CN108979523A - 一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置，该装置包括电力及信号发射部分、电力及信号接收部分和传递部分；电力及信号发射部分、电力及信号接收部分用于将泥浆发电机产生的电力和信号通过非接触方式传递；传递部分用于将电力和信号传送给马达转子继续向下穿过螺杆钻具本体。电力及信号发射部分、电力及信号接收部分均设置在电力传输钻铤内部。由于采用上述技术方案，本发明通过螺杆实现电力传输及信号传递，简化井底钻具组合，降低钻井风险，同时井底钻具变短，提高旋转导向工具造斜率，替代旋转导向工具与集成的MWD/LWD之间无线通信技术，和旋转导向上部泥浆发电机，从而实现螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递。
Description
技术领域
本发明属于随钻测井技术，尤其涉及一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置。
背景技术
旋转导向工具动力是由地表钻机提供，当进行深井或超深井作业时，井下套管、钻柱的摩阻增大，使旋转导向工具无法从地面钻机获得很高的转速和扭矩。螺杆钻具能够为井下导向工具提供动力，将高性能螺杆钻具置于旋转导向工具与集成的MWD/LWD之间，为旋转导向工具提供高转速、大扭矩，提高钻井效率。地表钻机就不需要提供过高的转速，这样就能显著降低螺杆钻具上部套管、钻柱和钻具组合的磨损和疲劳，降低风险和成本。因为旋转导向***需要供电和与集成的MWD/LWD之间通信，这就要求能够实现过螺杆电力传输及信号传递，将上部发电机产生电力通过螺杆钻具供给旋转导向工具，将旋转导向工具近钻头测量的数据及导向工具工作状态信息通过螺杆钻具传递给上部钻具组合，将上部井下中控***的导向命令通过螺杆钻具传递给导向工具。
旋转导向工具与集成的MWD/LWD之间通信，现有的技术多数是通过无线通信技术，在集成的MWD/LWD和旋转导向工具上安装接收和发射天线，采用电磁波技术进行通信，但没有解决旋转导向供电问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，实现将转子在定子容腔里的运动是行星运动，转化成同轴运动，能够消除转子在定子容腔里的轴向窜动，并将电力和信号从马达总成转子传递到相对转子静止的外导流机构上。通过此机构实现螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递的螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置。
本发明的技术方案是：一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置，该装置包括电力及信号发射部分、电力及信号接收部分和传递部分；
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分用于将泥浆发电机产生的电力和信号通过非接触方式传递；
所述传递部分用于将电力和信号传送给马达转子继续向下穿过螺杆钻具本体。
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分均设置在电力传输钻铤内部，且所述电力及信号发射部分通过导线与泥浆发电机、随钻测量及随钻测井仪器连接，电力及信号接收部分通过传递部分与马达转子机械连接，其中，电力及信号通过导线传递给所述马达转子。
进一步，所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分包括外导流机构、内导流机构、外励磁线圈、内励磁线圈、电励磁发射电路板和电励磁接收电路板；
其中，所述外导流机构固接在所述电力传输钻铤内部，所述内导流机构通过泥浆轴承安装在所述电力传输钻铤内部，所述外导流机构的一端的端部与所述内导流机构一端的端接触，所述外导流机构和内导流机构的内部均设有导线通孔和扇形泥浆通道，所述外导流机构的另一端设有发射电路仓，所述电励磁发射电路板设置在所述发射电路仓内，并通过发射电路仓盖板密封所述发射电路仓，所述内导流机构的一端设有接收电路仓，所述电励磁接收电路板设置在所述接收电路仓内，并通过接收电路仓盖板密封所述接收电路仓，所述内励磁线圈设置在所述内导流机构与所述外导流机构接触的一端，并通过导线与所述电励磁接收电路板连接，所述外励磁线圈与所述内励磁线圈同心无接触安装，且所述外励磁线圈固定在所述电力传输钻铤的内侧壁上，所述外励磁线圈通过导线与所述电励磁发射电路板连接。
进一步，所述传递部分包括万向挠轴、防掉杆、防掉螺母、左承压连接器插针、左承压连接器插座、螺旋线圈、右承压连接器插座和右承压连接器插针；
其中，所述万向挠轴设有导线孔，所述防掉杆的内部设有承压连接器仓，所述承压连接器仓的两端设有导线孔，所述左承压连接器插针、左承压连接器插座、螺旋线圈、右承压连接器插座和右承压连接器插针均设置在所述承压连接器仓内，所述左承压连接器插针一端与导线连接，另一端***所述左承压连接器插座内，所述左承压连接器插座另一端与所述螺旋线圈的一端连接，所述螺旋线圈的另一端与右承压连接器插座的一端连接，所述右承压连接器插针的一端与导线连接，另一端***所述右承压连接器插座内；
所述万向挠轴的一端与所述内导流机构的端部通过螺纹密封连接，另一端与***到所述防掉杆一端的内部，与所述防掉杆活动连接，所述防掉螺母设置在所述万向挠轴与防掉杆连接一端的端部，所述防掉杆的另一端伸出所述电力传输钻铤与马达转子螺纹密封连接。
进一步，所述防掉杆上还设有压力平衡孔，所述压力平衡孔与所述承压连接器仓连接。
进一步，所述万向挠轴与所述防掉杆的连接方式为键槽方式连接。
进一步，所述万向挠轴的材质为钛合金或镁铝合金。
进一步，所述万向挠轴的长度为270-400mm，直径12-15mm，所述万向挠轴的导线孔的直径为2.5-5mm。
进一步，所述防掉螺母与防掉杆螺纹连接，材料采用合金钢，直径95-100mm，厚度27-50mm。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明可以解决过螺杆电力传输及信号传递技术，从而可以省去旋转导向工具上部泥浆发电机，简化井底钻具组合，降低钻井风险，同时井底钻具变短，提高旋转导向工具造斜率，机构结构简单，可以替代旋转导向工具与集成的MWD/LWD之间无线通信技术，和旋转导向上部泥浆发电机，从而实现螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递。
附图说明
图1为本发明一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置的结构示意图。
图2为本发明一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置的A-A示意图。
图中：
1-电力传输钻铤、2-外导流机构、3-发射电路仓盖板、4-电励磁发射电路板、5-发射电路仓、6-泥浆通道、7-内导流机构、8-泥浆轴承、 9-外励磁线圈、10-内励磁线圈、11-接收电路仓、12-接收电路板仓盖板、13-电励磁接收电路板、14-万向挠轴、15-承压连接器仓、16-防掉螺母、17- 防掉杆、18-左承压连接器插针、19-左承压连接器插座、20-螺旋线圈、21-右承压连接器插座、22-右承压连接器插针、23-压力平衡孔、24-马达转子、25-马达定子、26-马达定子橡胶、27-导线、28-导线支撑体, 29-导线孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案的技术方案进一步说明。
如图1-图2所示本发明一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置，该装置包括电力及信号发射部分、电力及信号接收部分和传递部分；
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分用于将泥浆发电机产生的电力和信号通过非接触方式传递；
所述传递部分用于将电力和信号传送给马达转子继续向下穿过螺杆钻具本体。
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分均设置在电力传输钻铤内部，且所述电力及信号发射部分通过导线与泥浆发电机、随钻测量及随钻测井仪器连接，电力及信号接收部分通过传递部分与马达转子机械连接，其中，电力及信号通过导线传递给所述马达转子。
进一步，所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分包括外导流机构2、内导流机构7、外励磁线圈9、内励磁线圈10、电励磁发射电路板和电励磁接收电路板13；
其中，所述外导流机构固接2在所述电力传输钻铤1内部，所述内导流机构7通过泥浆轴承8安装在所述电力传输钻铤1内部，所述外导流机构2的一端的端部与所述内导流机构7一端的端接触，所述外导流机构2和内导流机构7的内部均设有导线孔29和泥浆通道6，所述外导流机构2的另一端设有发射电路仓5，所述电励磁发射电路板4设置在所述发射电路仓5内，并通过发射电路仓盖板3密封所述发射电路仓5，所述内导流机构7的一端设有接收电路仓11，所述电励磁接收电路板13设置在所述接收电路仓11内，并通过接收电路仓盖板12密封所述接收电路仓11，所述内励磁线圈10设置在所述内导流机构7与所述外导流机构2接触的所述内导流机构7一端的外侧壁上，并通过导线27与所述电励磁接收电路板13连接，所述外励磁线圈9与所述内励磁线圈10同心无接触安装，且所述外励磁线圈10固定在所述电力传输钻铤1的内侧壁上，所述外励磁线圈9通过导线27与所述电励磁发射电路板4连接。
进一步，所述传递部分包括万向挠轴14、防掉杆17、防掉螺母16、左承压连接器插针18、左承压连接器插座19、螺旋线圈20、右承压连接器插座21和右承压连接器插针22；
其中，所述万向挠轴14的内部设有导线孔29，所述防掉杆17的内部设有承压连接器仓15，所述承压连接器仓15的两端设有导线孔29，所述左承压连接器插针18、左承压连接器插座19、螺旋线圈20、右承压连接器插座21和右承压连接器插针22均设置在所述承压连接器仓15内，所述左承压连接器插针18一端与导线27连接，另一端***所述左承压连接器插座19内，所述左承压连接器插座19另一端与所述螺旋线圈20的一端连接，所述螺旋线圈20的另一端与右承压连接器插座21的一端连接，所述右承压连接器插针22的一端与导线27连接，另一端***所述右承压连接器插座21内；
所述万向挠轴14的一端与所述内导流机构7的端部通过螺纹密封连接，另一端与***到所述防掉杆17一端的内部，并与所述防掉杆17内部活动连接，所述防掉螺母16设置在所述万向挠轴14与防掉杆17连接一端的端部，所述防掉杆17的另一端伸出所述电力传输钻铤1与马达转子24的一端螺纹密封连接。
进一步，所述防掉杆17上还设有压力平衡孔23，所述压力平衡孔23与设置在所述防掉杆17内部的所述承压连接器仓15连通。
进一步，所述万向挠轴14与所述防掉杆17的连接方式为键槽方式。
进一步，所述万向挠轴14的材质为钛合金或镁铝合金。
进一步，所述万向挠轴14的长度为270-400mm，直径12-15mm，所述万向挠轴14的导线孔29的直径为2.5-5mm。
进一步，所述防掉螺母16与防掉杆17螺纹连接，材料采用合金钢，直径95-100mm，厚度27-50mm。
实例：
上部泥浆电机产生的电力及旋转导向工具与随钻测量、随钻测井仪器之间的通信信号，需要通过螺杆钻具传递给旋转导向工具。在实现过螺杆电力传输及信号传递时，是从螺杆钻具本体穿过一根导线27，导线27设置在导线孔29内，导线孔29设置在外导流机构、内导流机构、万向挠轴和防掉杆内部。
泥浆由电力传输钻铤1内口流入，流经截面呈扇形的泥浆通道6，驱动马达转子24在马达定子25容腔里运动，从而将泥浆液压能转化为机械能。
马达转子24是左旋螺杆结构，马达定子25内衬左旋螺旋型腔马达定子橡胶26，马达转子24和马达定子25具有特殊的啮合关系，其线型是一对摆线类共轭曲线副，马达转子24与马达定子橡胶26形成密封空腔，随着马达转子24在马达定子25中转动，密封腔沿着轴向移动，不断的生成与消失，完成能量转换，将泥浆液压能转换为机械能。
电力传输钻铤1与马达定子25通过螺纹连接，马达转子24在马达定子25容腔里的运动是行星运动，即除马达转子24本身旋转外，马达转子24的轴线同时围绕马达定子25轴线转动，并且马达转子24在马达定子25容腔内还有一定的轴向窜动。
马达转子24与防掉杆17通过螺纹连接，防掉杆17与万向挠轴14内六方键槽形式滑动连接，万向挠轴14与内导流机构7通过螺纹连接，内励磁线圈10安装在内导流机构7上。
防掉螺母16与防掉杆17通过螺纹连接，防止马达转子24从马达定子25容腔中脱出，发生落井事故。
防掉杆17与马达转子24之间有绝对密封，防止泥浆进入。
万向挠轴14与内导流机构7之间有绝对密封，防止泥浆进入。
外导流机构2、外励磁线圈9与电力传输钻铤1固定在一起。
马达转子24将行星运动传递给防掉杆17，防掉杆17与万向挠轴14内六方键槽形式滑动连接，即防掉杆17与万向挠轴14允许有轴向相对运动，从而消除马达转子24在马达定子25容腔内的轴向窜动。
防掉杆17设置压力平衡孔23结构，使设置在所述防掉杆17内部的所述承压连接器仓15内部的压力平衡，从而实现防掉杆17与万向挠轴14轴向相对运动。
万向挠轴14细长，挠度较大，容易变形弯曲，将防掉杆17传递过来的行星运动转化为内导流机构7上内励磁线圈10与外励磁线圈9同轴转动。
泥浆轴承8支撑内导流机构7，使内导流机构7相对于电力传输钻铤1同轴转动。
上部泥浆电机产生的电力及旋转导向工具与随钻测量、随钻测井仪器之间的通信信号，通过导线27接插件电器连接传递到外导流机构2上，然后通过电励磁发射电路板4将直流电变成高频交流电，并将信号调制到高频交流电中，在通过导线27传递到外励磁线圈9上，外励磁线圈9产生高频交变磁场，与内励磁线圈10感应耦合，内励磁线圈10产生同样频率的交流电，通过导线27传递到电励磁接收电路板13，电励磁接收电路板13将高频交流电变为直流，并且从中将信号分离提取出来。
外励磁线圈9产生的交变磁场，直接通过外励磁线圈9与内励磁线圈10之间的泥浆，通过感应耦合的方式传输到内励磁线圈10，实现有相对转动的电力和信号传输。
发射电路仓盖板3与外导流机构2、接收电路板仓盖板12与内导流机构7之间有绝对密封，防止泥浆进入电路板仓。
电励磁接收电路板13接收的电力和信号，通过万向挠轴14中心的导线孔29中导线27传递到承压连接器插针18，通过承压连接器插座19、螺旋线圈20、承压连接器插座21、承压连接器插针22、导线27传递到马达转子25中心导线支撑体28，导线继续向下穿过螺杆钻具本体。
承压连接器插针18和承压连接器插座19，防止泥浆进入万向挠轴14，以及进入接收电路板仓。
承压连接器插针22和承压连接器插座21，防止泥浆进入防掉杆17，以及下端过线结构。
承压连接器插座19与承压连接器插座21之间螺旋线20可以自由伸缩，以配合防掉杆17与万向挠轴14之间的轴向相对运动。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种螺杆钻具定子与转子间电力传输及信号传递装置，其特征在于，该装置包括电力及信号发射部分、电力及信号接收部分和传递部分；
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分用于将泥浆发电机产生的电力和信号通过非接触方式传递；
所述传递部分用于将电力和信号传送给马达转子继续向下穿过螺杆钻具本体；
所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分均设置在电力传输钻铤内部，且所述电力及信号发射部分通过导线与泥浆发电机、随钻测量及随钻测井仪器连接，电力及信号接收部分通过传递部分与马达转子机械连接，其中，电力及信号通过导线传递给所述马达转子。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电力及信号发射部分、电力及信号接收部分包括外导流机构、内导流机构、外励磁线圈、内励磁线圈、电励磁发射电路板和电励磁接收电路板；
其中，所述外导流机构固接在所述电力传输钻铤内部，所述内导流机构通过泥浆轴承安装在所述电力传输钻铤内部，所述外导流机构的一端的端部与所述内导流机构一端的端接触，所述外导流机构和内导流机构的内部均设有导线通孔和扇形泥浆通道，所述外导流机构的另一端设有发射电路仓，所述电励磁发射电路板设置在所述发射电路仓内，并通过发射电路仓盖板密封所述发射电路仓，所述内导流机构的一端设有接收电路仓，所述电励磁接收电路板设置在所述接收电路仓内，并通过接收电路仓盖板密封所述接收电路仓，所述内励磁线圈设置在所述内导流机构与所述外导流机构接触的一端，并通过导线与所述电励磁接收电路板连接，所述外励磁线圈与所述内励磁线圈同心无接触安装，且所述外励磁线圈固定在所述电力传输钻铤的内侧壁上，所述外励磁线圈通过导线与所述电励磁发射电路板连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传递部分包括万向挠轴、防掉杆、防掉螺母、左承压连接器插针、左承压连接器插座、螺旋线圈、右承压连接器插座和右承压连接器插针；
其中，所述万向挠轴设有导线孔，所述防掉杆的内部设有承压连接器仓，所述承压连接器仓的两端设有导线孔，所述左承压连接器插针、左承压连接器插座、螺旋线圈、右承压连接器插座和右承压连接器插针均设置在所述承压连接器仓内，所述左承压连接器插针一端与导线连接，另一端***所述左承压连接器插座内，所述左承压连接器插座另一端与所述螺旋线圈的一端连接，所述螺旋线圈的另一端与右承压连接器插座的一端连接，所述右承压连接器插针的一端与导线连接，另一端***所述右承压连接器插座内；
所述万向挠轴的一端与所述内导流机构的端部通过螺纹密封连接，另一端与***到所述防掉杆一端的内部，与所述防掉杆活动连接，所述防掉螺母设置在所述万向挠轴与防掉杆连接一端的端部，所述防掉杆的另一端伸出所述电力传输钻铤与马达转子螺纹密封连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述防掉杆上还设有压力平衡孔，所述压力平衡孔与所述承压连接器仓连接。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述万向挠轴与所述防掉杆的连接方式为键槽方式连接。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述万向挠轴的材质为钛合金或镁铝合金。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述万向挠轴的长度为270-400mm，直径12-15mm，所述万向挠轴的导线孔的直径为2.5-5mm。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述防掉螺母与防掉杆螺纹连接，材料采用合金钢，直径95-100mm，厚度27-50mm。
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