基于無定序操作模式的鉆井模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)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(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)油氣開采必須要熟 練掌握石油鉆井的專業(yè)知識(shí)和操作技能。
[0003] 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)鉆井的過程、鉆機(jī)的操作或 者發(fā)生事故時(shí)的處理方法都沒有感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(yán)重的質(zhì)量事故或安全事故，為國(guó)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(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)嶒?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)難以達(dá)到預(yù)期效果。
[0004] 公告號(hào)為CN101789190B的中國(guó)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(tái)、阻流器控制臺(tái)、遠(yuǎn)程控制臺(tái)、司鉆操作臺(tái)、 教師控制臺(tái)和投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高度仿真的頂部驅(qū)動(dòng)鉆井模擬，增強(qiáng)了教學(xué)培訓(xùn)的現(xiàn)場(chǎng)感， 縮短了培訓(xùn)周期、提高了培訓(xùn)效果、降低了培訓(xùn)成本。然而，該鉆井模擬系統(tǒng)存在以下不足： 圖形計(jì)算機(jī)內(nèi)只儲(chǔ)存了幾套固定的培訓(xùn)操作模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景的呈現(xiàn)方案，因此只能呈現(xiàn)固定 的幾套模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景及設(shè)備工作情況，學(xué)員必須嚴(yán)格按照這幾套固定的培訓(xùn)操作方案進(jìn)行 相應(yīng)操作（即定序操作模式），對(duì)于受訓(xùn)學(xué)員并未按照培訓(xùn)操作方案所做出的無定序操作， 系統(tǒng)將無法識(shí)別，更不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)該無定序操作的實(shí)時(shí)模擬和呈現(xiàn)，局限性很大，培訓(xùn)效果 不理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(shè)計(jì)架構(gòu)，使得模擬設(shè)備能夠像真實(shí)的鉆機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)任意操作， 且呈現(xiàn)出相應(yīng)模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景及設(shè)備工作情況，學(xué)員無需按照規(guī)定的培訓(xùn)操作方案進(jìn)行操 作，真正做到高度的仿真效果，增強(qiáng)培訓(xùn)的現(xiàn)場(chǎng)感，改善培訓(xùn)效果。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)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(shè)備、PLC控制器和控制單元，控制單元包括主控機(jī)、參數(shù)機(jī)和圖形 處理機(jī)，鉆井模擬操作設(shè)備與PLC控制器連接，PLC控制器通過串口與參數(shù)機(jī)相連，參數(shù)機(jī) 和圖形處理機(jī)分別通過通訊網(wǎng)絡(luò)與主控機(jī)連接；
[0007] 所述的鉆井模擬操作設(shè)備上設(shè)置有閥門、按鈕、指示燈、壓力表和溫度表，PLC控制 器上設(shè)置有用于循環(huán)采集鉆井模擬操作設(shè)備上閥門開度及按鈕狀態(tài)的采集器；
[0008] 所述的主控機(jī)上設(shè)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(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；
[0009] 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。
[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(jī)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(chǎng)設(shè)備環(huán)境音效模擬系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 備環(huán)境音效模擬系統(tǒng)包括音響，音響與主控機(jī)連接。
[0012] 所述的鉆井模擬操作設(shè)備包括司鉆操作臺(tái)、防噴器控制盤、阻流器控制臺(tái)、遠(yuǎn)程控 制臺(tái)、立管管匯、節(jié)流管匯和頂驅(qū)操作臺(tái)中的任意一種或多種的組合。
[0013] 所述的PLC控制器上設(shè)置有用于采集學(xué)員無定序操作模式下鉆井模擬操作設(shè)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(jī)上設(shè)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(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型計(jì)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(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；圖形處理機(jī)上設(shè)置有用于根據(jù)無定序操作模式下虛擬場(chǎng)景中設(shè)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(chǎng)實(shí)景及設(shè)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(jī)上還設(shè)置有全智能評(píng)分模塊，可對(duì)學(xué)員的操作進(jìn)行評(píng)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(gè)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(shí)際物理參數(shù)的變化，使得學(xué)員的無定序操作實(shí)時(shí)作用于對(duì)應(yīng)模型， 計(jì)算出對(duì)應(yīng)的參數(shù)，它包括鉆速轉(zhuǎn)換子模塊和有效鉆頭比水功率轉(zhuǎn)換子模塊：
【主權(quán)項(xiàng)】
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(shè)備、PLC 控制器和控制單元，控制單元包括主控機(jī)、參數(shù)機(jī)和圖形處理機(jī)，鉆井模擬操作設(shè)備與PLC 控制器連接，PLC控制器通過串口與參數(shù)機(jī)相連，參數(shù)機(jī)和圖形處理機(jī)分別通過通訊網(wǎng)絡(luò)與 主控機(jī)連接； 所述的鉆井模擬操作設(shè)備上設(shè)置有閥門、按鈕、指示燈、壓力表和溫度表，PLC控制器上 設(shè)置有用于循環(huán)采集鉆井模擬操作設(shè)備上閥門開度及按鈕狀態(tài)的采集器； 所述的主控機(jī)上設(shè)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(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； 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。
2. 根據(jù)權(quán)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(jī)連 接。
3. 根據(jù)權(quán)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(shè)備包括司鉆操作臺(tái)、防噴器控制盤、阻流器控制臺(tái)、遠(yuǎn)程控制臺(tái)、立管管匯、 節(jié)流管匯和頂驅(qū)操作臺(tái)中的任意一種或多種的組合。
4. 根據(jù)權(quán)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(shè)置有用于采集學(xué)員無定序操作模式下鉆井模擬操作設(shè)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(jī)上設(shè)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(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型計(jì)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(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；圖形處理 機(jī)上設(shè)置有用于根據(jù)無定序操作模式下虛擬場(chǎng)景中設(shè)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(chǎng)實(shí)景及設(shè)備工作情況的無定序操作虛擬呈現(xiàn)模塊。
5. 根據(jù)權(quán)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(gè)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(shí)際物理參數(shù)的變化，使得學(xué)員的無定序操作實(shí)時(shí)作用于對(duì)應(yīng)模型，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的參 數(shù)，它包括鉆速轉(zhuǎn)換子模塊和有效鉆頭比水功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)可鉆性，kd= 0. 00165H+0. 635 ;W為比鉆壓，單位為KN/mm;N為轉(zhuǎn)速，單位為rpm;HEI為 有效鉆頭比水功率，單位為kw/mm2;P 實(shí)際或設(shè)計(jì)泥楽密度,單位為g/cm3;Pp為地層壓 力當(dāng)量密度，單位為g/cm3;V為機(jī)械鉆速，單位為m/h; 有效鉆頭比水功率計(jì)算方程為
式中：HEI為有效鉆頭比水功率,單位為kw/mm2;PJ實(shí)際或設(shè)計(jì)泥楽密度，單位為g/cm3;Q為排量,單位為L(zhǎng)/s;Db為鉆頭直徑,單位為cm;d6為噴嘴當(dāng)量直徑,單位為cm,
1，j2,九為噴嘴直徑，單位為cm。
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