CN204965893U - 一种陆地钻机安装操作模拟系统的钻机模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有自主知识产权的陆地钻机安装操作模拟系统的钻机模型，其基于计算机模拟技术并参照钻井作业现场的实际操作流程，对ZJ70D陆地钻机的钻进工艺过程进行逼真模拟，用于钻井现场操作员的技术技能培训，增强了教学培训的可视性和浸入感，缩短了培训周期，提高了培训效果，降低了培训成本。

Description

一种陆地钻机安装操作模拟系统的钻机模型

技术领域

本实用新型涉及一种钻机模拟系统，具体来说，涉及一种陆地钻机安装操作模拟系统。

背景技术

钻机属于工程机械，工程机械的安全生产不仅直接影响机械的使用寿命，而且关系到人民生命财产的安全。因此必须贯彻“安全第一，以人为本”和“安全第一，预防为主”的方针。由于技术水平的限制，井场设备安装、拆卸过程中的问题非常突出。如何提高设备使用者技能水平，避免因操作不当造成的设备损坏，减少事故发生，是公司目前必须解决的紧迫问题。

在钻井完成后，需要将井场设备如底座、井架、泥浆泵、防喷器组等进行拆卸，搬运到其他钻井现场，并进行安装，以便开始新的钻井作业。在设备安装和拆卸过程中，必须遵循一定的操作规程和技术要领，才能保证设备的正确安装、正确拆卸和安全使用。

然而，目前设备使用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。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有钻机模型钻机模型的不足，提供一种陆地钻机安装操作模拟系统。

本实用新型的发明目的是通过以下技术方案来实现：一种陆地钻机安装操作模拟系统，它包括钻机模型、前端操作台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统。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，各台计算机通过TCP/IP协议互联。前端操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENSS7-200PLC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。

其中前端操作台包括机箱和内部控制板，所述的机箱的正面设有司钻台正面控制面板，机箱的一个侧面设有司钻台侧面控制面板，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；

前段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、泥浆黏度以及泥浆失水这些参数，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。

钻机模型包括钻机井架和底座模拟器，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。

就本申请而言，钻机井架/底座模拟器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PL2000模拟机进行统一管理。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/底座模拟器中的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/底座模拟器。

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。

前端操作台中还具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还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。

教师工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钻机模型的模拟装置：钻机模型钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型钻机模型溢流模拟装置、钻机模型钻机模型气体膨胀模拟装置、钻机模型钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻机模型钻具提升模拟装置以及钻机模型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，两者间通过该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，并进行边沿融合，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，并进行边沿融合，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。因此本实用新型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。

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组合图像融合机形成边沿融合投影系统。图像融合机中包括有几何矫正模块、边沿融合模块、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，并进行边沿融合。所述边沿融合技术就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，高分辨率的整幅画面，画面的效果就像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，边沿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，以保证边沿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，使投射到墓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程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并输入计算机，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。

前端操作台具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还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。

教师工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；

陆地钻机操作模拟方法包括：用于模拟陆地钻机钻进井架/底座的起升/下放操作的方法、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的方法、用于模拟陆地钻机钻进操作的方法以及用于模拟陆地钻机事故应急操作的方法。

上述方法具有以下优点：实现了高度仿真的顶部驱动钻进模拟，增强了教学培训现场感，缩短了培训周期，提高了培训效果，降低了培训成本。

附图说明

图1为本实用新型的系统硬件结构图

图2为本实用新型的司钻台正面控制面板主视图

图3为本实用新型的司钻台侧面控制面板主视图

图4为本实用新型的顶驱机械控制面板主视图

图5为本实用新型的操作台控制关系示意图

图6为本实用新型的钻机井架/底座模拟器工作原理图

图7为本实用新型的控制系统总体结构图

图8为本实用新型的井架起升工艺流程图

图9为本实用新型的底座起升工艺流程图

图10为本实用新型的底座下放工艺流程图

图11为本实用新型的井架下放工艺流程图

图12为本实用新型的正常下钻工艺流程图

图13为本实用新型的下钻遇阻工艺流程图

图14为本实用新型的正常起钻工艺流程图

图15为本实用新型的起钻遇卡工艺流程图

图16为本实用新型的正常钻进接立柱流程图

图17为本实用新型的憋跳下的钻进流程图

图18为本实用新型的高压地层钻进流程图

图19为本实用新型的低压地层钻进流程图

图20为本实用新型的粘附卡钻模拟流程图

图21为本实用新型的沉砂卡钻模拟流程图

图22为本实用新型的泥包卡钻模拟流程图

图23为本实用新型的公锥打捞模拟流程图

图24为本实用新型的落物磨铣模拟流程图

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本实用新型的技术方案：一种陆地钻机安装操作模拟系统，它包括钻机模型、前端操作台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统。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，各台计算机通过TCP/IP协议互联。前端操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENSS7-200PLC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，该系统的整体硬件结构图如附图1所示。

其中前端操作台包括机箱和内部控制板，所述的机箱的正面设有司钻台正面控制面板，机箱的一个侧面设有司钻台侧面控制面板，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2所示；司钻台侧面控制面板上设置指配开关59、发电机急停按钮21、整流急停按钮23、测试急停按钮、PLC/旁路开关41、电磁涡流刹车开关22、转盘正反转选择开关26-27、绞车正反转选择开关28-29、1号泥浆泵开关30、2号泥浆泵开关32、3号泥浆泵开关34、低压报警器开关39，具体结构布置如附图3所示；

前段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、泥浆黏度以及泥浆失水这些参数，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，其中控制台的控制关系如附图5所示。

其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮60、吊环中位按钮82、复位/静音按钮70、吊环回转选择开关83、内防喷器开关87、液压泵开关61、锁紧销开关、背钳选择开关64、吊环倾斜选择开关66、刹车选择开关68、辅助操作开关、风机选择开关65、电机选择开关67、操作选择开关69、旋转方向选择开关71；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，具体结构布置如附图4所示；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。

钻机模型包括钻机井架和底座模拟器，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。

就本申请而言，钻机井架/底座模拟器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PL2000模拟机进行统一管理。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，系统工作原理如附图6所示。

钻机井架/底座模拟器中的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/底座模拟器。

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。

前端操作台中还具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还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。

教师工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，两者间通过该TCP/IP协议互联，整个系统的控制系统总体结构图如附图7所示。

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，并进行边沿融合，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，并进行边沿融合，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。因此本实用新型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。

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组合图像融合机形成边沿融合投影系统。图像融合机中包括有几何矫正模块、边沿融合模块、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，并进行边沿融合。所述边沿融合技术就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，高分辨率的整幅画面，画面的效果就像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，边沿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，以保证边沿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，使投射到墓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程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并输入计算机，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。

其中涉及一种三通道环幕投影显示系统的融合投影方法，应用于上述三个投影机并列向环形幕投影的三通道环幕投影显示系统，其中包括如下步骤：

步骤1.将整幅待投影内容分隔成多个子投影内容，每个子投影内容用一个投影机进行投影，实时控制各个投影机通道的投影内容融合，将各个融合投影内容以像素点为单位进行重叠和对齐，其中融合投影内容为相邻两个投影机间的边缘重叠投影内容；

步骤2.对各个投影机进行非线性几何矫正，使得各个投影机的投影内容组成一个整幅图像；

步骤3.对所述融合投影内容的动态播放画面拼接处的图像进行动态调整和光强度的明暗过渡；

步骤4.对融合投影内容进行分解，对融合投影内容中各个像素着色点里的RGB颜色信号进行过滤，甄别和分离，将融合投影内容中像素点的光强度当量减小到非融合区域像素点光强度当量的相应百分比即亮度的15％到75％之间；

步骤5.动态调整投影内容的像素颜色，协调光强度和颜色，使二者保持一致性。

前端操作台具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还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。

教师工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；

其中钻机模型钻进工艺模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻进工艺模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然后在内部通过相关钻进工艺模拟的数学模型以模拟钻进工艺过程。

其中所述钻机模型钻进工艺模拟装置包括以下模块以实现钻进工艺模拟：

(1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_C、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻进工艺模拟的数学模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻进工艺模拟动画的作业数据的钻进工艺模拟模块；其中钻进工艺模拟的数学模型包括钻速计算模型、钻头比水功率计算模型；

(3)钻进工艺模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻进工艺的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻进工艺模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

其中所述钻速计算模型为：

1)、钻速模型

$V=\frac{131.27}{{5.5076}^a{60}^b{0.01026}^c}\×W^a\×N^b\×H_{\mathrm{EI}}^c\×e^{d({\mathrm{\ρ}}_m-{\mathrm{\ρ}}_p)}$

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)

其中钻头比水功率模型为：

2)、有效钻头比水功率模型

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

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)。

其中钻机模型溢流模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻机溢流模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然后在内部通过相关钻机溢流模拟的数学模型以模拟钻机溢流过程。

其中所述钻机模型溢流模拟装置包括以下模块以实现钻井溢流过程模拟：

(1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_C、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻机溢流模拟的数学模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻机溢流模拟动画的作业数据的钻机溢流模拟模块；其中钻机溢流模拟的数学模型包括钻机溢流过程模拟模型和关井溢流过程模拟模型；

(3)钻机溢流模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机溢流的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机溢流模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

其中钻机溢流过程模拟模型包括以下子模型：气体流量计算模型、每段混合物长度计算模型、环空混合物总长度计算模型、井内溢流量模型以及每段混合物密度模型，分别如下

(1)气体流量计算模型：

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

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)每段混合物长度计算模型：

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)环空混合物总长度计算模型：

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

(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)每段混合物密度计算模型：

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。

关井溢流过程模拟模型包括如下子模型：关井稳定后井底混合物长度计算模型以及关井稳定后井底纯气柱的长度计算模型，分别为：

关井稳定后井底混合物长度计算模型：

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

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)。

其中钻机模型气体膨胀模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻机气体膨胀模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然后在内部通过相关钻机气体膨胀模拟的数学模型以模拟钻机气体膨胀过程。

其中所述钻机模型气体膨胀模拟装置包括以下模块以实现钻井气体膨胀模拟：

(1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_C、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻机气体膨胀模拟的数学模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻机气体膨胀模拟动画的作业数据的钻机气体膨胀模拟模块；其中钻机气体膨胀模拟的数学模型包括气体状态模型、气体溢流重量在环空内产生的压力模型和天然气压缩模型；

(3)钻机气体膨胀模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机溢流的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机气体膨胀模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

其中钻机气体膨胀模拟的数学模型包括气体状态模型、气体溢流重量在环空内产生的压力模型和天然气压缩模型，分别如下

(1)气体状态模型

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

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

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模型

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)、天然气压缩模型

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

上式是一个隐含格式，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。

其中钻机模型循环压力计算模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻机循环压力计算模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然后在内部通过相关钻机循环压力计算模拟的数学模型以模拟钻机的循环压力过程。

其中所述钻机模型循环压力计算模拟装置包括以下模块以实现钻机循环压力过程的模拟：

(1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_C、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻机循环压力计算模拟模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻机循环压力过程模拟动画的作业数据的钻机循环压力计算模拟模块；其中钻机循环压力计算模拟模型包括钻头压耗模型、钻杆内压耗模型、钻杆外环形空间压耗模型、钻铤内部压耗模型以及钻铤外环空压耗模型；

(3)钻机循环压力计算模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机循环压力过程的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机循环压力计算模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

其中钻机循环压力计算模拟模型包括钻头压耗模型、钻杆内压耗模型、钻杆外环形空间压耗模型、钻铤内部压耗模型以及钻铤外环空压耗模型的如下：

1)、钻头压耗模型

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

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)、钻杆内压耗模型：

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

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模型

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

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)、钻铤内部压耗模型

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

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)、钻铤外环空压耗模型

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

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。

其中钻机模型钻具提升模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻具提升模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，例如在钻具提升的模拟中，需要获得大钩提升力、钻柱的加速度、泥浆密度、管柱提升速度和运动管柱内外径这些参数，然后在内部通过相关钻具提升模拟的数学模型以模拟钻具提升过程。

其中所述钻机模型钻具提升模拟装置包括以下模块以实现钻具提升模拟：

(1)用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_C、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻具提升模拟模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻具提升模拟动画的作业数据的钻机提升模拟模块；其中钻具提升模拟模型包括起下钻时钻柱受力模型、起下钻时提升速度模型；

(3)钻机提升模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻具提升的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机提升模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

其中钻具提升模拟模型包括起下钻时钻柱受力模型、起下钻时提升速度模型，其中上述下钻时钻柱受力模型、起下钻时提升速度模型分别为：

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_tl_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。

其中钻机井架/底座的起升/下放模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通信模块和钻机井架/底座的起升/下放模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然后在内部通过相关钻机井架/底座的起升/下放模拟的数学模型以模拟钻机井架/底座的起升/下放过程。

其中所述钻机井架/底座的起升/下放模拟装置包括以下模块以实现钻机井架/底座的起升/下放过程模拟：

(1)用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径d₀、运动管柱外径d_i、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量q_i某段钻柱的长度l_i泥浆密度ρ、流体黏附系数K_c、时间步长Δt、重力加速度g、单位时间排开的流体量Q_t；动态参数包括：刹把产生的摩擦力F_m、管柱提升速度V_P、管柱内返出的液体量Q_i、提升钻柱长度L_P、泥浆泵体积流量Q_P、环空平均流速V₁、某段钻柱密度ρ_a、钻柱在井内的摩擦力F_k；

(2)内存有预先建立的钻机井架/底座的起升/下放模拟的数学模型并用于根据获得的设备状态参数和操作命令，计算出实现钻机井架/底座的起升/下放模拟动画的作业数据的钻机井架/底座的起升/下放模拟模块；其中钻机井架/底座的起升/下放模拟的数学模型包括井架起升下放模型；

(3)钻机井架/底座的起升/下放模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机井架/底座的起升/下放的动画展现；其中图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示模块。

(4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机井架/底座的起升/下放模拟模块通讯，以交换动画状态信息；

(5)用于重复执行上述操作的模块。

钻机井架/底座的起升/下放模拟的数学模型包括井架起升下放模型，具体为：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。

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

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。

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

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

陆地钻机操作模拟方法包括：用于模拟陆地钻机钻进井架/底座的起升/下放操作的方法、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的方法、用于模拟陆地钻机钻进操作的方法以及用于模拟陆地钻机事故应急操作的方法。

其中用于模拟陆地钻机钻进井架/底座的起升/下放操作的方法主要模拟了钻机安装过程中的井架的起升下放操作，以及底座的起升下放操作，要求培训学员正确掌握对应操作步骤以及安全要求，做到平稳安全的完成对应操作，其具体包括以下操作步骤，：

(1)井架起升操作步骤：如附图8所示，开始作业，操作绞车并缓慢绷紧起升大绳，在提升井架预定高度，优选为0.2米后，进行首次检查，然后下放井架至坐稳于支架上，再将井架提升至预定高度，优选为0.2米后，进行二次检查，然后下放井架至坐稳于支架上，两次检查均合格后，正式起升井架，首先起升井架至与地面呈60度角，操作液压缓冲油缸，伸出预定长度，优选为0.48米，保持一定时间后，再起升井架至与地面呈大约80度角，操作液压缓冲油缸回收至原始位置，以使井架依靠自重缓慢靠稳于人字架上，待井架立直后，打上U型卡，结束作业；

(2)底座起升操作步骤：如附图9所示，开始作业，起升底座人字架，在底座人字架下端打入销轴后拆掉上座与基座间销轴，当起升底座至上座离开基座预定高度，优选为0.2米后，进行安全检查，然后下放上座，至将上座坐稳于基座上，检查合格后，正式起升底座，在起升底座过程中，操作液压缓冲油缸伸出预定长度，优选为0.6米，当上座与地面呈大约80度角时，操作液压缓冲油缸缩回，使上座依靠自重缓慢坐稳于底座人字架上，在上座与底座人字架上端打入销轴，结束作业；

(3)底座下放操作步骤：如附图10所示，开始作业，拆掉上座与底座人字架上端的销轴，利用缓冲油缸，将上座推离垂直位置，使上座依靠自身重力不断下降，控制下降速度，使上座坐稳在基座上，在上座与基座间穿入销轴，然后拆掉底座人字架下端销轴，利用绞车缓慢下放底座人字架到初始位置，结束作业；

(4)井架下放操作步骤：如附图11所示，开始作业，首先拆掉人字架与井架之间的U型卡，利用缓冲油缸，将井架推离垂直位置，使井架依靠自身重力不断下降，当井架下降至预定高度，优选为0.5米时，刹车停留5分钟后，再缓慢下放至井架坐稳于支架上，结束作业。

其中用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的方法，主要模拟了起钻和下钻的工艺过程，要求培训学员正确掌握起下钻的工艺流程，做到平稳起下钻，其具体包括以下操作步骤：

(1)正常下钻操作步骤：如附图12所示，开始作业，首先起控吊卡，使吊环前倾，摆立柱，按下吊环中位钮后上提钻具，摆到井口，然后上扣，上提再移开吊卡，实现钻具的下放，装上井口卡瓦，压下绞车离合器，摘开吊卡，判断是否继续下钻，如果是，则返回起控吊卡，如果否，则结束本次作业；

(2)下钻遇阻操作步骤：如附图13所示，开始作业，在正常下钻过程中如果遇阻，则接通顶驱，冲阻划眼后结束本次作业，否则未遇阻则返回正常下钻操作；

(3)正常起钻操作步骤：如附图14所示，开始作业，首先开启计量泵，关闭吊卡后上提钻具，移开井口卡瓦，再提升钻具，将卡瓦移动到井口后，卸扣后卸下立柱，判断是否起钻，如果继续起钻则返回开始作业，否则结束本次作业；

(4)起钻遇卡操作步骤：如附图15所示，开始作业，在正常起钻过程中，如果遇卡，则接通顶驱，循环解卡，倒划眼，结束本次作业，如果未遇卡则返回正常起钻。

其中用于模拟陆地钻机钻进操作的方法，主要模拟了典型钻井工况，要求培训学员正确掌握钻进工艺流程，做到均匀钻进。同时掌握复杂地层的钻进技术，其具体包括以下操作步骤：

(1)正常钻进接立柱操作步骤：如附图16所示，开始作业，循环泥浆，轻压跑合后正常钻进，卸下顶驱后接立柱，摘开吊卡结束作业；

(2)憋跳下的钻进操作步骤：如附图17所示，开始作业，正常钻进，如果未出现憋跳则正常钻进，如果出现憋跳则上提钻柱，改变转速，钻压，下放钻进，如果憋跳未减弱，则返回至上提钻柱，循环至憋跳减弱，然后对憋跳段划眼，结束作业；

(3)高压地层的钻进操作步骤：如附图18所示，开始作业，循环泥浆，正常钻进，如果未出现溢流则正常钻进，如果出现溢流则加大泥浆密度后，继续钻机，最后结束作业；

(4)低压地层的钻进操作步骤：如附图19所示，开始作业，循环泥浆，正常钻进，如果未出现泥浆漏失，则继续正常钻进，如果出现泥浆漏失则加大泥浆粘度后，继续钻进，最后结束作业。

其中用于模拟陆地钻机事故应急操作的方法，主要模拟了钻井过程中常见的故障及复杂情况例如主控软件产生事故，要求培训学员通过模拟器反应出的现象例如各种仪表的变化来判断事故类型，并正确处理事故，其具体包括以下操作步骤：

(1)粘附卡钻操作步骤：如附图20所示，开始作业，起钻柱，判断绞车刹车是否有故障，若没有故障则继续起钻柱，若有故障则尝试地上提和下放钻具，接上顶驱后再上提，下放钻具两次，然后开顶驱转动，上提下放后一次解卡完毕，再使顶驱停止转动，结束作业；

(2)沉纱卡钻操作步骤：如附图21所示，开始作业，正常起钻，判断是否沉纱卡钻，如果没有则返回正常起钻，如果沉纱卡钻则活动钻具，接通顶驱，小排量的循环泥浆，判断泵压是否正常，如果不正常则返回循环泥浆，如果泵压正常则大排量循环泥浆，最后结束作业；

(3)泥包卡钻操作步骤：如附图22所示，开始作业，轻压跑合，正常钻进，判断是否泥包卡钻，如果没有则返回正常起钻，如果泥包卡钻则加大循环泥浆的排量，高速划眼，调整泥浆的性能后继续钻进，最后结束作业；

(4)公锥打捞操作步骤：如附图23所示，开始作业，冲洗鱼头，下探落鱼，判断是否探到，若没有探到，则返回继续下探，若谈到，则引扣，造扣，试提钻柱，提出落鱼，最后结束作业；

(5)落物磨铣操作步骤：如附图24所示，开始作业，冲洗井底，磨铣2次后，继续磨铣直到磨鞋破损后，结束作业。

上述方法具有以下优点：实现了高度仿真的顶部驱动钻进模拟，增强了教学培训现场感，缩短了培训周期，提高了培训效果，降低了培训成本。

陆地钻机安装操作模拟系统还包括钻机虚拟装配系统，所述虚拟装配系统通过数据传输互动的方式来进行安装模拟，所述虚拟装配系统包括顺序选择模块、位置选择模块以及装配过程展示模块；其中顺序选择模块中包括：用于存储钻机各部件的图片信息的数据阵列，其中数据阵列中为每个部件赋予一个物品编号以及正确的安装项，一个用以显示相关物体的对应物体项以及实时地将执行步骤发给展示模块的步骤数项；用于用户确定输入的按钮，按钮与位置选择模块进行通信；在进行安装时，系统内产生出当前分数以及应该进行装配的物品编号，通过按钮来判断用户是否进行确定输入以判断用户选择的装配顺序是否正确，具体为：假设在当前分数为1时，用户选择的部件的物品编号部位1且按了确定按钮时，需要对其进行提示，外显闪出一个顺序选择错误的文字信息，否则，在选择正确时就将物品编号传到至位置选择模块。

在位置选择模块中，其接受来自顺序选择模块所输入的数据，根据其输入的数据物体编号来生成3个选择位并将其创建为一个阵列，阵列的第一列为物体编号，第二列为3个透明物体的组，第三列为该物体本身，第4列为特殊情况下显示的物体，第5列为特殊情况下消失的物体，第6列为GROUP中的正确答案，第7列为步骤数，还包括收到数据后用RowSearch找出该编号的对应行然后GetRow该行提取出第2列数据(group)进行show/HIDE操作。当选中了参考物体后，从阵列中提取正确答案名称(第6列中的数据)，判断二者之间是否相等。如果相等：从阵列中提取第2列数据进行隐藏操作，然后show出第3列。(也就是物体本身)，根据情况处理第4列和第5列数据，并发送第7列中的编号到3号环幕程序；如果不相等，弹出对话框，提示用户选择错误(可以用delayer进行2秒延迟消失)。

在装配展示模块中，同样需要制作一个阵列，阵列第一列为物体编号。第二列为物体相应装配动画。第三列为动画最后帧数的图片。收到数据后用RowSearch找出该编号的对应行然后GetRow该行提取出第2列数据动画。第一步取出相应动画后利用videoplayer播放动画，当动画播放完毕后利用CustomPacketsender发送数据给顺序选择模块，这里不需要发送编号，只发送分数和一个标记，当顺序选择模块接收后更新分数以及激活确定按钮。优选地，在装配展示模块中还包括有起落井架底座模块，该模块包括起升动画模块、液压缓冲油缸模块以及作业状态功能显示模块；其中作业状态功能显示模块利用UDP来接收需显示的作业概述信息，通过标记分割符来进行换行处理判断，最后用2D图片的展示方式在屏幕中显示相应的文字信息；起升动画模块运用可控动画，通过3DSMAX导出井架底座的起升下放动画。在VIRTOOLS中对动画进行帧数播放控制，将主控部分传输过来的数据进行处理，转化为对应的动画帧数后对模型进行对应变化操作；液压缓冲油缸模块在环幕上设立2个小窗口来作为当前状态的展示，分别表示左液缸和右液缸，通过判断作业号的信息来判断小窗口中是显示井架部分还是底座部分的液压缓冲油缸，该模块利用一个顶点3DFRAME来和液压缸进行距离判断，以方便测量液压缸已经伸出的距离，来判断当前是否还可进行位移操作。通过把井架或底座设置成移动障碍物，把液压缓冲油缸设置成固定障碍物，利用碰撞检测的相关程序来进行碰撞判断，如达到事故相关要求则播放相应的事故动画。

本申请还涉及陆地钻机操作说明书的演示系统和方法，其中所述陆地钻机操作说明书的演示系统包括井场整体演示模块和内部结构演示模块；其中井场整体演示模块以安装顺序编号介绍井场上的各个部件，并由底座构成演示模块、井架构成演示模块以及灌区演示模块三部分构成，通过多级索引的方式组织，其中通过上述演示模块，可将每个部件通过两个视图进行演示：全局视图和局部视图，全局视图展示部件在整个井场中的位置，局部视图为该部件的大图，展示该部件的具体形象和参数。而内部结构演示模块则展示转盘、绞车和泥浆泵三大重要又相对复杂的部件的内部结构，展示通过爆炸图方式，将各个部件的重要内部零件的形态、位置、功能做说明，从而让用户了解其基本工作机理。

本申请还涉及陆地钻机三维动画的生成方法，其中所述陆地钻机三维动画包括底座，井架及灌区的安装，井架及底座的起升，其中包含198个部件每一步的详细安装过程，以及井架及底座的起升过程，注意事项及事故动画。通过观看动画可以快速清楚的了解整个陆地钻机安装起升的全过程。

上述三维动画的生成方法包括如下步骤：

1.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，对现场设备的零部件进行三个方向拍照，收集所有设备的外形数据。

2.建模；通过采集到的素材进行建模工作。前期3D建模工具为3Dsmax，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，模型从3Dsmax导入MAYA进行细化。模型包括钻台、井场和环境，钻台部分包括：井架、绞车、顶驱、大钩、猫头、立管管汇、液压大钳、旋扣钳、油管钳、节流控制箱、立杆盒、井架房间、安全卡瓦、钻杆、油管、方钻杆、短接、钻铤、考克、吊卡、单向阀、卡瓦、司控房；井场部分包括：发电机组系统、泥浆泵、泥浆池、节流管汇、分离器、远程控制台；环境部分包括：井场自然环境模拟以及人物模型。其中钻台部分和井场部分通过几何建模的方式进行建模，具体为通过层次建模法进行建模，其利用属性结构来表示物体的各部分组成，较高层次构建的运动势必改变较低层次构建的空间位置。例如：钻井平台上的动力钳，它由动力钳的主体、转盘、气压阀部件构成。在执行上扣操作时，动力钳的主体向前运动，转盘与之同时向前运动并旋转。自然环境模拟以及人物模型则通过人物建模的方式进行建模，人物建模首先需要建立人物模型，包括人物的皮肤贴图，人物身体模型的建立。在人物身体模型建立后，使用PhotoShop为人物制作皮肤贴图，人物建模完成后，为人物建立骨骼，并给每块骨骼分配权重，以决定皮肤受骨骼运动的影响程度。根据图形程序的需要，为平台上的人物角色制作骨骼动画，例如：上卸猫头、上卸卡瓦动作，并保存为能够读取并单独控制的格式。

3.模型动作；3D模型制作完成后，根据实际钻机安装操作规程，确认了安装步骤及流程，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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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，上销子细小的物体时，镜头拉近给予特写。

8.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。

9.渲染；将整合好的场景根据设置好的镜头开始渲染成图片，一秒钟的动画优选设置为25张图片，图片分辨率优选设置为2560X768。

10.配音，背景音乐及音效；配音包括每一步安装步骤及井架起升时的解说，背景音乐在安装过程中选用轻快的节奏而在起升时改为激昂。并在部件吊装到位，大锤敲销子位置配以相应的音效。

11.后期合成；后期合成软件优选选用nuke，将渲染好的图片导入之后合成完整的视屏动画，通过nuke在视频下方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，以完成整个陆地钻机的三维动画的生成工作。

本申请还涉及一种陆地钻机工艺动画的控制方法。其中在完成规定工艺作业的过程中，司钻控制台做出的每一个动作都将转换成数字信号传递给主控机，再由主控机发送协议数据给图形程序，图形程序得到参数后，做出具体反映。在图形机上体现出钻台上各种控制系统的运动参数、具体动作、视图选择优选为包括上视角、井下视角、防喷器视角、多视图显示；上述控制方法包括如下步骤：1.模型动画步骤：通过从数据协议中读取出来的移动或者旋转数据，给予对应物体的脚本，物体根据得到的速度或命令进行移动旋转指令。当没有得到当前移动速度或命令时，动画停止，等待主控机发送的消息；2.人物动画步骤：虚拟人的行为分为确定性行为和非确定性行为。对于复杂行为，需要根据场上不同的状态由认知层决定采取不同的动作序列。主控机发出指令，通过数据协议UDP传输，VIRTOOLS进行解读，解读命令后播放事先做好的一系列相对应的人物动画，动画播放完毕前不再接收任何动作指令，不可打断动画。3.碰撞处理的步骤：在使用3DMAX建模时，除了模型本身外还需要建立专门用于碰撞的隐形障碍物，因为模型本身都是一些不规则的多边形，如果直接拿模型本身当作碰撞物的话会因为模型的不规则发生一些BUG，所以我们用MAX来建立一些专门的碰撞体BOX，这些BOX会围绕在不可穿越的物体周围，把这些BOX选中后进行一个编组建立一个GROUP，以完成碰撞处理。

本申请还涉及一种陆地钻机工艺动画的特效渲染方法。其中该特效渲染方法包括以下步骤：(1)添加粒子效果的步骤：粒子效果可用来模拟液体喷涌，火焰效果。根据不同的需要分成点粒子，面粒子，线粒子这些不同的效果，如模仿液体喷涌的点粒子效果，就在需要在液体喷涌的地方加入一个3DFrame，3DFrame的Z坐标轴对应需要喷射的方向，为其添加点粒子脚本(PointParticleSystem)，在PhotoShop里绘制出某个粒子的单个粒子贴图，在BB里制定该贴图，通过修改BB中的一些关键参数，来实现液体喷射的效果。

(2)添加贴图流动的步骤；贴图流动可以模仿天空的云雾流动，水流模拟效果，通过对该物体的MESH层创建脚本(TextureScroller)，制定相应的流动贴图，设置速度以及流动方向，一个水流效果就制作完成。

(3)二维序列图片播放的步骤；序列图片播放可以模仿多种连续性效果，如火焰，水流，血液各种特效，通过视频软件渲染一组连续的火焰效果图片导入VIRTOOS中，通过使用MOVIEPLAYER行为模组对序列图片进行连续播放，可以展现出多种微观物体的连续运动。

(4)添加贴图特效的步骤：通过贴图的设置可以完成混合贴图，一些特殊材质模拟，凹凸贴图的效果，对物体的材质进行编辑，在Effect中进行所需要的一些效果选择；通过上述步骤，实现对钻机工艺动画的特效渲染。

Claims (3)

1.一种陆地钻机安装操作模拟系统的钻机模型，所述钻机模型包括钻机井架和底座模拟器，其中井架为前开口型，由主体、人字架及附件组成，附件主要包括二层台、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；中间层分别由人字架前腿、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；所述钻机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。

2.如权利要求1所述的钻机模型，其特征在于所述钻机井架/底座模拟器的核心控制机为西门子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，以参数计算机作为上位机，由教师操作台对绞车控制台及前端各PL2000模拟机进行统一管理，各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。

3.如权利要求2所述的钻机模型，其特征在于所述钻机井架/底座模拟器中的S7-200控制器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/底座模拟器。