CN110111624A - 一种海洋钻井模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋钻井模拟系统及方法，包括主控制系统、图像处理系统和投影单元，还包括节流控制箱、防喷器控制台、管汇和IOC座椅，所述主控制系统和图形处理系统通过局域网互连，所述防喷器控制台与管汇相连，所述节流控制箱、所述防喷器控制台和所述投影单元分别与主控制系统相连，所述主控制系统和图像处理系统分别设置于IOC座椅旁的机柜。

Description

一种海洋钻井模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及钻井培训模拟系统领域，尤其涉及一种海洋钻井模拟系统及方法。

背景技术

海洋石油981是第六代3000米深水半潜式钻井平台，使用Aker MH公司的钻井包，采用一联半式钻塔结构，使用四根单根作为一根立柱。该平台在使用时，由于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海上，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。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种海洋钻井模拟系统及方法。

一种海洋钻井模拟系统，包括主控制系统、图像处理系统和投影单元，还包括节流控制箱、防喷器控制台、管汇和IOC座椅，所述主控制系统和图形处理系统通过局域网互连，所述防喷器控制台与管汇相连，所述节流控制箱、所述防喷器控制台和所述投影单元分别与主控制系统相连，所述主控制系统和图像处理系统分别设置于IOC座椅旁的机柜。

所述IOC座椅包括第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮和座椅，所述座椅左右两侧分别设有第一台面和第二台面，所述第一显示器、第二显示器、第一操作手柄和第一按钮设置于第一台面上，所述第三显示器、第四显示器、第二操作手柄和第二按钮设置于第二台面上；所述第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮分别与主控系统相连。

所述主控制系统包括一台计算机和在计算机上运行的主控程序，所述主控程序包括控制计算模块、学生管理模块、成绩管理模块；所述图像处理系统包括一台计算机和三维图像处理程序。

所述节流控制箱包括机箱和机芯电路，机箱上安装有仪表、显示系统、多个开关和箱上安装有多个气压表、多个显示器、多个按钮开关和操作杆，所述仪表包括立管压力表、套管压力表、节流阀开度表，所述显示系统包括立管压力数码显示管、节流开度数码显示管、泵冲数数码显示管和累计泵冲数数码显示管；所述开关包括累计泵冲数复位按钮、节流阀选择开关和有气源开关；

所述机箱上还安装有泵选指示灯和节流阀速度调节旋钮，泵选指示灯包括一号泵指示灯、二号泵指示灯和三号泵指示灯；所述累计泵冲数复位按钮被按下时，累计泵冲数数码显示管显示为0；节流阀速度调节旋钮可调节节流阀开度的变化的快与慢。

所述节流阀选择开关用于选择节流阀节流管线，所述管线包括1号管线、2号管线和3号管线；所述操作杆为节流阀开度摇杆，用于控制节流阀的开度。

所述机芯电路为开关信号采集电路，通过该电路将开关信号传输至上位机进行处理，同时将信号反馈至相对应的仪表和指示灯上。

所述防喷器控制台的机箱上安装有多个仪表、数码显示管和多个开关；

所述仪表包括滑动接头压力表、环形压力表、先导压力表、钻机气源压力表、环形调节器回读压力表、环形调节器先导压力表、管汇调节器回读压力表和管汇调节器先导压力表；

所述数码显示管包括接头压力表、环形压力表、先导压力表、钻机气源压力表、环形调节器回读压力表、环形调节器先导压力表、管汇调节器回读压力表和管汇调节器先导压力表相对应的数码显示管，还包括压井压力数码显示管、压井管线温度数码显示管和流量计数码显示管；

所述开关包括：滑动接头压力减小按钮，减小滑动接头压力；

滑动接头压力增大按钮，增大滑动接头压力；

报警确认按钮，确认报警，系统报警音效关闭；

打开气源按钮，打开防喷器上阀门的开关操作；

环形压力减小按钮，减小环形压力；

环形压力增大按钮，增大环形压力；

流量计复位按钮，将流量计数码管值复位为0；

管汇压力减小按钮，减小管汇压力；

管汇压力增大按钮，增大管汇压力；

灯测试按钮，测试防喷器上所有指示灯的好坏。

防喷器控制台的机箱上还安装有多个指示灯，所述指示灯包括：

防冻红色指示灯，灯亮表示防冻报警，灯灭表示报警解除；

低蓄能器压力红色指示灯，灯亮表示低蓄能器压力报警，灯灭表示报警解除；

液位红色指示灯，灯亮表示液位报警，灯灭表示报警解除；

蓄能器泵绿色指示灯，灯亮表示蓄能器泵工作，灯灭表示蓄能器泵停止工作；

低气源红色指示灯，灯亮表示低气源报警，灯灭表示报警解除。

所述管汇包括立管管汇和节流管汇，所述节流管汇由节流管和安装在节流管上的阀门组成，所述节流管安装在节流管汇机架上，节流管由横管和立管垂直交叉分布，横管和立管上均设置有多个平板阀；所述立管管汇由立管和安装在立管上的阀门组成。

所述投影单元包括一台或多台投影仪和一个大尺寸屏幕。

一种海洋钻井模拟系统的模拟方法，包括一个或多个非顺序执行的步骤：

A．钻井模拟；

B．井控模拟；

其中，所述钻井模拟包括以下子步骤：

A1. 正常起下钻；

A2. 正常钻进；

A3. 钻进溢流关井操作；

A4. 起下钻溢流关井操作；

A5. 空井关井操作；

所述井控模拟步骤包括以下子步骤：

B1. 司钻法压井；

B2.工程师法压井；

B3.体积法压井；

B4.低节流法压井；

B5.硬顶法压井。

本发明的有益效果在于：本发明通过高度逼真的三维引擎可模拟海洋钻井及海洋井控的多种工况，可实时为学员展示海洋钻井的全过程。学员对硬件设备上各控制元件（如：按钮，旋钮，操作杆等）的操作，都会经数值化整理后，通过TCP/IP协议，传递给主控系统软件。主控系统软件运行的核心数学模型则会以上述数据为输入数据，执行各种计算，从而仿真出合理的数值结果。上述计算结果将会以硬件仪表、音效效果以及三维图形的方式展现给学员，为学员的互动操作产生生动逼真的反馈。

附图说明

图1是本发明系统布局图；

图2是节流控制箱整体图；

图3是防喷器控制箱整体图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：如图1所示，一种海洋钻井模拟系统，包括主控制系统、图像处理系统和投影单元，还包括节流控制箱、防喷器控制台、管汇和IOC座椅，所述主控制系统和图形处理系统通过局域网互连，所述防喷器控制台与管汇相连，所述节流控制箱、所述防喷器控制台和所述投影单元分别与主控制系统相连，所述主控制系统和图像处理系统分别设置于IOC座椅底部的两侧。

所述IOC座椅包括第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮和座椅，所述座椅左右两侧分别设有第一台面和第二台面，所述第一显示器、第二显示器、第一操作手柄和第一按钮设置于第一台面上，所述第三显示器、第四显示器、第二操作手柄和第二按钮设置于第二台面上；所述第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮分别与主控系统相连。

所述主控制系统包括一台计算机和在计算机上运行的主控程序，所述主控程序包括控制计算模块、学生管理模块、成绩管理模块；所述图像处理系统包括一台计算机和三维图像处理程序。

实施例二，如图2所示，所述节流控制箱包括机箱和机芯电路，机箱上安装有仪表、显示系统、多个开关和和操作杆，所述仪表包括立管压力表、套管压力表、节流阀开度表，所述显示系统包括立管压力数码显示管、节流开度数码显示管、泵冲数数码显示管和累计泵冲数数码显示管；所述开关包括累计泵冲数复位按钮、节流阀选择开关和有气源开关；

所述机箱上还安装有泵选指示灯和节流阀速度调节旋钮，泵选指示灯包括一号泵指示灯、二号泵指示灯和三号泵指示灯；所述累计泵冲数复位按钮被按下时，累计泵冲数数码显示管显示为0；节流阀速度调节旋钮可调节节流阀开度的变化的快与慢。

所述节流阀选择开关用于选择节流阀节流管线，所述管线包括1号管线、2号管线和3号管线；所述操作杆为节流阀开度摇杆，用于控制节流阀的开度。

所述机芯电路为开关信号采集电路，通过该电路将开关信号传输至上位机进行处理，同时将信号反馈至相对应的仪表和指示灯上。

实施例三：如图3所示，所述防喷器控制台的机箱上安装有多个仪表、数码显示管和多个开关；

所述仪表包括滑动接头压力表、环形压力表、先导压力表、钻机气源压力表、环形调节器回读压力表、环形调节器先导压力表、管汇调节器回读压力表和管汇调节器先导压力表；

所述数码显示管包括接头压力表、环形压力表、先导压力表、钻机气源压力表、环形调节器回读压力表、环形调节器先导压力表、管汇调节器回读压力表和管汇调节器先导压力表相对应的数码显示管，还包括压井压力数码显示管、压井管线温度数码显示管和流量计数码显示管；

所述开关包括：滑动接头压力减小按钮，减小滑动接头压力；

滑动接头压力增大按钮，增大滑动接头压力；

报警确认按钮，确认报警，系统报警音效关闭；

打开气源按钮，打开防喷器上阀门的开关操作；

环形压力减小按钮，减小环形压力；

环形压力增大按钮，增大环形压力；

流量计复位按钮，将流量计数码管值复位为0；

管汇压力减小按钮，减小管汇压力；

管汇压力增大按钮，增大管汇压力；

灯测试按钮，测试防喷器上所有指示灯的好坏。

防喷器控制台的机箱上还安装有多个指示灯，所述指示灯包括：

防冻红色指示灯，灯亮表示防冻报警，灯灭表示报警解除；

低蓄能器压力红色指示灯，灯亮表示低蓄能器压力报警，灯灭表示报警解除；

液位红色指示灯，灯亮表示液位报警，灯灭表示报警解除；

蓄能器泵绿色指示灯，灯亮表示蓄能器泵工作，灯灭表示蓄能器泵停止工作；

低气源红色指示灯，灯亮表示低气源报警，灯灭表示报警解除。

所述管汇包括立管管汇和节流管汇，所述节流管汇由节流管和安装在节流管上的阀门组成，所述节流管安装在节流管汇机架上，节流管由横管和立管垂直交叉分布，横管和立管上均设置有多个平板阀；所述立管管汇由立管和安装在立管上的阀门组成。

所述投影单元包括一台或多台投影仪和一个大尺寸屏幕。

实施例四：一种海洋钻井模拟系统的模拟方法，包括一个或多个非顺序执行的步骤：

A．钻井模拟；

B．井控模拟；

其中，所述钻井模拟包括以下子步骤：

A1. 正常起下钻，具体包括以下步骤：

A11. 正常起钻：

A111. 下放顶驱到井口钻具接箍下方，关闭吊卡；

A112. 上提钻具至悬重变化，打开卡瓦；

A113. 上提钻具到38米左右，关闭卡瓦；

A114. 下放钻具至悬重变化，抓杆机到井口；

A115. 打开吊卡，移走顶驱；

A116. 铁钻工卸扣，抓杆机抓杆进立杆盒；

A12. 正常下钻：

A121．抓杆机从立杆盒中抓杆到井口，铁钻工上扣；

A122. 上提空顶驱至38米左右，移动顶驱到钻杆处，关闭吊卡；

A123. 抓杆机回立杆盒；

A124. 上提钻具至悬重变化，打开卡瓦；

A125. 下放钻具到井口；

重复步骤A11和步骤A12可实现下多根钻杆。

A2. 正常钻进：

A21. 正常下钻；

A22. 接顶驱，将立管管汇调节为循环状态；

A23. 上提钻具至悬重变化，打开卡瓦；

A24. 下放钻具，在距井底3~5米间刹死；

A25. 开泵，适当调整排量，开始循环泥浆；

A26. 观察泵压正常后，在无钻压下启动顶驱转动；

A27. 确定钻压和转速后，操作第二操作手柄，逐渐增加钻压，均匀送钻；

A28. 当钻进到底，关闭顶驱转动、关闭泥浆泵；

A29. 卸顶驱；

重复步骤A21-A29，实现任意根数的钻进操作。

A3. 钻进溢流关井操作：

A31. 正常钻进，注意监视地层压力，泥浆出口流量及泥浆池体积增量的情况，若出现变化，则说明出现溢流；

A32. 立即刹死，点击报警按钮，发警报；并停顶驱转动，停泵；

A33. 上提钻具，将当前钻具节箍提出井口，连续点击2次报警按钮；

A34. 关闭上环形防喷器，关闭上半封闸板；

A35. 打开上节流管线内侧阀，打开上节流管线外侧阀；

A36. 在节流控制箱上，关闭节流阀，使其节流阀开度减小到0；并关闭J2a或J3b；

A37. 观察节流控制箱上的“立管压力”，“套管压力”表；

A38. 当读数稳定后，打开上环形防喷器；记录关井立压、关井套压和溢流量。

A4. 起下钻溢流关井操作:

A41. 正常起钻，注意监视井底压力，泥浆出口流量及泥浆池体积增量的情况，若出现变化，则说明出现溢流；

A42. 点击报警按钮，发警报，迅速下放钻具到井口，当顶驱高度在0.35m-1.1m（抢接防喷钻具最佳高度）时，停止下放；

A43. 关闭卡瓦，下放钻具至悬重变化，打开吊卡；

A44. 上提顶驱至3.2m以上，抢接旋塞；关闭旋塞阀；铁钻工上扣，连续点击2次报警按钮；

A45. 关闭上环形防喷器，关闭上半封闸板；打开上节流管线内侧阀，打开上节流管线外侧阀；

A46. 在节流控制箱上，关闭节流阀，使其节流阀开度减小到0；关闭J2a或J3b；

A47. 接顶驱，改变立管管汇为循环状态；

A48. 打开旋塞阀门，观察节流控制箱上的“立管压力”，“套管压力”表；

A49. 当读数稳定后，打开上环形防喷器，记录关井立压、关井套压和溢流量。

A5. 空井关井操作：

A51. 正常起钻铤操作；

A52. 主控软件上设置事故发生溢流，泥浆出口流量及泥浆池体积增量增加；

A53. 点击报警按钮，发警报；连续点击2次报警按钮；

A54关闭剪切闸板，在节流控制箱上，关闭节流阀，使其节流阀开度减小到0，关闭J2a或J3b；

A55. 观察节流控制箱上的“立管压力”，“套管压力”表；

A56. 当读数稳定后，记录关井立压、关井套压和溢流量。

所述井控模拟步骤包括以下子步骤：

B1. 司钻法压井：

B11.调整立管管汇状态为循环状态；上半封闸门保持关闭状态，上节流管线内侧阀、上节流管线外侧阀保持打开状态；打开J2a或者J3b开关；

B12.开泵，将泵冲缓慢调整到压井施工单规定的泵冲数（每次增加5冲）；

B13.在压井过程中，应通过不断调节节流阀开度大小，使立管压力略大于压井施工单中的循环立压；

B14.关泵，缓慢减小泵冲数；

B15.在“泥浆循环界面”调整泥浆密度至压井施工单上要求的压井泥浆密度；

B16.按下累计泵冲数复位按钮，将泥浆累计泵冲数归零；

B17.开泵，将泵冲缓慢调整到压井施工单规定的泵冲数；

B18.按照压井施工单要求，控制立管压力，至压井液返出井口。

B2.工程师法压井：

B21. 调整立管管汇状态为循环状态；上半封闸门保持关闭状态，上节流管线内侧阀、上节流管线外侧阀保持打开状态；打开J2a或者J3b开关；

B22. 在“泥浆循环界面”调整泥浆密度至压井施工单上要求的压井泥浆密度；

B23. 按下累计泵冲数复位按钮，将泥浆累计泵冲数归零；

B24. 开泵，将泵冲缓慢调整到压井施工单规定的泵冲数；

B25. 按照压井施工单要求，控制立管压力，至压井液返出井口。

B3.体积法压井：

B31. 调整立管管汇状态为灌浆状态；剪切闸门保持关闭状态，上节流管线内侧阀、上节流管线外侧阀保持打开状态；打开J2a或者J3b开关；

B32. 确保井内封闭，等待气体运移，设置运移允许可达到的允许套压值P1，再确定一个套压变化值∆Pa'；

B33. 当关井套压至P1+∆Pa'后，开节流阀放出钻井液，使套压降低至P1，关闭节流阀；

B34. 重复上述操作，将气体运移上升到井口，记录此时套压P；

B35. 打开上压井管线内侧阀、上压井管线外侧阀；开泵，调节泵冲，控制泵排量在合适的大小，观察套压，当套管压力接近最大允许关井套压时，关泵；关闭上压井管线内侧阀、上压井管线外侧阀；记录泵入泥浆体积，计算泵入泥浆体积产生的压力Pz；

B36. 等待气体运移至井口，排放气体；观察套压，当套压下降到P-Pz时，停止排放气体；

B37. 重复步骤B31- B36开泵关泵排气操作，至气体全部排出。

B4.低节流法压井：

钻进过程中发生溢流关井时，当套压超过最大允许关井套压时，进入低节流压井法。

B41．在关井过程中，当套压接近最大允许关井套压时，停止关井；

B42．调整泥浆密度，使理论井底压力略大于地层压力；

B43．开泵，调节泵冲，加大排量，循环泥浆；

B44．控制节流阀开度，使套压始终接近最大允许关井套压值；

当泥浆循环一段时间后，可能出现气柱未排完，但已关井完成的情况，此时可按照正常的工程师法压井步骤开始压井。

B5.硬顶法压井：

B51．调整立管管汇状态为循环状态；上半封闸门保持关闭状态，上节流管线内侧阀、上节流管线外侧阀保持打开状态；打开J2a或者J3b开关；

B52．调整泥浆密度使理论井底压力略大于地层压力；

B53．打开防喷器控制台上的上压井管线内侧阀、上压井管线外侧阀；

B54．开泵，调节泵冲，控制泵排量在合适的大小；

B55．当泵入的压井液体积大于等于泥浆池体积增加量时，观察井底压力；

B56．当井底压力大于等于地层压力时，关泵，开井，平推法压井完成。

本发明的有益效果在于：本发明通过高度逼真的三维引擎可模拟海洋钻井及海洋井控的多种工况，可实时为学员展示海洋钻井的全过程。学员对硬件设备上各控制元件（如：按钮，旋钮，操作杆等）的操作，都会经数值化整理后，通过TCP/IP协议，传递给主控系统软件。主控系统软件运行的核心数学模型则会以上述数据为输入数据，执行各种计算，从而仿真出合理的数值结果。上述计算结果将会以硬件仪表、音效效果以及三维图形的方式展现给学员，为学员的互动操作产生生动逼真的反馈。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种海洋钻井模拟系统，其特征在于：包括主控制系统、图像处理系统、投影单元、节流控制箱、防喷器控制台、管汇和IOC座椅，所述主控制系统和图形处理系统通过局域网互连，所述防喷器控制台与管汇相连，所述节流控制箱、所述防喷器控制台和所述投影单元分别与主控制系统相连，所述主控制系统和图像处理系统分别设置于IOC座椅旁的机柜。

2.如权利要求1所述的一种海洋钻井模拟系统，其特征在于：所述IOC座椅包括第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮和座椅，所述座椅左右两侧分别设有第一台面和第二台面，所述第一显示器、第二显示器、第一操作手柄和第一按钮设置于第一台面上，所述第三显示器、第四显示器、第二操作手柄和第二按钮设置于第二台面上；所述第一显示器、第二显示器、第三显示器、第四显示器、第一操作手柄、第二操作手柄、第一按钮和第二按钮分别与主控系统相连。

3.如权利要求1所述的一种海洋钻井模拟系统，其特征在于：所述主控制系统包括一台计算机和在计算机上运行的主控程序，所述主控程序包括控制计算模块、学生管理模块、成绩管理模块；所述图像处理系统包括一台计算机和三维图像处理程序。

4.如权利要求1所述的一种海洋钻井模拟系统，其特征在于：所述管汇包括立管管汇和节流管汇，所述节流管汇由节流管和安装在节流管上的阀门和压力表组成，所述节流管安装在节流管汇机架上，节流管由横管和立管垂直交叉分布，横管和立管上均设置有多个平板阀和多个压力表；所述立管管汇由立管和安装在立管上的阀门和压力表组成。

5.如权利要求1所述的一种海洋钻井模拟系统，其特征在于：所述投影单元包括一台或多台投影仪和一个大尺寸屏幕。

6.如权利要求1所述的一种海洋钻井模拟系统的模拟方法，其特征在于：包括一个或多个非顺序执行的步骤：

钻井模拟；

井控模拟；

其中，所述钻井模拟包括以下子步骤：

A1. 正常起下钻；

A2. 正常钻进；

A3. 钻进溢流关井操作；

A4. 起下钻溢流关井操作；

A5. 空井关井操作；

所述井控模拟步骤包括以下子步骤：

B1. 司钻法压井；

B2.工程师法压井；

B3.体积法压井；

B4.低节流法压井；

B5.硬顶法压井。