一种可自动化调节的新型磁选分离系统及方法与流程

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其是涉及一种可自动化调节的新型磁选分离系统及方法。

背景技术：

粒子冲击钻井技术属于石油勘探行业一项新型前沿钻井技术，主要利用直径1～3mm的钢珠粒子对岩石进行高速、高频冲击，借助瞬间作用力快速破碎岩石，从而实现在坚硬、难钻地层中的高效钻进。粒子冲击钻井技术是基于粒子冲击钻井系统来应用的，粒子冲击钻井系统主要包括粒子注入系统和粒子分离系统，其中，粒子分离系统的作用是从井底返出的粒子、钻井液、岩屑等混合浆料中将粒子分离出来，重新注入井底，提高粒子使用率，以实现循环利用。

目前，粒子分离回收方式主要有如下两种：其一为振动式回收，利用单级或者多级振动筛，将粒子、钻井液、岩屑等混合浆料进行分离，该方式实现简单，但无法将粒子与同尺寸的岩屑分离，长期应用会影响粒子钻井的破岩效率；其二为磁选式回收，利用钢珠粒子可被磁选的特性，将粒子、钻井液、岩屑等混合浆料通过带有磁性的部件，以分离回收粒子。相比振动式回收，磁选式回收保证了粒子回收的效率，更适用于现阶段粒子钻井现场。

影响磁选机磁选效果的因素包括给入混合浆料的流量与浓度等，比如当混合浆料的浓度过大，则其粘度增大、流动性相应减小，包括混合浆料的流量过大进入磁选机腔室过多都会增加磁选机的负荷，而现有的磁选机磁通量是固选的，如果固选的磁通量过小，则达不到磁选效果。在实际钻井现场，钻井液配方为了适应不同地层情况需要进行实时调整，而从井内返出的混合浆料又混杂了不同层段的泥屑、矿产物等，导致其密度、粘度、流动性等特性多变，而现有的磁选设备的磁通量是固选的，无法适应混合浆料的特性变化甚至超出磁选机的工作负荷，不能满足粒子分离的处理需求，粒子回收效果差，造成浪费，增加了成本；粒子循环使用后，因完好粒子占比减少，粒子冲击钻进尺质量下降，影响工作效率。

技术实现要素：

(一)技术目的

针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种可自动化调节的新型磁选分离系统及方法，旨在实现磁选分离系统的进料处理量和磁选磁通量的可调节化，满足不同层段井下工况的磁选需求，优化了磁选分离系统的工作效率，提升了其适用性和经济性。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可自动化调节的新型磁选分离系统，其包括送料管路和磁选机，送料管路与磁选机连通；所述磁选机包括有机架、磁选槽体、磁选筒、进料箱和出料箱，磁选槽体设于机架上，磁选筒位于磁选槽体中，用于对混合浆料进行磁选分离处理，进料箱和出料箱设于机架上并位于磁选槽体的两侧，进料箱与磁选槽体连通以向磁选槽体中输送混合浆料，出料箱用于接收被磁选筒带出的粒子。

可自动化调节的新型磁选分离系统还包括动态分流机构、磁通量动态调节机构和控制器；所述动态分流机构包括过滤装置、液位监测组件和循环罐，所述送料管路与过滤装置连通，过滤装置分别连通至磁选机和循环罐，用于分别将过滤得到的完好粒子送入磁选机以进行回收，以及将破碎粒子、部分钻井液送入循环罐以循环使用；所述过滤装置与循环罐之间设有节流阀。

所述液位监测组件和所述磁通量动态调节机构均设于所述磁选机，所述控制器分别与液位监测组件、所述节流阀以及磁通量动态调节机构电连接以实现信号交互，液位监测组件用于监测所述磁选槽体内的液位，节流阀用于控制进入磁选机的流量，磁通量动态调节机构用于监测所述磁选筒的转动情况和磁选槽体内的粒子剩余量，控制器用于根据液位信号调节节流阀的开度以控制进入磁选槽体的混合浆料流量，以及用于控制磁选筒的磁通量大小以与粒子剩余量保持匹配。

首先，节流阀能够控制混合浆料进入磁选机的流量，具体地，即是通过控制调节节流阀的开度，改变送料管路中混合浆料进入过滤装置所在的分流管理的通量，从而间接改变进入磁选机的混合浆料的通量，避免了因流量过大而超过了磁选机的负荷，对磁选机造成损伤，也避免了流量过小而不能达到磁选机的有效工作能力，导致工作效率过低。当然，节流阀的调节需要结合磁选机内的磁选工作情况。因此，本发明能够确保磁选机内液面始终处于安全范围，既保护了磁选机又优化了磁选处理能力。

由液位监测组件对磁选槽体内的混合浆料液位进行实时监测，计算判断其液位是否已达到预设的高低阈值，达到则控制调节节流阀的开度，对进入磁选机的流量进行适应性调节，以维持磁选槽体中的混合浆料在合适安全范围内。

磁通量动态调节机构对磁选筒的磁通量进行调节，以协调磁场强度与进入磁选槽体中的剩余粒子量相匹配，具体地，即粒子剩余量过大则增大磁场强度，粒子剩余量较小，则减小磁场强度或不变。需要特别说明的是，因为混合浆料中的浓度、密度、流动性等特点多变，而现有的磁选机的磁选筒，磁通量多是固选的，即使分区的磁选筒，各区域的磁系磁通量也是固选的，不能够适应对不同粒子占比的混合浆料的处理；当混合浆料中粒子过少，则磁选筒的工作效能过大，超过了混合浆料中粒子需要的磁场强度，从而造成了磁选效能的浪费；当混合浆料中粒子过多，则磁选筒的工作效能达不到磁选要求，不能够将所有的粒子分离出来，而未被分离磁选的粒子则堆积在磁选槽体中，可能堵塞钻井液排出管道，甚至将磁选筒卡死，影响整个系统的磁选工作。

需要说明的是，磁选机是基于电磁感应原理，在通电状态下磁选单元就具备磁力，其通过电流的大小，则决定产生磁场或磁力的大小。

进一步地，所述液位监测组件包括液位传感器，液位传感器设于所述磁选槽体，用于实时监测磁选槽体内的液位，液位传感器与所述控制器电连接以实现信号交互。

进一步地，所述液位监测组件包括液位高开关和液位低开关，液位高开关和液位低开关均设于所述磁选槽体，液位高开关的位置高于所述液位低开关，液位高开关、液位低开关分别用于实现预设高低液位阈值的报警，液位高开关、液位低开关均与所述控制器电连接以实现信号交互。

进一步地，所述磁选筒沿周侧设有多个基于电磁感应调节磁通量的磁选单元，磁选单元与所述控制器电连接以实现信号交互。

更进一步地，所述磁通量动态调节机构包括磁选接近开关和脱磁接近开关，磁选接近开关设于所述磁选筒的下部周侧，且靠近所述出料箱一侧，磁选接近开关位于所述磁选槽体的顶部开口处，脱磁接近开关位于磁选筒的上部周侧，且靠近出料箱一侧；所述磁选接近开关和脱磁接近开关均与所述控制器电连接以实现信号交互。

所述磁选单元内均设有识别器，识别器与所述控制器电连接以实现信号交互，识别器用于区分不同的磁选单元，方便控制器精准调控对应的磁选单元的磁通量。

更进一步地，所述磁通量动态调节机构包括监测摄像头，监测摄像头与所述控制器电连接以实现信号交互，监测摄像头朝向于所述磁选槽体和所述磁选筒之间的粒子，用于监测粒子的剩余量以反馈给所述控制器。

更进一步地，所述磁选筒上抵接有刮板器，刮板器靠近所述出料箱且位于出料箱上侧，用于刮掉未脱磁的粒子以使其进入出料箱。

本发明还提出了一种磁选分离方法，其包括如下步骤：

s1.将一部分混合浆料直接送入磁选机，另一部分混合浆料分流送入过滤装置中进行过滤，过滤得到的完好粒子及部分钻井液再次送入磁选机中，过滤得到的破碎粒子及部分钻井液送入循环罐中；

s2.监测磁选槽体中实时液位ht，直至其达到预设阈值1.1h则修改节流阀的开度为h为预设低液位，记录液位由h到1.1h的时间为t1，为t1时刻前的阀门开度；

s3.计算每间隔预设时间t2，获取此时的实时液位ht，并修改节流阀的开度为为t2时刻前的阀门开度，为t2时刻前的液位；

s4.监测实时液位ht，当磁选槽体中液位不发生变化，即记录此时刻的节流阀的实时开度pt'，并比对ht与h：

若ht＞h，修改节流阀的实时开度为直至ht降至h以下则修改节流阀的实时开度为pt＝pt'；

若ht≤h，则不做修改；

s5.转动磁选筒，当磁选单元转至磁选接近开关则发生磁场并逐渐增大磁场，粒子则被吸附在相应磁选单元表面，磁通量由预设磁通量衰减曲线的实时方差σt调节；磁选单元转至脱磁接近开关则关闭磁场进行脱磁，粒子逐渐脱落并由于磁选筒转动产生的惯性而被甩至出料箱中；

所述s3步骤中表示阀门开度实时调节的系数，表示t2时刻内液位变化速率与t1时刻液位变化速率之比，通过比值大小决定节流阀的开度程度。

进一步地，所述s5步骤中预设磁通量衰减曲线的实时方差为每间隔预设时间t1进行一次曲线调节，为t1时刻前的曲线方差；监测摄像头获取粒子剩余量堆积图像，并经控制器进行图像分析得到粒子的实时堆积高度ht，为t1时刻前的的粒子堆积高度。

进一步地，所述s5步骤中磁选单元转至磁选接近开关后，再旋转30°其磁通量达到最大。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

现有的磁选分离系统，对混合浆料的流量无调节机制，容易超出磁选机的工作负荷而对磁选机造成损伤；其次，磁通量是固选的，其工作效能难以准确匹配与混合浆料的特性变化，或超出磁选机负荷或磁选机达不到磁选效果；本发明能够基于处理量来自适应动态调节进料量和磁通量，满足不同层段、排量、粒子浓度等工况的磁选需求以达到最优的工作效率，并确保稳定运行，提高了经济效益，并增强了磁选分离系统适用性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明磁选机的主视图；

图3为本发明磁选机的侧视图；

图4为本发明的功能模块图；

附图标记说明：1-送料管路；2-过滤装置；3-节流阀；4-磁选机；41-磁选筒；411-磁选单元；412-识别器；42-振动器；43-出料箱；44-磁选槽体；45-机架；46-进料箱；47-减速机；48-电机；49-刮板器；51-液位传感器；52-液位高开关；53-液位低开关；61-磁选接近开关；62-脱磁接近开关；63-监测摄像头；7-循环罐；8-液位计。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1～图4，本发明提出了一种可自动化调节的新型磁选分离系统及方法的较佳实施例。

如图1～图3所示，本发明提出了一种可自动化调节的新型磁选分离系统，其包括送料管路1和磁选机4，送料管路1与磁选机4连通；所述磁选机4包括有机架45、磁选槽体44、磁选筒41、进料箱46和出料箱43，磁选槽体44设于机架45上，磁选筒41位于磁选槽体44中，用于对混合浆料进行磁选分离处理，进料箱46和出料箱43设于机架45上并位于磁选槽体44的两侧，进料箱46与磁选槽体44连通以向磁选槽体44中输送混合浆料，出料箱43用于接收被磁选筒41带出的粒子。在机架45上，还设有减速机47和电机48，其与磁选筒41相互联动，带动磁选筒41旋转。

请参见图1和图4，还包括动态分流机构、磁通量动态调节机构和控制器；所述动态分流机构包括过滤装置2、液位监测组件和循环罐7，所述送料管路1与过滤装置2连通，过滤装置2分别连通至磁选机4和循环罐7，用于分别将过滤得到的完好粒子送入磁选机4以进行回收，以及将破碎粒子、部分钻井液送入循环罐7以循环使用；所述过滤装置2与循环罐7之间设有节流阀3。需要说明的是，本实施例，过滤装置2优选为振动筛网，筛网直径为粒子直径的80％，振动频率不低于50hz。当然，过滤装置2还可以采用其他的装置。

所述液位监测组件和所述磁通量动态调节机构均设于所述磁选机4，所述控制器分别与液位监测组件、所述节流阀3以及磁通量动态调节机构电连接以实现信号交互，液位监测组件用于监测所述磁选槽体44内的液位，节流阀3用于控制进入磁选机4的流量，磁通量动态调节机构用于监测所述磁选筒41的转动情况和磁选槽体44内的粒子剩余量，控制器用于根据液位信号调节节流阀3的开度以控制进入磁选槽体44的混合浆料流量，以及用于控制磁选筒41的磁通量大小以与粒子剩余量保持匹配。

节流阀3能够控制混合浆料进入磁选机4的流量，具体地，即是通过控制调节节流阀3的开度，改变送料管路1中混合浆料进入过滤装置2所在的分流管理的通量，从而间接改变进入磁选机4的混合浆料的通量，避免了因流量过大而超过了磁选机4的负荷，对磁选机4造成损伤，也避免了流量过小而不能达到磁选机4的有效工作能力，导致工作效率过低。当然，节流阀3的调节需要结合磁选机4内的磁选工作情况。因此，本发明能够确保磁选机4内液面始终处于安全范围，既保护了磁选机4又优化了磁选处理能力。

由液位监测组件对磁选槽体44内的混合浆料液位进行实时监测，计算判断其液位是否已达到预设的高低阈值，达到则控制调节节流阀3的开度，对进入磁选机4的流量进行适应性调节，具体地，当液位到达高液位阈值，则减少进入磁选机4的流量，当液位达到低液位时，则增大进入磁选机4的流量，以维持磁选槽体44中的混合浆料在合适安全范围内。

磁通量动态调节机构对磁选筒41的磁通量进行调节，以协调磁场强度与进入磁选槽体44中的剩余粒子量相匹配，具体地，即粒子剩余量过大则增大磁场强度，粒子剩余量较小，则减小磁场强度或不变。需要特别说明的是，因为混合浆料中的浓度、密度、流动性等特点多变，而现有的磁选机4的磁选筒，磁通量多是固选的，即使分区的磁选筒41，各区域的磁系磁通量也是固选的，不能够适应对不同粒子占比的混合浆料的处理；当混合浆料中粒子过少，则磁选筒41的工作效能过大，超过了混合浆料中粒子需要的磁场强度，从而造成了磁选效能的浪费；当混合浆料中粒子过多，则磁选筒41的工作效能达不到磁选要求，不能够将所有的粒子分离出来，而未被分离磁选的粒子则堆积在磁选槽体44中，可能堵塞钻井液排出管道，甚至将磁选筒41卡死，影响整个系统的磁选工作。

参见图1、图2，所述液位监测组件包括液位传感器51，液位传感器51设于所述磁选槽体44，用于实时监测磁选槽体44内的液位，液位传感器51与所述控制器电连接以实现信号交互。液位监测组件对磁选槽体44中液位的监测，是依靠液位传感器51完成的，其优选为连续型液位传感器。控制器在收到液位传感器51达到预设高低液位阈值的反馈信号时，根据液位高度进行运算，根据运算结果修改调节节流阀3的开度(液位过高，则增大开度，间接减小进入磁选机4的流量，液位过低，则减小开度，间接增加进入磁选机4的流量)，对进入磁选机4的流量进行适应性调节，以维持磁选槽体44中的混合浆料在合适安全范围内，即粒子占比在一个合适的区间，以确保磁选机4的磁选负荷能够匹配，实现稳定工作；当然，控制器还可以在预设高低液位阈值发送命令给报警器实现报警。

参见图1、图2，所述液位监测组件包括液位高开关52和液位低开关53，液位高开关52和液位低开关53均设于所述磁选槽体44，液位高开关52的位置高于所述液位低开关53，液位高开关52、液位低开关53分别用于实现预设高低液位阈值的报警，液位高开关52、液位低开关53均与所述控制器电连接以实现信号交互。液位高开关52和液位低开关53也能够发出信号响应报警器，而且其可以在液位传感器51处于故障状态时，起到备用液位检测作用。

参见图1，所述磁选筒41沿周侧设有多个基于电磁感应调节磁通量的磁选单元411，磁选单元411与所述控制器电连接以实现信号交互。需要说明的是，磁选机4是基于电磁感应原理，在通电状态下磁选单元411就具备磁力，其通过电流的大小，则决定产生磁场或磁力的大小，并且可以产生不同的磁场组合。磁选单元411的选取原则为：磁通量0～3000gs可调，分辨率优于100gs。需要说明的是，本实施例中，磁选单位411优选为八个，但其可以为其他的数量，并且均在本发明的保护范围内。

如图1～图3所示，所述磁通量动态调节机构包括磁选接近开关61和脱磁接近开关62，磁选接近开关61设于所述磁选筒41的下部周侧，且靠近所述出料箱43一侧，磁选接近开关61位于所述磁选槽体44的顶部开口处，脱磁接近开关62位于磁选筒41的上部周侧，且靠近出料箱43一侧；所述磁选接近开关61和脱磁接近开关62均与所述控制器电连接以实现信号交互。

所述磁选单元411内均设有识别器412，识别器412与所述控制器电连接以实现信号交互，识别器412用于感应所述磁选接近开关61和脱磁接近开关62，以反馈给控制器来调控磁选单元411的磁通量。

磁选单元411在接近磁选接近开关61、脱磁接近开关62时，磁选接近开关61、脱磁接近开关62发出信号反馈给控制器。如图1、图3所示，磁选单元411在转至磁选接近开关61时，磁选接近开关61反馈信号给控制器，控制器控制通过该磁选单元411识别器反馈的信号精准确定是哪一个磁选单元411，并控制在该磁选单元411中的电路通入电流产生磁场，磁通量由0开始逐渐增大，对粒子开始进行磁选分离，并将粒子吸附在磁选筒41表面；然后，该磁选单元411在磁选槽体44的中部转动，对粒子的主要堆积处进行磁选吸附，磁选单元411吸附着粒子转过磁选筒41的顶部，此过程中，磁选单元411中的磁通量逐渐衰减；当该磁选单元411转至脱磁接近开关62时，脱磁接近开关62反馈信号给控制器，控制器控制不再向该磁选单元411中电路通过电流，磁通量为0，磁场消失，粒子开始脱磁，由于磁选筒41在旋转过程中具有惯性，粒子被甩进出料箱43中。

现有的磁选机因为磁选筒一直具有磁场，粒子上存有一定量的磁力，粒子之间因为磁力原因结团现象严重，导致形成磁团。相较于现有的磁选机，在磁选之后还需要对粒子进行脱磁处理，需要安装专门的脱磁器。本发明首先将磁选单元411的磁通量降为0，使得磁选筒41不具有磁性，粒子从磁选筒41上脱落，粒子上不带有磁力或者可能残余有极微量磁力，残余有微量磁力的小磁团，掉落碰撞在出料箱43壳体上即可以分离开，不会出现粒子成团的问题。因此，本发明不需要在磁选机4后续设置脱磁器，节约了成本，也减少了工序，提高了整体的脱磁效率。

参见图1、图3，所述磁通量动态调节机构包括监测摄像头63，监测摄像头63与所述控制器电连接以实现信号交互，监测摄像头63朝向于所述磁选槽体44和所述磁选筒41之间的粒子，用于监测粒子的剩余量以反馈给所述控制器。监测摄像头63将拍摄到的图像发送给控制器，经过图像分析，得出粒子的剩余量堆积高度，并据此调节磁选单元411的磁通量。具体地，即是剩余粒子堆积量大，则增大磁选单元411内部电路电流，增大磁通量，磁选吸附更多的粒子，避免粒子过量堆积堵塞磁选槽体44；反之，剩余粒子堆积量小，则可以减小磁选单元411内部电路电流，减少磁通量，减少粒子的吸附量，使得磁选槽体44内的粒子量处于一个适宜稳定的范围，降低磁选机的能耗，提升整个磁选分离系统的经济性。

参见图2、图3，优选地，所述磁选筒41上抵接有刮板器49，刮板器49靠近所述出料箱43且位于出料箱43上侧，用于刮掉未脱磁的粒子以使其进入出料箱43。因为即使磁选单元411磁通量变为0，粒子上残余极微量磁力成为小磁团并粘附在磁选单元411上，当磁选单元411转动到刮板器49处时，磁团被刮板器49刮掉落入到出料箱43中。

进一步地改进，如图1所示，磁选机4还引出设置有液位计8，用于显示所述磁选槽体44内的液位，方便操作者更加直观地观察液位变化。

进一步地改进，如图2所示，所述出料箱43上设有振动器42，用于振动出料箱43以使得粒子顺利从出料箱43中排出。

本发明还提出了一种磁选分离方法，具体步骤如下：

s1.将一部分混合浆料直接送入磁选机4，另一部分混合浆料分流送入过滤装置2中进行过滤，过滤得到的完好粒子及部分钻井液再次送入磁选机4中，过滤得到的破碎粒子及部分钻井液送入循环罐7中；

s2.监测磁选槽体44中实时液位ht，直至其达到预设阈值1.1h则修改节流阀3的开度为h为预设低液位，记录液位由h到1.1h的时间为t1，为t1时刻前的阀门开度；

s3.计算每间隔预设时间t2，获取此时的实时液位ht，并修改节流阀3的开度为为t2时刻前的阀门开度，为t2时刻前的液位；

s4.监测实时液位ht，当磁选槽体44中液位不发生变化，即记录此时刻的节流阀3的实时开度pt'，并比对ht与h：

若ht＞h，修改节流阀3的实时开度为直至ht降至h以下则修改节流阀3的实时开度为pt＝pt'；

若ht≤h，则不做修改；

s5.转动磁选筒41，当磁选单元411转至磁选接近开关61则发生磁场并逐渐增大磁场，粒子则被吸附在相应磁选单元411表面，磁通量由预设磁通量衰减曲线的实时方差σt调节；磁选单元411转至脱磁接近开关62则关闭磁场进行脱磁，粒子逐渐脱落并由于磁选筒41转动产生的惯性而被甩至出料箱43中；

所述s3步骤中表示阀门开度实时调节的系数，表示t2时刻内液位变化速率与t1时刻液位变化速率之比，通过比值大小决定节流阀3的开度程度。

所述s5步骤中预设磁通量衰减曲线的实时方差为每间隔预设时间t1进行一次曲线调节，为t1时刻前的曲线方差；监测摄像头63获取粒子剩余量堆积图像，并经控制器进行图像分析得到粒子的实时堆积高度ht，为t1时刻前的的粒子堆积高度。需要说明的是，磁选单元411从磁选接近开关61转到脱磁接近开关62，磁选单元411的磁通量的衰减曲线近似正态分布曲线，先增大再减小。进一步地限定，通过修改磁通量衰减曲线，使得所述s5步骤中磁选单元411转至磁选接近开关61后，再旋转30°其磁通量达到最大，此时磁选单元411处在粒子堆积最大量处，最适合对粒子进行磁选吸附。