CN202755968U

CN202755968U - 一种电磁感应式信号耦合器

Info

Publication number: CN202755968U
Application number: CN 201220327249
Authority: CN
Inventors: 王坤哲
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Drilling Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2022-07-06

Abstract

本实用新型公开了一种电磁感应式信号耦合器，属于石油天然气钻井领域。所述信号耦合器包括变压器部分和电缆部分，变压器部分包括公接头骨架、公接头线圈、母接头骨架及母接头线圈，公接头骨架的外壁开有公接头凹槽，公接头线圈缠绕于公接头凹槽内，母接头骨架的内壁开有母接头凹槽，母接头线圈缠绕于母接头凹槽内；电缆部分包括公接头电缆和母接头电缆，公接头电缆与公接头线圈相连，母接头电缆与母接头线圈相连。本实用新型具有低功耗、低噪声、畸变小的特性，可在没有明显衰减情况下传送MHz数量级范围内的高频信号，由于采用电磁感应的方式，其接头和导线密封难度小，故本实用新型能够用于各类钻具及接头，并可以实现地面和井下的实时双向通信。

Description

一种电磁感应式信号耦合器

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井领域，特别涉及一种电磁感应式信号耦合器。

背景技术

在石油、天然气钻井作业中需要实时在地面获取井下情况，以便根据井下情况指导地面作业。过去几十年中，工程师一直致力于开发在井下和地面之间有效传输信息的数据传输系统，但效果不很理想，主要困难在于在井下高温、高压、震动、泥浆冲刷的复杂情况下保持可靠的连接。

众所周知，钻柱是由上百根管柱组成，这些管柱中包括钻杆、方钻杆、加重钻杆、钻铤和其他井下工具。由于钻井过程中这些钻具是串行连接，通过这些钻具的接头可靠传输信息，在钻柱之间提供不间断的信息流。因此，如果数据传输系统集成到每一个钻具中，可靠性是最重要的，一个钻具的失效能导致整个传输系统的失效。

随着随钻测量技术的进步，使作业者能以更高的采样频率，更高精度，测得越来越多参数。特别是不断出现的一些新的测井技术，如井眼成像技术。加上未来发展需要随钻的地质、油藏、岩性参数，闭环信息通讯任务会越来越重。实时提取更多地层信息，需要更大数据传输速率。因此，迫切需要一种高速率、双向通讯方式。

目前，泥浆脉冲测量作为随钻测量（MWD）和随钻测井（LWD）工具数据传输的工业标准之一，其理想传输速率是8～12bit/s，已不能真正满足众多参数随钻实时快速传输的要求，也不能进行地面与井下的双向闭环信息传输。

所以，既能满足正常钻井作业要求，又能建立有线随钻实时双向闭环测控信息高速通道的有线数据传输钻杆技术成为一个关键。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种电磁感应式信号耦合器，该电磁感应式信号耦合器能够用于各类钻具及接头，并可以实现地面和井下的实时双向通信。所述技术方案如下：

一种电磁感应式信号耦合器，包括变压器部分和电缆部分，所述变压器部分包括公接头骨架、公接头线圈、母接头骨架及母接头线圈，所述公接头骨架和所述母接头骨架均由两个同心的圆环组成，其中，所述公接头骨架的外壁开有环形的公接头凹槽，所述公接头线圈缠绕于所述公接头凹槽内，所述母接头骨架的内壁开有环形的母接头凹槽，所述母接头线圈缠绕于所述母接头凹槽内；所述电缆部分包括公接头电缆和母接头电缆，所述公接头电缆与所述公接头线圈相连，所述母接头电缆与所述母接头线圈相连。

进一步地，所述公接头线圈和所述公接头骨架之间填充有绝缘材料，所述母接头线圈和所述母接头骨架之间填充有绝缘材料。

进一步地，所述公接头凹槽槽底及所述母接头凹槽槽底分别设有公接头通孔和母接头通孔，所述公接头通孔用于通过所述公接头线圈引线，所述母接头通孔用于通过所述母接头线圈引线。

具体地，所述公接头线圈和所述母接头线圈均是由一匝或多匝的绝缘导线绕制而成。

具体地，所述公接头骨架由导磁材料制成并形成公接头磁芯，所述母接头骨架由导磁材料制成并形成母接头磁芯。

进一步地，所述公接头骨架和所述公接头线圈之间填充有绝缘材料，所述母接头骨架和所述母接头线圈之间填充有绝缘材料，并且所述公接头骨架外表面包覆有绝缘材料，所述母接头骨架的外表面包覆有绝缘材料。

具体地，所述公接头电缆和所述母接头电缆均为同轴电缆或双绞线。

具体地，所述变压器部分和所述电缆部分的阻抗相匹配。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

相比现有技术，本实用新型所述的电磁感应式信号耦合器具有低功耗、低噪声、畸变小的特性，可在没有明显衰减情况下传送MHz数量级范围内的高频信号，由于采用电磁感应的方式，该耦合器无需专门定向，丝扣上紧后就自动完成了测量、控制的通讯连接，其接头和导线密封难度小，故所述电磁感应式信号耦合器能够用于各类钻具及接头，并可以实现地面和井下的实时双向通信。

实验证明采用这种电磁感应式信号耦合器的数据传输钻杆在无放大情况下的数据传输距离可以达到10根钻杆。在最佳情况下，系统可以无放大传输20根钻杆。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的公接头骨架在公接头本体上的安装位置示意图；

图2是本实用新型实施例提供的母接头骨架在母接头本体上的安装位置示意图；

图3是本实用新型实施例提供的电磁感应式信号耦合器的局部剖视放大示意图。

图中各符号表示含义如下：

1公接头本体，2公接头骨架，3公接头线圈，4公接头电缆，5母接头本体，6母接头骨架，7母接头线圈，8母接头电缆，10间隙，11第四绝缘材料，12母接头凹槽，13第二绝缘材料，15第三绝缘材料，16公接头凹槽，17第一绝缘材料，20箭头。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

本实施例以安装在公接头本体1及母接头本体5内的电磁感应式信号耦合器加以说明：

如图3所示，本实用新型提供了一种电磁感应式信号耦合器，包括变压器部分和电缆部分（参见图1及图2），所述变压器部分包括公接头骨架2、公接头线圈3、母接头骨架6及母接头线圈7，所述公接头骨架2和所述母接头骨架6均由两个同心的圆环组成，其中，所述公接头骨架2的外壁开有环形的公接头凹槽16，所述公接头线圈3缠绕于所述公接头凹槽16内，所述母接头骨架6的内壁开有环形的母接头凹槽12，所述母接头线圈7缠绕于所述母接头凹槽12内；所述电缆部分包括公接头电缆4（参见图1）和母接头电缆8（参见图2），所述公接头电缆4（参见图1）与所述公接头线圈3相连，所述母接头电缆8（参见图2）与所述母接头线圈7相连。

具体实施时，如图1所示，公接头骨架2放置于公接头本体1前端的延长段上，如图2所示，母接头骨架6放置于母接头本体5的内螺纹根部。

本实用新型的工作原理：如图3所示，当公接头本体1和母接头本体5旋合在一起时，公接头骨架2和母接头骨架6之间存在一个微小的间隙10，信号就是以感应的方式通过此间隙10，更具体地，公接头本体1和母接头本体5旋合后，从公接头电缆4上传输来的电信号在通过公接头线圈3时将产生一个交变磁场，该磁场耦合到与之毗邻的母接头线圈7上并变成交变电流，由此将信号传给母接头，反之亦然。为减少电磁场强度和能量的损失，配合线圈相距很近。

本实用新型所述的电磁感应式信号耦合器具有低功耗、低噪声、畸变小的特性，可在没有明显衰减情况下传送MHz数量级范围内的高频信号，由于采用电磁感应的方式，该耦合器无需专门定向，丝扣上紧后就自动完成了测量、控制的通讯连接，其接头和导线密封难度小，故所述电磁感应式信号耦合器能够用于各类钻具及接头，并可以实现地面和井下的实时双向通信。

进一步地，如图3所示，所述公接头线圈3和公接头骨架2之间填充有绝缘材料，所述母接头线圈7和所述母接头骨架6之间填充有绝缘材料，以保护线圈。

进一步地，参见图1及图2，所述公接头凹槽16槽底及所述母接头凹槽12槽底分别设有公接头通孔和母接头通孔，所述公接头通孔用于通过所述公接头线圈3引线，所述母接头通孔用于通过所述母接头线圈7引线。

更具体地，如图1所示，公接头线圈3的引线弯曲90度穿过该公接头通孔，与纵向通过公接头细小通道内的公接头电缆4相连；如图2所示，母接头线圈7的引线弯曲90度穿过母接头通孔，与纵向通过母接头细小通道内的母接头电缆8相连。

具体地，如图3所示，所述公接头线圈3和所述母接头线圈7均是由一匝或多匝的绝缘导线绕制而成。其中，绝缘导线可以是铜线外涂油漆或者聚合物。

具体地，如图3所示，为减少能量损失，所述公接头骨架2由导磁材料制成并形成公接头磁芯，所述母接头骨架6由导磁材料制成并形成母接头磁芯。

如图3所示，母接头线圈7被内置在由导磁材料制成的凹槽12内，公接头线圈3被内置在由导磁材料制成的凹槽16内，这种材料对磁性是高渗透性的，可帮助捕捉耦合感应所需的电磁场，而对磁场产生的电流是一种电绝缘体，从而减少涡流电流损失，两个由导磁材料的凹槽形成了磁通的封闭路径，如图中箭头20所示。每当线圈中的电流改变方向，磁场方向也就随之改变。上述导磁材料优选铁氧体，它能减小周围导体中的电涡流，增加磁通密度使磁场聚集在耦合对中。

进一步地，如图3所示，所述公接头骨架2和所述公接头线圈3之间填充有绝缘材料即第一绝缘材料17，所述母接头骨架6和所述母接头线圈7之间填充有绝缘材料即第二绝缘材料13。

进一步地，如图3所示，所述公接头骨架2和所述公接头线圈3之间填充有绝缘材料即第一绝缘材料17，所述母接头骨架6和所述母接头线圈7之间填充有绝缘材料即第二绝缘材料13，通过第一绝缘材料17和第二绝缘材料13保护公接头线圈3和母接头线圈7，并且所述公接头骨架2外表面包覆有绝缘材料即第三绝缘材料15，所述母接头骨架6的外表面包覆有绝缘材料即第四绝缘材料11，通过第三绝缘材料15和第四绝缘材料11提供对公接头磁芯和母接头磁芯的保护。

具体地，如图1及图2所示，所述公接头电缆4和所述母接头电缆8均为同轴电缆或双绞线。对于特定的钻杆构型，钻杆两端的空间无法容纳大尺寸的同轴电缆，这种情况下，需要一段双绞线来为线圈和同轴电缆提供过渡。

具体地，为获得最佳传输性能，如图3所示，所述变压器部分和所述电缆部分的阻抗相匹配。其中，阻抗通常在30ohm~120ohm。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电磁感应式信号耦合器，包括变压器部分和电缆部分，其特征在于，

所述变压器部分包括公接头骨架、公接头线圈、母接头骨架及母接头线圈，所述公接头骨架和所述母接头骨架均由两个同心的圆环组成，其中，所述公接头骨架的外壁开有环形的公接头凹槽，所述公接头线圈缠绕于所述公接头凹槽内，所述母接头骨架的内壁开有环形的母接头凹槽，所述母接头线圈缠绕于所述母接头凹槽内；

所述电缆部分包括公接头电缆和母接头电缆，所述公接头电缆与所述公接头线圈相连，所述母接头电缆与所述母接头线圈相连。

2.根据权利要求1所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头线圈和所述公接头骨架之间填充有绝缘材料，所述母接头线圈和所述母接头骨架之间填充有绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头凹槽槽底及所述母接头凹槽槽底分别设有公接头通孔和母接头通孔，所述公接头通孔用于通过所述公接头线圈引线，所述母接头通孔用于通过所述母接头线圈引线。

4.根据权利要求1所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头线圈和所述母接头线圈均是由一匝或多匝的绝缘导线绕制而成。

5.根据权利要求1所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头骨架由导磁材料制成并形成公接头磁芯，所述母接头骨架由导磁材料制成并形成母接头磁芯。

6.根据权利要求5所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头骨架和所述公接头线圈之间填充有绝缘材料，所述母接头骨架和所述母接头线圈之间填充有绝缘材料，并且，所述公接头骨架外表面包覆有绝缘材料，所述母接头骨架的外表面包覆有绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述公接头电缆和所述母接头电缆均为同轴电缆或双绞线。

8.根据权利要求1-7任一项权利要求所述的电磁感应式信号耦合器，其特征在于，所述变压器部分和所述电缆部分的阻抗相匹配。