一种钻机安装模拟系统的总体构造
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种钻机安装模拟系统的总体构造。
【背景技术】
[0002] GB2295480公开了一种井控模拟系统，其包括主计算机，主计算机能够运行钻点模 拟的计算机模块和多个能够连接计算机和数据输出装置的数据接口。该系统适于安装和利 用于真实钻点，至少一些所述接口适于连接到数据输出和输入装置，这些数据输出输入装 置组成部分井控系统，而该模拟系统便安装在其中。
[0003] 国内电子科技大学硕士学位论文《新型钻井工程培训考核模拟系统的设计与实 现》，从现代过程培训模拟其研制的现状出发，结合计算机技术和通讯技术的发展，分析了 利用高技术的发展建立过程培训模拟系统的必要性和重要性，阐述了过程培训模型设计中 遇到的问题和解决方法，给出了新型钻井工程培训考核模拟系统从可行性分析、硬件涉及 到主控台设计，场景模拟等部分的解决方案，重点介绍了主控台软件部分的实现方法。
[0004] 钻井模拟产品方面，以美国钻井模拟机DS-200最具代表性，包括大庆石油管理局 研制的DS-100钻井模型，但是无论是DS-200还是DS-100，其都只是针对钻井操作进行模 拟，而不能对其他操作例如钻机安装进行模拟，然而目前钻机安装者的操作规程和技术要 领主要是通过厂家提供的说明书和培训获取，而操作技能则是靠经验的积累和师傅的传 授，这些方式往往存在以下问题：实践机会有限，难以提高技术水平：由于钻井作业的特殊 性，钻井设备的拆卸和安装等工作往往要几个月，甚至一年才进行一次，操作人员很难通过 实际操作积累各种经验。另外，在设备安装、拆卸过程中，事故发生的几率相对较小，个体对 事故的处理经验极为有限，对事故的判断、处理能力很难在实际的生产活动中积累和提高。 一旦突发事故，往往由于缺乏经验和处理能力，造成重大生命和财产损失。
[0005] 因此完整有效的培训系统是急需的，并且有必要针对钻机安装开发响应的模拟系 统，另一方面，以DS-100为代表的钻井模型均采用分布式计算机控制系统，一台主控计算 机实现模拟解算，三台过程控制计算机分别控制司钻操作及仪表显示台，井控操作台及远 程节流控制台等装置。主从计算机之间采用串行中断方式实现远距离通讯。主控计算机采 用Borland C++fer Windows编程，图形机采用Borland C++编程，过程计算机采用ASM-96 汇编语言编程，现有的系统复杂，并且缺乏完整性，无法满足培训要求。
【发明内容】
[0006] 本实用新型旨在克服上述问题，提供一种钻机安装模拟操作的系统，用计算机模 拟仿真陆地钻机的安装，以及陆地钻机的操作过程。
[0007] 本实用新型通过以下技术方案来实现：一种钻机安装模拟操作系统，包括前端硬 件，前端硬件由钻机模型、前端操作台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统组成，其 中前端操作台中包括参数计算机，其中该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；所述操作系统还包括通信软件系统，主控软件系统，图形软件系统，主控软件系统包括 操作培训子系统，系统管理子系统，硬件自检子系统，所述图形软件系统包括场景初始化子 系统、工艺动画控制子系统、碰撞处理子系统、渲染特效子系统；其中所述前端硬件与通信 软件系统之间通过RS-232通信，所述通信软件系统与主控软件系统之间通过TCP/IP通信， 主控软件系统与图形软件系统之间也通过TCP/IP通信。
[0008] 优选地，操作培训模块提供陆地钻机安装过程中的安装过程的培训，以及陆地钻 机操作过程中的主要工艺的培训，系统设置模块完成对软件系统的管理和配置功能，硬件 自检校正对前段硬件进行检测，以方便用户能随时获知前段硬件是否运行正常的信息，通 信软件系统主要完成从PLC获取前端硬件信息后，发送给主控机；并将主控机发送过来的 信息通过PLC传输给前端硬件加以显示，参数机还负责重要参数的实时显示，以及报警设 置，人工操作功能。
[0009] 图形软件系统采用全三维动画，构造一个逼真的，虚拟的陆地钻机安装操作环境， 使受训人员完全具有身临其境的感觉，提高学员对事故处理时的心理承受能力，获得更好 的培训效果。
[0010] 主控软件系统与通信程序通信，实时获得硬件设备状态，在内部通过相关数学模 型，模拟陆地钻机安装操作的若干典型过程，进而完成：①通过TCP/IP协议同前段的参数 程序通信，获取前段硬件数据。②利用数学模型，对获取的前段硬件数据信息进行分析和处 理。③将分析后的数据，通过TCP/IP协议向图形软件发送控制命令，控制图形的动作。④ 将分析后的数据，通过TCP/IP协议传递给参数机，进而控制硬件设备的实时显示。该子系 统分成操作培训、系统设置、硬件自检校正等模块。
[0011] 与此同时，本实用新型还公开了一种陆地钻机安装操作模拟系统包括：司钻操作 台、钻机模型、教师操作台及三通道环幕投影显示系统。
[0012] 司钻操作台包括机箱、内部控制板和参数计算机，所述的机箱的正面设有司钻操 作台正面控制面板，机箱的一个侧面设有司钻操作台侧面控制面板，机箱的另一个侧面设 有顶驱机械控制面板以及缓冲液缸的控制面板。其中在司钻操作台正面控制面板上设置 有电源按钮、开机按钮、气喇叭开关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻 尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚筒离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开 关、风动旋扣控制开关、滚筒高低速开关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及 紧急制动开关；还包括显示表组，其中所述显示表组包括气源压力表、冷却水压表、绞车油 压表、转盘油压表、转盘扭矩表、栗压表、大钳扭矩表、左钳扭矩表、右钳扭矩表、安全钳压力 表、猫头压力表、钻井扭矩表、转速表、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表；司钻操作 台侧面控制面板上设置指配开关、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；
[0013] 司钻操作台的内部控制板包括司钻操作台第一可编程控制器PLCl和第二可编程 控制器PLC2,上述可编程控制器PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议进行通信，其 中第一可编程控制器PLCl的CPU模块通过A/D模块分别与电源按钮、开机按钮、气喇叭 开关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚 筒离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋扣控制开关、滚筒高低 速开关、油缸选择开关、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、泥浆粘度以及泥浆失水等参数，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。
[0014] 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮、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；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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 钻机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。
[0018] 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 PLC模块进行统一管理。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。
[0019] 底座模型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，由左如基座与左后基座、右如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。
[0020] 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，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PLC模块进 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。
[0021] 为实现模拟培训系统的可重用性，钻机井架底座模型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。
[0022] 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。
[0023] 在模型中，所有数学模型的建立及参数确定，都基于以下假设：
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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