[發(fā)明專利]一種用于垂直鉆井系統(tǒng)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210067179.3
• 申請日: 2012-03-14
• 公開（公告）號: CN103312173A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 艾維平;張磊;鄧樂;盛利民;竇修榮
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油天然氣集團(tuán)公司;中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H01F27/28;H01F27/30
• 代理公司: 北京三高永信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11138
• 代理人: 黃厚剛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井領(lǐng)域，更具體地講，本發(fā)明涉及自動垂直鉆井系統(tǒng)中動力主軸與糾斜活套之間的非接觸電能傳輸設(shè)備。

背景技術(shù)

塔里木、克拉瑪依、玉門等西部油田，是我國重要的石油、天然氣基地，西部油氣產(chǎn)量直接關(guān)系到國計民生和國防安全。因西部地區(qū)鉆遇高陡構(gòu)造地層，且井深相對較深，導(dǎo)致井眼易斜，鉆速較低，防斜打快已成為西部油氣開發(fā)中鉆井技術(shù)的瓶頸。目前常規(guī)井斜控制技術(shù)對于高陡構(gòu)造及造斜力強(qiáng)的地層，井斜控制效果難以保證。而自動垂直鉆井工具是一種井下閉環(huán)控制系統(tǒng)，它可實現(xiàn)井下主動糾斜并保持井眼垂直。這種工具特別適用于高陡構(gòu)造地層及深井的垂直鉆井，在我國西部石油資源的開發(fā)中有著良好的應(yīng)用前景。

在自動垂直鉆井系統(tǒng)中，糾斜活套上井下電子測控系統(tǒng)的供電電源通常是由鉆桿內(nèi)的高壓泥漿帶動渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電提供，通過密封導(dǎo)電滑環(huán)實現(xiàn)電能傳輸。導(dǎo)電滑環(huán)雖然結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，但缺點是對滑動接觸面的清潔度要求較高，通道擴(kuò)展困難，電刷被磨損需要經(jīng)常維護(hù)更換滑環(huán)。鉆井過程中高溫、高壓、強(qiáng)振動沖擊及泥漿的存在，使得導(dǎo)電滑環(huán)的工作環(huán)境非常惡劣，性能可靠性方面的問題較為突出。

非接觸電能傳輸是基于電磁感應(yīng)理論的功率變換技術(shù)，其發(fā)展方向是大容量、高效率、低成本、小體積、大氣隙及高穩(wěn)定性，在發(fā)展過程中也面臨著諸多挑戰(zhàn)，比較突出的問題是如何提高電能傳輸?shù)男省榱藴p小垂直鉆井系統(tǒng)非接觸電能傳輸系統(tǒng)變壓器的尺寸，功率逆變電路采取高頻運行，但是過高的開關(guān)損耗勢將不容忽視。為了降低開關(guān)損耗和容許高頻運行，諧振軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)得到了發(fā)展。這些技術(shù)采用正弦方式處理電力，開關(guān)器件能夠?qū)崿F(xiàn)軟換流，使得開關(guān)損耗與噪聲大為降低。

美國專利US?6540032公開了一種井下鉆具中靜止部件與旋轉(zhuǎn)部件之間非接觸電能傳輸?shù)姆椒ê脱b置，雖然該專利提出的變壓器原理結(jié)構(gòu)可行，但并未提及功率變換主電路以及控制方式，而且整個裝置體積較大，不利于抗井下強(qiáng)烈振動和沖擊。

中國專利CN?102005924A公開了一種用于非接觸電能傳輸?shù)目刂品椒ǎ摲椒ㄍㄟ^檢測非接觸電能傳輸系統(tǒng)逆變器的輸出電壓與電流的相位差，采用純硬件電路(PLL鎖相環(huán))實現(xiàn)自適應(yīng)諧振控制功能，保證逆變器的輸出電壓與電流的相位差為零，使得系統(tǒng)傳輸功率和效率達(dá)最大值。但逆變器遠(yuǎn)離諧振點時輸出電流波形會產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致電流相位錯亂，硬件電路很難準(zhǔn)確檢測電流波形；PLL鎖相環(huán)電路受環(huán)境溫度影響較大，導(dǎo)致系統(tǒng)諧振控制功能不穩(wěn)定；變壓器副邊沒有進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)載較重時傳輸效率會降低。

中國專利CN?101789637A公開了一種感應(yīng)式電能傳輸裝置，可分離變壓器的原邊和副邊的其中一端串接諧振電容，目的是使得變壓器原邊、副邊繞組漏感與諧振電容在諧振狀態(tài)時其串聯(lián)阻抗為零，以此提高非接觸電能系統(tǒng)的傳輸效率。但該方法沒有考慮到負(fù)載和環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)諧振頻率的影響。

其他與非接觸電能傳輸相關(guān)的專利均是針對地面設(shè)備應(yīng)用(參見CN101540554A、CN1015521223A、CN101026033A)，沒有考慮到井下高溫、高壓、強(qiáng)振動沖擊、結(jié)構(gòu)空間小及泥漿沖蝕等惡劣條件，因此無法用于自動垂直鉆井工具。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，針對垂直鉆井系統(tǒng)中動力主軸與糾斜活套之間相對轉(zhuǎn)動的特點以及井下惡劣工況，本發(fā)明提供了一種傳輸效率高、噪聲低、體積小、抗振動沖擊、便于維護(hù)的井下非接觸電能傳輸系統(tǒng)，使安裝在動力主軸上的初級磁芯與糾斜活套上的次級磁芯之間的磁阻保持恒定，不受旋轉(zhuǎn)運動的影響，并能自動鎖定逆變電路的諧振點，消除因環(huán)境溫度導(dǎo)致電路偏離諧振點，使功率傳輸效率降低的弊端。

所述技術(shù)方案如下：

一種用于垂直鉆井系統(tǒng)的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，包括：

變壓器，用于實現(xiàn)電能的傳輸；

串聯(lián)諧振逆變電路，與所述變壓器的初級繞組連接；

整流輸出電路，分別與所述變壓器的次級繞組及鉆井系統(tǒng)的糾斜電控系統(tǒng)連接，用于對所述次級繞組所輸出的電流進(jìn)行整流并輸送至所述糾斜電控系統(tǒng)；

逆變控制電路，與所述串聯(lián)諧振逆變電路連接，用于對所述串聯(lián)諧振逆變電路的輸出電壓與電流進(jìn)行同相位控制；

所述變壓器為分離式變壓器，其包括彼此分離的初級磁芯和次級磁芯，所述鉆井系統(tǒng)的動力主軸的外圓面上及所述糾斜活套的內(nèi)圓面上分別成型有多個沿軸線方向設(shè)置的凹槽，所述初級磁芯設(shè)置于所述動力主軸的凹槽內(nèi)，所述次級磁芯設(shè)置于所述糾斜活套的凹槽內(nèi)，所述次級磁芯表面圓弧相對于所述動力主軸軸心所形成的圓心角θ滿足以下表達(dá)式：