择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动开关连接，通过PLC的开 关量输入端口分别与指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路 开关、电磁涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆栗开关、2 号泥浆栗开关、3号泥浆栗开关、低压报警器开关进行连接；通过PLC采集司钻操作台上的 各个开关，旋钮状态以模拟绞车的升降控制，转盘的转速控制，泥浆栗的调速控制；同时采 集绞车离合器位置、绞车档位、转盘离合器位置、转盘档位、栗调节器位置、柴油机功率调节 器位置；监测悬重、钻压、钻机气源压力、泥浆密度、泥浆黏度以及泥浆失水这些参数，通过 PLC的控制使得司钻操作台实现对井架/底座的起升控制、对钻盘的转速控制以及对泥浆 栗的调速控制。
[0075] 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮60、吊环中位按钮82、复位/静音按钮 70、吊环回转选择开关83、内防喷器开关87、液压栗开关61、锁紧销开关、背钳选择开关64、 吊环倾斜选择开关66、刹车选择开关68、辅助操作开关、风机选择开关65、电机选择开关 67、操作选择开关69、旋转方向选择开关71 ;缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择 手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/缩回控制手柄，具体结构布置如附图4所示；其中 前端操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模块通过A/D模块分别与急停 按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮连接，通过PLC的开关量输入端口分别与吊环回转选 择开关、内防喷器开关、液压栗开关、锁紧销开关、背钳选择开关、吊环倾斜选择开关、刹车 选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择开关、旋转方向选择开关 进行连接以实现对顶驱进行控制。
[0076] 其中缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液 缸伸出/缩回控制手柄；其中司钻操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模 块通过A/D模块分别与左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/缩回控制手 柄连接以对缓冲液缸进行控制。
[0077] 参数计算机作为分布式的上位机完成整个系统的数据采集与控制，主控计算机和 图形计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处理和显示，各台计算机通过TCP/IP协 议互联。司钻操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENS S7-200 PLC完成， 并连接构成西门子PPI网络。PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议。其中该参数计 算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控计算机的通信模块，其中通 信模块还将主控计算机发送过来的信息通过PLC传输给前端硬件加以显示。
[0078] 钻机模拟器包括井架模拟器和底座模拟器，井架模拟器包括井架和井架核心控制 机。其中井架为前开口型井架，由主体、人字架及附件组成，附件主要有二层台、死绳稳定 器、笼梯。井架主体由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背横梁、斜拉 杆、连接架组成一个前开口型钢架结构，主体的调整固定是由两个卡销完成。人字架是由 左、右前腿，左、右后腿及横梁等组成的门形结构，用来起放和支靠井架。起升装置由起升大 绳、高支架、低支架和游车大钩支架组成。井架采用人字架起升方式，依靠钻台面绞车的动 力，通过快绳、大钩拉动起升大绳，实现井架起升，井架起升时为了能够使井架平稳的靠放 在人字架上，同时下放井架时又能使井架重心前移，从而依靠井架本身自重下落，在人字架 上设有缓冲装置，通过缓冲装置的伸缩来实现。
[0079] 井架核心控制机选用西门子S7-200系列可编程控制器直接控制司钻操作台上的 操作按钮对应的物理量，以参数计算机作为上位机，由教师控制机对绞车控制台及前端各 PL2000模拟机进行统一管理。整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布式控制系统。 各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
[0080] 底座模拟器包括底座和底座核心控制机，其中底座主要由底座主体、起升装置、液 压缓冲装置组成，底座采用平行四边形机构的运动原理，从而实现了高台面设备的低位安 装。采用绞车动力，利用游车大钩使底座从低位整体起升到工作位置。底座主体分为上、中、 下三层：上层为钻台面部分，用来安装钻台面的设备，通过销子连接组成，下层为底座基座 部分，由左前基座与左后基座、右前基座与右后基座分别用销子连接成左、右两个部分。左、 右两个部分之间的连接构件有连接梁、连接架和斜撑。中间层为支撑部分，位于上、下层之 间，起支撑钻台面和起放底座作用。分别由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立 柱组成，用销子与上、下层连接。人字架由前腿及后腿两部分组成，起升大绳的一端固定在 人字架后腿上，人字架在整个底座起升的过程中起到支撑的作用。起升大绳两端装有套环， 另有参与起升的1组滑轮固定在人字架后腿上。所述钻井模型还包括防护装置组，其中防 护装置组包括实现钻机井架天车防碰功能的钻机井架天车防碰装置、实现防钻机井架过度 起升功能的防钻机井架过度起升装置、实现防钻机井架过度下放功能的防钻机井架过度下 放装置、实现防钻机底座过度起升功能的防钻机底座过度起升装置、实现防钻机底座过度 下放功能的防钻机底座过度下放装置、实现防钻机大钩过度下放功能的防钻机大钩过度下 放装置。底座以选用DZ450/10. 5-S15底座。
[0081] 底座核心控制机选用西门子S7-200系列可编程控制器直接控制司钻操作台上的 各个物理量（应该是各个开关按钮吧），以参数计算机作为上位机，由教师控制机对绞车控 制台及前端各PL2000模拟机进行统一管理。整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布 式控制系统。各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
[0082] 为实现模拟培训系统的可重用性，钻机井架底座模拟器安装的一定的保护装置， 包括钻机井架天车防碰装置、防钻机井架过度起升装置、防钻机井架过度下放装置、防钻机 底座过度起升装置、防钻机底座过度下放装置、防钻机大钩过度下放装置。为实现井架底座 的起升和下放并受控于司钻操作台，系统采用步进电机来实现绞车功能。
[0083] 陆地钻机安装操作模拟培训系统的主控计算机必须持续不断的与前端硬件进行 通信，以获取前端的设备状态，也就是获取培训学员的操作过程；实时获取前端硬件的设备 状态后，经过主控计算机处理，驱动图形软件产生与硬件设备操作同步的动画过程；同时， 还设置有硬件校正模块，对如旋钮，手柄，脚油门等产生连续数值的硬件进行校正.已满足 用户的使用习惯，仿真现场操作触感。
[0084] 在模拟器中，所有数学模型的建立及参数确定，都基于以下假设：
[0085] 1)、钻井液环空携岩能力Lc彡0. 5 ;环空钻肩浓度Ca < 0. 09 ;环空流态稳定参数 值Z <井眼稳定值Z值。
[0086] 2)、所用通用钻速方程是建立在地层统计可钻性的基础上的，它反映了不均质地 层可钻性的宏观规律。同时假设影响钻速的钻压指数、转速指数、水力参数、钻井液密度差 与地层宏观性等这些单因素是互不影响的独立变量的基础上建立起来的函数关系。
[0087] 3)、钻井中发生溢流时，单位时间内进入环空的泥浆和气体形成的混气泥浆是均 匀混合的。在这种假设下，我们可以将单位体积的混和泥浆中的气体含量看成是相等的。
[0088] 4)、发现溢流后，应及时停栗关井。在井内压力平衡前，地层气体仍然会不断地进 入井内。因此，假设从停栗关井到关井稳定这段时间内，井内形成一段连续的纯气柱；且在 压井过程中，此连续气柱不被破坏。
[0089] 5)、气体从地层中进入井筒符合达西定律。
[0090] 6)、若进入井内的溢流为气体，则假设气体溢流在环空内上升时要膨胀，其膨胀过 程符合气体状态方程，且忽略气体滑脱现象。
[0091] 7)、假设井内的地温梯度为一常数，则：
[0092] 井底温度=地温梯度X井深+井口温度。
[0093] 由于本模型主要用于模拟培训，因此，在计算时间、计算精度和和准确度发生冲突 时，原则上以保时间为主，而将过分复杂的数学模型进行了适当简化，但保证定性方面的准 确性。
[0094] (一）钻进过程模型
[0095] 1)、钻速方程
[0097] 式中：
[0098] a-钻压指数（β = 0.5366 + 0.1993~ )
[0099] b-转速指数（6 = 0.9250 - 0.0375心）
[0100] C-地层压力指数（C = 0.7011-0·0568~ )
[0101] d-钻井液密度差系数（= 0.9767(' -7.2703 )
[0102] kd-地层统计可钻性（kd= 0· 00165H+0. 635)
[0103] W-比钻压（KN/mm)
[0104] N-转速（rpm)
[0105] Hei-有效钻头比水功率（kw/mm2)
[0106] P 实际或设计泥浆密度（g/cm3)
[0107] P p-地层压力当量密度（g/cm3)
[0108] V-机械钻速（m/h)
[0109] 2)、有效钻头比水功率的计算
[0111] 式中：
[0112] Hei-有效钻头比水功率（kw/mm2)
[0113] P 实际或设计泥浆密度（g/cm3)
[0114] Q-排量，升/秒
[0115] Db-钻头直径，厘米
[0116] de-喷嘴当量直径，厘米
[0118] (二）溢流模型
[0119] 1)、溢流过程模拟
[0120] 发生溢流时，从地层中进入井筒内的气体量增加，井底压力将不断减小，气体进入 速度将不断增加，该过程中所有参数的变化都是时间的连续函数。为此，假如在一个相当小 的时间间隔At内，进气量满足二次线性方程。
[0121] (1)气体流量计算
[0123] 式中：
[0124] Qgs-对应于Pb的标准状态下的气体渗流量，米3/秒
[0125] PP，Pb-地层、井底有效压力，千帕
[0126] C-渗流系数，米3/千帕?秒（0. 2)
[0127] 在j时刻At时间内：
[0128] (2)每段混合物长度 Δ Hmix(j) (j = 1，2, 3，......n_l)
[0129] Δ HmiX(j) = {Q[P (j)-P(j 1：)]+UjQgs(j) In [P(j)/P(j 1：)]} / (g P Q)
[0130] 式中：
[0131 ] Q-泥浆排量，米3/秒
[0133] Ρω__第j段混合物底部压力，千帕
[0134] P0 D-第j段混合物顶部压力，千帕
[0135] P -泥浆密度，克/厘米3
[0136] g-重力加速度，米/秒2
[0137] (3)环空混合物总长度
[0141] (5)每段混合物密度确定
[0143] 式中：
[0144] A -混合物中泥浆体积分量，
[0145] Aa-该溢流段环空横截面积，毫米2
[0146] % -混合物中天然气体积分量，
[0147] P g-天然气密度，克/厘米3
[0148] 因为Pg远小于P，所以上式可改写为：
[0149] 2)、关井溢流过程模拟
[0150] 关井过程实际上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