CN104766524A - 一种钻机安装模拟系统的软件总体构造 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻机安装模拟系统的软件总体构造，其特征在于：该系统的前端操作台中的参数计算机作为分布式的上位机完成该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；其操作系统的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；其操作系统的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；所述前端硬件与通信软件系统之间通过RS-232通信，所述主控软件系统与通信软件系统、主控软件系统与图形软件系统都通过TCP/IP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典型过程。

Description

一种钻机安装模拟系统的软件总体构造

技术领域

本发明涉及一种钻机安装模拟系统的软件总体构造。

背景技术

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。

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。

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。

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

本发明旨在克服上述问题，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。

本发明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。

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。

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。

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。

与此同时，本发明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。

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、泵压表、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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关；

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PLC1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PLC1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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、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，泥浆泵的调速控制；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、泵调节器位置、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泵的调速控制。

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、液压泵开关、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、液压泵开关、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

1)、钻井液环空携岩能力Lc≥0.5；环空钻屑浓度Ca＜0.09；环空流态稳定参数值Z≤井眼稳定值Z值。

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。

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。

4)、发现溢流后，应及时停泵关井。在井内压力平衡前，地层气体仍然会不断地进入井内。因此，假设从停泵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。

5)、气体从地层中进入井筒符合达西定律。

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。

7)、假设井内的地温梯度为一常数，则：

井底温度＝地温梯度×井深+井口温度。 

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。

教师操作台具有主控计算机和图形计算机，其中该主控计算机具有主控模块，该主控模块用于与通信模块进行通信，实时获得硬件设备状态；所述主控计算机还包括如下多个钻机模型的模拟装置：钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型溢流模拟装置、钻机模型气体膨胀模拟装置、钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻具提升模拟装置以及钻机模型的钻机井架/底座的起升/下放模拟装置，其中主控模块还包括有如下多个模拟系统：用于模拟陆地钻机井架/底座的起升/下放操作的装置、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的装置、用于模拟陆地钻机钻进操作的装置、用于模拟陆地钻机事故应急操作的装置。

教师操作台主要用于教师对学员操作情况进行监控，对操作结果进行自动评判，打分。其中主控计算机用于完成上述系统主程序的执行，其包括用于存储和设置模拟参数的模块、用于模拟工艺程序的模块、用于控制图形、计算并绘制压井曲线的模块、用于成绩评定及学员管理的模块、采集前端设备参数的模块、控制前端控制台上显示仪表的模块以及执行机构。图形计算机用于环幕图形的处理和显示，两者间通过TCP/IP协议互联。

三通道环幕投影显示系统包括：投影机、工程环形投影幕和图像融合机。其中所述投影机为三台正投投影机，所述三台投影机与、工程环形投影幕和图像融合机形成边缘融合投影系统。图像融合机中包括有几何矫正模块、边缘融合模块、颜色校正模块。其中图像融合机将图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边缘融合。所述边缘融合技术是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙、更加明亮，超大、超高分辨率的整幅画面，画面的效果如同是一台投影机投射的画面。当两台或多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像重叠，边缘融合的最主要功能就是把两台投影机重叠部分的灯光亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。

其中几何矫正模块包括：所述几何矫正模块用于修正投射图像的几何形状，以保证边缘融合控制能适应多种屏幕构型，优选为平面构型，柱面构型或球面构型，使投射到幕上的画面无几何失真。所述几何矫正模块包括下述子模块：利用经纬定位模块和激光阵列以点阵的方式对环形投影幕进行空间定位的模块；通过计算机的图形管理输出与环形投影幕上空间激光点阵形成等间隔的标准网格的模块；通过智能相继采集投影图像输入计算机，并通过投影 屏幕上的空间激光点阵与标准网格进行自动匹配从而得出投影仪图像与投影屏幕对应关系的模块；利用上述对应关系实现对输出的图像进行非线性几何矫正的模块。

其中边缘融合模块包括：用于将图像分割成若干规则图形的图像分割模块，以使若干规则图形分别由三个投影机进行投影，其中分割为若干规则图形的相邻图形边缘相互重叠部分图形的宽度为对应尺寸的5％以内，相邻图形边缘相互重叠图形同时出现在分割后的相邻图形的边缘；用于在整个图像上布置纵横交错的经线和纬线的经纬定位模块，其使在每个规则图形中的经线和纬线的颜色互不相同，并利用三个投影机将分割后的若干规则图形进行投影，调节投影机使相邻图形边缘相互重叠图形内的经线，纬线完成重叠；灰度调节模块，调节不同投影机的亮度Alpha值为100％的白色图像，通过灰度感光摄像头对非重叠图形部分进行感光信号采集，设置其灰度为α，将相邻图形边缘相互重叠图形的亮度下调，直到重叠灰度β和非重叠图形的灰度相等或误差小于0.5％，再将不同的投影机一并进行投影；

其中颜色矫正模块包括：使用智能相机测量出不同投影仪在投射相同亮度颜色时所产生的实际亮度的模块，对不同亮度下拍摄的照片进行处理以得出每台投影仪的颜色映射关系的模块；在每台投影仪投影显示前，设置不同屏幕的颜色表，产生颜色值的映射以使不同投影仪投射出的同一种颜色尽量相似的模块。

其中，上述投影机为高分辨率投影机，上述工程环形投影幕可以为LED/LCD环形显示屏。

陆地钻机安装操作模拟系统还可以对事故及复杂情况进行模拟，主要模拟钻井过程中常见的故障及复杂情况。主控计算机产生事故，要求培训学员通过模型反应出的现象判断事故类型，并正确处理事故。主要模拟的事故有：粘附卡钻模拟流程、沉砂卡钻模拟流程、泥包卡钻模拟流程、公锥打捞模拟流程、落物磨铣模拟流程。其工艺流程如下所示。

根据上述陆地钻机安装操作模拟系统的主要部件，其三维动画模型的生成方法如下：

第一步，素材采集，前期在钻机安装工地现场进行视屏及照片素材的采集，钻机实际安装的每个步骤都通过摄像机进行全程拍摄；

第二步，建模，通过采集到的素材进行3D建模工作；模型的尺寸完全按照实际钻机物件的尺寸等比例制作；为了确保动画质量，对模型进行细化；

第三步，模型动作，3D模型制作完成后，根据安装步骤及流程，开始进行3D模型的动作调整工作，从第一步画基线图开始，之后每一个物件的安装包括吊车的动作调整，物件安装到位的动画以及上销子的动作调整；

第四步，模型贴图及材质，模型的贴图及材质完全按照真实钻机的光泽与色彩制作，保证动画中每个物件都与实际情况相同，然后将这些材质赋予已经建好的模型；

第五步，背景设置，动画中钻机安装地点选择在荒漠进行，所以选用了低矮的岩石及沙漠作为背景；第六步，灯光设置，为了模拟真实环境下的光照，让整个钻机安装场景的光影效果更加真实，在整个场景中制作了上百展的灯光整列，用来模拟天空的光照及太阳的照射；

第七步，镜头设置，镜头对准的位置既为动画展现到屏幕上的部分，为了保证看清每个部件的安装过程，镜头设置为对准正在安装的部件，上销子等细小的物体时，镜头拉近给予特写；

第八步，整合，在完成素材采集，建模，模型动作，模型贴图及材质，背景设置，灯光设置，镜头设置之后，将整个场景整合到一起，既包括从画基线开始，每一个部件的安装，到最后底座的起升完毕的全过程；

第九步，渲染，将整合好的场景根据设置好的镜头开始渲染成图片，一秒钟的动画设置为25张图片，图片分辨率设置为2560X768；渲染机为60台服务器组成的渲染农场，通过24小时不间断的渲染，耗时45天渲染完毕，总计渲染高精细图片192000张；

第十步，配音、背景音乐及音效，配音聘请专业配音演员进行录制，包括每一步安装步骤及井架起升时的解说，背景音乐配合不同的安装步骤，选用不同调子的背景音乐；并在部件吊装到位，大锤敲销子等位置配以相应的音效；

第十一步，后期合成，将渲染好的192000张图片导入合成机，合成完整的视屏动画，添加解说的中英文字幕，并将配音，背景音乐及音效同时合成到视频中；为了保证质量，合成后输出的视频格式为无压缩的avi文件，整个文件为1.3TB；

第十二步，转压为发布格式，为了方便播放，需要将1.3TB大的原始视频文件转压；设置为32000Kbps码率，WMV8格式，编码器为FFmpeg；转压之后的最终文件为29G；播放流畅，画质得到最大程度的保护。

据本发明的陆地钻机安装的说明书演示方法，能够大幅度改善培训的效果，提高培训效率，并且打破了不同国家标准和格式的局限，方便学员理解。

附图说明

图1为钻机模拟系统的总体结构

图2为硬件系统

图3为通信软件与主控软件之间的通信

图4为主控软件与图形软件交互结构图

图5为本发明的司钻操作台正面控制面板主视图

图6为本发明的司钻操作台侧面控制面板主视图

图7为本发明的顶驱机械控制面板主视图

图8为本发明的操作台控制关系示意图

图9为本发明的钻机井架/底座模型工作原理图

图10为本发明的井架起升工艺流程图

图11为本发明的底座起升工艺流程图

图12为本发明的底座下放工艺流程图

图13为本发明的井架下放工艺流程图

图14为本发明的正常下钻工艺流程图

图15为本发明的下钻遇阻工艺流程图

图16为本发明的正常起钻工艺流程图

图17为本发明的起钻遇卡工艺流程图

图18为本发明的正常钻进接立柱流程图

图19为本发明的憋跳下的钻进流程图

图20为本发明的高压地层钻进流程图

图21为本发明的低压地层钻进流程图

图22为本发明的粘附卡钻模拟流程图

图23为本发明的沉砂卡钻模拟流程图

图24为本发明的泥包卡钻模拟流程图

图25为本发明的公锥打捞模拟流程图

图26为本发明的落物磨铣模拟流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本申请涉及一种钻机安装操作模拟培训系统，如图1所示，主要由司钻操作台、钻机模型、教师操作台及三通道投影环幕组成。司钻操作台中的参数计算机作为分布式系统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 S7-200PLC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。

其中前端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8、开机按钮7、气喇叭开关6、防碰释放按钮5、悬重缓冲阀19、钻压缓冲阀17、吊钳扭矩阻尼器14、立管压力阻尼器15、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2、冷却水压表、绞车油压表3、转盘油压表4、转盘扭矩表13、泵压表、吊钳扭矩表16、左钳压力表9、右钳扭矩表10、安全钳压力表12、猫头压力表1、钻井扭矩表、转速表、指重表18、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表，具体结构布置如附图4所示；司钻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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关，具体结构布置如附图5所示；

钻机模型包括钻机井架和底座模型，其中井架为前开口型，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。

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。

钻机井架/底座模型的核心控制机选用西门子S7-200系列可编程控制器，由S7-200直接控制操作台上的各个物理量，以参数机作为上位机，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。

钻机井架/底座模型中的S7-200CPU模块通过检查井架天车防碰装置、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的状态来实现相应的功能，以防止学员误操作时损坏钻机井架/底座模型。

为实现井架/底座的起升和下放并受控于司钻台，系统采用步进电机来实现绞车功能，PLC系统内设计了以高速受控的步进脉冲。在S7-200中设计了两个PTO/PWM发生器，可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制波形。一个发生器是数字输出点Q0.0，另一个发生器是数字输出点Q0.1。一个指定的特殊寄存器(SM)位置为每个发生器存储下列数据：一个控制字节(8位)，一个计数值(32位无符号数)和一个周期或脉宽值(16位无符号数)。PTO/PWM发生器与过程映像寄存器共用Q0.0和Q0.1。当在Q0.0或Q0.1上激活PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生器对输出拥有控制权，同时普通输出点功能被禁止。输出波形不受过程映象区状态、输出点强制值或者立即输出指令执行的影响。当不使用PTO/PWM发生器功能时，对输出点的控制权交回到过程映象寄存器。过程映象寄存器决定输出波形的起始和结束状态，以高低电平产生波形的启动和结束。脉冲串PTO操作按照给定的PTO脉冲个数和周期输出一串方波(占空比50％)。PTO可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串(使用脉冲包络)，可以指定脉冲数和周期。PTO功能允许脉冲串“链接”或者“排队”，当前脉冲串输出完成时，会立即开始输出一个新的脉冲串，以保证多个输出脉冲串之间的连续性。

前端操作台的内部控制板包括前端操作台第一可编程控制器PLC1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PLC1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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、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，泥浆泵的调速控制；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、泵调节器位置、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泵的调速控制。

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、液压泵开关、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、液压泵开关、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。

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。

教师操作台具有主控计算机和图形计算机，其中该主控计算机具有主控模块，该主控模块用于与通信模块进行通信，实时获得硬件设备状态；所述主控计算机还包括如下多个钻机模型的模拟装置：钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型溢流模拟装置、钻机模型气体膨胀模拟装置、钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻具提升模拟装置以及钻机模型的钻机井架/底座的起升/下放模拟装置，其中主控模块还包括有如下多个模拟系统：用于模拟陆地钻机井架/底座的起升/下放操作的装置、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的装置、用于模拟陆地钻机钻进操作的装置、用于模拟陆地钻机事故应急操作的装置。

教师操作台主要用于教师对学员操作情况进行监控，对操作结果进行自动评判，打分。其中主控计算机用于完成上述系统主程序的执行，其包括用于存储和设置模拟参数的模块、用于模拟工艺程序的模块、用于控制图形、计算并绘制压井曲线的模块、用于成绩评定及学员管理的模块、采集前端设备参数的模块、控制前端控制台上显示仪表的模块以及执行机构。图形计算机用于环幕图形的处理和显示，两者间通过TCP/IP协议互联。

工作时：首先使前端工作台、钻机模型、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系 统均上电，使得陆地钻机安装操作模拟系统启动工作，在参数计算机启动后，自动运行设置其中的“陆地钻机安装操作模拟系统参数程序”，上述参数程序负责接收前端硬件的状态，进行处理后通过网络传输给主控程序，在参数程序中实现优选包括“钻压”、“悬重”、“排量”等钻进实时参数的外显，并可由程序进入到操作设置运行界面以实现模拟作业的设备初始化工作以及操作设置。在图形计算机启动完成后，运行其中的图形程序，分别进入以下培训项目进行选择：钻机安装动画、井架起升模拟、虚拟装配操作、钻进模拟操作以及电子图册，通过操作员在图形计算机上进行选择，可进入不同的培训项目模块进行培训。

在进行钻机安装动画、虚拟装配操作或者电子图册演示时、由教师操作台中的主控计算机完成主程序的执行，将处理后的图形数据以及模块动作数据通过预订的数据传输协议传送给用于环幕图形的处理和显示的图形计算机，图形计算机中的数据被传输给三通道环幕投影显示系统中的图像融合机，图像融合机再将图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边缘融合，经过几何校正和颜色校正后，将上述主程序处理后的图形数据以及模块动作数据投影到工程环形投影幕上，以声音，图像等易于与操作员进行人机交互的方式向工程技术人员展示钻机使用，安装和拆卸过程中的关键操作流程及技术要点以及整个钻机部件组成。该系统采用虚拟显示技术构建一个真实感极强的视觉环境，让学员有身临其境的感觉，以直观的方式向工程技术人员展示钻机安装，拆卸过程中的关键操作流程及技术要点，从而解决现有传统纸质说明书存在的理解难和理解歧义等问题，使说明书的阅读更加简单，更加形象生动，杜绝因个体理解差异造成对说明书的误读而导致事故的发生。

在进行井架起升模拟以及钻进模拟操作时，在系统上电后，先对绞车、泥浆泵和转盘进行初始化操作、将司钻台操作台上各阀件恢复到初始位置，并将司钻台操作与井架模型进行联动。实际使用时，一方面通过PLC上的模拟和数字输入端口采集接收司钻台上操作员操作所产生的模拟量和数字量信号，将上述信号发送给参数计算机，参数计算机通过主控计算机的通信模块将信息输入给主控计算机中的各种模拟装置中以处理得出适于外显的信号，上述信号通过数据传输协议传送给用于环幕图形的处理和显示的图形计算机，图形计算机中的数据被传输给三通道环幕投影显示系统中的图像融合机，图像融合机再将图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边缘融合，经过几何校正和颜色校正后，将上述主程序处理后的图形数据以及模块动作数据投影到工程环形投影幕上，从而完成对井架起升过程以及钻进操作的模拟。另一方面，以参数计算机为上位机，通过PLC上的模拟和数字数出端口所输出的高速脉冲信号对步进电机进行控制，进而实现司钻台对钻机模型的起升和下放操作的控制。因此本发明涉及的操作模拟系统可以模拟钻机安装和使用中的各种工况，将各种可能的事故以及专家的经验，加入到培训系统中，通过故障预埋，人为设置故障，同步显示相关数据和参数，全方位训练操作人员。系统采用虚拟现实技术构建一个真实感极强的视觉环境，让学员有身临其境的感觉。通过在模拟培训系统上的反复演练，学员可以掌握、熟悉设备的操作要领和技术规范，提高学员对各种事故判断能力和处理能力，减少人为事故的发生，同时也可以降低 培训成本，提高培训效率。

该系统的软件设置主要包括钻机安装模拟培训和钻机操作模拟培训两大部分，其中钻机安装模拟培训包括井架起升操作、底座起升操作、底座下放操作、井架下放操作。钻机操作模拟培训包括正常下钻操作、下钻遇阻操作、正常起钻操作、起钻遇卡操作、正常钻进及接立柱操作、憋跳下的钻进操作、高压地层的钻进操作、低压地层的钻进操作、粘附卡钻的判断及处理、钻进过程中处理泥包操作、公锥打捞钻具、井下落物磨铣、落物磨铣操作。

该系统基于Windows平台，应用面向对象技术、多线程技术、3D MAX建模技术、VRTOOLS开发环境、C++开发环境等开发的一套集软、硬件一体的模拟培训系统。系统总体结构如图2所示，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。

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。

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。

操作培训模块提供陆地钻机安装过程中最重要的4种安装过程的培训，以及陆地钻机操作过程中的13种重要工艺的培训，是主控软件中最重要的模块。操作培训模块要求受训学员按照其工艺过程的要求操作模型，强化学员对工艺过程的理解并熟练掌握其操作过程。

系统设置模块完成对软件系统的管理和配置功能。使用该模块可以完成软件常用配置的定制等功能。同时改变系统中的某些参数，可以改变主控程序的运行方式，满足不同的需求。

硬件自检校正可以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，为作业的顺利实时提供了保障。

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。另外，参数机还负责重要参数的实时显示，以及报警设置，人工操作等功能。

其中通信软件系统以及主控软件系统，共包含三个独立软件，分别为通信程序，陆地钻机安装主控程序，陆地钻机操作主控程序。

所有软件系统全部采用面向对象方法设计。将钻井现场的若干关键设备(如：顶驱、井等)完全用类的方法描述，其类的属性、可以接收的事件和对事件的响应都与真实设备一致，完全实现了钻井现场的重现。同时为了使主控软件实时反映前端设备的变化所产生的结果，采用多线程机制。每当运行一个作业时，以参数界面的显示为主线程，以钻井工艺程序为子线程，这两个线程共享虚拟地址空间，形成多任务机制。

陆地钻机安装操作模拟培训系统的主控软件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。这样做的目的有以下几个原因。1、实时获取前端硬件的设备状态后，经过主控软件处理，可以驱动图形软件产生与硬件设备操作同步的动画过程。比如在图形软件中，顶驱或大钩的上升和下降过程就是受前端绞车离合器，脚油门，刹把，离合器档位等部件的控制。2、实时获取前端硬件设备状态也同时获得了培训学员的操作过程，这是主控软件进行数据分析处理的基础信息。3、实时获取的前端硬件设备状态也是主控软件中模拟数学模型的基础数据。比如在钻进过程的模拟中，就需要获得钻盘转数、刹把状态，泥浆排量，泥浆密度等参数。

同时，通信是一个双向的过程，主控软件所计算出的钻井过程参数也需要实时传输给前端设备，以供培训学员与工程技术人员观察。

综上所述，主控软件和前端设备的双向、高速、稳定的通信是整个系统需要解决的一个关键技术问题。在系统中，出于性能考虑，由专用的通信软件负责和前端的硬件设备进行通信，通信软件和主控软件之间采用TCP/IP协议进行通信。由于前端设备采用PLC进行控制和处理，因此在系统中采用专用的通信协议，使用RS-232标准传输数据。

以通信软件与主控软件之间的通信为例，采用交互TCP协议进行。通信软件为服务器端，主控软件为客户端。为了更好的控制通信过程，添加了两个控制参数。第一参数Direction表示数据的流向，等于1表示主控软件请求前端硬件数据，等于2表示主控软件发送给前端硬件数据。第二参数Mud表示泥浆性能参数来源，等于1表示主控软件发送泥浆性能参数给前端硬件，等于2表示主控软件请求前端泥浆性能参数，协议流程图如图所示。

通信软件发送给主控软件数据格式主要包括布尔型、短整型和浮点型，其中布尔型变量主要作用在如按钮、指示灯状态、开关、左右位置等信号，例如各个按钮，左右猫头处于进/退位等。短整型用于各种调节旋钮信号，例如1-3号泵调节旋钮。浮点型用于其他参数，例如泥浆密度、泥浆粘度、泥浆失水、立管压力、顶驱转速等。

更详细地，本发明还包括这些内容：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。

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、泵压表、吊钳扭矩表、左钳压力表、右钳扭矩表、安全钳压力表、猫头压力表、钻井扭矩表、转速表、指重表、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表，；司钻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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关；

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PLC1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PLC1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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、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，泥浆泵的调速控制；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、泵调节器位置、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泵的调速控制。

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、液压泵开关、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、液压泵开关、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

1)、钻井液环空携岩能力Lc≥0.5；环空钻屑浓度Ca＜0.09；环空流态稳定参数值Z≤井眼稳定值Z值。

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。

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。

4)、发现溢流后，应及时停泵关井。在井内压力平衡前，地层气体仍然会不断地进入井内。因此，假设从停泵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。

5)、气体从地层中进入井筒符合达西定律。

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。

7)、假设井内的地温梯度为一常数，则：

井底温度＝地温梯度×井深+井口温度。 

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。

(一)钻进过程模型

1)、钻速方程 

$V=\frac{131.27}{{5.5076}^a{60}^{b}0.010{26}^c}\×W^a\×N^b\×H_{\mathrm{EI}}^c\×e^{d({\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_p)}$

式中：

a--钻压指数 $(a=0.5366+{0.1993}^{k_d})$

b--转速指数 $(b=0.9250-{0.0375}^{k_d})$

c--地层压力指数 $(c=0.7011-{0.0568}^{k_d})$

d--钻井液密度差系数 $(d={0.9767}^{k_d}-7.2703)$

k_d--地层统计可钻性(k_d＝0.00165H+0.635)

W--比钻压(KN/mm)

N--转速(rpm)

H_EI--有效钻头比水功率(kw/mm²)

ρ_m--实际或设计泥浆密度(g/cm³)

ρ_p--地层压力当量密度(g/cm³)

V--机械钻速(m/h)

2)、有效钻头比水功率的计算

$H_{\mathrm{EI}}=10.95\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{Q}^3}{d_e^4{D}_b^2}$

式中：

H_EI--有效钻头比水功率(kw/mm²)

ρ_m--实际或设计泥浆密度(g/cm³)

Q--排量，升/秒

D_b--钻头直径，厘米

d_e--喷嘴当量直径，厘米

(j₁，j₂，j₃喷嘴直径，厘米)

(二)溢流模型

1)、溢流过程模拟

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Δt内，进气量满足二次线性方程。

(1)气体流量计算 

$Q_{\mathrm{gS}}=C(P_P^2-P_b^2)$

式中：

Q_gS--对应于P_b的标准状态下的气体渗流量，米3/秒

P_P，P_b--地层、井底有效压力，千帕

C--渗流系数，米3/千帕·秒(0.2)

在j时刻Δt时间内： $Q_{\mathrm{gs}\left(j\right)}=C[P_{p\left(j\right)}^2-P_{b(j-1)}^2]$

(2)每段混合物长度ΔH_mi×(j)(j＝1，2，3，……n-1)

ΔH_mi×(j)＝{Q[P_(j)-P_(j-1)]+U_jQ_gs(j)ln[P_(j)/P_(j-1)]}/(gρQ)

式中：

Q--泥浆排量，米3/秒

$U_j=\frac{Z_j{T}_j{P}_s}{Z_s{T}_s},$ 千帕

P_(j)--第j段混合物底部压力，千帕

P_(j-1)--第j段混合物顶部压力，千帕

ρ--泥浆密度，克/厘米3

g--重力加速度，米/秒2

(3)环空混合物总长度

$H_{\mathrm{mi}\×\left(n\right)}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{H}_{\mathrm{mi}\×\left(j\right)}$

(4)井内溢流量 

$V_K=\left[\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{gs}\left(j\right)}\right]\mathrm{\Δt}$

(5)每段混合物密度确定

式中：

--混合物中泥浆体积分量，

A_a--该溢流段环空横截面积，毫米2

--混合物中天然气体积分量，

ρ_g--天然气密度，克/厘米3

因为ρ_g远小于ρ，所以上式可改写为：

2)、关井溢流过程模拟

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。因描述这一过程的数学模型及其计算方法很复杂，在此不作详述。下面仅给出关井稳定后井底混合物长度等有关参数计算公式。

(1)关井稳定后井底混合物长度

$H_{\mathrm{mixO}}=[\mathrm{n\ΔP}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j\frac{Q_{\mathrm{gs}\left(j\right)}}{Q}\ln \frac{P_P-(n-j)\mathrm{\ΔP}}{P_P-(n-j+1)\mathrm{\ΔP}}]/\mathrm{g\ρ}$

式中：

ΔP＝gρQΔt/A_a

n--环空中所分混合物的段数

(2)关井稳定后井底纯气柱的长度

H_mix(n+1)＝H_mixO-H_mix(n)

(三)气体膨胀模型

1)、气体状态方程

$\frac{\mathrm{PV}}{\mathrm{ZT}}=\frac{P_s{V}_s}{Z_s{T}_s}$

式中：

P_s--标准状态下的压力，千帕

V_s--标准状态下的体积，米3

Z_s--标准状态下的压缩系数

T_s--标准状态下的温度，°K

P--压力，千帕 

V--气体体积，米3

T--温度，°K

Z--在温度为T，压力为P的条件下的压缩系数

我们只要知道了某时刻的压力，温度以及压缩系数，就可以求得此时的气体体积。

2)、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：

${\mathrm{\ρ}}_g=\frac{Z_s{T}_s{\mathrm{\ρ}}_s{P}_x}{Z_x{T}_x{P}_s}$

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--气体上升到某一时刻气柱中点地层温度，°K

则气柱重量造成的压力为：

$P_w=9.8{\mathrm{\ρ}}_g{H}_x=\frac{9.8P_x{Z}_s{T}_s{\mathrm{\ρ}}_s}{Z_x{T}_x{P}_s}$

将气体高度用气体体积V_x(米3)和横截面积A_a(米3)表示，则：

$P_w=9.8\frac{P_x{Z}_s{T}_s{\mathrm{\ρ}}_s{V}_x}{{P_{s}Z}_x{T}_x{A}_a}$

式中A_a为气体所在环空段的横截面积，是要变化的；但为了计算方便，可将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便是一个常数。因这个压力的值本来就是很小的，这样简化处理后引起的误差可不计。

3)、天然气压缩系数

引用Kenneth，R.Hall提出的公式经简化后，得以下计算公式来求Z_x值：

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

式中：

$W=0.27\frac{P_r}{{\mathrm{ZT}}_r}$

对比压力： 

$P_r=\frac{P}{49.9-3.7{\mathrm{\ρ}}_g}$

对比温度： 

$T_r=\frac{T}{49.9-3.7{\mathrm{\ρ}}_g}$

上式是一个隐含格式，要用一个精确的表达式将压缩系数表达出来是比较困难的，可以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，一般取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|Z-Z₀|≤ε满足为止。

(四)循环压力计算模型

1)、钻头压耗 

$P_b=\frac{{\mathrm{\ρQ}}^2}{20C^2{A}_0^2}$

式中：

P_b--钻头压降，MPa；

ρ--泥浆密度，克/厘米3；

Q--通过钻头喷嘴的泥浆排量，升/秒；

A₀--喷嘴出口截面积，厘米2

C--喷嘴流量系数(0.98)

2)、钻杆内压耗：

$P_l=B\frac{{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\η}}^{0.2}{L}_p{Q}^{1.8}}{d^{4.8}}$

式中：

P_l--钻杆内压耗，Mpa；

ρ--泥浆密度，克/厘米3；

η--泥浆塑性粘度，帕秒；

d--钻杆内径，厘米；

B--常数，内平钻杆B＝0.51655

Q--泥浆流量，升/秒；

L_p--钻杆总长，米。

3)、钻杆外环形空间压耗

$P_l=0.57503\frac{{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\η}}^{0.2}{L}_p{Q}^{1.8}}{{(D-D_0)}^3{(D+D_0)}^{1.8}}$

式中：

P_l--钻杆外环形空间压耗，Mpa；

ρ--泥浆密度，克/厘米3；

η--泥浆塑性粘度，帕秒；

D，D₀--井径和钻杆外径，厘米；

Q--泥浆流量，升/秒；

L_p--钻杆总长，米。

4)、钻铤内部压耗

$P_l=0.51655\frac{{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\η}}^{0.2}{L}_c{Q}^{1.8}}{d_c^{4.8}}$

式中：

P_l--钻铤内部压耗，Mpa；

ρ--泥浆密度，克/厘米3；

η--泥浆塑性粘度，帕秒；

d_c--钻铤内径，厘米；

Q--泥浆流量，升/秒；

L_c--钻挺总长度，米。

5)、钻铤外环空压耗

$P_l=0.57503\frac{{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\η}}^{0.2}{L}_c{Q}^{1.8}}{{(D-D_c)}^3{(D+D_c)}^{1.8}}$

式中：

P_l--钻铤外环形空间压耗，Mpa；

ρ--泥浆密度，克/厘米3；

η--泥浆塑性粘度，帕秒；

D，D_c--井径和钻铤外径，厘米；

Q--泥浆流量，升/秒；

L_c--钻挺总长度，米。

(五)钻具提升模型

1)、起下钻时钻柱受力模型

起钻：

$a(\mathrm{\Σ}{q}_i{l}_i-\frac{F_f}{g})=F-\mathrm{g\Σ}{q}_i{l}_i-F_m+F_f-F_k$

下钻：

$a(\mathrm{\Σ}{q}_i{l}_i-\frac{F_f}{g})=\mathrm{g\Σ}{q}_i{l}_i-F_m-F_f-F_k$

式中：

F--大钩提升力牛顿

F_m--刹把产生的摩擦力(或制动力)牛顿

F_f--浮力牛顿

F_f＝ρ(∑q_il_i)ρ_a

a--钻柱的加速度米/秒2

q_i--钻柱的单位质量千克/米

l_i--某段钻柱的长度米

ρ--泥浆密度克/厘米3

ρ_a--某段钻柱密度克/厘米3

F_k--钻柱在井内的摩擦力牛顿

g--重力加速度米/秒2

2)、起下钻时提升速度模型

V_pt(i)＝V_pt(i-1)+aΔt

式中：

Δt--计算时取时间步长，秒

V_pt(i)--t_(i)时刻钻柱速度，米/秒

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。

(六)钻机井架/底座的起升/下放模型

井架起升下放模型

井架起升受力分析：井架起升时，整体绕底部铰支点0旋转上升，总体受力分析如下：

2F·(b+c)+P·a＝G₁·L₁·cos(α+α₁)+G₂·L₂·cos(α+α₂)

式中：

a--为快绳拉力对旋转支点0的力臂

b、c--分别为人字架滑轮两侧起升大绳拉力对支点0的力臂

L₁、L₂--井架重心与天车重心到支点0的距离

α--为井架起升角度(0～90度)

α₁--为井架重心与支点0连线与井架下方轮廓线的夹角

α₂--为天车重心与支点0连线与井架下方轮廓线的夹角

G₁--为井架自重

G₂--为天车自重

P--为快绳拉力 

F--为起升大绳拉力

①计算力臂b与起升角α的关系式：其中将起升装置简化为一平面运动机构，人字架滑轮简化为一定点。

$b=S_2\·\sin \left(\arccos \frac{S_2-S_1\·\cos (A-\mathrm{\α})}{\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2-2S_2\·S_2\·\cos (A-\mathrm{\α})}}\right)$

式中：

S₁、S₂--为结构固定参数

A--为井架平放时，起升大绳之间的角度

α--为井架起升角度(0～90度)

②计算力臂c与起升角α的关系式：将井架侧边导向滑轮简化为一定点。

$c=S_3\·\sin \left(\arccos \frac{S_3-S_1\·\cos (B-\mathrm{\α})}{\sqrt{{S_1}^2+{S_3}^2-2S_1\·S_3\·\cos (B-\mathrm{\α})}}\right)$

式中：

S₃--为结构固定参数

B--为井架平放时，起升大绳之间的角度

α--为井架起升角度(0～90度)

③计算力臂a与起升角α的关系式：将井架侧边导向滑轮简化为一定点。

$a=S_5\·\sin \left(\arccos \frac{S_5-S_4\·\cos (C-\mathrm{\α})}{\sqrt{{S_4}^2+{S_5}^2-2S_4\·S_5\·\cos (C-\mathrm{\α})}}\right)$

式中：

S₄、S₅--为结构固定参数

C--为井架平放时，起升大绳之间的角度

α--为井架起升角度(0-90度)

④计算起升大绳拉力F、快绳拉力P与起升角α的关系式：做为初步计算，忽略了空间小角度、绳索的变形以及游车、大钩的重力。

$F=\frac{12P}{2\cos \mathrm{\β}}=\frac{6P}{\cos \left(\arcsin \frac{h}{\sqrt{2}h+L_0-\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2}-2S_1\·S_2\·\cos (A-\mathrm{\α})}\right)}$

式中：

F--为起升大绳拉力F

P--为快绳拉力 

α--为井架起升角度(0～90度)

L--为井架起升到α角度时，该段起升大绳的长度

h--为井架顶端到地面的垂直高度

S₁、S₂--为结构固定参数

⑤计算起升力P与起升角α的关系式：

式中：

G₁--为井架自重

G₂--为天车自重

P--为快绳拉力 

α--为井架起升角度(0-90度)

L--为井架起升到α角度时，该段起升大绳的长度

h--为井架顶端到地面的垂直高度

S₁、S₂、S₃、S₄、S₅--为结构固定参数。

教师操作台具有主控计算机和图形计算机，其中该主控计算机具有主控模块，该主控模块用于与通信模块进行通信，实时获得硬件设备状态；所述主控计算机还包括如下多个钻机模型的模拟装置：钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型溢流模拟装置、钻机模型气体膨胀模拟装置、钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻具提升模拟装置以及钻机模型的钻机井架/底座的起升/下放模拟装置，其中主控模块还包括有如下多个模拟系统：用于模拟陆地钻机井架/底座的起升/下放操作的装置、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的装置、用于 模拟陆地钻机钻进操作的装置、用于模拟陆地钻机事故应急操作的装置。

教师操作台主要用于教师对学员操作情况进行监控，对操作结果进行自动评判，打分。其中主控计算机用于完成上述系统主程序的执行，其包括用于存储和设置模拟参数的模块、用于模拟工艺程序的模块、用于控制图形、计算并绘制压井曲线的模块、用于成绩评定及学员管理的模块、采集前端设备参数的模块、控制前端控制台上显示仪表的模块以及执行机构。图形计算机用于环幕图形的处理和显示，两者间通过TCP/IP协议互联。

三通道环幕投影显示系统包括：投影机、工程环形投影幕和图像融合机。其中所述投影机为三台正投投影机，所述三台投影机与、工程环形投影幕和图像融合机形成边缘融合投影系统。图像融合机中包括有几何矫正模块、边缘融合模块、颜色校正模块。其中图像融合机将图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边缘融合。所述边缘融合技术是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙、更加明亮，超大、超高分辨率的整幅画面，画面的效果如同是一台投影机投射的画面。当两台或多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像重叠，边缘融合的最主要功能就是把两台投影机重叠部分的灯光亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。

其中几何矫正模块包括：所述几何矫正模块用于修正投射图像的几何形状，以保证边缘融合控制能适应多种屏幕构型，优选为平面构型，柱面构型或球面构型，使投射到幕上的画面无几何失真。所述几何矫正模块包括下述子模块：利用经纬定位模块和激光阵列以点阵的方式对环形投影幕进行空间定位的模块；通过计算机的图形管理输出与环形投影幕上空间激光点阵形成等间隔的标准网格的模块；通过智能相继采集投影图像输入计算机，并通过投影屏幕上的空间激光点阵与标准网格进行自动匹配从而得出投影仪图像与投影屏幕对应关系的模块；利用上述对应关系实现对输出的图像进行非线性几何矫正的模块。

其中边缘融合模块包括：用于将图像分割成若干规则图形的图像分割模块，以使若干规则图形分别由三个投影机进行投影，其中分割为若干规则图形的相邻图形边缘相互重叠部分图形的宽度为对应尺寸的5％以内，相邻图形边缘相互重叠图形同时出现在分割后的相邻图形的边缘；用于在整个图像上布置纵横交错的经线和纬线的经纬定位模块，其使在每个规则图形中的经线和纬线的颜色互不相同，并利用三个投影机将分割后的若干规则图形进行投影，调节投影机使相邻图形边缘相互重叠图形内的经线，纬线完成重叠；灰度调节模块，调节不同投影机的亮度Alpha值为100％的白色图像，通过灰度感光摄像头对非重叠图形部分进行感光信号采集，设置其灰度为α，将相邻图形边缘相互重叠图形的亮度下调，直到重叠灰度β和非重叠图形的灰度相等或误差小于0.5％，再将不同的投影机一并进行投影；

其中颜色矫正模块包括：使用智能相机测量出不同投影仪在投射相同亮度颜色时所产生的实际亮度的模块，对不同亮度下拍摄的照片进行处理以得出每台投影仪的颜色映射关系的模块；在每台投影仪投影显示前，设置不同屏幕的颜色表，产生颜色值的映射以使不同投影仪投射出的同一种颜色尽量相似的模块。

其中，上述投影机为高分辨率投影机，上述工程环形投影幕可以为LED/LCD环形显示屏。

陆地钻机安装操作模拟系统还可以对事故及复杂情况进行模拟，主要模拟钻井过程中常见的故障及复杂情况。主控计算机产生事故，要求培训学员通过模型反应出的现象判断事故类型，并正确处理事故。主要模拟的事故有：粘附卡钻模拟流程、沉砂卡钻模拟流程、泥包 卡钻模拟流程、公锥打捞模拟流程、落物磨铣模拟流程。其工艺流程如下所示。

根据上述陆地钻机安装操作模拟系统的主要部件，其三维动画模型的生成方法如下：

第一步，素材采集，前期在钻机安装工地现场进行视屏及照片素材的采集，钻机实际安装的每个步骤都通过摄像机进行全程拍摄；

第二步，建模，通过采集到的素材进行3D建模工作；模型的尺寸完全按照实际钻机物件的尺寸等比例制作；为了确保动画质量，对模型进行细化；

第三步，模型动作，3D模型制作完成后，根据安装步骤及流程，开始进行3D模型的动作调整工作，从第一步画基线图开始，之后每一个物件的安装包括吊车的动作调整，物件安装到位的动画以及上销子的动作调整；

第四步，模型贴图及材质，模型的贴图及材质完全按照真实钻机的光泽与色彩制作，保证动画中每个物件都与实际情况相同，然后将这些材质赋予已经建好的模型；

第五步，背景设置，动画中钻机安装地点选择在荒漠进行，所以选用了低矮的岩石及沙漠作为背景；第六步，灯光设置，为了模拟真实环境下的光照，让整个钻机安装场景的光影效果更加真实，在整个场景中制作了上百展的灯光整列，用来模拟天空的光照及太阳的照射；

第七步，镜头设置，镜头对准的位置既为动画展现到屏幕上的部分，为了保证看清每个部件的安装过程，镜头设置为对准正在安装的部件，上销子等细小的物体时，镜头拉近给予特写；

第八步，整合，在完成素材采集，建模，模型动作，模型贴图及材质，背景设置，灯光设置，镜头设置之后，将整个场景整合到一起，既包括从画基线开始，每一个部件的安装，到最后底座的起升完毕的全过程；

第九步，渲染，将整合好的场景根据设置好的镜头开始渲染成图片，一秒钟的动画设置为25张图片，图片分辨率设置为2560X768；渲染机为60台服务器组成的渲染农场，通过24小时不间断的渲染，耗时45天渲染完毕，总计渲染高精细图片192000张；

第十步，配音、背景音乐及音效，配音聘请专业配音演员进行录制，包括每一步安装步骤及井架起升时的解说，背景音乐配合不同的安装步骤，选用不同调子的背景音乐；并在部件吊装到位，大锤敲销子等位置配以相应的音效；

第十一步，后期合成，将渲染好的192000张图片导入合成机，合成完整的视屏动画，添加解说的中英文字幕，并将配音，背景音乐及音效同时合成到视频中；为了保证质量，合成后输出的视频格式为无压缩的avi文件，整个文件为1.3TB；

第十二步，转压为发布格式，为了方便播放，需要将1.3TB大的原始视频文件转压；设置为32000Kbps码率，WMV8格式，编码器为FFmpeg；转压之后的最终文件为29G；播放流畅，画质得到最大程度的保护。

Claims (2)

1.一种钻机安装模拟系统的软件总体构造，其特征在于：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，

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、泵压表、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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关；

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PLC1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PLC1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号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、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，泥浆泵的调速控制；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、泵调节器位置、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泵的调速控制；

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、液压泵开关、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、液压泵开关、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；

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；

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 S7-200PLC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；

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，

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，

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；

该系统包括钻机安装模拟培训和钻机操作模拟培训两部分，其中钻机安装模拟培训包括井架起升操作、底座起升操作、底座下放操作、井架下放操作。钻机操作模拟培训包括正常下钻操作、下钻遇阻操作、正常起钻操作、起钻遇卡操作、正常钻进及接立柱操作、憋跳下的钻进操作、高压地层的钻进操作、低压地层的钻进操作、粘附卡钻的判断及处理、钻进过程中处理泥包操作、公锥打捞钻具、井下落物磨铣、落物磨铣操作；

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。

2.根据权利要求1所述的模拟操作系统，其特征在于：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。