CN101403378A - 直线磁力驱动双活塞智能采油泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线磁力驱动双活塞智能采油泵，它包括位于井下主机中央的传感器集成短接部件，短接两端分别连接多组直线磁力驱动部件，贯穿主机轴向连接的往复活塞泵总成部件，磁力驱动热量自循环散热部件，位于井上电力电子智能控制部件及连接井上下电缆光缆。采用原创直线磁力驱动机构，直接驱动井下活塞连杆，带动双活塞往复运动做功，改变活塞腔容积达到抽汲井下原油的目的。采油泵主机内设温度、压力、流速流量传感器与井上控制部件形成信号采集、传输、运算、检测、监测、控制、反馈自适应闭环系统。本发明作为一种新型石油采油设备，适用于深井采油、海洋深海采油、斜井水平井采油、含蜡含沙稠油井等复杂油井工况采油。

Description

直线磁力驱动双活塞智能采油泵

一、技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，或者说涉及一种将电磁能直接转换为机械能的井下电潜往复活塞泵，具体地说，属基于一种新型井下直线磁力驱动往复活塞泵的数控石油采油设备。

二、背景技术

高效、经济地将原油从油藏中开采出来并举升到地面，是油田开发的重要目标，无论采用是化学的、物理的，还是机械的方法，都是人们100多年所追求的。科学技术的发展已经给这个传统的行业带来勃勃生机。针对深井、斜井、海洋开采及稠油井、含蜡井、含沙井等油井工况，其解决方案层出不穷。不断出现的世界能源危机，对于如何促进开发新型替代能源和降低对现有能源的开发成本，已日趋显出重要性。

石油举升设备的种类繁多，技术发明林林总总。从采油方式上可分为两种：有杆类采油设备和无杆类采油设备。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类(国内外大量使用的游梁式抽油机和无游梁式抽油机)和旋转运动类(如电动潜油螺杆泵)；无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵，液压驱动类(如水力活塞泵)和汽举采油设备。

综观现行的石油举升设备，通常有三个部分组成，井上动力来源及控制部分、井下举升做功部分(工作部)和中间动力传输部分。从石油举升设备的动力来源及传输方式上分析，不难看出，人们对举升设备的可靠耐用、高效节能、先进结构的探索，完全是踏着人类近代社会经济、科学技术发展的步伐开展的。从井上的游粱式抽油机动力装置改良到碳素纤维抽油杆研发制造，从高压汽举到水力活塞泵的运用，从井上驱动的螺杆泵到井下驱动电潜泵，从电潜离心泵到电潜螺杆泵，从井上直线电机驱动抽油杆带动井下往复柱塞泵到井下直线电机直接驱动井下往复柱塞泵。以上等等都在遵循一个基本思路，即不断在降低成本、增加绩效、提高可靠性、减少能量转化环节、改变能量传输方式等方面寻求新的突破。

石油举升设备系统效率是由井下泵工作方式、能量转化及传输方式决定的。水力活塞泵曾被认为是一种各方面比较适合于各种油井工况的新型石油采油设备。中国专利200420069698.4公布了一种“液力采油机”，中国专利200510094777.X公布了一种“液力往复泵”，动力由井上液压泵输出，动力液压油通过两根管道将动力传输到井下工作泵，驱动井下液压马达旋转做功或井下活塞泵往复做功，达到抽汲原油的目的。分析液压采油系统能量转化损失效率的过程有：能量经工作站损失20％的效率，两根较长(＞1000m)且有限直径(＜0.024m)的动力管沿程阻力损失及管道气阻、系统泄漏、泵损也都会使整机效率大打折扣。电潜离心泵和电潜螺杆泵目前虽然已经逐步被推广应用，但由于其结构为高速旋转机械离心机构，存在制造难度大、使用寿命短、维护成本高、受限应用环境、系统效率随井深增加而明显降低等较难解决的问题。圆筒直线电机井下直驱柱塞泵是近几年国内研发生产试验的石油采油设备新产品。中国专利01213951.3公布了一种“直线电机往复泵”，中国专利200520033498.8公布了“一种直线电机采油泵”，中国专利200720079226.0公布了一种“高效直线电机采油泵”，实际上是将圆筒直线电机与井下柱塞泵集成应用的一种积极尝试，但不能回避的是在井下有限径向尺寸限制下，能量转化效率和功率因素不高、泵体动力结构工作方式不利于主机散热、柱塞泵内径小导致泵效低、圆筒直线电机单位体积的推力密度直接影响挂泵深度，故欲提高其泵效只能靠延长泵轴向有限长度解决，也就是说，对于深井采油、大流量采油、斜井水平井采油，泵体设计参数很难满足实际油井工况的需要。

设计一种直接直线磁力驱动的，结构采用双缸往复式活塞泵，包括井下工况参数数据实时采集监控模块，自带散热结构的自动化的石油采油设备，并尽可能地克服现有井下各类采油设备弊端，就是本发明的目的。

三、发明内容

本发明提出的直线磁力驱动双活塞智能采油泵，就是要提供一种具备新型井下动力机构、双活塞往复运动结构、自散热结构、自适应监测控制结构的新一代智能石油采油设备。

本发明的具体实施技术方案如下：

所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其主要特征在于：它包括位于井下主机中央的传感器集成短接部件，短接部件两端分别对称连接的多组新型直线磁力驱动部件，贯穿主机轴向连接的往复活塞泵总成部件和磁力驱动热量自循环散热部件；位于井上电力电子智能控制部件及连接井上下的电缆光缆。

所述新型直线磁力驱动部件包括3对6个U型电磁铁，U型电磁铁为高导磁率的软磁材料(如冷轧硅钢片)制成的叠片铁芯，每个U型电磁铁磁极部分与活塞连杆径向形成一个45度斜角，并呈

形结构，每对两个U型电磁铁与活塞连杆一面相对并排置放，3对U型电磁铁分别围绕活塞连杆三面周边对称布局，U型电磁铁磁极端面形状与活塞连杆对应表面形状保持一致，并始终保持均匀气隙δ，每两个U型电磁铁组成1对独立基本驱动单元，电磁铁的励磁磁极排列次序为N、S、S、N或为S、N、N、S，三个基本驱动单元构成一个独立直线磁力驱动部件，根据负载动力需要，在主机中央短接部件两端沿活塞连杆轴向组装任意偶数组磁力驱动部件。

所述电力电子智能控制部件包括PWM可调逆变电源输出电路、可输出同一周期两路分别为上下半周期锯齿波脉冲电流电路，A/D模块、PLC模块、RAM存储模块、检测电路等与若干传感器及预设参数组成智能控制机构，智能检测监测控制井深、充满度、动液面、压力、温度、流速、流量、冲次、安全报警、过载关机等油井参数及动作。

所述电力电子智能控制部件的电能输出端至少有两路在同一周期输出上下半周期锯齿波脉冲电流，由逻辑电路判断起始电流i值，当i值为最小阈值i₁或为最大阈值i₂时，按周期通断时序输出两路分别为Δi/Δt＞0(i≥0)和Δi/Δt＜0(i≥0)的锯齿波脉冲电流，分别作用在直线磁力驱动部件中每对基本驱动单元两个励磁磁极方向不同的U型电磁铁的绕组上，两个U型电磁铁上绕组电流在活塞同一种工作状态(上或下)时脉冲电流变化的方式不变；通过在活塞及缸体上的位置传感器信号可触发控制部件自动切换两路电流的原输出状态，使活塞反向运动，位置信号可反馈速度信号，实现运行速度的自动控制往复运动模式。

所述往复活塞泵总成部件包括与驱动部件两端同心相连的上下两个泵体、贯穿驱动部件轴心的活塞连杆、活塞连杆两端安装两个活塞，两个活塞分别设置在驱动部件两端的两个泵体腔室中，活塞连杆的截面为等边三角形，活塞连杆的三个面分别对应多组磁力驱动部件中的3对若干电磁铁的N、S磁极，并始终保持均匀气隙δ；两个活塞及缸体上分别设置位置传感器；两个活塞分别将两个泵体分为四个活塞腔，每个活塞腔分别连接一个单向输入阀和一个单向输出阀，单向阀分别与进液管道和出液管道连接，四个活塞腔的容积在连杆及两个活塞的往复运动作用下可以相应变化。

所述直线磁力驱动部件的活塞连杆的材料为非铁磁导体(如铜、铝、铝合金、合金钢等)，活塞连杆的截面形状为三角形；U型电磁铁磁极截面的面幅尺寸在活塞连杆的面幅尺寸之内，U型电磁铁在活塞连杆的轴向布局为轴向对称设置，即为正三角形对称。

所述直线磁力驱动部件中，根据楞次定律，当在任何一个U型电磁铁绕组上输入i≥0脉冲电流，在U型电磁铁两端形成固定的N、S磁极，在电流为Δi/Δt＞0时，N、S磁极始终存在一个增加变化的磁场ΔB/Δt＞0，在活塞连杆与电磁铁磁极N、S接触δ(足够小)气隙部分，始终存在一个增加变化的磁通ΔФ/Δt＞0，并产生感应电流和感应磁场，感应磁场的直接效果是活塞连杆局部形成与电磁铁磁极同性感应磁极N`、S`，与原磁极N、S相斥，因铁芯脚与活塞连杆有个θ角(θ≥45°)，故电磁铁与活塞连杆之间排斥力的水平分力推动活塞连杆移动并作用两端活塞做功，完成电能-磁能-机械能的转换；当在U型电磁铁绕组上输入Δi/Δt＜0脉冲电流，则有减少变化ΔB/Δt＜0和ΔФ/Δt＜0，直接效果是活塞连杆局部形成与电磁铁磁极异性感应磁极S`、N`，与原磁极N、S相吸，故电磁铁与活塞连杆之间吸引力的水平分力拉动活塞连杆移动并作用两端活塞做功。

所述磁力驱动热量自循环散热部件包括连接上下两个活塞有杆腔的两个单向输入阀和两个单向输出阀，活塞往复运动时，泵抽液体通过单向输入阀吸入有杆腔，再通过另一单向输出阀泵出有杆腔，将在直线磁力驱动部件中运动的活塞连杆上存在的工作热量带出；在驱动部件内装有两根进液管道、一根出液管道，往复泵运动时，在管道里始终有原液流动，将在驱动部件中由于电磁铁及线圈绕组产生的工作热量带出；在传感器集成短接部件附设包容局部活塞连杆的出液管道，出液管道里的液体流动将始终处于往复运动的活塞连杆中间部位产生的工作热量带出。

所述活塞缸体与直线磁力驱动部件通过密封短接联结，缸体的外径尺寸小于直线驱动部件的外径尺寸，紧贴缸体外沿设置一根进液管道和一根出液道，进液管道在泵下位与井下原液连通，再并联四个单向输入阀与四个活塞腔连通，出液管道在泵上位与油井油管连通，再并联四个单向输出阀与四个活塞腔连通。

所述传感器集成短接部件包括分别可与直线磁力驱动部件中的进液管道、出液管道对应串接的过液管道，出液管道采用包容局部活塞连杆设计，使活塞连杆往复运动时其中间部位始终处在流动的液体中，并在进液管道中设置压力、温度传感器，在出液管道中设置压力、温度、流速流量传感器，在短接部件空隙中设置井下传感器数据总线集成模块、电能传输控制电缆数据线总成接口，以及联结驱动部件、管道的若干密封短接和密封件。

所述磁力驱动部件内装有两根进液管道、一根出液管道，管道属导热性能好、耐压强度高的材料，管道截面形状为圆形，或根据内部空间设计为异型管。

所述采油泵的电能传输、传感器信号、控制信号传输通过传感器集成短接部件上的电缆数据线总成接口，由一体化设计的电缆和光缆连接井上地面的电力电子智能控制部件。

本发明所述的一种新型直线磁力驱动双活塞智能采油泵，可以作为一种新型的石油开采设备，替代目前较为常见的电潜离心泵、电潜螺杆泵，以及圆筒直线电机驱动的井下柱塞泵。利用本发明开发的新型采油设备，能量转化效率高、驱动机构结构简单、整机布局结构科学合理、优于目前各类采油设备的性能，适合于小流量大流量开采、深井、海洋开采、斜井水平井开采，比以往任何一种采油设备更容易实现智能化采油控制和模块化生产制造。

本发明相比现有技术产品具有以下特点：

(1)本发明采用的原创新型直线磁力驱动机构，作为推动活塞往复直线运动的原动机，完全替代现有的井下高速旋转离心泵及螺杆泵的电动机，使用直线往复运动结构的可靠性大大优于高速旋转的运动结构。由于采用了U型电磁铁的励磁结构，电能转化为磁能的效率大大提高，由于励磁电流产生的磁极结构及电磁感应方式不同，其结构比圆筒直线电机简单，根据楞次定律，电磁能转化效率高于圆筒直线电机。

(2)本发明采用直线磁力驱动机构与双缸往复活塞泵一体化的独到新型设计，不仅使能量转化的损失降至到最低，而且还使活塞每个冲程的做功能力大大提高，工作容积也大大提高，从而也使整机工作流量大大提高。

(3)本发明采用预留井下主机中央的传感器集成短接部件，在不影响主机正常运转的前提下，尽可能在其中设置多种工况传感器，作为以往的采油设备不存在这样的空间，从而可以容易的实现井下智能化采油控制。

(4)本发明采用U型电磁铁，在额定电流下采用变频控制，有效控制磁力驱动机构的发热量，同时在发热源周边采用流体管道及过流管道的独特设计，使主机工作时形成自散热系统，大大提高处于深井高温、高压等复杂工况下运行主机的使用寿命及可靠性。

四、附图说明

图1是本发明的主体结构示意图。

图2是图1中的A-A剖面图。

图3是图1中的B-B剖面图。

图4是图1中I部分。

图5是图1中I部分的图3中C-C剖面图。

图6电力电子智能控制部件一端输出Δt₁：Δi/Δt₁＞0(i≥0)，Δt₂：i＝0周期电流锯齿波的脉冲波形。Δt₁＝Δt₂＝T/2。

图7是电力电子智能控制部件另一端输出Δt₁：i＝0，Δt₂：Δi/Δt₂＜0(i≥0)周期电流锯齿波脉冲波形。Δt₁＝Δt₂＝T/2。

图8是图1中II部分，当绕组3在Δt₁：Δi/Δt₁＞0(i≥0)，Δt₂：i＝0状态下，电磁铁铁芯1两个磁极5、6与活塞连杆9的电磁感应受力示意图，其中θ为铁芯脚5、6与活塞连杆平面的顷斜角度，α为磁场在气隙介质中的折射角，β为磁场在活塞连杆中的折射角，详见图12、图13。下同。

图9是图1中III部分，当绕组4在Δt₁：i＝0，Δt₂：Δi/Δt₂＜0(i≥0)状态下，电磁铁铁芯2两个磁极7、8与活塞连杆9的电磁感应受力示意图。

图10是图1中II部分，当绕组3在Δt₁：i＝0，Δt₂：Δi/Δt₂＜0(i≥0)状态下，电磁铁铁芯1两个磁极5、6与活塞连杆9的电磁感应受力示意图。

图11是图1中III部分，当绕组4在Δt₁：Δi/Δt₁＞0(i≥0)，Δt₂：i＝0状态下，电磁铁铁芯2两个磁极7、8与活塞连杆9的电磁感应受力示意图。

图12是图8中IV部分，电磁铁N极与活塞连杆及之间气隙电磁感应线介质折射示意图。

图13是图12中V部分，电磁铁N极与活塞连杆及之间气隙电磁感应关系示意图。

其中：1、2-铁芯，3、4-绕组线圈，5、6、7、8-电磁铁磁极，9-活塞连杆，10、11-活塞，12、13、14、15-位置传感器，16、18、24、26-活塞腔进液口，17、19、25、27-活塞腔出液口，20、22-磁力驱动部件进液通道进出口，21、23-磁力驱动部件出液通道进出口，28、30-进液管道，29、31-出液管道，32、34、36、38-单向输入阀，33、35、37、39-单向输出阀，40-下缸体无杆腔，41-下缸体有杆腔，42-下缸体，43-上缸体有杆腔，44上缸体无杆腔，45-上缸体，46、47-磁力驱动部件中的过液管道，48-主机进液口，49-主机出液口，50、5 1-缸体与驱动部件间的密封短接，52、54-磁力驱动部件，53、55-磁力驱动部件腔室，56、57-传感器集成短接部件中的过液管道，58-传感器集成短接部件，59-管道转接密封件，60、61、62、63-温度、压力、流速流量传感器，64-传感器数据总线集成模块，65-电缆和数据线总成接口，66、67-电缆光缆线，68-电力电子智能控制部件，69-Δi/Δt＞0(i≥0)周期电流半周期锯齿波波形，70-Δi/Δt＜0(i≥0)周期电流半周期锯齿波波形，a、b、c-活塞连杆三个平面。

五、具体实施方式

本发明主体结构见图1。主体结构是由多组直线磁力驱动部件52、54，往复活塞泵总成部件42、45、9、10、11，电力电子智能控制部件68，传感器集成部件58，以及相关阀门32-39，管道28-31，密封件46、47、56、57，电缆光缆66、67等辅助装置组成。

直线磁力驱动部件52、54为主机系统的动力源，每个驱动部件，包括3对U型电磁铁1、2围绕活塞连杆9径向对称设置，每二个U型电磁铁1、2与活塞连杆9一面并排设置，U型电磁铁的四磁极5、6、7、8呈45度斜角，四磁极5、6、7、8端面形状与活塞连杆9表面a形状一致，且气隙δ很小，活塞连杆9的另外两个面b、c与a面一样对称设置。一般情况下，只要空间尺寸许可，U型电磁铁可以沿U形铁芯1、2的三个边都绕上线圈绕组3、4，有效约束铁芯内的磁场方向和减少磁场损失。磁力驱动部件中每对U型电磁铁作为最小基本驱动单元，总有两个电磁铁1、2，当在活塞连杆一面布局时，其磁极5、6与7、8斜角方向相反，当两个U型电磁铁1、2上的线圈绕组3、4在一种工况下，分别被输入Δi/Δt＞0(i≥0)及Δi/Δt＜0(i≥0)的半周期锯齿波脉冲电流69、70时，由于活塞连杆9上的电磁感应现象将受到两个磁极5、6的斥力作用和另外两个磁极7、8的吸力作用，由于两路锯齿波波形69、70始终相差半个周期，故活塞连杆9上始终受到一个方向四个磁极5、6、7、8的电磁感应安培力(斥力或吸力)的作用，两个斥力或两个吸力沿活塞连杆9水平分力方向一致，水平方向的合力使活塞连杆9相对电磁铁1、2产生位移做功，从而实现电能-磁能-机械能的转化过程。

根据磁路定理，一个没有铁心的载流线圈所产生的磁通量是弥散在整个空间的，而当载流线圈绕在闭合的铁芯上时，由于铁芯的磁导率μ₁很大(数量级可达10⁶以上)，远远高于周围空气的磁导率，铁芯表面的磁化束缚电流远远大于励磁电流，这就使绝大多数的磁通量集中在铁芯内部，同时在铁芯内磁化电流与励磁电流产生的磁感应强度方向一致、相互叠加，所以铁芯内的磁场大大加强，磁力线非常密集，磁力线几乎平行于铁芯外界面，漏到外面的磁通量很少，磁力线集中在铁磁材料中，并形成一个闭合通路。本发明采用的U型高导磁率的铁芯，用较低的励磁电流产生足够大的磁通(或磁通密度)，或在较小的体积中存储较多的能量，磁力线被密集约束在铁芯内部，且磁力线近乎平行于铁芯两磁极伸出的界面方向，在U型电磁铁的N极端面附近磁力线集中向外发散，S极端面附近磁力线向内收敛，当载流线圈绕组上的电流增强或减弱时，反映在两个磁极端磁力线的增强和减弱，即磁场的增强和减弱，也即磁通量的增强和减弱。

实验表明，导体回路中感应电动势的大小与穿过该回路的磁通量的时间变化率dφ/dt成正比。这个结论就是法拉第电磁感应定律。即

$\mathrm{\ϵ}=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

而感应电动势的方向是反映电磁感应现象规律的一个重要方面。楞次定律的表述为，闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化的。也可以表述为，感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因的。

楞次定律中的“阻碍”或“反抗”是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现。当把磁棒插入线圈回路时，按照楞次定律，线圈中感应电流产生的磁场方向是阻碍磁棒继续插入的，若要继续插入则必须克服该磁场力而做功。线圈中感应电流所释放出的焦耳热，正是为插入磁棒所付出的机械能转化而来的。

当导体不动，而由于磁场的大小或方向变化所产生的感应电动势，称为感生电动势。导体中因感生电动势会出现涡旋形电流，这种因电磁感应产生于导体内的涡旋形电流称为涡电流。人们在社会实践已经根据楞次定律及安培力公式，将涡电流既可用于电磁阻尼作用同时又用于电磁驱动作用。当导体与磁场相对运动时，感应电流受到的安培力总是阻碍它们的相对运动，利用安培力阻碍导体与磁场间的相对运动就是电磁阻尼。磁电式仪表的指针能够很快停下，就是利用了电磁阻尼。如磁悬浮列车利用涡电流减速和利用涡电流悬浮其实也是一种电磁阻尼现象。

电磁驱动的原理是利用安培力阻碍磁场与导体的相对运动的方式多种多样性。当磁场以某种方式运动时(例如磁场转动)，导体中的安培力为阻碍导体与磁场间的相对运动使导体跟着磁场动起来(跟着转动)，这就是电磁驱动。如永磁涡流联轴器是利用永磁与非磁性金属板之间因存在相对运动(转动)而在金属板上产生感应磁场，并与永磁磁场相互作用的原理达到传递转矩的目的。也就是说，转矩是靠磁力而非机械力传递的。该联轴器可取代普通机械式联轴器，广泛应用于各种机械传动设备。

前述其实不管是“电磁阻尼”还是“电磁驱动”，都是利用了楞次定律中的“阻碍”两个字，磁场与导体的相对运动的目的是为了引发导体上的磁通量变化，导体自身被感应产生一个变化的磁场，达到磁能传递的目的。磁场本身的大小和分布是不变的，是由永磁体的材料、体积和形状决定的。这里的磁场的变化是被动的，由外力(如永磁涡流联轴器电机先产生旋转运动和磁悬浮列车的直线电机先使列车作高速直线运动)使固定磁场先发生运动变化的原因再产生相对运动的结果。而本发明中直线磁力驱动部件的实质是，磁场与活塞连杆起始状态都不动，通过电力电子智能控制部件提供一种电能，使电磁铁主动产生有规律周期变化的磁场，由电磁铁的两个磁极作用在活塞连杆上，活塞连杆的电磁感应“阻碍”过程就是磁能传递过程。这里的磁场变化是主动的，是由主动变化磁场的原因再产生相对运动的结果。使这种过程能够连续可控，根据能量守恒定律，其结果是通过活塞连杆与电磁铁的相对运动并持续做功表现出来。

本发明的直线磁力驱动的实施方案为：活塞向上运动方案参见图1、图8、图9，当电力电子智能控制部件收到置放在下缸体42及活塞10上的位置传感器12、13换向输出信号时，铁芯1上的线圈绕组3被电力电子智能控制部件其中一路输出端输入Δt₁：Δi/Δt₁＞0(i≥0)，Δt₂：i＝0(参见图6)的周期锯齿波脉冲电流69时，根据楞次定律，参见图8，在U型电磁铁1两端形成固定的N、S磁极5、6，电流始终为Δi/Δt＞0时，N、S磁极始终存在不断增强的磁场ΔB/Δt＞0，由于活塞连杆9与铁芯1的N、S接触部分气隙δ足够小，在活塞连杆9与磁极5、6以δ距离接触部分始终存在不断变化增强的磁通ΔФ/Δt＞0，故在活塞连杆9的局部产生为阻碍磁通ΔФ的增强变化的感应电流和感应磁场B`，感应磁场B`的直接效果是引起活塞连杆9局部形成与铁芯磁极5、6同性感应磁极N`、S`，与原磁极N、S相斥，产生一个斥力F，因铁芯脚5、6与导体9有个45度角(θ角)，故铁芯1与活塞连杆9之间排斥力的水平分力Fsinβ推动活塞连杆向上移动带动活塞做功，完成电能-磁能-机械能的转换。

同时，铁芯2上的线圈绕组4被电力电子驱动器其中另一路输出端输入Δt₁：i＝0，Δt₂：Δi/Δt₂＜0(i≥0)(参见图7)的周期锯齿波脉冲电流70时，根据楞次定律，参见图9，在U型电磁铁2两端7、8形成固定的S、N磁极，电流始终为Δi/Δt＜0时，S、N磁极始终存在不断减弱的磁场ΔB/Δt＜0，由于活塞连杆9与铁芯2的S、N接触部分气隙δ足够小，在活塞连杆9与磁极7、8以δ距离接触部分始终存在不断变化减弱的磁通ΔФ/Δt＜0，故在活塞连杆9的局部产生为阻碍磁通ΔФ的减弱变化的感应电流和感应磁场B`，感应磁场B`的直接效果是活塞连杆9局部形成与铁芯2磁极7、8异性感应磁极N`、S`，与原磁极S、N相吸，产生一个吸力F，因铁芯脚7、8与活塞连杆9有个45度角(θ角)，故铁芯2与活塞连杆9之间吸引力的水平分力Fsinβ拉动活塞连杆向上移动带动活塞做功，完成电能-磁能-机械能的转换。

当活塞连杆9有足够的长，以上四个磁极5、6、7、8的水平分力合力为4×Fsinβ，在其连续作用下，活塞向上运动做功。

活塞向下运动方案参见图1、图10、图11，当电力电子智能控制部件收到置放在上缸体45及活塞11上的位置传感器14、15换向输出信号时，此时原两路输出周期锯齿波脉冲电流被切换输出端。此时铁芯1上的线圈绕组3被电力电子智能控制部件切换输入Δt₁：i＝0，Δt₂：Δi/Δt₂＜0(i≥0)(参见图7)的周期锯齿波脉冲电流70时，根据楞次定律，参见图1 0，在U型电磁铁1两端5、6形成固定的N、S磁极，电流始终为Δi/Δt＜0时，N、S磁极始终存在不断减弱的磁场ΔB/Δt＜0，由于活塞连杆9与铁芯1的N、S接触部分气隙δ足够小，在活塞连杆9与磁极5、6以δ距离接触部分始终存在不断变化减弱的磁通ΔФ/Δt＜0，故在活塞连杆9的局部产生为阻碍磁通ΔФ的减弱变化的感应电流和感应磁场B`，感应磁场B`的直接效果是活塞连杆9局部形成与铁芯1磁极5、6异性感应磁极S`、N`，与原磁极N、S相吸，产生一个吸力F，因铁芯脚5、6与活塞连杆9有个45度角(θ角)，故铁芯1与活塞连杆9之间吸引力的水平分力Fsinβ拉动活塞连杆向下移动带动活塞做功，完成电能-磁能-机械能的转换。

同时，在铁芯2上的线圈绕组4被电力电子驱动器切换输入Δt₁：Δi/Δt₁＞0(i≥0)，Δt₂：i＝0(参见图6)的周期锯齿波脉冲电流69时，根据楞次定律，参见图11，在U型电磁铁2两端7、8形成固定的S、N磁极，电流始终为Δi/Δt＞0时，S、N磁极始终存在不断增强的磁场ΔB/Δt＞0，由于活塞连杆9与铁芯2的S、N接触部分气隙δ足够小，在活塞连杆9与磁极7、8以δ距离接触部分始终存在不断变化增强的磁通ΔФ/Δt＞0，故在活塞连杆9的局部产生为阻碍磁通ΔФ的增强变化的感应电流和感应磁场B`，感应磁场B`的直接效果是活塞连杆9局部形成与铁芯2磁极7、8同性感应磁极S`、N`，与原磁极S、N相斥，产生一个斥力F，因铁芯脚7、8与导体9有个45度角(θ角)，故铁芯2与活塞连杆9之间排斥力的水平分力Fsinβ推动活塞连杆向下移动带动活塞做功，完成电能-磁能-机械能的转换。

当金属导体9有足够的长，以上四个磁极5、6、7、8的水平分力合力为4×Fsinβ，在其连续作用下，活塞向下运动做功。

根据电磁学理论，电磁场在不同介质中传播，由于传播介质相对空气的导磁率不同，会发生折射现象。参见图12、图13，本发明前述部分，因考虑磁极与活塞连杆9的δ距离足够小，故事先忽略图12中的一些图示分析。实际上，在图12中，θ角为铁芯(导磁率μ₁)脚的斜角，α为气隙介质(导磁率μ₀)的折射角，β为活塞连杆导体介质(导磁率μ₂)的折射，a cosα为感应电流的平面a在原磁场垂直面上的投影。B为电磁铁磁极气隙处的磁场强度，B`为活塞连杆导体上电磁感应气隙处的磁场强度，B<sup>n</sup>为电磁铁磁极气隙处磁场强度B的法向分量，B<sup>n</sup>＝Bcosα，B`ⁿ为活塞连杆导体上电磁感应气隙处磁场强度B`的法向分量，B`＝B`ⁿcosα。在前述受力分析中基本忽略以上介质传播折射因素，即θ＝α＝β。另外活塞连杆在受到水平方向力Fsinβ的作用同时，还受到一个活塞连杆导体的法向方向力Fcosβ的作用，Fcosβ实际上一种磁悬浮力。在实际运用中，有Fcosβ的存在，可以减少摩擦阻力，但在活塞连杆往复运动装置中，水平方向的驱动力Fsinβ为直线磁力驱动的有效动力源，故在装置中的U型电磁铁布局时，往往采用在活塞连杆的轴向对称布局，通过力平衡可以抵消Fcosβ的效果。

故当采油泵主机被安装多组这样的直线磁力驱动部件52、54时，而每一部件由3对上述的基本驱动单元电磁铁1、2共同驱动活塞连杆9，最终实现其轴向合力推动活塞10、11上下移动做功。

当活塞上下移动做功时，往复活塞泵总成部件抽油实施方案为：当活塞10、11向上移动做功时，下泵体42的无杆腔40及上泵体45的有杆腔43为负压状态，泵下位进油口48的原液经管道28、30，通过单向输入阀32、36，被抽入下泵体42的无杆腔40及上泵体45的有杆腔43；同时下泵体42的有杆腔41及上泵体45的无杆腔44为正压状态，处于下泵体42的有杆腔41内的原液及上泵体45的无杆腔44内的原液，经下泵体42单向输出阀35、上泵体45单向输出阀39，通过管道29、31被泵出出油口49。当活塞10、11向下移动做功时，下泵体42的有杆腔41及上泵体45的无杆腔44为负压状态，泵下位进油口48的原液经管道28、30，通过单向输入阀34、38，被抽入下泵体42的有杆腔41及上泵体45的无杆腔44；同时下泵体42的无杆腔40及上泵体45的有杆腔43为正压状态，处于下泵体42的无杆腔40内的原液及上泵体45的有杆腔43内的原液，经下泵体42单向输出阀33、上泵体45单向输出阀25，通过管道29、31被泵出出油口49。

传感器集成短接部件的实施方案为：参见图1、图3、图4、图5，传感器集成短接部件58，内设连通上下磁力驱动部件内的进液管道56、出液管道57，出液管道57采取包容活塞连杆9的设计，在进液管道56设置静态温度、压力、井深传感器60、61，在出液管道57设置动态温度、压力、流速流量传感器62、63，在短接部件的空隙部位设置数据总线集成模块64及电缆数据线总成接口65，在部件两端及相关部位设置密封短接50及密封件51。

井下主机热量自循环散热系统的实施方案为：进油口48原液经下泵体42单向输入阀34进，经单向输出阀35出，使下泵体42有杆腔41内活塞连杆的工作热量带走；原液经上泵体45单向输入阀36进，经单向输出阀37出，使上泵体45有杆腔43内活塞连杆的工作热量带走；进液管道28经磁力驱动部件52下方进口20，经磁力驱动部件52、54内的过液管道，经中间的集成短接部件58内过液管道56，由驱动部件54上方的出口22，将磁力驱动部件52、54中的工作热量带走；出液管道29进磁力驱动部件52下方进口21，经磁力驱动部件52、54内的过液管道46、47，经中间的集成短接部件58内过液管道57，由驱动部件54上方的出口23，将磁力驱动部件52、54及处于中间部位的活塞连杆上的工作热量带走。

电力电子智能控制部件68通过电缆67、光缆66与井下的电缆数据线总成接口65连接，运用现有成熟的A/D模块、PLC模块、RAM存储模块、PWM可调逆变电源输出电路、检测电路等技术，通过对井下主机相关部位的温度、压力、流速流量的检测信号，经A/D模块转换信号数据，由RAM存储模块及PLC模块进行运算处理比较，对井深、动液面、井液温度、主机工作温度、工作压力、泵工作充满度、泵工作冲次进行程序处理，与PWM可调逆变电路、检测电路结合形成智能控制输出指令，最终实现适时对磁力驱动部件工作状态控制。

如对抽汲充满度的控制实施方案为：设活塞泵的无杆腔有效容积为V₀，活塞从上至下一个运行冲程的时间为Δt`，在Δt`内测得流量为ΔQ`，则此时的无杆腔的实际排液量为V`＝ΔQ`Δt`，则有充满度为k＝V`/V<sub>0</sub>，根据油井开发时完井参数及初始试井实测参数的最佳值为k`，当k≥k`时，则为最佳运行工况；当k＜k`时，则充满度不够，也即活塞泵冲次较高，由PLC可编程控制器根据运行状态与设定的最佳运行值比较，对PWM可调电源输出电路进行控制，适当降低活塞运行速度，也即降低活塞冲次，使活塞运行在最佳工作状态，自动避免空抽现象的发生，提高泵机工作效率。

对于系统的效率监测控制方案为：当油井在开发后，一口油井的产量与动液面高度的关系确定后，则系统根据油井初始试井参数数据，确定系统运行效率最佳参数值。设系统效率η，系统输出功率P`与系统输入功率P₀之比

$\mathrm{\&eta;}=\frac{P`}{\mathrm{Po}}$

对于井下泵机系统的输出功率就是泵的有效举升功率

$P`=\frac{\mathrm{QH\&rho;g}}{86400}$

式中Q为油井产量，H为有效举升高度，ρ为进液的密度，g为重力加速度。当系统的损失功率为P_s时，则有

Po＝P`+P_s

系统效率为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{P`}{\mathrm{Po}}=\frac{P`}{P`+P_s}$

本系统的损失功率P_s为泵损、井上控制部件功耗及连接电缆线损，当泵的效率一定时，则整机的效率基本为定值，故系统在正常运行时，系统效率为一个常值，当η的值下降时，会反映在井下的温度、压力及冲次的变化，系统出现异常时，在参数大于初始额定阈值时，由PLC可编程控制器根据实时运行状态值与设定的最佳运行状况值比较，对PWM可调电源输出电路进行控制，系统适时会给出报警、待机、停机指令。

用本发明开发制造的新型石油开采设备，是一种全新思路、全新结构、可以运用最新科技发展成果设计集成的高新技术产品。在整机效率上，电磁能量转化方式最直接，损失最低，电能通过在高导磁铁芯材料上励磁方式转化为磁能实现绩效最大化；在整机结构上采用了合理化的设计布局，可以针对各种油井工况充分发挥设计制造的优越性；在整机性能上，完全优于电潜离心泵、电潜螺杆泵、水力活塞泵、圆筒直线电机采油泵等产品所能达到的性能；在实现自动化控制上，其优势也是现有各类采油设备所不能比拟的。故本发明将成为新一代石油采油设备。

Claims (10)

1、一种直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其主要特征在于：它包括位于井下主机中央的传感器集成短接部件，短接部件两端分别对称连接的多组新型直线磁力驱动部件，贯穿主机两端连接的往复活塞泵总成部件，磁力驱动热量自循环散热部件；位于井上电力电子智能控制部件及连接井上下的电缆光缆。

所述的新型直线磁力驱动部件包括3对6个U型电磁铁，每个U型电磁铁磁极部分与活塞连杆径向形成一个45度斜角，并呈形结构，每对两个U型电磁铁在活塞连杆一面相对并排放置，3对U型电磁铁分别围绕活塞连杆三面周边对称布局，U型电磁铁的磁极与活塞连杆接触气隙均匀足够小。

所述的传感器集成部件包括泵稳态原液压力、温度传感器、泵深位置传感器，泵工作动态压力、温度、流速流量传感器，传感器数据总线集成模块，电缆数据线总成接口。

所述的往复活塞泵总成部件包括与磁力驱动部件两端同心相连的上下两个泵体、贯穿磁力驱动部件轴心的活塞连杆、活塞连杆两端安装两个活塞，两个活塞分别设置在驱动部件两端的两个泵体腔室中。

所述的磁力驱动热量自循环散热部件包括连接上下泵体有杆腔的两个单向输入阀和两个单向输出阀，在驱动部件内装有两根进液管道、一根出液管道，在传感器集成短接部件附设连接两端驱动部件的进液通道和包容局部活塞连杆的出液管道。

所述的电力电子智能控制部件包括A/D模块、PLC模块、PWM可调逆变电源输出电路、可输出同一周期两路分别为上下半周期锯齿波脉冲电流电路、RAM存储模块、检测电路等。

2、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：直线磁力驱动部件的U型电磁铁为高导磁率的软磁材料(如冷轧硅钢片)制成的叠片铁芯，U型电磁铁的伸出部分(或称铁芯脚)与活塞连杆的平面垂直线有一个45°夹角，U型电磁铁磁极端面形状与活塞连杆对应表面形状保持一致，并始终保持均匀气隙δ，每两个U型电磁铁组成1对独立基本驱动单元，两个U型电磁铁与活塞连杆一面相对并排置放，电磁铁的励磁磁极排列次序为N、S、S、N或为S、N、N、S，三个基本驱动单元构成一个独立直线磁力驱动部件；根据负载动力需要，在主机中央传感器集成短接部件两端沿活塞连杆轴向组装任意偶数组磁力驱动部件。

3、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：传感器集成短接部件包括分别可与直线磁力驱动部件中的进液管道、出液管道对应连接的内置过液管道，其中出液管道采用包容局部活塞连杆设计，使活塞连杆往复运动时其中间部位始终处在流动的液体中，并在进液管道中设置压力、温度传感器，在出液管道中设置压力、温度、流速流量传感器，在短接部件空隙中设置井下传感器数据总线集成模块、电能传输控制电缆数据线总成接口，以及联结驱动部件、管道的若干密封短接和密封件。

4、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：往复活塞泵总成部件包括与驱动部件两端同心相连的上下两个泵体、贯穿驱动部件轴心的活塞连杆、活塞连杆两端安装两个活塞，两个活塞分别设置在驱动部件两端的两个泵体腔室中，活塞连杆的截面为等边三角形，活塞连杆的三个面分别对应磁力驱动部件中的3对6个电磁铁的N、S磁极，并始终保持均匀气隙δ；两个活塞及缸体上分别设置位置传感器；两个活塞分别将两个泵体分为四个活塞腔，四个活塞腔的容积在连杆及两个活塞的往复运动作用下可以相应变化。

5、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：磁力驱动热量自循环散热部件包括上下有杆腔的两个单向输入阀和两个单向输出阀，活塞往复运动时，泵压液体通过单向输入阀吸入有杆腔，再通过另一单向输出阀泵出有杆腔，将在直线磁力驱动部件中运动的活塞连杆上存在的工作热量带出；在驱动部件内装有两根进液管道、一根出液管道，往复泵运动时，始终有液体流动，将在驱动部件中由于电磁铁及线圈绕组产生的工作热量带出；在传感器集成短接部件附设包容局部活塞连杆的出液管道，出液管道里的液体流动将处于中间部位运动的活塞连杆产生的工作热量带出。

6、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：电力电子智能控制部件包括A/D模块、PLC模块、RAM存储模块、PWM可调逆变电源输出电路、检测电路等与若干传感器及预设参数组成智能控制机构，智能检测监测控制井深、充满度、动液面、压力、温度、流速、流量、冲次、安全报警、过载关机等油井参数及动作；控制部件的输出端至少有两路在同一周期输出上下半周期锯齿波脉冲电流，由逻辑电路判断起始电流i值，当i值为最小阈值i₁或为最大阈值i₂时，按周期通断时序输出两路分别为Δi/Δt＞0(i≥0)和Δi/Δt＜0(i≥0)的锯齿波脉冲电流，分别作用在直线磁力驱动部件中每对两个励磁磁极方向不同的U型电磁铁的绕组上，两个电磁铁上绕组电流在活塞同一种工作状态(上或下)时脉冲电流变化的方式不变；通过在活塞及缸体上的位置传感器信号可触发控制部件自动切换两路电流的原输出状态，使活塞反向运动，位置信号可反馈速度信号，实现运行速度的自动控制往复运动模式。

7、根据权利要求1、2或4所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：直线磁力驱动部件的每对U型电磁铁磁极对应活塞连杆的材料为非铁磁导体(如铜、铝、铝合金、合金钢等)，活塞连杆的截面形状为三角形、或圆形、或正方形；U型电磁铁磁极截面的面幅尺寸在活塞连杆的面幅尺寸之内，在活塞连杆的轴向U型电磁铁布局为轴向对称设置，即为正三角形对称、或圆周对称、或正方形对称。

8、根据权利要求1所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：上下活塞缸体与直线磁力驱动部件通过密封短接连结，缸体的外径尺寸小于直线磁力驱动部件的外径尺寸，在紧贴上下缸体外沿分别设置一根进液管道和一根出液管道，进液管道在泵下位与井下原液连通，再并联四个单向输入阀与四个活塞腔连通，出液管道在泵上位与油井油管连通，再并联四个单向输出阀与四个活塞腔连通。

9、根据权利要求1或5所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：在磁力驱动部件内装有两根进液管道、一根出液管道，管道属导热性能好、耐压强度高的材料，管道截面形状为圆形，或根据内部空间设计为异型管道。

10、根据权利要求1或6所述直线磁力驱动双活塞智能采油泵，其特征在于：电能传输、传感器信号、控制信号传输通过短接部件上的电缆数据线总成接口，由一体化设计的电缆和光缆连接井上电力电子智能控制部件。

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