井下作業(yè)模擬系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鉆井模擬系統(tǒng)，特別是設(shè)及一種井下作業(yè)模擬系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油鉆井是指利用專用鉆井設(shè)備和技術(shù)，在經(jīng)過(guò)勘探發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)油的地表位置處，向 下或一側(cè)鉆出一定直徑的圓柱孔眼，并鉆達(dá)地下油氣層的工序，要實(shí)現(xiàn)油氣開(kāi)采必須要熟 練掌握石油鉆井的專業(yè)知識(shí)和操作技能。井下作業(yè)是油田勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中保證油水井正常 生產(chǎn)的技術(shù)手段，是為了維護(hù)正常長(zhǎng)期正常的生產(chǎn)過(guò)程所進(jìn)行的修井作業(yè)。
[000引然而，對(duì)于油田新進(jìn)員工或石油相關(guān)專業(yè)學(xué)生，他們對(duì)鉆井的過(guò)程、井下作業(yè)的操 作或者發(fā)生事故時(shí)的處理方法都沒(méi)有感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)井下作業(yè)不熟悉。一旦出現(xiàn)操 作失誤或不慎，有可能引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量事故或安全事故，為國(guó)家和人民帶來(lái)重大的損失。因 此，鉆井從業(yè)人員的上崗知識(shí)培訓(xùn)和專業(yè)技能培訓(xùn)顯得十分重要。但由于幾乎所有的鉆井 現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)施都分布在野外，不可能將培訓(xùn)放到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，如果僅依靠常規(guī)的課堂教學(xué)或?qū)?驗(yàn)室操作，由于缺乏形象逼真、直觀生動(dòng)的輔助手段和方式，不免陷入課程內(nèi)容簡(jiǎn)單枯燥、 學(xué)員學(xué)習(xí)效果差的尷尬局面，培訓(xùn)難W達(dá)到預(yù)期效果。
[0004] 現(xiàn)有的鉆井模擬主要有真實(shí)設(shè)備培訓(xùn)和鉆井模擬設(shè)備培訓(xùn)兩種方式：
[000引 （1)真實(shí)設(shè)備培訓(xùn)，存在W下問(wèn)題：
[0006] ①成本非常高，需要大場(chǎng)地，并且設(shè)備難W縮小，縮小設(shè)備在未量產(chǎn)情況下，成本 更加昂貴；
[0007] ②由于管道內(nèi)部有流體，系統(tǒng)的使用、維護(hù)費(fèi)用高；
[000引⑨不能展現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)情況；
[0009] ④操作錯(cuò)誤可能發(fā)生危險(xiǎn)；
[0010] ⑥模擬泄露、管堵事故困難，且比較危險(xiǎn)。
[0011] 似鉆井模擬設(shè)備培訓(xùn)，存在W下問(wèn)題：
[0012] ①不具備修井模擬設(shè)備；
[0013] ②不能模擬修井作業(yè)，不能顯示重要的修井事故及相應(yīng)處理方式；
[0014] ⑨較修井更為復(fù)雜昂貴。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0015] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種井下作業(yè)模擬系統(tǒng)及方法，克 服傳統(tǒng)培訓(xùn)方式難度大、成本高、安全性差、考核難等弊端，操作臺(tái)上的控制與顯示與實(shí)際 控制臺(tái)保持一致，能模擬設(shè)備的所有操作，讓操作設(shè)備的學(xué)員控制帶壓作業(yè)機(jī)的所有部件， 根據(jù)作業(yè)的實(shí)際情況能實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)，W達(dá)到與現(xiàn)場(chǎng)操作一樣的效果，為井下作業(yè)培 訓(xùn)提供一套科學(xué)、規(guī)范、高效、安全的培訓(xùn)考核新模式。
[0016] 本發(fā)明的目的是通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的；井下作業(yè)模擬系統(tǒng)，它包括修井司 鉆控制臺(tái)系統(tǒng)、阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)、防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)和控制單元，控制單元包括主控機(jī)、 參數(shù)機(jī)和圖形處理機(jī)，防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)PPI總線與阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)連接，阻流器 控制臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)PPI總線與修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)相連，修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)串口總線 與參數(shù)機(jī)相連，參數(shù)機(jī)和圖形處理機(jī)分別通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與主控機(jī)連接；
[0017] 所述的修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)、阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)、防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)均包括化C 控制器、前端可操作輸入設(shè)備和前端輸出顯示設(shè)備；前端可操作輸入設(shè)備包括多個(gè)開(kāi)關(guān)、旋 鈕、閥口，前端輸出顯示設(shè)備包括指示燈、壓力表和溫度表；前端可操作輸入設(shè)備和前端輸 出顯示設(shè)備分別與PLC控制器相連，PLC控制器中設(shè)置有用于采集開(kāi)關(guān)狀態(tài)、旋鈕值及閥口 開(kāi)度的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊，W及用于控制指示燈、壓力表及溫度表顯示的輸出控制模塊； [001引所述的主控機(jī)上設(shè)置有用于根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、旋鈕值及閥口開(kāi)度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模 型計(jì)算出指示燈狀態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場(chǎng)景中設(shè)備工作狀況數(shù)據(jù)、流動(dòng)情況 數(shù)據(jù)的計(jì)算模塊；
[0019] 所述的圖形處理機(jī)上設(shè)置有用于根據(jù)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備工作狀況數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模擬的 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景及設(shè)備工作情況的虛擬呈現(xiàn)模塊。
[0020] 井下作業(yè)模擬系統(tǒng)還包括投影系統(tǒng)，投影系統(tǒng)包括投影儀和與投影儀相配合的投 影幕布，投影儀與圖形處理機(jī)連接。
[0021] 井下作業(yè)模擬系統(tǒng)還包括指重表、節(jié)流管匯和立管管匯，指重表與修井司鉆控制 臺(tái)系統(tǒng)連接，節(jié)流管匯與阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)連接，立管管匯與防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)連接。
[0022] 所述的修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)包括司鉆臺(tái)PLC模塊、多個(gè)檔位、多個(gè)開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)油 壓表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫表、電流表、變速箱油溫表、變速箱油壓表、立管壓力表、滾 筒離合器、手調(diào)油口、剎把、套管壓力表；司鉆臺(tái)PLC模塊通過(guò)串口總線與參數(shù)機(jī)連接，通 過(guò)PPI總線與阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)連接；所述的開(kāi)關(guān)包括水剎車開(kāi)關(guān)、剎車助力開(kāi)關(guān)、液累開(kāi) 關(guān)、天車防碰開(kāi)關(guān)、大錯(cuò)離合開(kāi)關(guān)、上扣開(kāi)關(guān)、卸扣開(kāi)關(guān)、氣動(dòng)卡瓦開(kāi)關(guān)、換檔開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)離合 器開(kāi)關(guān)；各檔位及開(kāi)關(guān)、滾筒離合器、手調(diào)油口及剎把分別與司鉆臺(tái)PLC模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)采 集接口相連，司鉆臺(tái)PLC模塊的輸出控制接口通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器與發(fā)動(dòng)機(jī)油壓表、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 表、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫表、電流表、變速箱油溫表、變速箱油壓表、立管壓力表、套管壓力表連接。
[0023] 所述的防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)包括防噴器PLC模塊、多個(gè)開(kāi)關(guān)、多個(gè)閥n、多個(gè)指示 燈、儲(chǔ)能器壓力表、氣源壓力表、環(huán)形防噴器油壓表、閩板防噴器油壓表、第一立管壓力表、 第二立管壓力表；防噴器PLC模塊通過(guò)PPI總線與阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)連接；所述的開(kāi)關(guān)包 括環(huán)形調(diào)壓開(kāi)關(guān)、環(huán)形開(kāi)關(guān)、上半封開(kāi)關(guān)、全封開(kāi)關(guān)、下半封開(kāi)關(guān)、壓井開(kāi)關(guān)、防噴開(kāi)關(guān)；指 示燈包括環(huán)形開(kāi)指示燈、環(huán)形關(guān)指示燈、上半封開(kāi)指示燈、上半封關(guān)至少、全封開(kāi)指示燈、全 封關(guān)指示燈、下半封開(kāi)指示燈、下半封關(guān)指示燈、壓井開(kāi)指示燈、壓井關(guān)指示燈、防噴開(kāi)指示 燈、防噴關(guān)指示燈；各開(kāi)關(guān)及閥口分別與防噴器PLC模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集接口相連，防噴器 PLC模塊的輸出控制接口通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器與各指示燈、儲(chǔ)能器壓力表、氣源壓力表、環(huán)形防 噴器油壓表、閩板防噴器油壓表、第一立管壓力表、第二立管壓力表連接。
[0024] 所述的阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)包括阻流器PLC模塊、多個(gè)閥n、多個(gè)指示燈、系統(tǒng)油壓 表、立管壓力表、套管壓力表、第一閥位開(kāi)度表、第二閥位開(kāi)度表和節(jié)流速度調(diào)節(jié)旋鈕；阻流 器PLC模塊分別通過(guò)PPI總線與修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)及防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)相連；各閥口及 節(jié)流速度調(diào)節(jié)旋鈕分別與阻流器PLC模塊的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集接口相連，阻流器PLC模塊的輸 出控制接口與各指示燈連接，且通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)油壓表、立管壓力表、套管壓力表、 第一閥位開(kāi)度表、第二閥位開(kāi)度表連接。
[0025] 井下作業(yè)模擬方法，它包括W下步驟：
[0026] S1 ;采集修井司鉆臺(tái)、阻流器控制臺(tái)、防噴器控制臺(tái)上各開(kāi)關(guān)狀態(tài)、旋鈕值及閥口 開(kāi)度；
[0027] S2 ;修井司鉆控制臺(tái)系統(tǒng)、阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)、防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)的PLC控制器分 別通過(guò)串口將采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)；
[002引 S3;主控機(jī)根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、旋鈕值及閥口開(kāi)度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出指示燈狀 態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場(chǎng)景中設(shè)備工作狀況數(shù)據(jù)、流動(dòng)情況數(shù)據(jù)；
[0029] S4 ;虛擬呈現(xiàn)，它包括W下兩個(gè)子步驟：
[0030] (1)主控機(jī)將計(jì)算得到的指示燈狀態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)回傳給修井司鉆控 制臺(tái)系統(tǒng)、阻流器控制臺(tái)系統(tǒng)、防噴器控制臺(tái)系統(tǒng)的PLC控制器，PLC控制器對(duì)修井司鉆控 制臺(tái)、阻流器控制臺(tái)、防噴器控制臺(tái)上的指示燈、壓力表和溫度表進(jìn)行相應(yīng)控制，控制指示 燈做相應(yīng)顯示，控制壓力表和溫度表指示到相應(yīng)刻度；
[0031] (2)主控機(jī)將計(jì)算得到的虛擬場(chǎng)景中設(shè)備工作狀況數(shù)據(jù)發(fā)送給圖形處理機(jī)，圖形 處理機(jī)根據(jù)此數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模擬的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景及設(shè)備工作情況。
[0032] 井下作業(yè)模擬方法還包括一個(gè)智能評(píng)分的步驟，主控機(jī)對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)分， 指出作業(yè)過(guò)程中存在的錯(cuò)誤。
[0033] 所述的圖形處理機(jī)根據(jù)虛擬場(chǎng)景中設(shè)備工作狀況數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模擬的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景及設(shè) 備工作情況的步驟包括W下子步驟：
[0034] ①場(chǎng)景初始化：包括模型初始化和數(shù)據(jù)初始化；
[0035] ②工藝動(dòng)畫(huà)控制；包括機(jī)械動(dòng)畫(huà)控制；
[0036] ⑨碰撞處理；
[0037] ④擅染特效；
[003引⑥同步擅染控制。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是：
[0040] (1)井下作業(yè)模擬系統(tǒng)教具高度仿真生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)設(shè)備，各類面板布局、操作方 法、參數(shù)顯示方式等，與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)保持一致；將與操作工況同步的模擬呈現(xiàn)=維圖形投影到 環(huán)形屏幕上，可產(chǎn)生與現(xiàn)場(chǎng)情況相似的視覺(jué)效果，配W逼真現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備環(huán)境音效，給學(xué)員身臨 其境的沉浸感與逼真感，易于學(xué)員理解、掌握。
[0041] (2)系統(tǒng)基于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)工控技術(shù)、人工智能技術(shù)、科學(xué)可視化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí) 技術(shù)W及高級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合對(duì)井下作業(yè)工程實(shí)際工藝的嚴(yán)格模擬，采用高可靠性的經(jīng)典 數(shù)學(xué)模型，符合真實(shí)工藝要求，為用戶提供了設(shè)備故障檢測(cè)、鉆井事故處理、復(fù)雜情況處理 等多種培訓(xùn)操作；通過(guò)=維實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)可產(chǎn)生更清晰、流暢、與操作狀態(tài)同步的=維動(dòng)畫(huà)圖 形，展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景、設(shè)備動(dòng)作和設(shè)備的工作原理，使難懂的工藝、原理W及設(shè)備的工作狀況 變得一目了然。
[0042] (3)能夠模擬事故，但由于不存在真實(shí)的高壓、腐蝕性物質(zhì)W及高空作業(yè)等，即使 出現(xiàn)誤操作也不會(huì)有危險(xiǎn)發(fā)生，系統(tǒng)使用安全。
[0043] (4)采用虛擬培訓(xùn)方式，能夠真實(shí)模擬頂驅(qū)作業(yè)機(jī)的各項(xiàng)作業(yè)流程，全方位展現(xiàn)井 場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備工作原理，能對(duì)進(jìn)行頂驅(qū)施工的相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行全面的培訓(xùn)和考核。
[0044] (5)模擬設(shè)備按照真實(shí)修井操作臺(tái)，使用3D圖形方式模擬管道防噴器流動(dòng)情況， 占地小，體驗(yàn)真實(shí)，教學(xué)更明細(xì)。
[0045] 做防噴器內(nèi)無(wú)介質(zhì)，維護(hù)費(fèi)用低，不易損壞，且能清晰展現(xiàn)防噴器情況。
[0046] (7)培訓(xùn)內(nèi)容系統(tǒng)、全面，項(xiàng)目配置靈活；全智能化評(píng)分，考核公平公正，且能夠準(zhǔn) 確指出作業(yè)過(guò)程中錯(cuò)誤問(wèn)題；用戶界面友好，易學(xué)易用；采用工業(yè)級(jí)PLC控制，系統(tǒng)穩(wěn)定性 強(qiáng)，可靠性高，降低了系統(tǒng)