33.适用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输方法

２等效充电电路分析
脉冲变压器的作用是输出类似于图２所示的高 压脉冲信号，在该脉冲作用下的充电电路如图３所
示，电容器在Ｔｚ期间充电、ｎ期间缓慢放电。若
近似地认为二极管的伏安特性是线性的，并假定其 正向电阻为，．，，反向电阻为ｒＦ，则图３所示电路在 Ｔｚ与ＴＮ期间的等效电路分别如图４和图５所示。
Ｄ
图２脉冲信号
（３）
ｇ·ＣＦ，Ｌ，２＋Ｉｉ：ｕ当。ｕ％２州抖。∥ｅ－一书
（４）
其中
Ｒ７ｚ—Ｒｒｚ／（Ｒ＋ｒｚ）
Ｒ；一ＲｒＦ／（Ｒ＋ｒＦ）
当高压开关闭合后，储有能量的脉冲电容器将 迅速放电，从而在发射线圈上产生冲击电流，向能量 接收装置发射电能。设放电回路中由高压开关、脉 冲电容器、发射线圈等构成的总电阻、总电感和总电 容分别为Ｒ、Ｌ、Ｃ，并设开关闭合前电容器的电压为 砜，则放电回路的等效电路如图６所示，图中Ｋ已 等效为没有电感和电阻的理想开关。
（下转第１１９页）
万方数据
第２１卷第２期
孙友义等：下放或回收作业状态下超深水钻井隔水管轴向动力分析
１１９
张力与最大张力均要显著大于ＬＭＲＰ悬挂情形， ＢＯＰ的存在降低了隔水管出现动态压缩的风险，但 却增大了起重装置出现过载的风险。
（３）ＬＭＲＰ或Ｉ．ＭＲＰ和ＢＯＰ的存在使得隔水 管底端不易出现动态压缩，而且隔水管最小张力在 裸管区自下而上逐渐增大，而在浮力区自下而上逐 渐减小，因此只有处在浮力区以下的裸隔水管单根 对于缓解浮力区动态压缩才有帮助。
ｉ（￡）的导数成正比，为了得到Ｕ（￡）与ｉ（￡）的正比关
系，在电路中设置了Ｒ、Ｃ积分电路。当电缆的波阻 抗Ｚ远远大于罗果夫斯基线圈的感抗∞Ｌ时，可略 去测量线圈的内压降，认为Ｕ（￡）全部降落在Ｚ上。
另外，通过对积分电路中Ｒ、Ｃ的选择可使Ｒ》１／ （ｃＪＣ，因而可认为通过Ｃ的电流ｉｃ（￡）≈“（￡）／Ｒ，故Ｃ 上的电压“ｃ（￡）为
式（１）～（４）为迭代公式，迭代的初始条件和终 止条件分别为
Ｕｃｚ．ｏ—ＵｃＦ．ｏ＝０，Ｕｃｚ．。一Ｖｆ＋ＡＶＨ（５）
式（５）中，Ｖｒ是产生所需电流峰值的最小电压，△ＶＨ 为Ｖ，的上限误差，Ｆ／为Ｕ。Ｎ第一次达到Ｋ＋△ＶＨ所 需的周期数。由此可得充电时间为
ｔ。一ｎＴ
完成充电后变压器停止工作，等待电容器放电， 放电完成后开始下一次充电过程，依此不断反复。
ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｏｉｌ＆Ｇａｓ Ｓｃｉ— ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００２，５７（１）：３９—５７．
收稿日期：２００８—１１—０４改回日期：２００９‘０２—２４ （编辑：叶秋敏）
１ 高能量密度电能发射系统工作原理
导向钻井工具系统比较典型的电能与信号传递 是在非旋转的导向套筒与旋转的钻杆之间进行。因 为发射部分和接收部分存在气隙，所以此种耦合属 于松耦合，存在漏感、漏磁、涡流等问题，电能耦合效 率不高。而传输效率和发射线圈的能量密度有很大 关系，提高能量密度有利于提高能量耦合效率。能 量密度的大小与线圈匝数、铁芯材料、发射线圈电流 等因素有关。在其它参数变化不大时，提高发射线 圈电流可以提高系统的电能耦合效率。
万方数据
１１４
中国海上油气
充电电压监测
比较器
ＰＩＣ
驱动电路Ｈ脉冲变压器Ｈ整流电路Ｈ高压电容器｝１叫高压开关Ｈ发射线圈
单片机 垂至至亘二卜．｛蔓豆亘至里习—｛］重亘堑亘］—（蔓匡引墓霁篓
图１ 高能量密度电能发射系统示意图
６ ｋＶ，导通时间小于５０ ＵＳ、导通电阻小于１０ ｍＱ；脉 冲变压器是一种小型变压器，有很高的变比。上述发 射系统的体积很小，全部器件的总体积约９０ ｃｍ３。
（４）推荐水深１ ８２８．８ ｍ钻井隔水管的浮力块 配置为带浮力块单根隔水管总数为５７（裸隔水管单 根总数为１７），选择将浮力块连续配置在隔水管上 部，这样可同时降低隔水管出现动态压缩与起重装 置出现过载的风险。
参考文 献
［１１ ＡＭＢＲＯＳＥ Ｂ Ｄ，ＣＨＩＬＤＳ Ｍ Ｓ。ＬＥＰＰＡＲＤ Ｓ Ａ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａ— ｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｒｉｓｅｒ ｒｉｓｋ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｒｉｓｅｒ ｄｅｓｉｇｎ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００１ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｈｏｕｓｔｏｎ。ＵＳＡ，２００１．
［２］ＢＲＥＫＫＥ Ｊ Ｎ，ＳＯＬＥＳ Ｊ，ＷｌＳＨＡＨＹ Ｍ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｒｉｓｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ａ ＤＰ ｄｒｉｌｌｓｈｉｐ ｉｎ ｌａｒｇｅ．ｒａｐｉｄｌｙ—ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｅａ— ｓｔａｔｅｓ ｉｎ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２００４ ＳＰＥ／ＩＡＤＣ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ。Ｄａｌｌａｓ，ＵＳＡ。２００４．
图１中：ＰＩＣ单片机采用了一次性写入的８脚 ＰＩＣｌ２Ｃ５０８Ａ单片机，其目的是减小系统体积，提高 抗电磁干扰的能力，防止高压电容器放电过程中产 生的冲击大电流而引起的强电磁冲击使单片机程序 跳飞；高压电容器是一种无感式电容器，其耐压为 ５ ｋＶ，可以在瞬间释放出峰值为８ ｋＡ的电流，并能以 很高的放电频率工作；高压开关所能够承受的耐压为
３ 瞬态发射电流及罗氏线圈测量
图４死期间的等效电路 图５ ｎ期间的等效电路
由图４、５可求得电容器电压Ｕ。及电流ｉｃ的变
化规律为
＋熹Ｅ（１一ｅ－每）（１） ｚ．蚪１一ｕｃ蹦ｆｉ≯＋—二÷面ｆ一百≯１（’
：州一‰ｆ币ｔＺＵｃ
屯州一爿Ｅ ｔ一瓣Ｒ（，一ｅ－去）卜警ｅ－币ｔＥ
（２）
ＵｃＦ肘１一Ｕｃｚ。抖１ ｅ＿百≯
在理论分析和计算的基础上，采用罗果夫斯基
线圈【４’５］对发射线圈中的电流进行了测量。罗果夫 斯基线圈的结构如图７所示，传输被测电流的导体 从线圈中心穿过，设电流传输导线与罗果夫斯基线
圈每匝中心的距离为ｒ，被测电流为ｉ（￡），则穿过线 圈每匝的磁感应强度Ｂ，为
Ｂ，＝／ｚｉ（￡）／（２丌，．）
（８）
测量过程中需要消除强磁场在电缆外皮中产生 的噪声电流而引起的共模干扰，这种噪声电流引起
８
４八八／＼八
．Ｖ １ Ｖ ２ Ｖ卜“Ｉ
－４
－８
图８采取抗干扰措施后的测试结果
图７用罗果夫斯墨线圈测量发射电流
感应电压乱（￡）与Ｂ，的关系为
Ｓ挚 “（￡）一，ｚ
（９）
根据式（８）可推出
础）＝筹掣ｔｉｔ＝Ｍ警 （１０）
Ｚ丁ｃｒ
ａ￡
式（１０）中，２为线圈匝数；Ｓ为每匝线圈的面积；
Ｍ＝ｐｎＳ／（２ ｒｔｒ）。 式（１０）中，示波器测出的电压配（￡）与被测电流
的电压降将耦合到被测信号上。干扰信号的大小与 电缆的耦合阻抗有关，即
Ｚ—ＶＮ／ｔＮ
（１２）
式（１２）中，Ｖ。为噪声电压，ＪＮ为噪声电流。为消除
干扰，采取了如下措施：采用双屏蔽电缆，减小感生
电流和耦合阻抗；缩短接地回路，消除地电位升高而 造成的影响。采用以上措施后获得良好的效果，对 比情况如图８和图９所示。
“ｔ）一钟幽）一志弘ｍ
一志『Ｍ警一拦ｍ，…，
图９未采取抗干扰措施的测试结果
４结束语
针对导向钻井工具的特点，设计了一种适合于 旋转件与非旋转件之间的非接触式电能发射系统。 采用单片机、驱动电路、脉冲变压器、脉冲电容器等 小体积、高电压、大电流器件，制作了高能量密度的 电能发射装置，通过慢充电、快放电方式在发射线圈 上产生冲击大电流。在理论分析和计算的基础上， 采用罗果夫斯基线圈对发射电流进行了测量，测量 过程中采用了良好的屏蔽和接地等噪声抑制措 施，得到了满意的结果，发射线圈上的实测电流峰 值为８ ｋＡ。研究结果表明，包括发射线圈在内的 电能发射电路的Ｒ、Ｌ、Ｃ等参数对发射电流的影响
高能量密度电能发射系统如图１所示。采用 ＰＩＣ系列单片机产生图２所示的波形，经驱动后由 脉冲变压器输出高压波形，由于脉冲变压器不可避 免地产生一定的波形失真，包括上升、顶冲、顶降和 反冲［３］，因此需要通过整流电路对高压电容器充电， 当电容器上的电压达到一定的幅度后，在单片机的 控制下，触发电路工作，使高压开关导通，电容器快 速放电，向接收装置发射电能。
当开关闭合后，可求得回路方程为
ｃ
图６放电回路的等效电路
万方数据
第２１卷第２期
陈红新等：适用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输方法
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Ｌ面ｄｉ十虿１，ｉｄ￡＋ｉ（￡）Ｒ—Ｖｏ （６）
求解得
ｉ＝皂ｓｉｎ（叫ｔ）ｅ－÷
（７）
６Ｕ』一
由式（７）可知，减小回路的电感对提高发射电流
有着特别重要的意义。在设计时，发射线圈采用扁 带线，以减小电感【４Ｊ。
电磁耦合是非接触式电能传输的主要方法，其 发展方向是大容量、高效率、低成本、小体积、大气 隙、高稳定性［１］，但在发展过程中也面临着很多挑 战。非接触式电能传输技术的基础理论是功率变换 技术口］，比较突出的问题是如何提高发射能量的密 度，在电磁耦合方式中具体表现为如何提高发射电 流和工作频率，并采用小体积、高电压、大电流的电 子元器件，实现高效率的电能传输。目前，非接触式 电能传输系统的研究多集中在变换技术的改进上， 通过改变变换器的结构来达到提高效率的目的，对 如何采用小体积、高电压、大电流器件来提高发射能 量的密度，还没有太多的论述。笔者提出的电磁耦 合能量传输方法，采用小体积的脉冲变压器、无感式 电容器以及高压开关实现了高能量密度的电磁能量 发射，取得了较好的效果。
在旋转导向钻井系统中，保证井下测控系统连 续工作的电能通常是由钻杆内的高压泥浆带动涡轮 发电机发电提供，并通过炭刷一滑环组成的集流环实 现电能的传输。采用这种方法存在的主要问题是对 滑动接触面的清洁度要求高，通道扩展困难，需要经 常维护更换滑环，钻井过程中高温、高压、强机械冲 击及泥浆的存在使得集流环的工作环境非常恶劣， 性能呵靠性方面的问题突出。为了提高电能传输系 统的可靠性，解决采用传统方法存在的问题，笔者提 出了一种基于瞬态电磁功率脉冲的非接触式电能传 输方法，通过一种高能量密度的电能发射系统向测 控系统发射电能。