[实用新型]一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及石油、天然气钻井领域，更具体地讲，本实用新型涉及自动垂直钻井系统中动力主轴与纠斜活套之间的非接触电能传输设备。

背景技术

塔里木、克拉玛依、玉门等西部油田，是我国重要的石油、天然气基地，西部油气产量直接关系到国计民生和国防安全。因西部地区钻遇高陡构造地层，且井深相对较深，导致井眼易斜，钻速较低，防斜打快已成为西部油气开发中钻井技术的瓶颈。目前常规井斜控制技术对于高陡构造及造斜力强的地层，井斜控制效果难以保证。而自动垂直钻井工具是一种井下闭环控制系统，它可实现井下主动纠斜并保持井眼垂直。这种工具特别适用于高陡构造地层及深井的垂直钻井，在我国西部石油资源的开发中有着良好的应用前景。

在自动垂直钻井系统中，纠斜活套上井下电子测控系统的供电电源通常是由钻杆内的高压泥浆带动涡轮发电机发电提供，通过密封导电滑环实现电能传输。导电滑环虽然结构简单、易于实现，但缺点是对滑动接触面的清洁度要求较高，通道扩展困难，电刷被磨损需要经常维护更换滑环。钻井过程中高温、高压、强振动冲击及泥浆的存在，使得导电滑环的工作环境非常恶劣，性能可靠性方面的问题较为突出。

非接触电能传输是基于电磁感应理论的功率变换技术，其发展方向是大容量、高效率、低成本、小体积、大气隙及高稳定性，在发展过程中也面临着诸多挑战，比较突出的问题是如何提高电能传输的效率。为了减小垂直钻井系统非接触电能传输系统变压器的尺寸，功率逆变电路采取高频运行，但是过高的开关损耗势将不容忽视。为了降低开关损耗和容许高频运行，谐振软开关技术已经得到了发展。这些技术采用正弦方式处理电力，开关器件能够实现软换流，使得开关损耗与噪声大为降低。

美国专利US 6540032公开了一种井下钻具中静止部件与旋转部件之间非接触电能传输的方法和装置，虽然该专利提出的变压器原理结构可行，但并未提及功率变换主电路以及控制方式，而且整个装置体积较大，不利于抗井下强烈振动和冲击。

中国专利CN 102005924A公开了一种用于非接触电能传输的控制方法，该方法通过检测非接触电能传输系统逆变器的输出电压与电流的相位差，采用纯硬件电路(PLL锁相环)实现自适应谐振控制功能，保证逆变器的输出电压与电流的相位差为零，使得系统传输功率和效率达最大值。但逆变器远离谐振点时输出电流波形会产生畸变，导致电流相位错乱，硬件电路很难准确检测电流波形；PLL锁相环电路受环境温度影响较大，导致系统谐振控制功能不稳定；变压器副边没有进行补偿，当负载较重时传输效率会降低。

中国专利CN 101789637A公开了一种感应式电能传输装置，可分离变压器的原边和副边的其中一端串接谐振电容，目的是使得变压器原边、副边绕组漏感与谐振电容在谐振状态时其串联阻抗为零，以此提高非接触电能系统的传输效率。但该方法没有考虑到负载和环境温度变化对系统谐振频率的影响。

其他与非接触电能传输相关的专利均是针对地面设备应用(参见CN101540554A、CN1015521223A、CN101026033A)，没有考虑到井下高温、高压、强振动冲击、结构空间小及泥浆冲蚀等恶劣条件，因此无法用于自动垂直钻井工具。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足之处，针对垂直钻井系统中动力主轴与纠斜活套之间相对转动的特点以及井下恶劣工况，本实用新型提供了一种传输效率高、噪声低、体积小、抗振动冲击、便于维护的井下非接触电能传输系统，使安装在动力主轴上的初级磁芯与纠斜活套上的次级磁芯之间的磁阻保持恒定，不受旋转运动的影响，并能自动锁定逆变电路的谐振点，消除因环境温度导致电路偏离谐振点，使功率传输效率降低的弊端。

所述技术方案如下：

一种用于垂直钻井系统的非接触电能传输系统，包括：

变压器，用于实现电能的传输；

串联谐振逆变电路，与所述变压器的初级绕组连接；

整流输出电路，分别与所述变压器的次级绕组及钻井系统的纠斜电控系统连接，用于对所述次级绕组所输出的电流进行整流并输送至所述纠斜电控系统；

逆变控制电路，与所述串联谐振逆变电路连接，用于对所述串联谐振逆变电路的输出电压与电流进行同相位控制；

所述变压器为分离式变压器，其包括彼此分离的初级磁芯和次级磁芯，所述钻井系统的动力主轴的外圆面上及所述纠斜活套的内圆面上分别成型有多个沿轴线方向设置的凹槽，所述初级磁芯设置于所述动力主轴的凹槽内，所述次级磁芯设置于所述纠斜活套的凹槽内，所述次级磁芯表面圆弧相对于所述动力主轴轴心所形成的圆心角θ满足以下表达式：