一種鉆機安裝模擬系統(tǒng)的總體構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種鉆機安裝模擬系統(tǒng)的總體構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002] GB2295480公開了一種井控模擬系統(tǒng)，其包括主計算機，主計算機能夠運行鉆點模 擬的計算機模塊和多個能夠連接計算機和數(shù)據(jù)輸出裝置的數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)適于安裝和利 用于真實鉆點，至少一些所述接口適于連接到數(shù)據(jù)輸出和輸入裝置，這些數(shù)據(jù)輸出輸入裝 置組成部分井控系統(tǒng)，而該模擬系統(tǒng)便安裝在其中。
[0003] 國內(nèi)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文《新型鉆井工程培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實 現(xiàn)》，從現(xiàn)代過程培訓(xùn)模擬其研制的現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，分析了 利用高技術(shù)的發(fā)展建立過程培訓(xùn)模擬系統(tǒng)的必要性和重要性，闡述了過程培訓(xùn)模型設(shè)計中 遇到的問題和解決方法，給出了新型鉆井工程培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)從可行性分析、硬件涉及 到主控臺設(shè)計，場景模擬等部分的解決方案，重點介紹了主控臺軟件部分的實現(xiàn)方法。
[0004] 鉆井模擬產(chǎn)品方面，以美國鉆井模擬機DS-200最具代表性，包括大慶石油管理局 研制的DS-100鉆井模型，但是無論是DS-200還是DS-100，其都只是針對鉆井操作進行模 擬，而不能對其他操作例如鉆機安裝進行模擬，然而目前鉆機安裝者的操作規(guī)程和技術(shù)要 領(lǐng)主要是通過廠家提供的說明書和培訓(xùn)獲取，而操作技能則是靠經(jīng)驗的積累和師傅的傳 授，這些方式往往存在以下問題：實踐機會有限，難以提高技術(shù)水平：由于鉆井作業(yè)的特殊 性，鉆井設(shè)備的拆卸和安裝等工作往往要幾個月，甚至一年才進行一次，操作人員很難通過 實際操作積累各種經(jīng)驗。另外，在設(shè)備安裝、拆卸過程中，事故發(fā)生的幾率相對較小，個體對 事故的處理經(jīng)驗極為有限，對事故的判斷、處理能力很難在實際的生產(chǎn)活動中積累和提高。 一旦突發(fā)事故，往往由于缺乏經(jīng)驗和處理能力，造成重大生命和財產(chǎn)損失。
[0005] 因此完整有效的培訓(xùn)系統(tǒng)是急需的，并且有必要針對鉆機安裝開發(fā)響應(yīng)的模擬系 統(tǒng)，另一方面，以DS-100為代表的鉆井模型均采用分布式計算機控制系統(tǒng)，一臺主控計算 機實現(xiàn)模擬解算，三臺過程控制計算機分別控制司鉆操作及儀表顯示臺，井控操作臺及遠 程節(jié)流控制臺等裝置。主從計算機之間采用串行中斷方式實現(xiàn)遠距離通訊。主控計算機采 用Borland C++fer Windows編程，圖形機采用Borland C++編程，過程計算機采用ASM-96 匯編語言編程，現(xiàn)有的系統(tǒng)復(fù)雜，并且缺乏完整性，無法滿足培訓(xùn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型旨在克服上述問題，提供一種鉆機安裝模擬操作的系統(tǒng)，用計算機模 擬仿真陸地鉆機的安裝，以及陸地鉆機的操作過程。
[0007] 本實用新型通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種鉆機安裝模擬操作系統(tǒng)，包括前端硬 件，前端硬件由鉆機模型、前端操作臺、教師操作臺、以及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)組成，其 中前端操作臺中包括參數(shù)計算機，其中該參數(shù)計算機作為分布式的上位機完成整個系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)采集與控制，主控計算機和圖形計算機完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯 示；所述操作系統(tǒng)還包括通信軟件系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)，圖形軟件系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)包括 操作培訓(xùn)子系統(tǒng)，系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，硬件自檢子系統(tǒng)，所述圖形軟件系統(tǒng)包括場景初始化子 系統(tǒng)、工藝動畫控制子系統(tǒng)、碰撞處理子系統(tǒng)、渲染特效子系統(tǒng)；其中所述前端硬件與通信 軟件系統(tǒng)之間通過RS-232通信，所述通信軟件系統(tǒng)與主控軟件系統(tǒng)之間通過TCP/IP通信， 主控軟件系統(tǒng)與圖形軟件系統(tǒng)之間也通過TCP/IP通信。
[0008] 優(yōu)選地，操作培訓(xùn)模塊提供陸地鉆機安裝過程中的安裝過程的培訓(xùn)，以及陸地鉆 機操作過程中的主要工藝的培訓(xùn)，系統(tǒng)設(shè)置模塊完成對軟件系統(tǒng)的管理和配置功能，硬件 自檢校正對前段硬件進行檢測，以方便用戶能隨時獲知前段硬件是否運行正常的信息，通 信軟件系統(tǒng)主要完成從PLC獲取前端硬件信息后，發(fā)送給主控機；并將主控機發(fā)送過來的 信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示，參數(shù)機還負責(zé)重要參數(shù)的實時顯示，以及報警設(shè) 置，人工操作功能。
[0009] 圖形軟件系統(tǒng)采用全三維動畫，構(gòu)造一個逼真的，虛擬的陸地鉆機安裝操作環(huán)境， 使受訓(xùn)人員完全具有身臨其境的感覺，提高學(xué)員對事故處理時的心理承受能力，獲得更好 的培訓(xùn)效果。
[0010] 主控軟件系統(tǒng)與通信程序通信，實時獲得硬件設(shè)備狀態(tài)，在內(nèi)部通過相關(guān)數(shù)學(xué)模 型，模擬陸地鉆機安裝操作的若干典型過程，進而完成：①通過TCP/IP協(xié)議同前段的參數(shù) 程序通信，獲取前段硬件數(shù)據(jù)。②利用數(shù)學(xué)模型，對獲取的前段硬件數(shù)據(jù)信息進行分析和處 理。③將分析后的數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議向圖形軟件發(fā)送控制命令，控制圖形的動作。④ 將分析后的數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議傳遞給參數(shù)機，進而控制硬件設(shè)備的實時顯示。該子系 統(tǒng)分成操作培訓(xùn)、系統(tǒng)設(shè)置、硬件自檢校正等模塊。
[0011] 與此同時，本實用新型還公開了一種陸地鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)包括：司鉆操作 臺、鉆機模型、教師操作臺及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)。
[0012] 司鉆操作臺包括機箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計算機，所述的機箱的正面設(shè)有司鉆操 作臺正面控制面板，機箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺側(cè)面控制面板，機箱的另一個側(cè)面設(shè) 有頂驅(qū)機械控制面板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆操作臺正面控制面板上設(shè)置 有電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻 尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開 關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及 緊急制動開關(guān)；還包括顯示表組，其中所述顯示表組包括氣源壓力表、冷卻水壓表、絞車油 壓表、轉(zhuǎn)盤油壓表、轉(zhuǎn)盤扭矩表、栗壓表、大鉗扭矩表、左鉗扭矩表、右鉗扭矩表、安全鉗壓力 表、貓頭壓力表、鉆井扭矩表、轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表；司鉆操作 臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁 路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿栗開關(guān)、2 號泥漿栗開關(guān)、3號泥漿栗開關(guān)、低壓報警器開關(guān)；
[0013] 司鉆操作臺的內(nèi)部控制板包括司鉆操作臺第一可編程控制器PLCl和第二可編程 控制器PLC2,上述可編程控制器PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進行通信，其 中第一可編程控制器PLCl的CPU模塊通過A/D模塊分別與電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭 開關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾 筒離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低 速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)連接，通過PLC的 開關(guān)量輸入端口分別與指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁 路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿栗開關(guān)、 2號泥漿栗開關(guān)、3號泥漿栗開關(guān)、低壓報警器開關(guān)進行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上 的各個開關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制，泥漿栗的調(diào)速控制；同時 采集絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤離合器位置、轉(zhuǎn)盤檔位、栗調(diào)節(jié)器位置、柴油機功率調(diào) 節(jié)器位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過 PLC的控制使得司鉆操作臺實現(xiàn)對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對泥漿 栗的調(diào)速控制。
[0014] 其中頂驅(qū)機械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕、吊環(huán) 回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓栗開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開 關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開關(guān)；緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸 伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過A/D模塊分別與急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓栗開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進行連接以實現(xiàn)對頂驅(qū)進行控制。
[0015] 其中緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液 缸伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過A/D模塊分別與左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸伸出/縮回控制手 柄連接以對緩沖液缸進行控制。
[0016] 參數(shù)計算機作為分布式的上位機完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計算機和 圖形計算機完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各臺計算機通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺和鉆機模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由SIEMENS S7-200 PLC完成， 并連接構(gòu)成西門子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計 算機具有完成從PLC獲取前端硬件信息后，將信息發(fā)送給主控計算機的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計算機發(fā)送過來的信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0017] 鉆機模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制機。其中 井架為前開口型井架，由主體、人字架及附件組成，附件主要有二層臺、死繩穩(wěn)定器、籠梯。 井架主體由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背橫梁、斜拉桿、連接 架組成一個前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個卡銷完成。人字架是由左、右前 腿，左、右后腿及橫梁等組成的門形結(jié)構(gòu)，用來起放和支靠井架。起升裝置由起升大繩、高支 架、低支架和游車大鉤支架組成。井架采用人字架起升方式，依靠鉆臺面絞車的動力，通過 快繩、大鉤拉動起升大繩，實現(xiàn)井架起升，井架起升時為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時下放井架時又能使井架重心前移，從而依靠井架本身自重下落，在人字架上設(shè)有 緩沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實現(xiàn)。
[0018] 井架核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 操作按鈕對應(yīng)的物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各 PLC模塊進行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0019] 底座模型包括底座和底座核心控制機，其中底座主要由底座主體、起升裝置、液壓 緩沖裝置組成，底座采用平行四邊形機構(gòu)的運動原理，從而實現(xiàn)了高臺面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位整體起升到工作位置。底座主體分為上、中、下 三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部 分，由左如基座與左后基座、右如基座與右后基座分別用銷子連接成左、右兩個部分。左、右 兩個部分之間的連接構(gòu)件有連接梁、連接架和斜撐。中間層為支撐部分，位于上、下層之間， 起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱組 成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿及后腿兩部分組成，起升大繩的一端固定在人字 架后腿上，人字架在整個底座起升的過程中起到支撐的作用。起升大繩兩端裝有套環(huán)，另有 參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿上。所述鉆井模型還包括防護裝置組，其中防護裝 置組包括實現(xiàn)鉆機井架天車防碰功能的鉆機井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度起升 功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝 置、實現(xiàn)防鉆機底座過度起升功能的防鉆機底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機底座過度下放 功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝 置。
[0020] 底座核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 各個物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各PLC模塊進 行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺之間的 通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0021] 為實現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機井架底座模型安裝的一定的保護裝置，包 括鉆機井架天車防碰裝置、防鉆機井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機底 座過度起升裝置、防鉆機底座過度下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置。為實現(xiàn)井架底座的 起升和下放并受控于司鉆操作臺，系統(tǒng)采用步進電機來實現(xiàn)絞車功能。
[0022] 陸地鉆機安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計算機必須持續(xù)不斷的與前端硬件進行 通信，以獲取前端的設(shè)備狀態(tài)，也就是獲取培訓(xùn)學(xué)員的操作過程；實時獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過主控計算機處理，驅(qū)動圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動畫過程；同時， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對如旋鈕，手柄，腳油門等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場操作觸感。
[0023] 在模型中，所有數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定，都基于以下假設(shè)：
[0024] 1)、鉆井液環(huán)空攜巖能力Lc彡0· 5 ;環(huán)空鉆肩濃度Ca <0· 09 ;環(huán)空流態(tài)穩(wěn)定參數(shù) 值Z <井眼穩(wěn)定值Z值。
[0025] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計可鉆性的基礎(chǔ)上的，它反映了不均質(zhì)地 層可鉆性的宏觀規(guī)律。同時假設(shè)影響鉆速的鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水力參數(shù)、鉆井液密度差 與地層宏觀性等這些單因素是互不影響的獨立變量的基礎(chǔ)上建立起來的函數(shù)關(guān)系。
[0026] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時，單位時間內(nèi)進入環(huán)空的泥漿和氣體形成的混氣