一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，属于石油、天然气钻井领域。所述装置包括：非接触旋转变压器、数据发送器、数据接收器，所述非接触旋转变压器为上下两组，每一组非接触旋转变压器包括第一非接触旋转变压器、第二非接触旋转变压器；所述第一非接触旋转变压器安装在旋转主轴的外壁凹槽内，第二非接触旋转变压器安装在导向活套的内壁凹槽内，两组非接触旋转变压器各自独立工作，彼此存在相对旋转运动。使旋转主轴上的磁芯与导向活套上的磁芯之间的磁阻保持恒定，不受旋转运动的影响，从而保证了信号传输的稳定性，利于在井下强振动、冲击的环境下应用。

【技术实现步骤摘要】
一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置
本专利技术涉及石油、天然气钻井领域，特别涉及一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置。
技术介绍
随着大位移井、大斜度井和长水平井的出现和发展，常规钻具已经很难满足需要，而井下旋转导向钻具因其机械钻速高、井身质量高、不易卡钻等优点，在石油钻井领域中具有广阔应用前景。通常在井下钻具上安装一个可绕钻具主轴旋转的导向活套，活套上均匀分布三到四个液压推力控制单元。钻进过程中，井下电子测控系统通过测量井斜角和方位角，分别调节液压推力控制单元输出推力的大小，使得钻具在某个方向上产生一定侧向推力，从而实现钻具在井下进行导向钻进。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术至少存在以下问题：井下电子测控系统的电源通常由钻杆内高压泥浆涡轮发电机提供，利用导电滑环实现由旋转钻杆到导向套筒的电能传输。此外，导电滑环还将负责位于旋转钻柱上随钻测量仪器与活套上电子测控系统之间双向数据通信。虽然导电滑环结构简单、易于实现，但缺点是对滑动接触面的清洁度要求较高，电刷被磨损需要经常维护更换滑环。在井下高温、高压、强振动等恶劣工作环境下，导电滑环的密封和绝缘更是难以解决，导致滑环可靠性问题则较为突出。中国专利公开了一种随钻测量数据传输系统，是一种钻杆接头之间的双向半双工数据传输系统，其信号是沿钻杆轴向进行传输，且信号收发器之间没有相对旋转运动，没有解决旋转钻杆与导向活套之间信号径向传输的问题。中国专利公开了一种在设备中彼此相对运动的部件之间传递信号的方法和设备，所用方法是采用电力载波方式实现相对旋转运动部件之间的数据通信。其缺点是载波信号易受到高频电能逆变器的干扰，滤波元件体积较大，且硬件系统设计较为复杂；此外，因该设备中旋转变压器铁氧体磁芯采用整体式结构，故磁芯体积较大，无法在井下强振动、冲击的环境下应用。
技术实现思路
为了解决现有技术旋转主轴上随钻测量系统与导向活套上电子测控系统之间的数据交换的问题，实现旋转钻杆与导向活套之间信号径向传输，并适于在井下强振动、冲击的环境下应用，本专利技术实施例提供了一种用于井下旋转导向钻井工具中旋转主轴与导向活套之间的信号无线双向传输装置。所述技术方案如下：一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，所述装置包括：非接触旋转变压器、数据发送器、数据接收器，所述非接触旋转变压器为上下两组，每一组非接触旋转变压器包括第一非接触旋转变压器、第二非接触旋转变压器；所述第一非接触旋转变压器安装在旋转主轴的外壁凹槽内，第二非接触旋转变压器安装在导向活套的内壁凹槽内，两组非接触旋转变压器各自独立工作，彼此存在相对旋转运动。具体地，所述非接触旋转变压器分别由多个独立的U形铁氧体磁芯组成，沿圆周方向均匀分布，其中上一组的第一非接触旋转变压器的铁氧体磁芯安装在旋转主轴的外壁上部沿圆周均匀分布的多个凹槽内，第二非接触旋转变压器的铁氧体磁芯安装在导向活套的内壁上部沿圆周均匀分布的多个凹槽内；下一组的第一非接触旋转变压器的铁氧体磁芯安装在旋转主轴的外壁下部沿圆周均匀分布的多个凹槽内，第二非接触旋转变压器的铁氧体磁芯安装在导向活套的内壁下部沿圆周均匀分布的多个凹槽内。进一步地，所述第一非接触旋转变压器的上部铁氧体磁芯、下部铁氧体磁芯与旋转主轴的外壁凹槽之间由粘接剂联接；所述第二非接触旋转变压器的上部铁氧体磁芯、下部铁氧体磁芯与导向活套的内壁凹槽之间由粘接剂联接。进一步地，所述旋转主轴和导向活套上的U形铁氧体磁芯采用不同的数量，在圆周方向上均匀安装，满足如下关系：和/或式中，θ为每块定子磁芯的表面圆弧与轴心的张角，m为定子块数与转子块数的最小公倍数，n为正整数。所述旋转主轴设置有中心孔，旋转主轴与导向活套之间的气隙为泥浆流道。所述数据发送器为上下两个，包括第一数据发送器、第二数据发送器；其中第一数据发送器设置于旋转主轴上部，由主轴向活套发送数据，第二数据发送器设置于导向活套下部，由活套向主轴发送数据。具体地，所述第一数据发送器由频率调制、电子开关、驱动电路、功率放大电路及发射线圈、数字信号控制器组成；所述第一数据发送器的数字信号控制器连接旋转主轴电子系统及频率调制，频率调制通过电子开关的EN1和EN2连接驱动电路，驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路连接第一发射线圈，所述第一发射线圈设置在旋转主轴上部的第一非接触旋转变压器的铁氧体磁芯上。具体地，所述第二数据发送器由频率调制、电子开关、驱动电路、功率放大电路及发射线圈、数字信号控制器组成；所述的第二数据发送器的数字信号控制器连接导向活套电子系统及频率调制，频率调制通过电子开关的EN1和EN2连接驱动电路，驱动电路连接功率放大电路，功率放大电路连接第二发射线圈，所述第二发射线圈设置在导向活套下部的第二非接触旋转变压器的铁氧体磁芯上。所述数据接收器为上下两个，包括第一数据接收器、第二数据接收器；其中第一数据接收器设置于导向活套上部，由活套向主轴接收数据，第二数据接收器设置于旋转主轴下部，由主轴向活套接收数据。具体地，所述第一数据接收器由采样电阻、信号调理电路、带通滤波器、信号整形电路及接收线圈组成；第一数据接收器的第一接收线圈跨接采样电阻、连接信号调理电路，信号调理电路连接带通滤波器，带通滤波器连接信号整形电路，信号整形电路连接导向活套电子系统，所述第一接收线圈设置在导向活套上部的第二非接触旋转变压器的铁氧体磁芯上。具体地，所述第二数据接收器由采样电阻、信号调理电路、带通滤波器、信号整形电路及接收线圈组成；第二数据接收器的第二接收线圈跨接采样电阻、连接信号调理电路，信号调理电路连接带通滤波器，带通滤波器连接信号整形电路，信号整形电路连接旋转主轴电子系统，所述第二接收线圈设置在旋转主轴下部的第一非接触旋转变压器的铁氧体磁芯上。所述数据接收器的信号通过数据接收检测系统检测所述接收到的信号频率是否超限；如果否，则判断所述信号的类型，并存储所述信号。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：1.非接触旋转变压器由多个分体式U形铁氧体磁芯组成，分别安装在旋转主轴和导向活套上的多个凹槽内，使旋转主轴上的磁芯与导向活套上的磁芯之间的磁阻保持恒定，不受旋转运动的影响，从而保证了信号传输的稳定性，利于在井下强振动、冲击的环境下应用。2.采用两组非接触旋转变压器、两套各自独立工作的数据发送器和数据接收器分开布置，从而实现了主轴与活套之间信号的双向传输，不仅降低了信号传输过程中的噪声干扰，也提高了井下信号传输的可靠性。3.接收检测时通过软件进行信号频率误差允许容限设定，并根据接收到脉冲信号频率，接收端的电子系统通过软件方式采用带进位左移方式接收信号，当收到一个完整的字节时将其按照先后顺序依次保存到接收缓存中，保证接收数据的正确率。4.解决了旋转钻杆与导向活套之间信号径向传输的问题，适用于井下导向钻具中动力主轴与导向活套在相对旋转运动时，两个部件之间的信号无线双向传输，替代了导电滑环，成为一个相对独立的信号传输部件，广泛应用于石油钻井随钻导向工具进行井下导向钻进。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，所述装置包括：非接触旋转变压器（1）、数据发送器（2）、数据接收器（3），所述非接触旋转变压器（1）为上下两组，每一组非接触旋转变压器（1）包括第一非接触旋转变压器（11）、第二非接触旋转变压器（12）；所述第一非接触旋转变压器（11）安装在旋转主轴（4）的外壁凹槽内，第二非接触旋转变压器（12）安装在导向活套（5）的内壁凹槽内，两组非接触旋转变压器各自独立工作，彼此存在相对旋转运动。

【技术特征摘要】
1.一种井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，所述装置包括：非接触旋转变压器(1)、数据发送器(2)、数据接收器(3)，所述非接触旋转变压器(1)为上下两组，每一组非接触旋转变压器(1)包括第一非接触旋转变压器(11)、第二非接触旋转变压器(12)；所述第一非接触旋转变压器(11)安装在旋转主轴(4)的外壁凹槽内，第二非接触旋转变压器(12)安装在导向活套(5)的内壁凹槽内，两组非接触旋转变压器各自独立工作，彼此存在相对旋转运动；所述第一非接触旋转变压器(11)和第二非接触旋转变压器(12)分别由多个独立的U形铁氧体磁芯组成，沿圆周方向均匀分布，其中上一组的第一非接触旋转变压器(11)的铁氧体磁芯(11-1)安装在旋转主轴(4)的外壁上部沿圆周均匀分布的多个凹槽内，上一组的第二非接触旋转变压器(12)的铁氧体磁芯(12-1)安装在导向活套(5)的内壁上部沿圆周均匀分布的多个凹槽内；下一组的第一非接触旋转变压器(11)的铁氧体磁芯(11-2)安装在旋转主轴(4)的外壁下部沿圆周均匀分布的多个凹槽内，下一组的第二非接触旋转变压器(12)的铁氧体磁芯(12-2)安装在导向活套(5)的内壁下部沿圆周均匀分布的多个凹槽内。2.根据权利要求1所述的井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，上一组的第一非接触旋转变压器(11)的铁氧体磁芯(11-1)、下一组的第一非接触旋转变压器(11)的铁氧体磁芯(11-2)与旋转主轴(4)的外壁凹槽之间由粘接剂(7)联接；所述上一组的第二非接触旋转变压器(12)的铁氧体磁芯(12-1)、下一组的第二非接触旋转变压器(12)的铁氧体磁芯(12-2)与导向活套(5)的内壁凹槽之间由粘接剂(7)联接。3.根据权利要求1所述的井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，所述旋转主轴(4)设置有中心孔(4-1)，旋转主轴(4)与导向活套(5)之间的气隙为泥浆流道(6)。4.根据权利要求1所述的井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，所述数据发送器(2)为上下两个，包括第一数据发送器(21)、第二数据发送器(22)；其中第一数据发送器(21)设置于旋转主轴(4)上部，由主轴(4)向活套(5)发送数据，第二数据发送器(22)设置于导向活套(5)下部，由活套(5)向主轴(4)发送数据。5.根据权利要求4所述的井下旋转导向钻具中主轴与活套之间信号无线双向传输装置，其特征在于，所述第一数据发送器(21)由频率调制(21-1)、电子开关(21-2)、驱动电路(21-3)、功率放大电路(21-4)及第一发射线圈(21-5)、数字信号控制器(21-6)组成；所述第一数据发送器(21)的数字信号控制器(21-6)连接旋转主轴(4)电子系统及频率调制(21-1)，频率调制(21-1)通过电子开关(21-2)的EN1和EN2连接驱动电路(21-3)，驱动电路(21-3)连接功率放大电路(21-4)，功率放大电路(21-4)连接第一发射线圈(21-...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾维平，张磊，邓乐，窦修荣，盛利民，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：