CN104929621B - 一种井下无线双向信号与电能的传输器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下无线双向信号与电能的传输器，包括能够进行电磁耦合的原边线圈和副边线圈，还包括内套组件和外套组件；内套组件整体呈两端为开口的圆筒状，且内套组件上具有一个环形的空腔，原边线圈套装在空腔中，内套组件上还具有与空腔贯通的开孔，开孔可供原边线圈对外连接；外套组件同内套组件的结构相似，且副边线圈套装在外套组件的内腔中；外套组件的内径大于内套组件的外径，外套组件整体套置于内套组件外部；外套组件和内套组件之间具有能够供中空芯轴贯穿的一圈空隙。上述井下无线双向信号与电能的传输器不仅结构较为紧凑合理，且还具有传输效率高以及输送更为可靠的优点。适合在旋转钻井工具上推广使用。

Description

一种井下无线双向信号与电能的传输器

技术领域

本发明属于旋转导向钻井工具中进行能量或/和信号传输的部件，具体涉及一种井下无线双向信号与电能的传输器。

背景技术

旋转导向钻井技术起源于上世纪80年代后期，该技术是随着相关科技水平的提高，为满足石油工业的实际需要在滑动导向钻井技术和工艺基础之上而发展起来的。其基本的思路就是在旋转钻井的同时，在钻压钻速及泵量的配合下，通过特定的井下导向工具，在近钻头附近，对旋转的钻柱在特定方向上施加一定的连续的可变的侧向力，人为地改变钻头前进的方向，进而达到旋转中几何导向或地质导向的目的。

与传统钻井技术相比，旋转导向钻井技术可使钻头处于持续地旋转状态，因此井眼净化效果更好，井身轨迹控制精度更高，钻井速度更快，出现卡钻等事故的几率更小，位移延伸能力更强。如果配上地质导向短节，就可以让钻头在井底自动寻找油层钻进，因此对油气资源的勘探和开发，提高油田的油气采收率具有重要意义。

截止目前，旋转导向钻井技术主要掌握在国外少数几家石油技术服务公司手中，基于其自身利益，对其所拥有的导向技术、导向仪器进行严格保密，并在价格上垄断、技术上限制、国际投标时制约、服务上拖延，严重影响了我国石油工业钻井工艺技术的进步，制约了国内钻井队伍开拓海外钻井市场的竞争能力，成为我国石油钻探行业技术发展进步的瓶颈。基于上述背景，申请人开展了对于旋转导向钻井技术的立项研究。

目前现有技术中的旋转导向钻井工具主要包括有不旋转外套和中空芯轴（用于输送钻头的旋转动力和钻井液）。在不旋转外套靠近钻头的位置，沿其径向均布三块导向块，每个导向块由独立的执行机构对其进行控制。工作时，导向块伸出、推靠在井壁上，对井壁产生推力，从而加大钻头的单边切削，实现控制钻头的钻进方向，达到钻头在旋转时也能够进行导向操作的目的。

在上述旋转导向钻井工具中将控制指令从地面传递到执行机构所采用的部件是最为关键的部件之一，该关键部件的构造在以下现有技术中有所提及：

公告号CN101287888的专利描述了一种具有感应耦合的动力和信号传输装置的井，包括钻入地下的井孔；紧固在井孔壁上的套管；从地面向下朝含烃区域延伸进入套管内的生产管；在井上端的地面上的悬挂器，其中悬挂器悬挂着生产管和套管并且使生产管和套管电短路；以及在井下端或接近井下端处在生产管和套管之间的环空中密封设置并电短路的封隔器，井还包括：围绕生产管同心设置的主线圈；围绕生产管同心设置的副线圈；连接到副线圈的负载；以及连接到主线圈的交流电发生器/信号单元。

上述技术方案中的感应耦合的动力和信号传输装置为：围绕生产管同心设置的主线圈；围绕生产管同心设置的副线圈；连接到副线圈的负载；以及连接到主线圈的交流电发生器/信号单元。其主要通过下述的过程来传递控制信号和电能：主线圈的磁生电并在生产管上产生交流电流，生产管将该交流电流通过电生磁的方式与副线圈耦合，这样在副线圈上产生交流电压，从而对与副线圈相连的负载进行操作。上述通过生产管作为输送中间部件的方式会导致较大能耗，进而影响到控制信号和电能的输送功率和输送稳定性。

故申请人考虑设计一种结构紧凑合理、传输效率高以及输送更为可靠的井下无线双向信号与电能的传输器。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种结构紧凑合理、传输效率高以及输送更为可靠的井下无线双向信号与电能的传输器。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种井下无线双向信号与电能的传输器，包括能够进行电磁耦合的原边线圈和副边线圈，还包括内套组件和外套组件，所述内套组件和外套组件由相对磁导率小于1000的固体材料制得；

所述内套组件整体呈两端为开口的圆筒状，且所述内套组件的壳体上具有一个同轴的环形的空腔，所述原边线圈安装在所述空腔中，所述内套组件上还具有与所述空腔贯通的开孔，所述开孔可供所述原边线圈对外连接；

所述外套组件整体呈两端为开口的圆筒状，且所述外套组件的壳体上具有一个同轴的环形的内腔，所述副边线圈套装在所述内腔中，所述外套组件上还具有与所述内腔贯通的通孔，所述通孔可供所述副边线圈对外连接；

所述外套组件的内径大于所述内套组件的外径，所述外套组件用于整体套置于所述内套组件外部；所述外套组件和所述内套组件之间具有能够供中空芯轴贯穿的一圈空隙。

本发明的井下无线双向信号与电能的传输器，使用时，内套组件不旋转地安装在旋转导向工具的中空芯轴内部，外套组件安装在不旋转外套部分上，且同时套在内套组件和中空芯轴外部，从而使得整体的结构十分紧凑。外套组件和内套组件之间具有能够供中空芯轴贯穿的一圈空隙，这样能够最大程度地降低原边线圈和副边线圈之间的气隙，有效防止因气隙的增加，耦合系数出现大幅度的下降的情况发生。

又因内套组件和外套组件由相对磁导率小于1000的固体材料制得，即内套组件和外套组件能够降低对磁通量的变化的影响，帮助提高原边线圈和副边线圈耦合系数，从而提高能量传输效率和稳定可靠性。

上述本发明的井下无线双向信号与电能的传输器的结构中，内套组件和外套组件分别不仅能够对原边线圈和副边线圈进行包裹，起到一定的密封和保护作用。此外原边线圈套装在内套组件的空腔、副边线圈套装在外套组件的内腔，来实现原边线圈和副边线圈的固定，可见，内套组件和外套组件还能帮助实现线圈具有更好的固定效果。

作为改进，所述内套组件整体用于设置在中空芯轴内部且包括内套筒和内衬套，所述内衬套与中空芯轴为间隙配合；

所述内套筒的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘；

所述内衬套的直径大于所述内套筒的直径，所述内衬套的两端通过所述凸缘套接固定在所述内套筒上；且所述内套筒的外侧表面与所述内衬套内侧表面之间形成有用于套装原边线圈的空腔；所述内套筒上具有与所述空腔连通且用于供原边线圈对外连接的开孔。

上述结构的内套组件包括内套筒和内衬套，且通过将内衬套套固在内套筒上即可实现装配，从而能够提高装配效率。该内套组件在使用时，其下端固定连接在设于中空芯轴内一根不旋转管（内有与原边线圈相连的电缆线）的端部，内衬套套固在内套筒上，且内衬套与中空芯轴为间隙配合，这样一来，即可使得原边线圈能够与副边线圈之间的气隙最小，从而保证原边线圈能够与副边线圈具有更佳的耦合系数，提高能量传输效率和可靠性。同时，因具有内衬套套固在内套筒上的结构，即能够在内衬套外侧表面被磨损坏时，快捷地对其更换，降低维护的难度。

作为改进，所述开孔位于所述内套筒外侧表面与下方凸缘的交汇处，所述内套筒上还设有两个剖槽，两个剖槽相隔设置且该剖槽的上端均与所述开孔连通，下端与所述内套筒的下端连通。

这样，不仅可使得与原边线圈相连的电缆线最短，也更便于电缆线进行排布进而分别与相应的连接端进行连接。

作为优选，所述内衬套采用聚醚醚酮材料制得。

聚醚醚酮（英文名称polyetheretherketone，简称PEEK）是一类结晶高分子材料，具有电绝缘、自润滑性好、耐磨性、耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能，也是一种性能优异的特种工程塑料。实施上述改进后，内衬套可因具有耐磨性和自润滑性好，故在与中空芯轴间隙配合使用时能更为耐用，进而提高运行可靠性。此外，也因具有的电绝缘特性，故能够进一步防止变化磁通量的磁损耗，利于提高原边线圈和副边线圈的耦合系数。

作为改进，本发明的井下无线双向信号与电能的传输器还包括在所述空腔内且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体；

所述导磁体的外侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽，使得该导磁体整体呈E形；

上述多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于原边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中至少一块导磁体上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道、以及与所述开孔相通的穿孔。

实施上述改进后，采用上述多块导磁体来构成磁芯，除了能保证产生更为稳定的感应磁场外，还具有以下有益技术效果：一是相较于整体磁芯而言，导磁体更便于加工生产；二是更便于对其进行装配。与此同时，多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于原边线圈周向绕制的环型空间，该结构不仅可更为合理的利用了有限的空腔空间，还能够将原边线圈通过高频交流电而产生的变化磁通量更充分的通过形成的上述磁芯来传递到副边线圈，提高耦合效率并尽可能的降低了漏磁率。

且实施上述改进后，将原边线圈在上述环形空间绕制的同时，不仅在形成用于电磁耦合的线圈，还能够同时通过绕制来捆绑固定多块导磁体，从而进一步提高了装配效率。

作为改进，所述外套组件整体用于设置在中空芯轴外部且包括外衬套和外套筒，所述外衬套与中空芯轴为间隙配合；

所述外衬套的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘；

所述外套筒的直径大于所述外衬套的直径，所述外套筒的两端通过所述凸缘套固在所述外套筒上；且所述外套筒的内侧表面与所述外衬套外侧表面之间形成有用于套装副边线圈的内腔；所述外套筒上具有与所述内腔连通且用于供副边线圈对外连接的通孔。

上述结构的外套组件包括外衬套和外套筒，且通过外套筒套固在外衬套上即可完成装配，故能够提高外套组件的装配效率。

该外套组件在使用前，整体设置在中空芯轴外部并固定在不旋转外套部分、且同时套置在配套使用的内套组件的外部。外衬套与中空芯轴为间隙配合，这样即可使得原边线圈能够与副边线圈之间的气隙最小，从而保证原边线圈能够与副边线圈之间具有更高的耦合系数，进而提高能量传输效率和可靠性。又当外衬套被中空芯轴摩擦损坏时，也能快捷地对其更换，降低整体了维修的难度。

作为改进，本发明的井下无线双向信号与电能的传输器还包括在所述内腔中且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体；

所述导磁体的内侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽，借以使得该导磁体整体呈E形；

上述多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于副边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中至少一块导磁体上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道、以及与所述通孔相通的穿孔。

实施上述改进后，采用上述多块导磁体来构成磁芯，除了能保证产生或吸收更为稳定的感应磁场外，还具有的好处是：一是相较于整体磁芯而言，导磁体更便于加工生产；二是更便于对其进行装配。与此同时，多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于副边线圈周向绕制的两个环型空间，这样结构不仅更为合理的利用了内腔内有限的空间，还能够通过形成的上述磁芯来更为充分地通过副边线圈来接受感应磁场或传递感应电动势，提高耦合效率并尽可能的降低漏磁率。

作为改进，所述外套筒的内侧表面周向上均匀设置有多块竖向的条形隔片，且两相邻所述隔片之间形成有所述导磁体的安装位。

实施上述改进后，装配时，可现将多块导磁体安装在两条形隔片之间形成的安装位中，待导磁体安装到位后，就能较为方便地绕制好副边线圈，最后将外衬套插固到外套筒中即可。可见，上述改进能够提高外套组件、导磁体和副边线圈的装配效率。

除此之外，实施上述改进，其中的条形隔片还不仅能够对导磁体进行限位，还能够通过填充外套筒周向角度来使得：多块导磁体上临近外衬套的一侧面能围成一圆筒形且相互间连接得更为紧密。这样即可对原边线圈形成最佳的包围，从而最佳地保证原边线圈与副边线圈之间的能量传输的效率。

综上，本发明的井下无线双向信号与电能的传输器不仅结构较为紧凑合理，且还具有传输效率高以及输送更为可靠的优点。适合在旋转钻井工具上推广使用。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是图1俯视方向的结构示意图。

图3是图1中外套组件和内套组件分离状态时的立体结构示意图。

图4是图3中不含内衬套和外套筒时的立体结构示意图。

图5是外套筒俯视方向的结构示图。

图6是内套筒仰视方向的立体结构示图。

图7是导磁体（不具有通道和穿孔）的立体结构示图。

图8是导磁体（具有通道和穿孔）的立体结构示图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。其中，针对描述采用诸如上、下、左、右等说明性术语，目的在于帮助读者理解，而不旨在进行限制。

如图1至8所示，一种井下无线双向信号与电能的传输器，包括能够进行电磁耦合的原边线圈（图中未示出）和副边线圈（图中未示出），还包括内套组件1和外套组件2，所述内套组件1和外套组件2由相对磁导率小于1000的固体材料制得；

所述内套组件1整体呈两端为开口的圆筒状，且所述内套组件1的壳体上具有一个同轴的环形的空腔，所述原边线圈安装在所述空腔中，所述内套组件1上还具有与所述空腔贯通的开孔101，所述开孔101可供所述原边线圈对外连接；

所述外套组件2整体呈两端为开口的圆筒状，且所述外套组件2的壳体上具有一个同轴的环形的内腔，所述副边线圈套装在所述内腔中，所述外套组件2上还具有与所述内腔贯通的通孔201，所述通孔201可供所述副边线圈对外连接；

所述外套组件2的内径大于所述内套组件1的外径，所述外套组件2用于整体套置于所述内套组件1外部；所述外套组件2和所述内套组件1之间具有能够供中空芯轴（图中未示出）贯穿的一圈空隙3。

具体实施时，相对磁导率小于1000的固体材料可为奥氏体不锈钢、铸铁、铝合金、陶瓷或高分子材料等。

所述内套组件1整体用于设置在中空芯轴内部且包括内套筒102和内衬套103，所述内衬套103与中空芯轴为间隙配合；

所述内套筒102的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘1021；

所述内衬套103的直径大于所述内套筒102的直径，所述内衬套103的两端通过所述凸缘1021套接固定在所述内套筒102上；且所述内套筒102的外侧表面与所述内衬套103内侧表面之间形成有用于套装原边线圈的空腔；所述内套筒102上具有与所述空腔连通且用于供原边线圈对外连接的开孔101。

具体实施时，所述内套筒102上还可设置用于对内衬套103上下端分别进行限位的限位环1022。

所述开孔101位于所述内套筒102外侧表面与下方凸缘的交汇处，所述内套筒102上还设有两个剖槽1023，两个剖槽1023相隔设置且剖槽1023的上端与所述开孔101连通，下端与所述内套筒102的下端连通。

所述内衬套103采用聚醚醚酮材料制得。

上述井下无线双向信号与电能的传输器还包括在所述空腔内且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体4；

所述导磁体4的外侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽41，使得该导磁体4整体呈E形；

上述多块导磁体4上通过处于同一高度的凹槽形成有用于原边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中一块导磁体4上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道42、以及与所述开孔101相通的穿孔43。具体实施时，上述设置有所述通道42、以及与所述开孔101相通的穿孔43的导磁体4也可采用其它材料来制得（如采用聚醚醚酮材料来制得），同样能起到便于线圈走线的目的。

具体实施时，所述导磁体4由具有高的相对磁导率的材料制得，如相对磁导率在2000到150000范围内的材料，例如铁磁金属或铁氧体。

当上述多块导磁体4的结构与通过内套筒102和内衬套103来形成的空腔的结构结合时，这样即能够在套筒上先安装上导磁体4和原边线圈，再将内衬套103套固在内套筒102上即可便捷地完成装配。可见上述结构的结合使用，大大提高了装配效率。

所述外套组件2整体用于设置在中空芯轴外部且包括外衬套202和外套筒203，所述外衬套202与中空芯轴为间隙配合；

所述外衬套202的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘；

所述外套筒203的直径大于所述外衬套202的直径，所述外套筒203的两端通过所述凸缘套固在所述外套筒203上；且所述外套筒203的内侧表面与所述外衬套202外侧表面之间形成有用于套装副边线圈的内腔；所述外套筒203上具有与所述内腔连通且用于供副边线圈对外连接的通孔201。

具体实施时，所述外衬套202优选采用聚醚醚酮制得。实施上述改进后，外衬套202能够具有更好的耐磨性和自润滑性，故在与中空芯轴间隙配合使用时能更为耐用，进而提高外套组件2的可靠性。此外，也因实施上述改进后，使得外衬套202还能够具有电绝缘特性，故能够进一步防止变化磁通量的磁损耗，利于提高原边线圈和副边线圈的耦合系数。

上述井下无线双向信号与电能的传输器还包括在所述内腔中且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体4；

所述导磁体4的内侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽，借以使得该导磁体4整体呈E形；

上述多块导磁体4上通过处于同一高度的凹槽形成有用于副边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中至少一块导磁体4上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道、以及与所述通孔201相对应的穿孔。

所述外套筒203的内侧表面周向上均匀设置有多块竖向的条形隔片2031，且两相邻所述隔片之间形成有所述导磁体4的安装位。

所述外衬套202采用聚醚醚酮材料制得。

具体实施时，优选导磁体4上分别与外衬套202和外套筒203上接触的侧面具有与其相应的弧形面并与之形成贴合。这样一来，不仅可更为充分的利用内腔空间，使得结构更为合理紧凑；还通过形成更大的电磁发射或接收面来提高耦合系数。同理，安装在内套组件1中的导磁体4也可具有上述相似结构特征。

上述井下无线双向信号与电能的传输器使用前先对其进行安装。安装时，将内套组件1固定安装在位于中空芯轴内部一不旋转管段的端部，并使得原边线圈与该不旋转管段中的电缆线相连接。将外套组件2固定安装在旋转钻井工具中不旋转外套部分，且套置在中空芯轴外部并同时套置在内套组件1外部，并将副边线圈通过电缆线与相应的元部件（如可充电电池、信号发射/接收电路模块等）相连接。

安装好上述井下无线双向信号与电能的传输器后，即可通过原边线圈和副边线圈之间通过电磁耦合来双向（原边到副边和副边到原边）来对信号和电能进行传输。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，上述变形和改进的技术方案应同样视为落入本申请要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种井下无线双向信号与电能的传输器，包括能够进行电磁耦合的原边线圈和副边线圈，其特征在于，还包括内套组件和外套组件，所述内套组件和外套组件由相对磁导率小于1000的固体材料制得；

所述内套组件整体呈两端为开口的圆筒状，且所述内套组件的壳体上具有一个同轴的环形的空腔，所述原边线圈安装在所述空腔中，所述内套组件上还具有与所述空腔贯通的开孔，所述开孔可供所述原边线圈对外连接；

所述外套组件整体呈两端为开口的圆筒状，且所述外套组件的壳体上具有一个同轴的环形的内腔，所述副边线圈套装在所述内腔中，所述外套组件上还具有与所述内腔贯通的通孔，所述通孔可供所述副边线圈对外连接；

所述外套组件的内径大于所述内套组件的外径，所述外套组件用于整体套置于所述内套组件外部；所述外套组件和所述内套组件之间具有能够供中空芯轴贯穿的一圈空隙。

2.根据权利要求1所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述内套组件整体用于设置在中空芯轴内部且包括内套筒和内衬套，所述内衬套与中空芯轴为间隙配合；

所述内套筒的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘；

所述内衬套的直径大于所述内套筒的直径，所述内衬套的两端通过所述凸缘套接固定在所述内套筒上；且所述内套筒的外侧表面与所述内衬套内侧表面之间形成有用于套装原边线圈的空腔；所述内套筒上具有与所述空腔连通且用于供原边线圈对外连接的开孔。

3.根据权利要求2所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述开孔位于所述内套筒外侧表面与下方凸缘的交汇处，所述内套筒上还设有两个剖槽，两个剖槽相隔设置且该剖槽的上端均与所述开孔连通，下端与所述内套筒的下端连通。

4.根据权利要求2或3所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述内衬套采用聚醚醚酮材料制得。

5.根据权利要求1所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，还包括在所述空腔内且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体；

所述导磁体的外侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽，使得该导磁体整体呈E形；

上述多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于原边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中至少一块导磁体上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道、以及与所述开孔相通的穿孔。

6.根据权利要求1所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述外套组件整体用于设置在中空芯轴外部且包括外衬套和外套筒，所述外衬套与中空芯轴为间隙配合；

所述外衬套的两端边缘均设有一圈沿径向向外凸出的凸缘；

所述外套筒的直径大于所述外衬套的直径，所述外套筒的两端通过所述凸缘套固在所述外套筒上；且所述外套筒的内侧表面与所述外衬套外侧表面之间形成有用于套装副边线圈的内腔；所述外套筒上具有与所述内腔连通且用于供副边线圈对外连接的通孔。

7.根据权利要求6所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，还包括在所述内腔中且沿周向均匀设置的多块竖向条形的导磁体；

所述导磁体的内侧面上设置有在高度方向相隔且横向的两个凹槽，借以使得该导磁体整体呈E形；

上述多块导磁体上通过处于同一高度的凹槽形成有用于副边线圈周向绕制的两个环型空间，且其中至少一块导磁体上还设有用于贯通所述两个环向空间的通道、以及与所述通孔相通的穿孔。

8.根据权利要求7所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述外套筒的内侧表面周向上均匀设置有多块竖向的条形隔片，且两相邻所述隔片之间形成有所述导磁体的安装位。

9.根据权利要求6所述的井下无线双向信号与电能的传输器，其特征在于，所述外衬套采用聚醚醚酮材料制得。