基于无定序操作模式的钻井模拟系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻井模拟系统，特别是涉及一种基于无定序操作模式的钻井模拟 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 石油钻井是指利用专用钻井设备和技术，在经过勘探发现储油的地表位置处，向 下或一侧钻出一定直径的圆柱孔眼，并钻达地下油气层的工序，要实现油气开采必须要熟 练掌握石油钻井的专业知识和操作技能。
[0003] 然而，对于油田新进员工或石油相关专业学生，他们对钻井的过程、钻机的操作或 者发生事故时的处理方法都没有感性的认识，对于现场钻井操作不熟悉。一旦出现操作失 误或不慎，有可能引发严重的质量事故或安全事故，为国家和人民带来重大的损失。因此， 钻井从业人员的上岗知识培训和专业技能培训显得十分重要。但由于几乎所有的钻井现场 和设施都分布在野外，不可能将培训放到现场进行，如果仅依靠常规的课堂教学或实验室 操作，由于缺乏形象逼真、直观生动的辅助手段和方式，不免陷入课程内容简单枯燥、学员 学习效果差的尴尬局面，培训难以达到预期效果。
[0004] 公告号为CN101789190B的中国专利公开了一种分布式钻井模拟系统，该钻井模 拟系统包括节流管汇、高压管汇、防喷器控制台、阻流器控制台、远程控制台、司钻操作台、 教师控制台和投影系统，实现了高度仿真的顶部驱动钻井模拟，增强了教学培训的现场感， 缩短了培训周期、提高了培训效果、降低了培训成本。然而，该钻井模拟系统存在以下不足： 图形计算机内只储存了几套固定的培训操作模拟现场实景的呈现方案，因此只能呈现固定 的几套模拟现场实景及设备工作情况，学员必须严格按照这几套固定的培训操作方案进行 相应操作（即定序操作模式），对于受训学员并未按照培训操作方案所做出的无定序操作， 系统将无法识别，更不可能实现对该无定序操作的实时模拟和呈现，局限性很大，培训效果 不理想。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无定序操作模式的钻井模 拟系统及方法，基于无定序的算法设计架构，使得模拟设备能够像真实的钻机一样实现任 意操作，且呈现出相应模拟现场实景及设备工作情况，学员无需按照规定的培训操作方案 进行操作，真正做到高度的仿真效果，增强培训的现场感，改善培训效果。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于无定序操作模式的钻井模拟系 统，它包括钻井模拟操作设备、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形 处理机，钻井模拟操作设备与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机相连，参数机 和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
[0007] 所述的钻井模拟操作设备上设置有阀门、按钮、指示灯、压力表和温度表，PLC控制 器上设置有用于循环采集钻井模拟操作设备上阀门开度及按钮状态的采集器；
[0008] 所述的主控机上设置有用于根据阀门开度及按钮状态数据，通过数学模型计算出 指示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计 算模块；
[0009] 所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的 现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
[0010] 基于无定序操作模式的钻井模拟系统还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与 投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机连接，投影幕布采用120°巨型环形幕布。 [0011] 基于无定序操作模式的钻井模拟系统还包括现场设备环境音效模拟系统，现场设 备环境音效模拟系统包括音响，音响与主控机连接。
[0012] 所述的钻井模拟操作设备包括司钻操作台、防喷器控制盘、阻流器控制台、远程控 制台、立管管汇、节流管汇和顶驱操作台中的任意一种或多种的组合。
[0013] 所述的PLC控制器上设置有用于采集学员无定序操作模式下钻井模拟操作设备 上阀门开度及按钮状态的无定序操作采集模块；主控机上设置有用于根据无定序操作模式 下阀门开度及按钮状态数据，通过无定序操作状态转换数学模型计算出无定序操作模式下 指示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计 算模块；图形处理机上设置有用于根据无定序操作模式下虚拟场景中设备工作状况数据呈 现无定序操作模式下模拟现场实景及设备工作情况的无定序操作虚拟呈现模块。
[0014] 所述的主控机上还设置有全智能评分模块，可对学员的操作进行评分，考核公平 公正。
[0015] 基于无定序操作模式的钻井模拟方法，它包括以下步骤：
[0016] Sl :采集阀门及按钮状态数据：PLC控制器循环采集钻井模拟操作设备上阀门开 度及按钮状态；
[0017] S2 :数据发送至主控机：PLC控制器通过串口将采集到的阀门开度及按钮状态数 据发送给主控机；
[0018] S3 :主控机计算：主控机根据阀门开度及按钮状态数据，通过数学模型计算出指 示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据；
[0019] S4:虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：
[0020] (1)主控机将计算得到的指示灯状态、压力表数据、温度表数据回传给PLC控制 器，PLC控制器对钻井模拟操作设备上的指示灯、压力表和温度表进行相应控制；
[0021] (2)主控机将计算得到的虚拟场景中设备工作状况数据发送给图形处理机，图形 处理机根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况。
[0022] 基于无定序操作模式的钻井模拟方法还包括一个建立属于学员自己的井数据的 步骤和一个选择已建立的井数据，经过数据加载实现模拟操作的步骤：
[0023] 建立属于学员自己的井数据的步骤包括以下子步骤：
[0024] SSl :选择钻井类型；
[0025] SS2 :选择井类型；
[0026] SS3 :设置井筒数据；
[0027] SS4 :设置钻杆组合；
[0028] SS5 :设置图形初始状态；
[0029] SS6 :设置地层数据；
[0030] SS7 :设置泵数据；
[0031] SS8:设置管汇数据；
[0032] SS9 :设置泥浆数据；
[0033] SS10:保存数据。
[0034] 基于无定序操作模式的钻井模拟方法还包括一个无定序操作状态转换步骤，在学 员的操作情况发生变化，且满足从一个条件转换至另一个条件时，实现对应状态转换。
[0035] 所述的无定序操作状态转换步骤包括一个基于钻井过程模型的状态转换步骤，用 于仿真钻井过程中的实际物理参数的变化，使得学员的无定序操作实时作用于对应模型， 计算出对应的参数，它包括钻速转换子步骤和有效钻头比水功率转换子步骤：
[0036] 钻速方程为
【主权项】
1. 基于无定序操作模式的钻井模拟系统，其特征在于：它包括钻井模拟操作设备、PLC 控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，钻井模拟操作设备与PLC 控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机相连，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与 主控机连接； 所述的钻井模拟操作设备上设置有阀门、按钮、指示灯、压力表和温度表，PLC控制器上 设置有用于循环采集钻井模拟操作设备上阀门开度及按钮状态的采集器； 所述的主控机上设置有用于根据阀门开度及按钮状态数据，通过数学模型计算出指示 灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模 块； 所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场 实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
2. 根据权利要求1所述的基于无定序操作模式的钻井模拟系统，其特征在于：它还包 括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机连 接。
3. 根据权利要求1所述的基于无定序操作模式的钻井模拟系统，其特征在于：所述的 钻井模拟操作设备包括司钻操作台、防喷器控制盘、阻流器控制台、远程控制台、立管管汇、 节流管汇和顶驱操作台中的任意一种或多种的组合。
4. 根据权利要求1所述的基于无定序操作模式的钻井模拟系统，其特征在于：所述的 PLC控制器上设置有用于采集学员无定序操作模式下钻井模拟操作设备上阀门开度及按钮 状态的无定序操作采集模块；主控机上设置有用于根据无定序操作模式下阀门开度及按钮 状态数据，通过无定序操作状态转换数学模型计算出无定序操作模式下指示灯状态、压力 表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；图形处理 机上设置有用于根据无定序操作模式下虚拟场景中设备工作状况数据呈现无定序操作模 式下模拟现场实景及设备工作情况的无定序操作虚拟呈现模块。
5. 基于无定序操作模式的钻井模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤： 51 :采集阀门及按钮状态数据：PLC控制器循环采集钻井模拟操作设备上阀门开度及 按钮状态； 52 :数据发送至主控机：PLC控制器通过串口将采集到的阀门开度及按钮状态数据发 送给主控机； 53 :主控机计算：主控机根据阀门开度及按钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯 状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据； 54 :虚拟呈现，它包括以下两个子步骤： (1) 主控机将计算得到的指示灯状态、压力表数据、温度表数据回传给PLC控制器，PLC 控制器对钻井模拟操作设备上的指示灯、压力表和温度表进行相应控制； (2) 主控机将计算得到的虚拟场景中设备工作状况数据发送给图形处理机，图形处理 机根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况。
6. 根据权利要求5所述的基于无定序操作模式的钻井模拟方法，其特征在于：它还包 括一个建立属于学员自己的井数据的步骤和一个选择已建立的井数据，经过数据加载实现 模拟操作的步骤： 建立属于学员自己的井数据的步骤包括以下子步骤： 551 :选择钻井类型； 552 :选