CN104599575A - 井下作业模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下作业模拟系统，修井司钻控制台、阻流器控制台、防喷器控制台系统均包括PLC控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操作输入设备包括多个开关、旋钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；主控机上设置有用于根据开关状态、旋钮值及阀门开度数据，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的计算模块；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。本发明高度仿真真实设备，易于学员理解、掌握；系统使用安全；智能化评分，公平公正，且能够准确指出作业过程中错误问题。

Description

井下作业模拟系统

技术领域

本发明涉及一种钻井模拟系统，特别是涉及一种井下作业模拟系统。

背景技术

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。井下作业是油田勘探开发过程中保证油水井正常生产的技术手段，是为了维护正常长期正常的生产过程所进行的修井作业。

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、井下作业的操作或者发生事故时的处理方法都没有感性的认识，对于现场井下作业不熟悉。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。

现有的钻井模拟主要有真实设备培训和钻井模拟设备培训两种方式：

(1)真实设备培训，存在以下问题：

①成本非常高，需要大场地，并且设备难以缩小，缩小设备在未量产情况下，成本更加昂贵；

②由于管道内部有流体，系统的使用、维护费用高；

③不能展现设备内部流动情况；

④操作错误可能发生危险；

⑤模拟泄露、管堵事故困难，且比较危险。

(2)钻井模拟设备培训，存在以下问题：

①不具备修井模拟设备；

②不能模拟修井作业，不能显示重要的修井事故及相应处理方式；

③较修井更为复杂昂贵。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种井下作业模拟系统，克服传统培训方式难度大、成本高、安全性差、考核难等弊端，操作台上的控制与显示与实际控制台保持一致，能模拟设备的所有操作，让操作设备的学员控制带压作业机的所有部件，根据作业的实际情况能实时显示相关参数，以达到与现场操作一样的效果，为井下作业培训提供一套科学、规范、高效、安全的培训考核新模式。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：井下作业模拟系统，它包括修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，防喷器控制台系统通过PPI总线与阻流器控制台系统连接，阻流器控制台系统通过PPI总线与修井司钻控制台系统相连，修井司钻控制台系统通过串口总线与参数机相连，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；

所述的修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统均包括PLC控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操作输入设备包括多个开关、旋钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；前端可操作输入设备和前端输出显示设备分别与PLC控制器相连，PLC控制器中设置有用于采集开关状态、旋钮值及阀门开度的状态数据采集模块，以及用于控制指示灯、压力表及温度表显示的输出控制模块；

所述的主控机上设置有用于根据开关状态、旋钮值及阀门开度数据，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。

井下作业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。

井下作业模拟系统还包括指重表、节流管汇和立管管汇，指重表与修井司钻控制台系统连接，节流管汇与阻流器控制台系统连接，立管管汇与防喷器控制台系统连接。

所述的修井司钻控制台系统包括司钻台PLC模块、多个档位、多个开关、发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、滚筒离合器、手调油门、刹把、套管压力表；司钻台PLC模块通过串口总线与参数机连接，通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括水刹车开关、刹车助力开关、液泵开关、天车防碰开关、大钳离合开关、上扣开关、卸扣开关、气动卡瓦开关、换档开关、转盘离合器开关；各档位及开关、滚筒离合器、手调油门及刹把分别与司钻台PLC模块的状态数据采集接口相连，司钻台PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、套管压力表连接。

所述的防喷器控制台系统包括防喷器PLC模块、多个开关、多个阀门、多个指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表；防喷器PLC模块通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括环形调压开关、环形开关、上半封开关、全封开关、下半封开关、压井开关、防喷开关；指示灯包括环形开指示灯、环形关指示灯、上半封开指示灯、上半封关至少、全封开指示灯、全封关指示灯、下半封开指示灯、下半封关指示灯、压井开指示灯、压井关指示灯、防喷开指示灯、防喷关指示灯；各开关及阀门分别与防喷器PLC模块的状态数据采集接口相连，防喷器PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与各指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表连接。

所述的阻流器控制台系统包括阻流器PLC模块、多个阀门、多个指示灯、系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表和节流速度调节旋钮；阻流器PLC模块分别通过PPI总线与修井司钻控制台系统及防喷器控制台系统相连；各阀门及节流速度调节旋钮分别与阻流器PLC模块的状态数据采集接口相连，阻流器PLC模块的输出控制接口与各指示灯连接，且通过D/A转换器与系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表连接。

所述的主控机还包括智能评分模块，主控机对学员的操作进行评分，指出作业过程中存在的错误。

本发明的有益效果是：

(1)井下作业模拟系统教具高度仿真生产现场的真实设备，各类面板布局、操作方法、参数显示方式等，与生产现场保持一致；将与操作工况同步的模拟呈现三维图形投影到环形屏幕上，可产生与现场情况相似的视觉效果，配以逼真现场设备环境音效，给学员身临其境的沉浸感与逼真感，易于学员理解、掌握。

(2)系统基于先进的计算机工控技术、人工智能技术、科学可视化技术、虚拟现实技术以及高级网络技术，结合对井下作业工程实际工艺的严格模拟，采用高可靠性的经典数学模型，符合真实工艺要求，为用户提供了设备故障检测、钻井事故处理、复杂情况处理等多种培训操作；通过三维实时动画可产生更清晰、流畅、与操作状态同步的三维动画图形，展现现场场景、设备动作和设备的工作原理，使难懂的工艺、原理以及设备的工作状况变得一目了然。

(3)能够模拟事故，但由于不存在真实的高压、腐蚀性物质以及高空作业等，即使出现误操作也不会有危险发生，系统使用安全。

(4)采用虚拟培训方式，能够真实模拟顶驱作业机的各项作业流程，全方位展现井场环境及设备工作原理，能对进行顶驱施工的相关工程技术人员进行全面的培训和考核。

(5)模拟设备按照真实修井操作台，使用3D图形方式模拟管道防喷器流动情况，占地小，体验真实，教学更明细。

(6)防喷器内无介质，维护费用低，不易损坏，且能清晰展现防喷器情况。

(7)培训内容系统、全面，项目配置灵活；全智能化评分，考核公平公正，且能够准确指出作业过程中错误问题；用户界面友好，易学易用；采用工业级PLC控制，系统稳定性强，可靠性高，降低了系统故障率。

附图说明

图1为本发明井下作业模拟系统结构示意框图；

图2为本发明图形处理机软件控制流程图；

图3为本发明修井司钻控制台系统结构示意框图；

图4为本发明防喷器控制台系统结构示意框图；

图5为本发明阻流器控制台系统结构示意框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，井下作业模拟系统，它包括修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，防喷器控制台系统通过PPI总线与阻流器控制台系统连接，阻流器控制台系统通过PPI总线与修井司钻控制台系统相连，修井司钻控制台系统通过串口总线与参数机相连，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接。

所述的修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统均包括PLC控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操作输入设备包括多个开关、旋钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；前端可操作输入设备和前端输出显示设备分别与PLC控制器相连，PLC控制器中设置有用于采集开关状态、旋钮值及阀门开度的状态数据采集模块，以及用于控制指示灯、压力表及温度表显示的输出控制模块。

所述的主控机上设置有用于根据开关状态、旋钮值及阀门开度数据，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。

如图2所示，所述的图形处理机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，它包括：

①场景初始化：包括模型初始化和数据初始化；

②工艺动画控制：包括机械动画控制；

③碰撞处理；

④渲染特效；

⑤同步渲染控制。

井下作业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。

井下作业模拟系统还包括指重表、节流管汇和立管管汇，指重表与修井司钻控制台系统连接，节流管汇与阻流器控制台系统连接，立管管汇与防喷器控制台系统连接。

所述的主控机还包括智能评分模块，主控机对学员的操作进行评分，指出作业过程中存在的错误。

如图3所示，所述的修井司钻控制台系统包括司钻台PLC模块、多个档位、多个开关、发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、滚筒离合器、手调油门、刹把、套管压力表；司钻台PLC模块通过串口总线与参数机连接，通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括水刹车开关、刹车助力开关、液泵开关、天车防碰开关、大钳离合开关、上扣开关、卸扣开关、气动卡瓦开关、换档开关、转盘离合器开关；各档位及开关、滚筒离合器、手调油门及刹把分别与司钻台PLC模块的状态数据采集接口相连，司钻台PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、套管压力表连接。

修井司钻控制台面板元器件及其作用，见下表1：

表1

如图4所示，所述的防喷器控制台系统包括防喷器PLC模块、多个开关、多个阀门、多个指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表；防喷器PLC模块通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括环形调压开关、环形开关、上半封开关、全封开关、下半封开关、压井开关、防喷开关；指示灯包括环形开指示灯、环形关指示灯、上半封开指示灯、上半封关至少、全封开指示灯、全封关指示灯、下半封开指示灯、下半封关指示灯、压井开指示灯、压井关指示灯、防喷开指示灯、防喷关指示灯；各开关及阀门分别与防喷器PLC模块的状态数据采集接口相连，防喷器PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与各指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表连接。

防喷器控制台面板元器件及其作用，见下表2：

表2

如图5所示，所述的阻流器控制台系统包括阻流器PLC模块、多个阀门、多个指示灯、系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表和节流速度调节旋钮；阻流器PLC模块分别通过PPI总线与修井司钻控制台系统及防喷器控制台系统相连；各阀门及节流速度调节旋钮分别与阻流器PLC模块的状态数据采集接口相连，阻流器PLC模块的输出控制接口与各指示灯连接，且通过D/A转换器与系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表连接。

阻流器控制台面板元器件及其作用，见下表3：

表3

井下作业模拟系统的工作过程如下：

S1：采集修井司钻台、阻流器控制台、防喷器控制台上各开关状态、旋钮值及阀门开度；

S2：修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统的PLC控制器分别通过串口将采集到的状态数据发送给主控机；

S3：主控机根据开关状态、旋钮值及阀门开度数据，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；

S4：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、温度表数据回传给修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统的PLC控制器，PLC控制器对修井司钻控制台、阻流器控制台、防喷器控制台上的指示灯、压力表和温度表进行相应控制，控制指示灯做相应显示，控制压力表和温度表指示到相应刻度；

(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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.井下作业模拟系统，其特征在于：它包括修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，防喷器控制台系统通过PPI总线与阻流器控制台系统连接，阻流器控制台系统通过PPI总线与修井司钻控制台系统相连，修井司钻控制台系统通过串口总线与参数机相连，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；

所述的修井司钻控制台系统、阻流器控制台系统、防喷器控制台系统均包括PLC控制器、前端可操作输入设备和前端输出显示设备；前端可操作输入设备包括多个开关、旋钮、阀门，前端输出显示设备包括指示灯、压力表和温度表；前端可操作输入设备和前端输出显示设备分别与PLC控制器相连，PLC控制器中设置有用于采集开关状态、旋钮值及阀门开度的状态数据采集模块，以及用于控制指示灯、压力表及温度表显示的输出控制模块；

所述的主控机上设置有用于根据开关状态、旋钮值及阀门开度数据，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所述的井下作业模拟系统，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所述的井下作业模拟系统，其特征在于：它还包括指重表、节流管汇和立管管汇，指重表与修井司钻控制台系统连接，节流管汇与阻流器控制台系统连接，立管管汇与防喷器控制台系统连接。

4.根据权利要求1所述的井下作业模拟系统，其特征在于：所述的修井司钻控制台系统包括司钻台PLC模块、多个档位、多个开关、发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、滚筒离合器、手调油门、刹把、套管压力表；司钻台PLC模块通过串口总线与参数机连接，通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括水刹车开关、刹车助力开关、液泵开关、天车防碰开关、大钳离合开关、上扣开关、卸扣开关、气动卡瓦开关、换档开关、转盘离合器开关；各档位及开关、滚筒离合器、手调油门及刹把分别与司钻台PLC模块的状态数据采集接口相连，司钻台PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与发动机油压表、发动机转速表、发动机水温表、电流表、变速箱油温表、变速箱油压表、立管压力表、套管压力表连接。

5.根据权利要求1所述的井下作业模拟系统，其特征在于：所述的防喷器控制台系统包括防喷器PLC模块、多个开关、多个阀门、多个指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表；防喷器PLC模块通过PPI总线与阻流器控制台系统连接；所述的开关包括环形调压开关、环形开关、上半封开关、全封开关、下半封开关、压井开关、防喷开关；指示灯包括环形开指示灯、环形关指示灯、上半封开指示灯、上半封关至少、全封开指示灯、全封关指示灯、下半封开指示灯、下半封关指示灯、压井开指示灯、压井关指示灯、防喷开指示灯、防喷关指示灯；各开关及阀门分别与防喷器PLC模块的状态数据采集接口相连，防喷器PLC模块的输出控制接口通过D/A转换器与各指示灯、储能器压力表、气源压力表、环形防喷器油压表、闸板防喷器油压表、第一立管压力表、第二立管压力表连接。

6.根据权利要求1所述的井下作业模拟系统，其特征在于：所述的阻流器控制台系统包括阻流器PLC模块、多个阀门、多个指示灯、系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表和节流速度调节旋钮；阻流器PLC模块分别通过PPI总线与修井司钻控制台系统及防喷器控制台系统相连；各阀门及节流速度调节旋钮分别与阻流器PLC模块的状态数据采集接口相连，阻流器PLC模块的输出控制接口与各指示灯连接，且通过D/A转换器与系统油压表、立管压力表、套管压力表、第一阀位开度表、第二阀位开度表连接。

7.根据权利要求1所述的井下作业模拟系统，其特征在于：所述的主控机还包括智能评分模块，主控机对学员的操作进行评分，指出作业过程中存在的错误。