基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆井模擬系統(tǒng)，特別是涉及一種基于無定序操作模式的鉆井模擬 系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 石油鉆井是指利用專用鉆井設備和技術，在經過勘探發(fā)現(xiàn)儲油的地表位置處，向 下或一側鉆出一定直徑的圓柱孔眼，并鉆達地下油氣層的工序，要實現(xiàn)油氣開采必須要熟 練掌握石油鉆井的專業(yè)知識和操作技能。
[0003] 然而，對于油田新進員工或石油相關專業(yè)學生，他們對鉆井的過程、鉆機的操作或 者發(fā)生事故時的處理方法都沒有感性的認識，對于現(xiàn)場鉆井操作不熟悉。一旦出現(xiàn)操作失 誤或不慎，有可能引發(fā)嚴重的質量事故或安全事故，為國家和人民帶來重大的損失。因此， 鉆井從業(yè)人員的上崗知識培訓和專業(yè)技能培訓顯得十分重要。但由于幾乎所有的鉆井現(xiàn)場 和設施都分布在野外，不可能將培訓放到現(xiàn)場進行，如果僅依靠常規(guī)的課堂教學或實驗室 操作，由于缺乏形象逼真、直觀生動的輔助手段和方式，不免陷入課程內容簡單枯燥、學員 學習效果差的尷尬局面，培訓難以達到預期效果。
[0004] 公告號為CN101789190B的中國專利公開了一種分布式鉆井模擬系統(tǒng)，該鉆井模 擬系統(tǒng)包括節(jié)流管匯、高壓管匯、防噴器控制臺、阻流器控制臺、遠程控制臺、司鉆操作臺、 教師控制臺和投影系統(tǒng)，實現(xiàn)了高度仿真的頂部驅動鉆井模擬，增強了教學培訓的現(xiàn)場感， 縮短了培訓周期、提高了培訓效果、降低了培訓成本。然而，該鉆井模擬系統(tǒng)存在以下不足： 圖形計算機內只儲存了幾套固定的培訓操作模擬現(xiàn)場實景的呈現(xiàn)方案，因此只能呈現(xiàn)固定 的幾套模擬現(xiàn)場實景及設備工作情況，學員必須嚴格按照這幾套固定的培訓操作方案進行 相應操作（即定序操作模式），對于受訓學員并未按照培訓操作方案所做出的無定序操作， 系統(tǒng)將無法識別，更不可能實現(xiàn)對該無定序操作的實時模擬和呈現(xiàn)，局限性很大，培訓效果 不理想。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于無定序操作模式的鉆井模 擬系統(tǒng)，基于無定序的算法設計架構，使得模擬設備能夠像真實的鉆機一樣實現(xiàn)任意操作， 且呈現(xiàn)出相應模擬現(xiàn)場實景及設備工作情況，學員無需按照規(guī)定的培訓操作方案進行操 作，真正做到高度的仿真效果，增強培訓的現(xiàn)場感，改善培訓效果。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：基于無定序操作模式的鉆井模擬系 統(tǒng)，它包括鉆井模擬操作設備、PLC控制器和控制單元，控制單元包括主控機、參數(shù)機和圖形 處理機，鉆井模擬操作設備與PLC控制器連接，PLC控制器通過串口與參數(shù)機相連，參數(shù)機 和圖形處理機分別通過通訊網絡與主控機連接；
[0007] 所述的鉆井模擬操作設備上設置有閥門、按鈕、指示燈、壓力表和溫度表，PLC控制 器上設置有用于循環(huán)采集鉆井模擬操作設備上閥門開度及按鈕狀態(tài)的采集器；
[0008] 所述的主控機上設置有用于根據(jù)閥門開度及按鈕狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)學模型計算出 指示燈狀態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)、流動情況數(shù)據(jù)的計 算模塊；
[0009] 所述的圖形處理機上設置有用于根據(jù)虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模擬的 現(xiàn)場實景及設備工作情況的虛擬呈現(xiàn)模塊。
[0010] 基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(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連接，投影幕布采用120°巨型環(huán)形幕布。
[0011] 基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)還包括現(xiàn)場設備環(huán)境音效模擬系統(tǒng)，現(xiàn)場設 備環(huán)境音效模擬系統(tǒng)包括音響，音響與主控機連接。
[0012] 所述的鉆井模擬操作設備包括司鉆操作臺、防噴器控制盤、阻流器控制臺、遠程控 制臺、立管管匯、節(jié)流管匯和頂驅操作臺中的任意一種或多種的組合。
[0013] 所述的PLC控制器上設置有用于采集學員無定序操作模式下鉆井模擬操作設備 上閥門開度及按鈕狀態(tài)的無定序操作采集模塊；主控機上設置有用于根據(jù)無定序操作模式 下閥門開度及按鈕狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過無定序操作狀態(tài)轉換數(shù)學模型計算出無定序操作模式下 指示燈狀態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)、流動情況數(shù)據(jù)的計 算模塊；圖形處理機上設置有用于根據(jù)無定序操作模式下虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)呈 現(xiàn)無定序操作模式下模擬現(xiàn)場實景及設備工作情況的無定序操作虛擬呈現(xiàn)模塊。
[0014] 所述的主控機上還設置有全智能評分模塊，可對學員的操作進行評分，考核公平 公正。
[0015] 所述的無定序操作虛擬呈現(xiàn)模塊包括一個基于鉆井過程模型的虛擬呈現(xiàn)模塊，用 于仿真鉆井過程中的實際物理參數(shù)的變化，使得學員的無定序操作實時作用于對應模型， 計算出對應的參數(shù)，它包括鉆速轉換子模塊和有效鉆頭比水功率轉換子模塊：
【主權項】
1. 基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)，其特征在于：它包括鉆井模擬操作設備、PLC 控制器和控制單元，控制單元包括主控機、參數(shù)機和圖形處理機，鉆井模擬操作設備與PLC 控制器連接，PLC控制器通過串口與參數(shù)機相連，參數(shù)機和圖形處理機分別通過通訊網絡與 主控機連接； 所述的鉆井模擬操作設備上設置有閥門、按鈕、指示燈、壓力表和溫度表，PLC控制器上 設置有用于循環(huán)采集鉆井模擬操作設備上閥門開度及按鈕狀態(tài)的采集器； 所述的主控機上設置有用于根據(jù)閥門開度及按鈕狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)學模型計算出指示 燈狀態(tài)、壓力表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)、流動情況數(shù)據(jù)的計算模 塊； 所述的圖形處理機上設置有用于根據(jù)虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模擬的現(xiàn)場 實景及設備工作情況的虛擬呈現(xiàn)模塊。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)，其特征在于：它還包 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連 接。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的 鉆井模擬操作設備包括司鉆操作臺、防噴器控制盤、阻流器控制臺、遠程控制臺、立管管匯、 節(jié)流管匯和頂驅操作臺中的任意一種或多種的組合。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的 PLC控制器上設置有用于采集學員無定序操作模式下鉆井模擬操作設備上閥門開度及按鈕 狀態(tài)的無定序操作采集模塊；主控機上設置有用于根據(jù)無定序操作模式下閥門開度及按鈕 狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過無定序操作狀態(tài)轉換數(shù)學模型計算出無定序操作模式下指示燈狀態(tài)、壓力 表數(shù)據(jù)、溫度表數(shù)據(jù)、虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)、流動情況數(shù)據(jù)的計算模塊；圖形處理 機上設置有用于根據(jù)無定序操作模式下虛擬場景中設備工作狀況數(shù)據(jù)呈現(xiàn)無定序操作模 式下模擬現(xiàn)場實景及設備工作情況的無定序操作虛擬呈現(xiàn)模塊。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)，其特征在于：所述的 無定序操作虛擬呈現(xiàn)模塊包括一個基于鉆井過程模型的虛擬呈現(xiàn)模塊，用于仿真鉆井過程 中的實際物理參數(shù)的變化，使得學員的無定序操作實時作用于對應模型，計算出對應的參 數(shù)，它包括鉆速轉換子模塊和有效鉆頭比水功率轉換子模塊： 鉆速方程為
式中：a為鉆壓指數(shù)，g= 0.5366 + 0.1993Sb為轉速指數(shù)，/) = 0.9250-0.0375Sc為地 層壓力指數(shù)，c= 0.7011-0.0568Sd為鉆井液密度差系數(shù)，d= 0.9767^ -7.2703 ;kd為地層 統(tǒng)計可鉆性，kd= 0. 00165H+0. 635 ;W為比鉆壓，單位為KN/mm;N為轉速，單位為rpm;HEI為 有效鉆頭比水功率，單位為kw/mm2;P 實際或設計泥楽密度,單位為g/cm3;Pp為地層壓 力當量密度，單位為g/cm3;V為機械鉆速，單位為m/h; 有效鉆頭比水功率計算方程為
式中：HEI為有效鉆頭比水功率,單位為kw/mm2;PJ實際或設計泥楽密度，單位為g/cm3;Q為排量,單位為L/s;Db為鉆頭直徑,單位為cm;d6為噴嘴當量直徑,單位為cm,
1，j2,九為噴嘴直徑，單位為cm。
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