）整流滤波后输出为直流电传输至地下配套设备使用，信号经过外筒电路板（13）进行解析，实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，其特征在于，
所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈（8）传递至电磁耦合的外筒次级线圈（10），包括：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈（8）中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈（10）感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，其特征在于，
所述实现地下配套设备与地面的无线通信，具体包括：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板（5）对载波信号进行调制，经过外筒电路板（13）进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板（13）对载波信号进行调制，经过内筒电路板（5）进行解析信号，并传递至地面控制中心。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输方法，其特征在于，
所述带信号的高频交流电流经内筒初级线圈（8）传递至电磁耦合的外筒次级线圈（10），具体包括：
电能传输基于磁谐振耦合原理，信号传输为电磁感应式。
5.一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，所述装置包括：上下连接的无线传能内筒与无线传能外筒；
所述无线传能内筒包括内筒电缆（2）、内筒电路板（5）和内筒初级线圈（8）；
所述无线传能外筒包括外筒次级线圈（10）和外筒电路板（13）；
内筒电缆（2），用于获取地面电能和载波信号；
内筒电路板（5）与内筒电缆（2）电连接，内筒电路板（5）用于对电能和载波信号进行调制和整流，获得带信号的高频交流电流；
内筒初级线圈（8）与内筒电路板（5）电连接，内筒初级线圈（8）用于将带信号的高频交流电流传递至外筒次级线圈（10）；
外筒次级线圈（10）与内筒初级线圈（8）电磁感应耦合；
外筒电路板（13）与外筒次级线圈（10）电连接，用于整流滤波输出为直流电传输至地下配套设备使用，进行解析信号实现地下配套设备与地面控制中心的无线通信。
6.根据权利要求5所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，
所述外筒次级线圈（10）与内筒初级线圈（8），具体用于：
带信号的高频交流电流加载到内筒初级线圈（8）中，交变的电流产生相应的磁场；外筒次级线圈（10）感应磁场并耦合出带信号的高频交流电信号。
7.根据权利要求5所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，
所述内筒电路板（5）和外筒电路板（13），具体用于：
从地面控制中心到地下配套设备的通信，信号从地面控制中心通过内筒电路板（5）对载波信号进行调制，经过外筒电路板（13）进行解析信号，并传递至地下配套设备；
从地下配套设备到地面控制中心的通信，信号从地下配套设备通过外筒电路板（13）对载波信号进行调制，经过内筒电路板（5）进行解析信号，并传递至地面控制中心。
8.根据权利要求5所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，
所述无线传能内筒还包括内筒上接头（1）、内筒连接件（3）、内筒中心过液管（4）、内筒电路板外壳体（6）和内筒主体（7）；
所述内筒上接头（1）与生产管柱通过螺纹连接，内筒电缆（2）穿过内筒上接头（1）与内筒电路板（5）连接；
所述内筒连接件（3）上部与内筒上接头（1）通过螺纹连接，下部与内筒电路板外壳体（6）通过螺纹连接；
所述内筒电路板（5）固定在内筒中心过液管（4）上；
所述内筒电路板外壳体（6）与内筒主体（7）通过螺纹连接；
所述内筒初级线圈（8）缠绕于内筒主体（7）内部。
9.根据权利要求5所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，
所述无线传能外筒还包括外筒主体（9）、外筒主体连接件（11）、外筒中心过液管（12）、外筒电路板外壳体（14）、外筒电缆（15）、外筒连接件（16）和外筒下接头（17）；
所述外筒次级线圈（10）缠绕于外筒主体（9）内部；
所述外筒主体连接件（11）上部与外筒主体（9）通过螺纹连接，下部与外筒电路板外壳体（14）通过螺纹连接；
所述外筒电路板（13）固定在外筒中心过液管（12）上；
所述外筒电路板外壳体（14）与外筒连接件（16）通过螺纹连接；
所述外筒下接头（17）与外筒连接件（16）通过螺纹连接；外筒电缆（15）穿过外筒下接头（17）与外筒电路板（13）连接；外筒下接头（17）与配产管柱通过螺纹连接。
10.根据权利要求5-9中任意一项所述的一种基于电磁耦合的井下电能与信号无线传输装置，其特征在于，
所述无线传能的无线传能内筒与无线传能外筒连接成一体后，内筒初级线圈（8）与外筒次级线圈（10）形成感应单元（18），用于实现非接触式电能与信号传输。
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