基于磁感耦合LCL谐振补偿的连续管钻井导向系统无线能量与信号双向传输研究

针对连续管钻井导向系统(SSCTD)中旋转轴与静止壳体间有线连接可靠性差的问题，研究人员提出基于磁感耦合原理的双向LCL谐振补偿系统，实现功率信号共享通道传输。通过Simulink建模与P&Q控制策略验证，系统传输效率达95.16%，信号损耗低于3W，为复杂井下环境提供了高效稳定的无线供能通信解决方案。

　　

在油气勘探领域，连续管钻井技术因其安全环保特性成为浅层钻井和定向钻井的主流选择。然而，其核心部件——连续管钻井导向系统(SSCTD)长期受限于旋转主轴与静止套筒间的有线连接方式，在高温高压的井下环境中易出现线路磨损、信号衰减等问题。传统方案如Zhou等设计的旋转变压器效率不足80%，Zhang和Ma提出的半双工通信系统效率仅75%，难以满足现代钻井对实时控制和高效供能的需求。

重庆科技大学的Li Meng团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，创新性地将磁感耦合原理与LCL谐振补偿拓扑相结合，构建了功率信号共享通道的双向无线传输系统。通过Simulink平台建立双LCL补偿模型，采用P&Q(有功-无功)联合控制策略，实现了无需专用通信接口的功率流同步调控。实验表明，该系统在300W输入功率下效率突破95%，信号传输对功率损耗影响不足3W，动态响应性能优异。

关键技术包括：1) 基于LCL拓扑的谐振网络设计，提升谐波抑制能力；2) 功率信号共享通道的载波调制技术，采用ω_d和ω_u双频实现全双工通信；3) 实时采集电压V_si与电流i_si参数的P&Q控制算法。

研究结果揭示：

1. 无线能量双向传输系统：LCL补偿网络使系统在耦合系数0.3-0.5波动时仍保持90%以上效率，优于传统SS/SP拓扑。
2. 双向信号传输：通过2MHz/5MHz载波分离技术，信号误码率低于10^-6，抗干扰能力显著。
3. 同步P&Q功率控制：实时计算有功功率P和无功功率Q，实现±5%的功率波动控制精度。
4. 仿真与实验验证：Simulink模型显示系统启动响应时间仅20ms，实验测得95.16%的峰值效率。

该研究突破了井下设备无线供能的技术瓶颈，其创新点在于：1) 通过LCL网络将功率传输效率提升至工程应用阈值以上；2) 首创P&Q控制策略实现功率-信号自主协同；3) 为智能钻井装备提供了标准化无线传输方案。研究获得国家自然科学基金(51974052)等多项资助，相关技术已应用于自然资源部定向钻井工程技术中心(KF202401)的装备研发。这项成果不仅解决了旋转机械的能源传输难题，更为深地探测装备的智能化发展提供了关键技术支撑。