鉆井及井控綜合性仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)

郭辛陽， 史玉才， 劉瑞文， 步玉環(huán)， 張 銳， 金業(yè)權(quán)

(中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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鉆井及井控綜合性仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)

郭辛陽， 史玉才， 劉瑞文， 步玉環(huán)， 張 銳， 金業(yè)權(quán)

(中國石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

平臺利用模擬裝置和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對鉆井及井控工藝流程的仿真模擬，通過計(jì)算機(jī)控制下的分布式智能網(wǎng)絡(luò)控制器，把所有設(shè)備通過組態(tài)軟件下的網(wǎng)絡(luò)通信連為一體，通過3D動畫同步控制技術(shù)把地面及井下狀態(tài)實(shí)時反饋和展示出來。學(xué)生在該平臺上可以進(jìn)行鉆進(jìn)過程操作、鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷、起下鉆過程操作、關(guān)井程序操作和壓井操作等鉆井及井控方面的實(shí)訓(xùn)，既是對理論學(xué)習(xí)的很好補(bǔ)充，又提高了實(shí)踐操作能力。該平臺的實(shí)訓(xùn)環(huán)境安全、實(shí)訓(xùn)成本較低，將在專業(yè)課教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

鉆井； 井控； 仿真實(shí)訓(xùn)平臺

0 引 言

實(shí)訓(xùn)教育是指根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)和用人單位需求，對學(xué)生進(jìn)行職業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力訓(xùn)練的教學(xué)過程[1-9]。是大學(xué)教育的一個重要組成部分。

作為第一批國家特色專業(yè)——中國石油大學(xué)石油工程專業(yè)，其特點(diǎn)是專業(yè)課內(nèi)容與現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密[10-12]。近些年來，由于招生規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)條件的限制，在現(xiàn)場開展實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難度不斷加大，特別是作為高危行業(yè)的石油鉆井，學(xué)生只能以參觀的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，不能進(jìn)行實(shí)際的操作訓(xùn)練，造成學(xué)生對現(xiàn)場工藝流程缺乏必要的認(rèn)識。在涉及與現(xiàn)場相關(guān)的問題時，時常出現(xiàn)與實(shí)際脫節(jié)現(xiàn)象。因此，探索在室內(nèi)進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)來解決“鉆井工程”方向的實(shí)訓(xùn)問題，但是目前缺乏相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。

針對石油工程專業(yè)“鉆井工程”方向?qū)I(yè)課教學(xué)中缺乏相關(guān)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的問題，進(jìn)行了鉆井及井控綜合性仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)。利用模擬裝置和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)對鉆井及井控的主要工藝流程進(jìn)行仿真模擬，學(xué)生在該平臺上可以進(jìn)行鉆井及井控相關(guān)的模擬實(shí)訓(xùn)操作，在操作過程中平臺利用3D動畫同步控制技術(shù)把地面及井下狀態(tài)實(shí)時反饋和展示出來，使整個操作實(shí)訓(xùn)流程與現(xiàn)場工藝流程一致，真正達(dá)到實(shí)訓(xùn)的效果。

1 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)方案

鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)場鉆井及井控工藝流程所用的設(shè)備[13]，確定了該仿真平臺的組成部分，主要包括鉆機(jī)控制操作臺、輕觸式液晶儀表顯示屏、司鉆儀表板、防噴器控制臺、遠(yuǎn)程控制操作臺、阻流遙控操作控制臺、阻流壓井管匯、立管管匯等部分。利用計(jì)算機(jī)控制下的分布式智能網(wǎng)絡(luò)控制器，把所有設(shè)備通過組態(tài)軟件下的網(wǎng)絡(luò)通信連為一體，充分發(fā)揮組態(tài)軟件的硬件設(shè)備驅(qū)動、上位圖形界面顯示和實(shí)時數(shù)據(jù)庫功能。應(yīng)用OPC(OLE for Process Control)技術(shù)，設(shè)計(jì)組態(tài)軟件和井控模擬軟件數(shù)據(jù)的共享和交換。利用圖像顯示系統(tǒng)以二維地層剖面圖形，結(jié)合三維動畫和鉆井現(xiàn)場視頻文件，根據(jù)學(xué)生的操作顯示或播放，使學(xué)生達(dá)到身臨其境的效果。

圖1 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺設(shè)計(jì)方案

鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：井下復(fù)雜情況模擬、破裂壓力試驗(yàn)?zāi)M、井控操作程序模擬、壓井過程模擬和國內(nèi)典型井噴事故案例展示與學(xué)習(xí)等。

2 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺硬件系統(tǒng)

鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺硬件結(jié)構(gòu)及布局分別如圖2所示，其中計(jì)算機(jī)采用DELL商用電腦，學(xué)生操作信號和儀表顯示信號處理等采用分布式工業(yè)控制模塊美國奧普圖公司OPTO22系列網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)據(jù)模塊，與上位機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)構(gòu)，由工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動。

圖2 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺硬件結(jié)構(gòu)

3 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺軟件系統(tǒng)

鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)合現(xiàn)場鉆井及井控技術(shù)[14-15]，確定軟件與硬件相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)的功能包括鉆進(jìn)過程操作、鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷、起下鉆過程操作、關(guān)井程序操作、壓井過程操作和破壓試驗(yàn)等工藝流程。軟件和硬件相結(jié)合的工作原理是：各種操作通過相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生模擬操作信號，數(shù)據(jù)采集裝置把采集到的模擬信號送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后進(jìn)行信號識別，通過控制模塊進(jìn)行三維動畫的同步控制，實(shí)現(xiàn)操作與動畫的協(xié)調(diào)一致，同時在屏幕上進(jìn)行鉆井儀表和數(shù)據(jù)的顯示，利用投影儀和音響設(shè)備，可以達(dá)到較為真實(shí)的模擬操作效果。

圖3 鉆井及井控仿真實(shí)訓(xùn)平臺軟件結(jié)構(gòu)

(1) 鉆進(jìn)過程操作。鉆進(jìn)過程操作包括鉆井泵、轉(zhuǎn)盤和絞車的控制、鉆具的上提與下放、鉆井過程中鉆壓的控制等主要鉆井過程。學(xué)生可掌握鉆井過程的主要操作方法和工藝流程，熟悉目前現(xiàn)場的鉆頭加壓方法。通過操作畫面上的儀表和參數(shù)顯示，可以了解井下鉆進(jìn)動態(tài)及鉆進(jìn)過程中的注意事項(xiàng)等，加深學(xué)生對鉆進(jìn)方法的認(rèn)識，有利于學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中對相關(guān)知識的理解。鉆進(jìn)過程的操作畫面如圖4所示。

(2) 鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷。鉆進(jìn)過程中常見的復(fù)雜情況包括井漏、鉆具刺漏、鉆頭故障、卡鉆等9種井下復(fù)雜情況。復(fù)雜情況特征通過相應(yīng)參數(shù)表現(xiàn)出來，要求學(xué)生根據(jù)參數(shù)變化特征及時判斷出井下發(fā)生了何種復(fù)雜情況。

圖4 鉆進(jìn)過程操作軟件界面

(3) 起下鉆過程操作。起下鉆過程有固定的操作步驟，也是現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化操作中的重要組成部分。借助于該平臺學(xué)生可以在模擬環(huán)境中進(jìn)行起下鉆操作。

(4) 關(guān)井程序操作。學(xué)習(xí)和訓(xùn)練不同工況下發(fā)生溢流后的關(guān)井方法和關(guān)井步驟，包括：鉆井過程中發(fā)生溢流、起下鉆桿時發(fā)生溢流、起下鉆鋌時發(fā)生溢流、空井時發(fā)生溢流和空井時發(fā)生溢流。通過井控實(shí)訓(xùn)操作，學(xué)生不但可以掌握不同工況下的關(guān)井程序，還可以學(xué)習(xí)關(guān)井立壓和關(guān)井套壓的確定方法。發(fā)生井涌時關(guān)防噴器的界面如圖5所示。

圖5 發(fā)生井涌時關(guān)防噴器時的軟件界面

(5) 壓井操作。提供了常規(guī)和非常規(guī)壓井的模擬操作和壓井參數(shù)計(jì)算，使學(xué)生直接體驗(yàn)壓井過程中利用節(jié)流控制閥控制立壓和套壓的方法，包括：工程師法壓井、司鉆法壓井、邊加重邊循環(huán)法壓井和直推法壓井等。圖6為利用工程師法壓井的軟件畫面。

4 結(jié) 語

鉆井及井控綜合性仿真實(shí)訓(xùn)平臺的建設(shè)，解決了“鉆井工程”專業(yè)課教學(xué)時缺乏實(shí)訓(xùn)設(shè)備的問題。學(xué)生可以在該仿真平臺上進(jìn)行鉆進(jìn)過程操作、鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷、起下鉆過程操作、關(guān)井程序操作和壓井操作等鉆井及井控方面的實(shí)訓(xùn)，既是對理論學(xué)習(xí)的很好補(bǔ)充，又提高了實(shí)踐操作能力。仿真實(shí)訓(xùn)平臺將在石油工程專業(yè)課教學(xué)中發(fā)揮重要的作用。

圖6 工程師法壓井時的軟件界面

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Construction of Integrated Simulation Platform for Drilling and Well Control Training

GUOXin-yang，SHIYu-cai，LIURui-wen，BUYu-huan，ZHANGRui，JINYe-quan

(College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao 266580， China)

An integrated simulation platform for drilling and well control training is constructed. The simulator and computer multimedia technology are used in the platform to realize the simulation of drilling and well control. The distributed intelligent network controller is used to connect all equipment by network communication of configuration software. The 3D animation synchronization technology is used to display the states of surface and down hole real time. The platform can be used to train students to operate drilling, complications recognition in drilling, tripping simulation, and close procedure and killing procedure by simulation. The training can provide a good complement to theoretical study and improve the ability of practice. The training environment of the platform is safety and the training cost is low. It will play an important role in professional course teaching.

drilling； well control； simulation training platform

2015-01-15

山東省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目(2012144)；中國石油大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革項(xiàng)目(SY-A201205)；中國石油大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)項(xiàng)目(201303)；中國石油大學(xué)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201406)

郭辛陽(1983-)，男，山東五蓮人，博士，高級實(shí)驗(yàn)師，主要從事石油工程方面的教學(xué)及研究。

Tel.：15266231375；E-mail：gdayang@163.com

TE 28

A

1006-7167(2015)10-0121-03