择井类型； 553 :设置井筒数据； 554 :设置钻杆组合； 555 :设置图形初始状态； 556 :设置地层数据； 557 :设置泵数据； 558 :设置管汇数据； 559 :设置泥浆数据； SSlO :保存数据。
7. 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。
8. 根据权利要求7所述的基于无定序操作模式的钻井模拟方法，其特征在于：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：
式中：a 为钻压指数，ω = 0.536(4 0.19934"' ; b 为转速指数，6 = 0.9250-0.0375iv ; c 为地 层压力指数，c = 0.7011-0.0568S d为钻井液密度差系数，?/ = 0.9767~ -7.2703 ; kd为地层 统计可钻性，kd= 0. 00165H+0. 635 ;W为比钻压，单位为KN/mm ;N为转速，单位为rpm ;HEI为 有效钻头比水功率，单位为kw/mm2;P 实际或设计泥楽密度,单位为g/cm 3;P p为地层压 力当量密度，单位为g/cm3;V为机械钻速，单位为m/h ; 有效钻头比水功率计算方程为：
式中：Hei为有效钻头比水功率,单位为kw/mm2; P J实际或设计泥楽密度，单位为 g/cm3;Q为排量,单位为L/s ;Db为钻头直径,单位为cm ;d 6为喷嘴当量直径,单位为cm,
1，?为喷嘴直径，单位为cm。
9. 根据权利要求7所述的基于无定序操作模式的钻井模拟方法，其特征在于：所述的 无定序操作状态转换步骤包括一个基于溢流模型的状态转换步骤，它包括溢流过程模拟步 骤和关井溢流过程模拟步骤： (1)溢流过程模拟步骤：发生溢流时，从地层中进入井筒内的气体量增加，井底压力不 断减小，气体进入速度不断增加，该过程中所有参数的变化都是时间的连续函数，在一个小 时间间隔At内，进气量满足二次线性方程；它包括气体流量转换子步骤、每段混合物长度 转换子步骤、环空混合物总长度转换子步骤、井内溢流量转换子步骤、每段混合物密度转换 子步骤： 气体流量计算：^ = : 式中：Qgs为对应于Pb的标准状态下的气体渗流量，单位为m3/ s;Pp、Pb为地层、 井底有效压力，单位为kPa;C为渗流系数，单位为mVkPa · s ;在j时刻At时间内：
每段混合物长度：八]^><(』)={(>)[?(』 )~?(』_1)]+11』(>)8；3(』 )111[?(』)/?(』_1)]}/(区0(>))，（」=1，2， 3，......，n_l); 式中：Q为泥浆排量，单位为m3/;
单位为kPa ;Ρω为第j段混合物底部压 力，单位为kPa ;Ρ?_υ为第j段混合物顶部压力，单位为kPa ; P为泥浆密度，单位为g/cm3; g为重力加速度，单位为m/s2; η
式中：A为混合物中泥浆体积分量，
\a为该溢流段环空横截面积，单
位为mm2; 为混合物中天然气体积分量， P g为天然气密度，单位为g/ cPg cm3;因 P g远小于P，所以每段混合物密度改写为：=Pl;
(2)关井溢流过程模拟步骤：关井过程实际是井底压力恢复的过程，刚关井时，由于井 底压力未平衡地层压力，地层流体还要继续进入井筒，进入的高压气体把井筒环空混合物 压缩，使套压和立管压力不断增加，随着关井时间的延长，井底压力逐渐增加，地层流体进 入速度逐渐减少，直到最后井底压力平衡地层压力；关井过程中，无论是井筒还是地层，所 有参数都是时间函数；它包括关井稳定后井底混合物长度转换子步骤和关井稳定后井底纯 气柱的长度转换子步骤： 关井稳定后井底混合物长度 式中：AP = gpQA t/Aa，η为环空中所分混合物的段数； 关井稳定后井底纯气柱的长度 :H1Jix(n+l) - H mix〇_Hmix(n)。
10.根据权利要求7所述的基于无定序操作模式的钻井模拟方法，其特征在于：所述的 无定序操作状态转换步骤包括一个基于气体膨胀模型的状态转换步骤，它包括气体状态转 换子步骤、气体溢流重量在环空内产生的压力转换子步骤、天然气压缩系数转换子步骤： 气体状态方程 -s
式中：Ps为标准状态下的压力，单位为kPa ;V s为标准状态下的体积,单位为m 3;Z s为标 准状态下的压缩系数；TS为标准状态下的温度，单位为° K ;P为压力，单位为kPa ;V为气体 体积，单位为m3;T为温度，单位为° K ;Z为在温度为T、压力为P的条件下的压缩系数；只 要知道某时刻的压力、温度以及压缩系数，即可求得此时的气体体积； 气体溢流重量在环空内产生的压力：根据气体在环空内上升过程中气体重量不变，用 Z Tp P 气体状态方程求得气柱在压井某时刻的密度为：A = -: 式中：P S、PS、TS、Zs分别表示标准状态下的气体密度、压力、温度及压缩系数， Tx为气体上升到某一时刻气柱中点地层温度，单位为° K ;气柱重量造成的压力 为·· p =9M
;将气体高度用气体体积Vx和横截面积A a表示，则：
式中：^为气体所在环空段的横截面积，将Aa的值取为整个环空的平均横截面积，则气 体重量造成的压力是一个常数，因为此压力的值很小，简化处理后引起的误差不计；
上式是一个隐含格式，用试算法求出压缩系数，其解法为：先假设一个初始压缩因子 Ztl，计算出Pp ?；，再求出W，最后再计算出Z ;若Iz-ZcJ彡ε，ε是精度，取0.0001，则说明 假设的Ztl就是所要求的压缩因子；若Iz-Z cJ > ε，则说明需要重新假设Ztl，再计算Ζ，直至 满足I Z-Ztl I < ε为止； 所述的无定序操作状态转换步骤包括一个基于循环压力计算模型的状态转换步骤，它 包括钻头压耗转换子步骤、钻杆内压耗转换子步骤、钻杆外环形空间压耗转换子步骤、钻铤 内部压耗转换子步骤、钻铤外环形空间压耗转换子步骤 ： 钻头压耗方；
式中：Pb为钻头压降，单位为MPa; P为泥楽密度,单位为g/cm3;Q为通过钻头喷嘴的泥 浆排量，单位为L/s 为喷嘴出口截面积，单位为cm 2;C为喷嘴流量系数； 钻杆内压耗方程
式中=P1为钻杆内压耗，单位为MPa; P为泥楽密度,单位为g/cm3; η为泥楽塑性粘度， 单位为Pa · s ;d为钻杆内径,单位为cm ;Β为常数；Q为泥楽流量,单位为L/s ;LP为钻杆总 长，单位为m ;
钻杆外环形空间压耗方程：^ 式中=P1为钻杆外环形空间压耗，单位为MPa ; P为泥浆密度，单位为g/cm 3; η为泥浆 塑性粘度，单位为Pa · s ;D、Dtl分别为井径和钻杆外径，单位为cm ;Q为泥浆流量，单位为L/ s ;LP为钻杆总长，单位为m ; 钻铤内部压耗方泻
式中T1为钻铤内部压耗，单位为MPa ; P为泥楽密度,单位为g/cm3; η为泥楽塑性粘 度，单位为Pa · s ;d。为钻铤内径,单位为cm ;Q为泥楽流量,单位为L/s ;L。为钻挺总长度， 单位为m ; 钻铤外环形空间压耗方程：€ = 〇·57 式中=P1为钻铤外环形空间压耗，单位为MPa ; P为泥浆密度，单位为g/cm 3; η为泥浆 塑性粘度，单位为Pa · s ;D、D。分别为井径和钻铤外径，单位为cm ;Q为泥浆流量，单位为L/ s ;L。为钻挺总长度,单位为m ; 所述的无定序操作状态转换步骤包括一个基于钻具提升模型的状态转换步骤，它包括 起下钻时钻柱受力模型转换子步骤、起下钻时提升速度模型转换子步骤： 起下钻时钻柱受力模型：
式中：F为大钩提升力，单位为N ;Fm为刹把产生的摩擦力，单位为N ;Ff为浮力，单位为 N,Ff= P (Sq山）p a，a为钻柱的加速度,单位为W^qi为钻柱的单位质量,单位为kg/m, Ii为某段钻柱的长度，单位为m，P为泥浆密度，单位为g/cm3, PaS某段钻柱密度，单位为 g/cm3;F k为钻柱在井内的摩擦力，单位为N ;g为重力加速度，单位为m/s 2; 起下钻时提升速度模型：Vptw = Vpwo+aAt ; 式中：At为计算时取时间步长,单位为s ;Vpt(i# t (i)时刻钻柱速度,单位为m/s ; 刹把的作用是产生一个摩擦力，以阻止井内钻柱的运动，因此，将刹把作用考虑在〇~ 1之间，即当刹把完全压下时，其刹把作用为1，表示将绞车刹死；当刹把完全抬起时，其刹 把作用为〇,表示将刹带完全松开；这个在〇~1之间的刹车作用符合绞车刹车鼓摩擦模 型。
【专利摘要】本发明公开了一种基于无定序操作模式的钻井模拟系统及方法，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；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采集阀门开度及按钮状态的采集器；主控机上设置有用于计算出指示灯状态、压力表数据、温度表数据、虚拟场景中设备工作状况数据的计算模块；图形处理机上设置有虚拟呈现模块。本发明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，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，增强现场感，改善培训效果。
【IPC分类】G09B9-00, G09B5-06
【公开号】CN104637362
【申请号】CN201510009608
【发明人】梅大成, 张静
【申请人】西南石油大学, 成都盛特石油装备模拟技术开发有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月8日