鉆井及井控綜合性仿真實訓平臺建設(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 石油工程學院，山東 青島 266580)

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鉆井及井控綜合性仿真實訓平臺建設(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 石油工程學院，山東 青島 266580)

平臺利用模擬裝置和計算機多媒體技術(shù)在室內(nèi)實現(xiàn)了對鉆井及井控工藝流程的仿真模擬，通過計算機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)實時反饋和展示出來。學生在該平臺上可以進行鉆進過程操作、鉆進過程中井下復雜情況判斷、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訓，既是對理論學習的很好補充，又提高了實踐操作能力。該平臺的實訓環(huán)境安全、實訓成本較低，將在專業(yè)課教學中發(fā)揮重要的作用。

鉆井； 井控； 仿真實訓平臺

0 引 言

實訓教育是指根據(jù)人才培養(yǎng)目標和用人單位需求，對學生進行職業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力訓練的教學過程[1-9]。是大學教育的一個重要組成部分。

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

針對石油工程專業(yè)“鉆井工程”方向?qū)I(yè)課教學中缺乏相關(guān)實訓設(shè)備的問題，進行了鉆井及井控綜合性仿真實訓平臺建設(shè)。利用模擬裝置和計算機多媒體技術(shù)對鉆井及井控的主要工藝流程進行仿真模擬，學生在該平臺上可以進行鉆井及井控相關(guān)的模擬實訓操作，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)實時反饋和展示出來，使整個操作實訓流程與現(xiàn)場工藝流程一致，真正達到實訓的效果。

1 鉆井及井控仿真實訓平臺設(shè)計方案

鉆井及井控仿真實訓平臺的設(shè)計方案如圖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。利用計算機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時數(shù)據(jù)庫功能。應(yīng)用OPC(OLE for Process Control)技術(shù)，設(shè)計組態(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)學生的操作顯示或播放，使學生達到身臨其境的效果。

圖1 鉆井及井控仿真實訓平臺設(shè)計方案

鉆井及井控仿真實訓平臺可以實現(xiàn)的功能包括：井下復雜情況模擬、破裂壓力試驗?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習等。

2 鉆井及井控仿真實訓平臺硬件系統(tǒng)

鉆井及井控仿真實訓平臺硬件結(jié)構(gòu)及布局分別如圖2所示，其中計算機采用DELL商用電腦，學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，與上位機采用網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)構(gòu)，由工業(yè)組態(tài)軟件進行設(shè)備驅(qū)動。

圖2 鉆井及井控仿真實訓平臺硬件結(jié)構(gòu)

3 鉆井及井控仿真實訓平臺軟件系統(tǒng)

鉆井及井控仿真實訓平臺軟件結(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)合可以實現(xiàn)的功能包括鉆進過程操作、鉆進過程中井下復雜情況判斷、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算機，經(jīng)計算機處理后進行信號識別，通過控制模塊進行三維動畫的同步控制，實現(xiàn)操作與動畫的協(xié)調(diào)一致，同時在屏幕上進行鉆井儀表和數(shù)據(jù)的顯示，利用投影儀和音響設(shè)備，可以達到較為真實的模擬操作效果。

圖3 鉆井及井控仿真實訓平臺軟件結(jié)構(gòu)

(1) 鉆進過程操作。鉆進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，可以了解井下鉆進動態(tài)及鉆進過程中的注意事項等，加深學生對鉆進方法的認識，有利于學生在專業(yè)課學習過程中對相關(guān)知識的理解。鉆進過程的操作畫面如圖4所示。

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

圖4 鉆進過程操作軟件界面

(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)場標準化操作中的重要組成部分。借助于該平臺學生可以在模擬環(huán)境中進行起下鉆操作。

(4) 關(guān)井程序操作。學習和訓練不同工況下發(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。通過井控實訓操作，學生不但可以掌握不同工況下的關(guān)井程序，還可以學習關(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)計算，使學生直接體驗壓井過程中利用節(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訓平臺的建設(shè)，解決了“鉆井工程”專業(yè)課教學時缺乏實訓設(shè)備的問題。學生可以在該仿真平臺上進行鉆進過程操作、鉆進過程中井下復雜情況判斷、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訓，既是對理論學習的很好補充，又提高了實踐操作能力。仿真實訓平臺將在石油工程專業(yè)課教學中發(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

山東省高等學校教學改革項目(2012144)；中國石油大學教學實驗技術(shù)改革項目(SY-A201205)；中國石油大學精品實驗建設(shè)項目(201303)；中國石油大學青年教師教學改革項目(QN201406)

郭辛陽(1983-)，男，山東五蓮人，博士，高級實驗師，主要從事石油工程方面的教學及研究。

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

TE 28

A

1006-7167(2015)10-0121-03