CN104637362A

CN104637362A - 基于无定序操作模式的钻井模拟系统及方法

Info

Publication number: CN104637362A
Application number: CN201510009608.5A
Authority: CN
Inventors: 梅大成; 张静
Original assignee: Chengdu Esimtech Petroleum Equipment Simulation Technology Exploitation Co Ltd; Southwest Petroleum University
Current assignee: Chengdu Esimtech Petroleum Equipment Simulation Technology Exploitation Co Ltd; Southwest Petroleum University
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: CN104637362B

Abstract

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。

Description

基于无定序操作模式的钻井模拟系统及方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。

基于无定序操作模式的钻井模拟方法，它包括以下步骤：

S1：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；

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；

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；

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。

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：

建立属于学员自己的井数据的步骤包括以下子步骤：

SS1：选择钻井类型；

SS2：选择井类型；

SS3：设置井筒数据；

SS4：设置钻杆组合；

SS5：设置图形初始状态；

SS6：设置地层数据；

SS7：设置泵数据；

SS8：设置管汇数据；

SS9：设置泥浆数据；

SS10：保存数据。

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。

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：

钻速方程为：

V = \frac{131.27}{{5.5076}^{a} 60^{b} {0.01026}^{c}} \times W^{a} \times N^{b} \times H_{EI}^{c} \times e^{d (ρ_{m} - ρ_{p})};

式中：a为钻压指数，

a = 0.5366 + {0.1993}^{k_{d}};

b为转速指数，

b = 0.9250 - {0.0375}^{k_{d}};

c为地层压力指数，

c = 0.7011 - {0.0568}^{k_{d}};

d为钻井液密度差系数，

d = {0.9767}^{k_{d}} - 7.2703;

k_d为地层统计可钻性，k_d＝0.00165H+0.635；W为比钻压，单位为KN/mm；N为转速，单位为rpm；H_EI为有效钻头比水功率，单位为kw/mm²；ρ_m为实际或设计泥浆密度，单位为g/cm³；ρ_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：H_EI为有效钻头比水功率，单位为kw/mm²；ρ_m为实际或设计泥浆密度，单位为 g/cm³；Q为排量，单位为L/s；D_b为钻头直径，单位为cm；d_e为喷嘴当量直径，单位为cm，j₁,j₂,j₃为喷嘴直径，单位为cm。

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Δt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：

Q_{gS} = C (P_{P}^{2} - P_{b}^{2});

式中：Q_gs为对应于P_b的标准状态下的气体渗流量，单位为m³/s；P_P、P_b为地层、井底有效压力，单位为kPa；C为渗流系数，单位为m³/kPa·s；在j时刻Δt时间内：

Q_{gs (j)} = C [P_{p (j)}^{2} - P_{b (j - 1)}^{2}];

每段混合物长度：ΔH_mi×(j)＝{Q[P_(j)-P_(j-1)]+U_jQ_gs(j)ln[P_(j)/P_(j-1)]}/(gρQ)，(j＝1，2，3，……，n-1)；

式中：Q为泥浆排量，单位为m³/s；单位为kPa；P_(j)为第j段混合物底部压力，单位为kPa；P_(j-1)为第j段混合物顶部压力，单位为kPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；g为重力加速度，单位为m/s²；

环空混合物总长度：

H_{mi \times (n)} = Σ_{j = 1}^{n} Δ H_{mi \times (j)};

井内溢流量：

V_{K} = [Σ_{j = 1}^{n} Q_{gs (j)}] Δt;

每段混合物密度：

式中：为混合物中泥浆体积分量，A_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，ρ_g为天然气密度，单位为g/cm³；因ρ_g远小于ρ，所以每段混合物密度改写为：

(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：

H_{mixO} = [nΔP + Σ_{j = 1}^{n} U_{j} \frac{Q_{gs (j)}}{Q} \ln \frac{P_{P} - (n - j) ΔP}{P_{P} - (n - j + 1) ΔP}] / gρ;

式中：ΔP＝gρQΔt/A_a，n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：H_mix(n+1)＝H_mixO-H_mix(n)。

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：

式中：P_s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m³；Z_s为标准状态下的压缩系数；T_s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，用气体状态方程求得气柱在压井某时刻的密度为：

式中：ρ_s、P_s、T_s、Z_s分别表示标准状态下的气体密度、压力、温度及压缩系数，T_x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：将气体高度用气体体积V_x和横截面积A_a表示，则：

P_{w} = 9.8 \frac{P_{x} Z_{s} T_{s} ρ_{s} V_{x}}{P_{s} Z_{x} T_{x} A_{a}};

式中：A_a为气体所在环空段的横截面积，将A_a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；

天然气压缩系数：

Z = 1 + (0.3156 - \frac{1.0467}{T_{r}} - \frac{0.5783}{{T_{r}}^{3}}) W + (0.5353 - \frac{0.6123}{T_{r}}) W^{2} + W^{2} \frac{0.6815}{{T_{r}}^{3}};

式中：

W = 0.27 \frac{P_{r}}{{ZT}_{r}};

对比压力

P_{r} = \frac{P}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

对比温度

T_{r} = \frac{T}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

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Z₀，计算出P_r、T_r，再求出W，最后再计算出Z；若|Z-Z₀|≤ε，ε是精度，取0.0001，则说明假设的Z₀就是所要求的压缩因子；若|Z-Z₀|＞ε，则说明需要重新假设Z₀，再计算Z，直至满足|Z-Z₀|≤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：

钻头压耗方程：

式中：P_b为钻头压降，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；Q为通过钻头喷嘴的泥浆排量，单位为L/s；A₀为喷嘴出口截面积，单位为cm²；C为喷嘴流量系数；

钻杆内压耗方程：

P_{l} = B \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{d^{4.8}};

式中：P_l为钻杆内压耗，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；η为泥浆塑性粘度，单位为Pa·s；d为钻杆内径，单位为cm；B为常数；Q为泥浆流量，单位为L/s；L_p为钻杆总长，单位为m；

钻杆外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{{(D - D_{0})}^{3} {(D + D_{0})}^{1.8}};

式中：P_l为钻杆外环形空间压耗，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；η为泥浆塑性粘度，单位为Pa·s；D、D₀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；L_p为钻杆总长，单位为m；

钻铤内部压耗方程：

P_{l} = 0.51655 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{d_{c}^{4.8}};

式中：P_l为钻铤内部压耗，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；η为泥浆塑性粘度，单位为Pa·s；d_c为钻铤内径，单位为cm；Q为泥浆流量，单位为L/s；L_c为钻挺总长度，单位为m；

钻铤外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{{(D - D_{c})}^{3} {(D + D_{c})}^{1.8}};

式中：P_l为钻铤外环形空间压耗，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；η为泥浆塑性粘度，单位为Pa·s；D、D_c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_c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：

起钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = F - gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} + F_{f} - F_{k};

下钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} - F_{f} - F_{k};

式中：F为大钩提升力，单位为N；F_m为刹把产生的摩擦力，单位为N；F_f为浮力，单位为N，F_f＝ρ(Σq_il_i)ρ_a，a为钻柱的加速度，单位为m/s²，q_i为钻柱的单位质量，单位为kg/m，l_i为某段钻柱的长度，单位为m，ρ为泥浆密度，单位为g/cm³，ρ_a为某段钻柱密度，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/s²；

起下钻时提升速度模型：V_pt(i)＝V_pt(i-1)+aΔt；

式中：Δt为计算时取时间步长，单位为s；V_pt(i)为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0～1 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0，表示将刹带完全松开；这个在0～1之间的刹车作用(刹车作用就是刹带与刹车鼓产生的摩擦力)符合绞车刹车鼓摩擦模型。

本发明的有益效果是：

(1)无定序钻井模拟培训系统，所有钻井模拟操作设备均高度仿真现场真实设备，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前方120°巨型环形屏幕上，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。

(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，结合对钻井工程实际工艺的严格模拟，采用高可靠性的经典物理数学模型，为用户提供了如起下钻、钻进、井控、设备故障检测，以及钻井事故、复杂情况处理等多种培训操作。

(3)无定序的司钻操作模式，打破了以往培训练习必须按部就班的固定操作模式，使得学员可以以快照为基础，任意操作，能够模拟钻具上提下放，气体溢流，井涌井喷，气体运移，管路摩阻计算，立管压力，套管压力计算等；系统可采集和识别学员所做出的任何无定序操作，并结合投影系统予以相应的虚拟呈现；无定序司钻操作模式，依据真实井史井况创建培训快照，模拟全尺寸、全硬件实物操作环境，实现了真三维、交互式动画。

(4)实现了从井况到设备操作上的高度仿真，大大提升了受训学员操作上的灵活性，使得受训学员在培训效率和培训效果上都得到大幅提升。

(5)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；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。

附图说明

图1为本发明钻井模拟系统结构示意框图；

图2为本发明模拟程序流程图。

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，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，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。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。

基于无定序操作模式的钻井模拟方法，它包括以下步骤：

S4：虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：

如图2所示，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：

建立属于学员自己的井数据的步骤包括以下子步骤：

SS1：选择钻井类型；

SS2：选择井类型；

SS3：设置井筒数据；

SS4：设置钻杆组合；

SS5：设置图形初始状态；

SS6：设置地层数据；

SS7：设置泵数据；

SS8：设置管汇数据；

SS9：设置泥浆数据；

SS10：保存数据。

为了实现模拟器的无定序操作模式，必须对钻机设备的各种状态之间转换情况加以处理，当学员的操作情况发生了对应的变化，满足从某个条件转换至下一个条件的时候，实现对应的转换，类似于一个无限状态转换机，实现状态的任意变动。

为了实现模拟器的无定序任意动，引入多个物理数学模型，用于仿真钻井过程中的实际物理参数的变化，做到学员操作，能够实时作用于对应模型，计算出对应的参数。

钻速方程为：

V = \frac{131.27}{{5.5076}^{a} 60^{b} {0.01026}^{c}} \times W^{a} \times N^{b} \times H_{EI}^{c} \times e^{d (ρ_{m} - ρ_{p})};

式中：a为钻压指数，

a = 0.5366 + {0.1993}^{k_{d}};

b为转速指数，

b = 0.9250 - {0.0375}^{k_{d}};

c为地层压力指数，

c = 0.7011 - {0.0568}^{k_{d}};

d为钻井液密度差系数，

d = {0.9767}^{k_{d}} - 7.2703;

有效钻头比水功率计算方程为：

式中：H_EI为有效钻头比水功率，单位为kw/mm²；ρ_m为实际或设计泥浆密度，单位为g/cm³；Q为排量，单位为L/s；D_b为钻头直径，单位为cm；d_e为喷嘴当量直径，单位为cm，j₁,j₂,j₃为喷嘴直径，单位为cm。

气体流量计算：

Q_{gS} = C (P_{P}^{2} - P_{b}^{2});

式中：Q_gs为对应于P_b的标准状态下的气体渗流量，单位为m³/s；P_P、P_b为地层、井底有效压力，单位为kPa；C为渗流系数，取0.2，单位为m³/kPa·s；在j时刻Δt时间内：

Q_{gs (j)} = C [P_{p (j)}^{2} - P_{b (j - 1)}^{2}];

环空混合物总长度：

H_{mi \times (n)} = Σ_{j = 1}^{n} Δ H_{mi \times (j)};

井内溢流量：

V_{K} = [Σ_{j = 1}^{n} Q_{gs (j)}] Δt;

每段混合物密度：

关井稳定后井底混合物长度：

H_{mixO} = [nΔP + Σ_{j = 1}^{n} U_{j} \frac{Q_{gs (j)}}{Q} \ln \frac{P_{P} - (n - j) ΔP}{P_{P} - (n - j + 1) ΔP}] / gρ;

式中：ΔP＝gρQΔt/A_a，n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：H_mix(n+1)＝H_mixO-H_mix(n)。

气体状态方程：

P_{w} = 9.8 \frac{P_{x} Z_{s} T_{s} ρ_{s} V_{x}}{P_{s} Z_{x} T_{x} A_{a}};

天然气压缩系数：

Z = 1 + (0.3156 - \frac{1.0467}{T_{r}} - \frac{0.5783}{{T_{r}}^{3}}) W + (0.5353 - \frac{0.6123}{T_{r}}) W^{2} + W^{2} \frac{0.6815}{{T_{r}}^{3}};

式中：

W = 0.27 \frac{P_{r}}{{ZT}_{r}};

对比压力

P_{r} = \frac{P}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

对比温度

T_{r} = \frac{T}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

钻头压耗方程：

式中：P_b为钻头压降，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；Q为通过钻头喷嘴的泥浆排量，单位为L/s；A₀为喷嘴出口截面积，单位为cm²；C为喷嘴流量系数，取0.98；

钻杆内压耗方程：

P_{l} = B \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{d^{4.8}};

式中：P_l为钻杆内压耗，单位为MPa；ρ为泥浆密度，单位为g/cm³；η为泥浆塑性粘度，单位为Pa·s；d为钻杆内径，单位为cm；B为常数，对于内平钻杆B＝0.51655；Q为泥浆流量，单位为L/s；L_p为钻杆总长，单位为m；

钻杆外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{{(D - D_{0})}^{3} {(D + D_{0})}^{1.8}};

钻铤内部压耗方程：

P_{l} = 0.51655 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{d_{c}^{4.8}};

钻铤外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{{(D - D_{c})}^{3} {(D + D_{c})}^{1.8}};

起下钻时钻柱受力模型：

起钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = F - gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} + F_{f} - F_{k};

下钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} - F_{f} - F_{k};

起下钻时提升速度模型：V_pt(i)＝V_pt(i-1)+aΔt；

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0～1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0，表示将刹带完全松开；这个在0～1之间的刹车作用(刹车作用就是刹带与刹车鼓产生的摩擦力)符合绞车刹车鼓摩擦模型。

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

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；

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：

S4：虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：

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：

SS1：选择钻井类型；

SS2：选择井类型；

SS3：设置井筒数据；

SS4：设置钻杆组合；

SS5：设置图形初始状态；

SS6：设置地层数据；

SS7：设置泵数据；

SS8：设置管汇数据；

SS9：设置泥浆数据；

SS10：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：

钻速方程为：

V = \frac{131.27}{{5.5076}^{a} 60^{b} {0.01026}^{c}} \times W^{a} \times N^{b} \times H_{EI}^{c} \times e^{d (ρ_{m} - ρ_{p})};

式中：a为钻压指数，

a = 0.5366 + {0.1993}^{k_{d}};

b为转速指数，

b = 0.9250 - {0.0375}^{k_{d}};

c为地层压力指数，

c = 0.7011 - {0.0568}^{k_{d}};

d为钻井液密度差系数，

d = {0.9767}^{k_{d}} - 7.2703;

有效钻头比水功率计算方程为：

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：

气体流量计算：

Q_{gS} = C (P_{P}^{2} - P_{b}^{2});

Q_{gs (j)} = C [P_{p (j)}^{2} - P_{b (j - 1)}^{2}];

环空混合物总长度：

H_{mi \times (n)} = Σ_{j = 1}^{n} {ΔH}_{mi \times (j)};

井内溢流量：

V_{K} = [Σ_{j = 1}^{n} Q_{gs (j)}] Δt;

每段混合物密度：

关井稳定后井底混合物长度：

H_{mixO} = [nΔP + Σ_{j = 1}^{n} U_{j} \frac{Q_{gs (j)}}{Q} \ln \frac{P_{P} - (n - j) ΔP}{P_{P} - (n - j + 1) ΔP}] / gρ;

式中：ΔP＝gρQΔt/A_a，n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：H_mix(n+1)＝H_mixO-H_mix(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：

P_{w} = 9.8 \frac{P_{x} Z_{s} T_{s} ρ_{s} V_{x}}{P_{s} Z_{x} T_{x} A_{a}};

天然气压缩系数：

Z = 1 + (0.3156 - \frac{1.0467}{T_{r}} - \frac{0.5783}{T_{r}^{3}}) W + (0.5353 - \frac{0.6123}{T_{r}}) W^{2} + W^{2} \frac{0.6815}{T_{r}^{3}};

式中：

W = 0.27 \frac{P_{r}}{{ZT}_{r}};

对比压力

P_{r} = \frac{P}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

对比温度

T_{r} = \frac{T}{49.9 - 3.7 ρ_{g}};

钻头压耗方程：

P_{b} = \frac{ρ Q^{2}}{20 C^{2} A_{0}^{2}};

钻杆内压耗方程：

P_{l} = B \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{d^{4.8}};

钻杆外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{p} Q^{1.8}}{{(D - D_{0})}^{3} {(D + D_{0})}^{1.8}};

钻铤内部压耗方程：

P_{l} = 0.51655 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{d_{c}^{4.8}};

钻铤外环形空间压耗方程：

P_{l} = 0.57503 \frac{ρ^{0.8} η^{0.2} L_{c} Q^{1.8}}{{(D - D_{c})}^{3} {(D + D_{c})}^{1.8}};

起下钻时钻柱受力模型：

起钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = F - gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} + F_{f} - F_{k};

下钻：

a (Σ q_{i} l_{i} - \frac{F_{f}}{g}) = gΣ q_{i} l_{i} - F_{m} - F_{f} - F_{k};

起下钻时提升速度模型：V_pt(i)＝V_pt(i-1)+aΔt；

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0～1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0，表示将刹带完全松开；这个在0～1之间的刹车作用符合绞车刹车鼓摩擦模型。