圖形軟件產(chǎn)生與硬件 設(shè)備操作同步的動(dòng)畫(huà)過(guò)程。比如在圖形軟件中，頂驅(qū)或大鉤的上升和下降過(guò)程就是受前端 絞車離合器，腳油門(mén)，剎把，離合器檔位等部件的控制。2、實(shí)時(shí)獲取前端硬件設(shè)備狀態(tài)也同 時(shí)獲得了培訓(xùn)學(xué)員的操作過(guò)程，這是主控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)信息。3、實(shí)時(shí)獲取 的前端硬件設(shè)備狀態(tài)也是主控軟件中模擬數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。比如在鉆進(jìn)過(guò)程的模擬 中，就需要獲得鉆盤(pán)轉(zhuǎn)數(shù)、剎把狀態(tài)，泥漿排量，泥漿密度等參數(shù)。
[0107] 同時(shí)，通信是一個(gè)雙向的過(guò)程，主控軟件所計(jì)算出的鉆井過(guò)程參數(shù)也需要實(shí)時(shí)傳 輸給前端設(shè)備，以供培訓(xùn)學(xué)員與工程技術(shù)人員觀察。
[0108] 綜上所述，主控軟件和前端設(shè)備的雙向、高速、穩(wěn)定的通信是整個(gè)系統(tǒng)需要解決的 一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。在系統(tǒng)中，出于性能考慮，由專用的通信軟件負(fù)責(zé)和前端的硬件設(shè)備進(jìn) 行通信，通信軟件和主控軟件之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。由于前端設(shè)備采用PLC進(jìn)行 控制和處理，因此在系統(tǒng)中采用專用的通信協(xié)議，使用RS-232標(biāo)準(zhǔn)傳輸數(shù)據(jù)。
[0109] 以通信軟件與主控軟件之間的通信為例，采用交互TCP協(xié)議進(jìn)行。通信軟件為服 務(wù)器端，主控軟件為客戶端。為了更好的控制通信過(guò)程，添加了兩個(gè)控制參數(shù)。第一參數(shù) Direction表示數(shù)據(jù)的流向，等于1表示主控軟件請(qǐng)求前端硬件數(shù)據(jù)，等于2表示主控軟件 發(fā)送給前端硬件數(shù)據(jù)。第二參數(shù)Mud表示泥漿性能參數(shù)來(lái)源，等于1表示主控軟件發(fā)送泥漿 性能參數(shù)給前端硬件，等于2表示主控軟件請(qǐng)求前端泥漿性能參數(shù)，協(xié)議流程圖如圖所示。 [0110] 通信軟件發(fā)送給主控軟件數(shù)據(jù)格式主要包括布爾型、短整型和浮點(diǎn)型，其中布爾 型變量主要作用在如按鈕、指示燈狀態(tài)、開(kāi)關(guān)、左右位置等信號(hào)，例如各個(gè)按鈕，左右貓頭處 于進(jìn)/退位等。短整型用于各種調(diào)節(jié)旋鈕信號(hào)，例如1-3號(hào)栗調(diào)節(jié)旋鈕。浮點(diǎn)型用于其他 參數(shù)，例如泥漿密度、泥漿粘度、泥漿失水、立管壓力、頂驅(qū)轉(zhuǎn)速等。
[0111] 更詳細(xì)地，本實(shí)用新型還包括這些內(nèi)容：陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)包括：司鉆 操作臺(tái)、鉆機(jī)模型、教師操作臺(tái)及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)。
[0112] 司鉆操作臺(tái)包括機(jī)箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計(jì)算機(jī)，所述的機(jī)箱的正面設(shè)有司鉆操 作臺(tái)正面控制面板，機(jī)箱的一個(gè)側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺(tái)側(cè)面控制面板，機(jī)箱的另一個(gè)側(cè)面設(shè) 有頂驅(qū)機(jī)械控制面板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆操作臺(tái)正面控制面板上設(shè)置 有電源按鈕、開(kāi)機(jī)按鈕、氣喇叭開(kāi)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(kāi)關(guān)、換檔控制開(kāi)關(guān)、貓頭控制開(kāi) 關(guān)、風(fēng)動(dòng)旋扣控制開(kāi)關(guān)、滾筒高低速開(kāi)關(guān)、油缸選擇開(kāi)關(guān)、底座液壓開(kāi)關(guān)、駐車制動(dòng)開(kāi)關(guān)以 及緊急制動(dòng)開(kāi)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(pán)油壓表、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩表、栗壓表、吊鉗扭矩表、左鉗壓力表、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、指重表、轉(zhuǎn)盤(pán)電流表、鎖檔壓力表以及過(guò)卷壓力 表，；司鉆臺(tái)側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測(cè)試急停按 鈕、PLC/旁路開(kāi)關(guān)、電磁渦流剎車開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)正反轉(zhuǎn)選擇開(kāi)關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開(kāi)關(guān)、1號(hào)泥 漿栗開(kāi)關(guān)、2號(hào)泥漿栗開(kāi)關(guān)、3號(hào)泥漿栗開(kāi)關(guān)、低壓報(bào)警器開(kāi)關(guān)；
[0113] 司鉆操作臺(tái)的內(nèi)部控制板包括司鉆操作臺(tái)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進(jìn)行通信，其中 第一可編程控制器PLCl的CPU模塊通過(guò)A/D模塊分別與電源按鈕、開(kāi)機(jī)按鈕、氣喇叭開(kāi)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(kāi)關(guān)、換檔控制開(kāi)關(guān)、貓頭控制開(kāi)關(guān)、風(fēng)動(dòng)旋扣控制開(kāi)關(guān)、滾筒高低速開(kāi) 關(guān)、油缸選擇開(kāi)關(guān)、底座液壓開(kāi)關(guān)、駐車制動(dòng)開(kāi)關(guān)以及緊急制動(dòng)開(kāi)關(guān)連接，通過(guò)PLC的開(kāi)關(guān) 量輸入端口分別與指配開(kāi)關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測(cè)試急停按鈕、PLC/旁路開(kāi) 關(guān)、電磁渦流剎車開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)盤(pán)正反轉(zhuǎn)選擇開(kāi)關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開(kāi)關(guān)、1號(hào)泥漿栗開(kāi)關(guān)、2號(hào) 泥漿栗開(kāi)關(guān)、3號(hào)泥漿栗開(kāi)關(guān)、低壓報(bào)警器開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接；通過(guò)PLC采集司鉆操作臺(tái)上的各 個(gè)開(kāi)關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速控制，泥漿栗的調(diào)速控制；同時(shí)采集 絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤(pán)離合器位置、轉(zhuǎn)盤(pán)檔位、栗調(diào)節(jié)器位置、柴油機(jī)功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測(cè)懸重、鉆壓、鉆機(jī)氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過(guò)PLC 的控制使得司鉆操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井架/底座的起升控制、對(duì)鉆盤(pán)的轉(zhuǎn)速控制以及對(duì)泥漿栗的 調(diào)速控制。
[0114] 其中頂驅(qū)機(jī)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(kāi)關(guān)、內(nèi)防噴器開(kāi)關(guān)、液壓栗開(kāi)關(guān)、鎖緊銷開(kāi)關(guān)、背鉗選擇開(kāi)關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開(kāi) 關(guān)、剎車選擇開(kāi)關(guān)、輔助操作開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開(kāi)關(guān)、電機(jī)選擇開(kāi)關(guān)、操作選擇開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開(kāi)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(tái)的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過(guò)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(guò)PLC的開(kāi)關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開(kāi)關(guān)、內(nèi)防噴器開(kāi)關(guān)、液壓栗開(kāi)關(guān)、鎖緊銷開(kāi)關(guān)、背鉗選擇開(kāi)關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開(kāi)關(guān)、剎車選擇開(kāi)關(guān)、輔助操作開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開(kāi)關(guān)、電機(jī)選擇開(kāi)關(guān)、操作選擇 開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂驅(qū)進(jìn)行控制。
[0115] 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(tái)的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過(guò)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(duì)緩沖液缸進(jìn)行控制。
[0116] 參數(shù)計(jì)算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計(jì)算機(jī)和 圖形計(jì)算機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺(tái)和鉆機(jī)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(mén)子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計(jì) 算機(jī)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(jì)算機(jī)的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息通過(guò)PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0117] 鉆機(jī)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(jī)。其中 井架為前開(kāi)口型井架，由主體、人字架及附件組成，附件主要有二層臺(tái)、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(gè)前開(kāi)口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個(gè)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(mén)形結(jié)構(gòu)，用來(lái)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(tái)面絞車的動(dòng)力，通過(guò) 快繩、大鉤拉動(dòng)起升大繩，實(shí)現(xiàn)井架起升，井架起升時(shí)為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時(shí)下放井架時(shí)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(guò)緩沖裝置的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0118] 井架核心控制機(jī)選用西門(mén)子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺(tái)上的 操作按鈕對(duì)應(yīng)的物理量，以參數(shù)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制機(jī)對(duì)絞車控制臺(tái)及前端各 PLC模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺(tái)之間的通信采用西門(mén)子專用PPI通訊協(xié)議。
[0119] 底座模型包括底座和底座核心控制機(jī)，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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，從而實(shí)現(xiàn)了高臺(tái)面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動(dòng)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(tái)面部分，用來(lái)安裝鉆臺(tái)面的設(shè)備，通過(guò)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(gè)部分。左、右 兩個(gè)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(tái)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(gè)底座起升的過(guò)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(hù)裝置組，其中防護(hù)裝 置組包括實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架天車防碰功能的鉆機(jī)井架天車防碰裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過(guò)度起升 功能的防鉆機(jī)井架過(guò)度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過(guò)度下放功能的防鉆機(jī)井架過(guò)度下放裝 置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過(guò)度起升功能的防鉆機(jī)底座過(guò)度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過(guò)度下放 功能的防鉆機(jī)底座過(guò)度下放裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放功能的防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放裝 置。
[0120] 底座核心控制機(jī)選用西門(mén)子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺(tái)上的 各個(gè)物理量，以參數(shù)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制機(jī)對(duì)絞車控制臺(tái)及前端各PLC模塊進(jìn) 行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺(tái)之間的 通信采用西門(mén)子專用PPI通訊協(xié)議。
[0121] 為實(shí)現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機(jī)井架底座模型安裝的一定的保護(hù)裝置，包 括鉆機(jī)井架天車防碰裝置、防鉆機(jī)井架過(guò)度起升裝置、防鉆機(jī)井架過(guò)度下放裝置、防鉆機(jī) 底座過(guò)度起升裝置、防鉆機(jī)底座過(guò)度下放裝置、防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放裝置。為實(shí)現(xiàn)井架底座 的起升和下放并受控于司鉆操作臺(tái)，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)絞車功能。
[0122] 陸地鉆機(jī)安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)必須持續(xù)不斷的與前端硬件進(jìn)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(guò)程；實(shí)時(shí)獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過(guò)主控計(jì)算機(jī)處理，驅(qū)動(dòng)圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動(dòng)畫(huà)過(guò)程；同時(shí)， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對(duì)如旋鈕，手柄，腳油門(mén)等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進(jìn)行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場(chǎng)操作觸感。
[0123] 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)：
[0124] 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。
[0125] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計(jì)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(shí)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(dú)立變量的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的函數(shù)關(guān)系。
[0126] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入環(huán)空的泥漿和氣體形成的混氣泥漿是均 勻混合的。在這種假設(shè)下，我們可以將單位體積的混和泥漿中的氣體含量看成是相等的。
[0127] 4)、發(fā)現(xiàn)溢流后，應(yīng)及時(shí)停栗關(guān)井。在井內(nèi)壓力平衡前，地層氣體仍然會(huì)不斷地進(jìn) 入井內(nèi)。因此，假設(shè)從停栗關(guān)井到關(guān)井穩(wěn)定這段時(shí)間內(nèi)，井內(nèi)形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過(guò)程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
[0128] 5)、氣體從地層中進(jìn)入井筒符合達(dá)西定律。
[0129] 6)、若進(jìn)入井內(nèi)的溢流為氣體，則假設(shè)氣體溢流在環(huán)空內(nèi)上升時(shí)要膨脹，其膨脹過(guò) 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。
[0130] 7)、假設(shè)井內(nèi)的地溫梯度為一常數(shù)，則：
[0131] 井底溫度=地溫梯度X井深+井口溫度。
[0132] 由于本模型主要用于模擬培訓(xùn)，因此，在計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和和準(zhǔn)確度發(fā)生沖突 時(shí)，原則上以保時(shí)間為主，而將過(guò)分復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但保證定性方面的準(zhǔn) 確性。
[0133] (一）鉆進(jìn)過(guò)程模型
[0134] 1)、鉆速方程
[0136] 式中：
[0137] &-鉆壓指數(shù)（《 = 0.5366 + 0.1993心）
[0138] b-轉(zhuǎn)速指數(shù)（6 = 0.9250 - 0.0375~）
[0139] C-地層壓力指數(shù)（c = 0.7011-0.056^ )
[0140] d-鉆井液密度差系數(shù)（= 0.9767& -7.2703 )
[0141] kd-地層統(tǒng)計(jì)可鉆性（kd= 0· 00165H+0. 635)
[0142] W-比鉆壓(KN/mm)
[0143] N-轉(zhuǎn)速（rpm)
[0144] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0145] P 實(shí)際或設(shè)計(jì)泥漿密度（g/cm3)
[0146] P p-地層壓力當(dāng)量密度（g/cm3)
[0147] V-機(jī)械鉆速（m/h)
[0148] 2)、有效鉆頭比水功率的計(jì)算
[0150] 式中：
[0151] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0152] P 實(shí)際或設(shè)計(jì)泥漿密度（g/cm3)
[0153] Q-排量，升/秒
[0154] Db-鉆頭直徑，厘米
[0155] de-噴嘴當(dāng)量直徑，厘米
[0157] (二）溢流模型
[0158] 1)、溢流過(guò)程模擬
[0159] 發(fā)生溢流時(shí)，從地層中進(jìn)入井筒內(nèi)的氣體量增加，井底壓力將不斷減小，氣體進(jìn)入 速度將不斷增加，該過(guò)程中所有參數(shù)的變化都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。為此，假如在一個(gè)相當(dāng)小 的時(shí)間間隔At內(nèi)，進(jìn)氣量滿足二次線性方程。
[0160] (1)氣體流量計(jì)算
[0162] 式中：
[0163] Qgs-對(duì)應(yīng)于Pb的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體滲流量，米