一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置製造方法

2023-06-01 21:30:41

一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，屬於石油、天然氣鑽井領域。所述裝置包括：非接觸旋轉變壓器、數據發送器、數據接收器，所述非接觸旋轉變壓器為上下兩組，每一組非接觸旋轉變壓器包括第一非接觸旋轉變壓器、第二非接觸旋轉變壓器；所述第一非接觸旋轉變壓器安裝在旋轉主軸的外壁凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器安裝在導向活套的內壁凹槽內，兩組非接觸旋轉變壓器各自獨立工作，彼此存在相對旋轉運動。使旋轉主軸上的磁芯與導向活套上的磁芯之間的磁阻保持恆定，不受旋轉運動的影響，從而保證了信號傳輸的穩定性，利於在井下強振動、衝擊的環境下應用。
【專利說明】—種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油、天然氣鑽井領域，特別涉及一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置。
【背景技術】
[0002]隨著大位移井、大斜度井和長水平井的出現和發展，常規鑽具已經很難滿足需要，而井下旋轉導向鑽具因其機械鑽速高、井身質量高、不易卡鑽等優點，在石油鑽井領域中具有廣闊應用前景。通常在井下鑽具上安裝一個可繞鑽具主軸旋轉的導向活套，活套上均勻分布三到四個液壓推力控制單元。鑽進過程中，井下電子測控系統通過測量井斜角和方位角，分別調節液壓推力控制單元輸出推力的大小，使得鑽具在某個方向上產生一定側向推力，從而實現鑽具在井下進行導向鑽進。
[0003]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：
[0004]井下電子測控系統的電源通常由鑽杆內高壓泥漿渦輪發電機提供，利用導電滑環實現由旋轉鑽杆到導向套筒的電能傳輸。此外，導電滑環還將負責位於旋轉鑽柱上隨鑽測量儀器與活套上電子測控系統之間雙向數據通信。雖然導電滑環結構簡單、易於實現，但缺點是對滑動接觸面的清潔度要求較高，電刷被磨損需要經常維護更換滑環。在井下高溫、高壓、強振動等惡劣工作環境下，導電滑環的密封和絕緣更是難以解決，導致滑環可靠性問題則較為關出。
[0005]中國專利公開了一種隨鑽測量數據傳輸系統，是一種鑽杆接頭之間的雙向半雙工數據傳輸系統，其信號是沿鑽杆軸向進行傳輸，且信號收發器之間沒有相對旋轉運動，沒有解決旋轉鑽杆與導向活套之間信號徑向傳輸的問題。
[0006]中國專利公開了一種在設備中彼此相對運動的部件之間傳遞信號的方法和設備，所用方法是採用電力載波方式實現相對旋轉運動部件之間的數據通信。其缺點是載波信號易受到高頻電能逆變器的幹擾，濾波元件體積較大，且硬體系統設計較為複雜；此外，因該設備中旋轉變壓器鐵氧體磁芯採用整體式結構，故磁芯體積較大，無法在井下強振動、衝擊的環境下應用。

【發明內容】

[0007]為了解決現有技術旋轉主軸上隨鑽測量系統與導向活套上電子測控系統之間的數據交換的問題，實現旋轉鑽杆與導向活套之間信號徑向傳輸，並適於在井下強振動、衝擊的環境下應用，本發明實施例提供了一種用於井下旋轉導向鑽井工具中旋轉主軸與導向活套之間的信號無線雙向傳輸裝置。所述技術方案如下：
[0008]一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，所述裝置包括：非接觸旋轉變壓器、數據發送器、數據接收器，所述非接觸旋轉變壓器為上下兩組，每一組非接觸旋轉變壓器包括第一非接觸旋轉變壓器、第二非接觸旋轉變壓器；所述第一非接觸旋轉變壓器安裝在旋轉主軸的外壁凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器安裝在導向活套的內壁凹槽內，兩組非接觸旋轉變壓器各自獨立工作，彼此存在相對旋轉運動。
[0009]具體地，所述非接觸旋轉變壓器分別由多個獨立的U形鐵氧體磁芯組成，沿圓周方向均勻分布，其中上一組的第一非接觸旋轉變壓器的鐵氧體磁芯安裝在旋轉主軸的外壁上部沿圓周均勻分布的多個凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器的鐵氧體磁芯安裝在導向活套的內壁上部沿圓周均勻分布的多個凹槽內；下一組的第一非接觸旋轉變壓器的鐵氧體磁芯安裝在旋轉主軸的外壁下部沿圓周均勻分布的多個凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器的鐵氧體磁芯安裝在導向活套的內壁下部沿圓周均勻分布的多個凹槽內。
[0010]進一步地，所述第一非接觸旋轉變壓器的上部鐵氧體磁芯、下部鐵氧體磁芯與旋轉主軸的外壁凹槽之間由粘接劑聯接；所述第二非接觸旋轉變壓器的上部鐵氧體磁芯、下部鐵氧體磁芯與導向活套的內壁凹槽之間由粘接劑聯接。
[0011]進一步地，所述旋轉主軸和導向活套上的U形鐵氧體磁芯採用不同的數量，在圓周方向上均勻安裝，
[0012]滿足如下關係—和/
【權利要求】
1.一種井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述裝置包括：非接觸旋轉變壓器（I)、數據發送器（2)、數據接收器（3)，所述非接觸旋轉變壓器（I)為上下兩組，每一組非接觸旋轉變壓器（I)包括第一非接觸旋轉變壓器（11 )、第二非接觸旋轉變壓器（12);所述第一非接觸旋轉變壓器（11)安裝在旋轉主軸（4)的外壁凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器（12)安裝在導向活套（5)的內壁凹槽內，兩組非接觸旋轉變壓器各自獨立工作，彼此存在相對旋轉運動。
2.根據權利要求1所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述非接觸旋轉變壓器（11 )、（ 12)分別由多個獨立的U形鐵氧體磁芯組成，沿圓周方向均勻分布，其中上一組的第一非接觸旋轉變壓器（11)的鐵氧體磁芯（11-1)安裝在旋轉主軸（4)的外壁上部沿圓周均勻分布的多個凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器(12)的鐵氧體磁芯（12-1)安裝在導向活套（5)的內壁上部沿圓周均勻分布的多個凹槽內；下一組的第一非接觸旋轉變壓器（11)的鐵氧體磁芯（11-2)安裝在旋轉主軸（4)的外壁下部沿圓周均勻分布的多個凹槽內，第二非接觸旋轉變壓器（12)的鐵氧體磁芯（12-2)安裝在導向活套（5)的內壁下部沿圓周均勻分布的多個凹槽內。
3.根據權利要求2所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述第一非接觸旋轉變壓器（11)的上部鐵氧體磁芯（11-1)、下部鐵氧體磁芯（11-2)與旋轉主軸（4)的外壁凹槽之間由粘接劑（7)聯接；所述第二非接觸旋轉變壓器（12)的上部鐵氧體磁芯（12-1 )、下部鐵氧體磁芯（12-2)與導向活套（5)的內壁凹槽之間由粘接劑（7)聯接。
4.根據權利要求2所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述旋轉主軸（4)和導向活套（5)上的U形鐵氧體磁芯採用不同的數量，在圓周方向上均勻安裝， 滿足如下關係：
5.根據權利要求1所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述旋轉主軸（4)設置有中心孔（4-1)，旋轉主軸（4)與導向活套（5)之間的氣隙為泥漿流道（6)。
6.根據權利要求1所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述數據發送器（2)為上下兩個，包括第一數據發送器（21)、第二數據發送器（22);其中第一數據發送器（21)設置於旋轉主軸（4)上部，由主軸（4)向活套（5)發送數據，第二數據發送器（22)設置於導向活套（5)下部，由活套（5)向主軸（4)發送數據。
7.根據權利要求6所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述第一數據發送器（21)由頻率調製（21-1)、電子開關（21-2)、驅動電路(21-3)、功率放大電路（21-4)及發射線圈（21-5)、數位訊號控制器（21-6)組成；所述第一數據發送器（21)的數位訊號控制器（21-6)連接旋轉主軸（4)電子系統及頻率調製（21-1)，頻率調製（21 -1)通過電子開關（21 -2 )的ENl和ΕΝ2連接驅動電路（21 -3 )，驅動電路（21 -3 )連接功率放大電路（21-4)，功率放大電路（21-4)連接第一發射線圈（21-5)，所述第一發射線圈（21-5)設置在旋轉主軸（4)上部的第一非接觸旋轉變壓器（11)的鐵氧體磁芯（11-1)上。
8.根據權利要求6所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述第二數據發送器（22)由頻率調製（22-1)、電子開關（22-2)、驅動電路（22-3)、功率放大電路（22-4)及發射線圈（22-5)、數位訊號控制器（22-6)組成；所述的第二數據發送器（22)的數位訊號控制器（22-6)連接導向活套（5)電子系統及頻率調製(22-1),頻率調製（22-1)通過電子開關（22-2)的ENl和EN2連接驅動電路（22-3)，驅動電路（22-3 )連接功率放大電路（22-4)，功率放大電路（22-4)連接第二發射線圈（22-5 )，所述第二發射線圈（22-5)設置在導向活套（5)下部的第二非接觸旋轉變壓器（12)的鐵氧體磁芯（12-2)上。
9.根據權利要求1所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述數據接收器（3)為上下兩個，包括第一數據接收器（31)、第二數據接收器（32);其中第一數據接收器（31)設置於導向活套（5)上部，由活套（5)向主軸（4)接收數據，第二數據接收器（32)設置於旋轉主軸（4)下部，由主軸（4)向活套（5)接收數據。
10.根據權利要求9所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述第一數據接收器（31)由採樣電阻（31-1)、信號調理電路（31-2)、帶通濾波器（31-3)、信號整形電路（31-4)及接收線圈（31-5)組成；第一數據接收器（31)的第一接收線圈（31-5)跨接採樣電阻（31-1)、連接信號調理電路（31-2)，信號調理電路（31-2)連接帶通濾波器（31-3)，帶通濾波器（31-3)連接信號整形電路（31-4)，信號整形電路（31-4)連接導向活套（5)電子系統，所述第一接收線圈（31-5)設置在導向活套（5)上部的第二非接觸旋轉變壓器（12)的鐵氧體磁芯（12-1)上。
11.根據權利要求9所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述第二 數據接收器（32)由採樣電阻（32-1)、信號調理電路（32-2)、帶通濾波器（32-3)、信號整形電路（32-4)及接收線圈（32-5)組成；第二數據接收器（32)的第二接收線圈（32-5)跨接採樣 電阻（32-1)、連接信號調理電路（32-2)，信號調理電路（32-2)連接帶通濾波器（32-3 )，帶通濾波器（32-3 )連接信號整形電路（32-4 )，信號整形電路（32_4 )連接旋轉主軸（4)電子系統，所述第二接收線圈（32-5)設置在旋轉主軸（4)下部的第一非接觸旋轉變壓器（11)的鐵氧體磁芯（11-2 )上。
12.根據權利要求1所述的井下旋轉導向鑽具中主軸與活套之間信號無線雙向傳輸裝置，其特徵在於，所述數據接收器（3)的信號通過數據接收檢測系統檢測所述接收到的信號頻率是否超限；如果否，則判斷所述信號的類型，並存儲所述信號。
【文檔編號】G08C17/02GK103485766SQ201210190184
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2012年6月8日
【發明者】艾維平, 張磊, 鄧樂, 竇修榮, 盛利民 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團鑽井工程技術研究院