鉆井及井控模擬仿真平臺構建

尹邦堂， 劉瑞文， 劉 剛， 林英松， 張 銳

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

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鉆井及井控模擬仿真平臺構建

尹邦堂， 劉瑞文， 劉 剛， 林英松， 張 銳

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

鉆井及井控模擬仿真平臺主要由仿真硬件系統和軟件系統兩大部分構成，可以進行鉆進過程、井下復雜情況判斷、破裂壓力試驗、井控操作程序(鉆進、起下鉆、空井等工況)及壓井過程的模擬仿真。該平臺的使用，不但可以激發學生學習的積極性，加深學生對鉆井及井控理論知識的理解和掌握，還可以進行與鉆井現場相似的模擬仿真操作，使學生身臨其境，提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能，達到工程實踐的目的，避免了因現場操作帶來的危險等不安定因素，為學生畢業后盡快適應鉆井現場工作打下堅實的基礎。

工程實踐； 鉆井； 井控； 模擬仿真

0 引 言

石油工程專業之特點是專業所學內容與現場生產聯系緊密，理論與生產緊密相連[1-2]。石油工程專業的畢業生所從事的鉆井方向的工作是勘探與開采石油及天然氣資源的一個重要環節，承擔著產生地下油氣流體變為地上可用能源通道的重要任務[3-4]。油田生產單位所需要的鉆井方向的石油工程畢業生應當具備工程實踐的能力，能夠根據現場的工作環境，運用所學的基礎知識，創造性的完成工作[5-7]。

從用人單位及往屆畢業生反饋的信息中可以看出，在工作單位最受歡迎的是具有扎實基礎知識、能夠靈活運用所學知識、具有工程實踐能力的學生，他們能夠較快地適應工作，較好地處理現場出現的各種復雜情況。但是也存在部分學生遇到與課堂上所學不同的實際問題時，缺乏解決問題的方法和手段；在分析判斷生產實際問題時缺乏全局觀念，僅從一點或幾點出發，難以得到正確結論[8-9]。究其原因，有如下幾點：

(1)石油工程專業改革后，鉆井工程課程學時減少，理論與實踐教學環節均有不同比例的壓縮。

(2)由于招生規模的擴大和現場實際鉆井條件的限制，學生的生產實習和實踐教學難度不斷加大，特別是作為高危行業的石油鉆井，在現場實習過程中，由于顧及人身安全，禁止學生親自操作，只能以參觀的形式學習，多是走馬觀花。由于學生對現場實際工藝過程、常用設備工具的性能原理及操作方法了解和掌握得較差[10]，在涉及與現場相關的問題時，時常出現與實際脫節的現象，而且目前也缺乏相應的實踐教學設備。

因此，基于計算機模擬仿真技術[11-13]、鉆井及井控的主要工藝流程[14-15]，研發了鉆井及井控模擬仿真平臺，學生可以利用該平臺進行與鉆井現場相似的模擬操作，如模擬鉆進、井控、壓井、井下復雜情況判斷及事故處理等。這不僅可以達到工程實踐的目的，而且可以提高學生學習的積極性，同時可以避免因實物操作帶來危險等不安定因素，以及由此帶來的高消耗、高支出、環境污染、學生實踐機會少、實際實習效果差等缺陷。

1 鉆井及井控模擬仿真平臺設計

鉆井及井控模擬仿真平臺是一套數字仿真系統，用于模擬鉆井及井控技術，內容豐富，仿真程度高。目前，該平臺所具有的模擬仿真內容主要包括：模擬鉆井過程、井下復雜情況、破裂壓力試驗、井控操作程序(包括鉆進、起下鉆、空井等工況)、壓井過程等。隨著平臺的不斷完善，模擬仿真內容也將不斷更新和擴展。其特點有：①可以模擬最新的盤式剎車電動鉆機；②采用OPTO智能型網絡數據采集模塊、顯示更加穩定、可靠；③采用觸摸屏技術；④數字化儀表顯示；⑤虛擬指重表；⑥維護更加方便、可靠。

鉆井及井控模擬仿真平臺包括電動鉆機的控制操作臺、清輕觸式液晶儀表顯示屏、司鉆儀表板、防噴器控制臺、仿真遠程控制操作臺、阻流遙控操作控制臺、阻流壓井管匯、立管管匯，其結構設計如圖1所示。

圖1 系統結構設計方案

本平臺采用工業控制計算機控制下的分布式智能網絡控制器，把整個平臺(模擬量、開關量、數字量)通過組態軟件下的網絡通信連為一體，充分發揮組態軟件的硬件設備驅動、上位圖形界面顯示和實時數據庫功能。應用用于過程控制的OLE(OLE for Process Control)技術[16]，設計組態軟件和井控仿真模型軟件數據共享和數據交換。圖像顯示系統以二維地層剖面圖形、結合三維動畫和鉆井現場視頻文件(AVI)，根據學生的操作作相應的顯示或播放，并附有聲響系統，使學生達到身臨其境的效果。

2 鉆井及井控模擬仿真平臺硬件系統

2.1 硬件系統結構設計

學生操作信號、儀表顯示信號(模擬量、開關量等)處理采用分布式工業控制模塊美國奧普圖公司OPTO22系列網絡智能數據模塊，與上位機采用網絡通信的結構，由工業組態軟件進行設備驅動。系統整體布局結構如圖2所示。

圖2 硬件結構設計圖

2.2 數據采集和控制設計及硬件組成

數據采集和控制部分的設計包括軟件和硬件兩部分。硬件部分是一套高性能的基于網絡控制的數據采集設備，軟件部分則是通過Opto 22配套的基于PC機的程序設計和人機界面設計軟件所開發的司鉆臺電腦部分的軟儀表及監控界面。硬件設備與PC機通過標準以太網進行數據交換，速度快、可靠性高，很好地解決了多機通信的沖突問題。軟件部分的數據更新速度快，界面美觀，能夠實時或近實時地顯示采集到的各儀表數據和操作數據，很好地滿足了系統的需求。數據采集和控制部分的設計主要包含三方面：實現各平臺數據的采集、存儲、簡單處理和控制；實現操作學生端監控界面(人機界面)的設計；實現數據采集設備與其他數據顯示、處理主機的數據交換。

2.2.1 數據采集部分設計

硬件部分使用的是美國OPTO22公司的SNAP I/O PAC系統。主要由現場的Ultimate I/O控制器獨立進行各種物理量的采集和控制，并通過以太網口與其他主機進行數據的通信。這部分采用標準的以太網技術和協議進行數據交換，能夠實時或接近實時地獲取現場控制器采集的信息并傳輸到上位機。然后上位機使用OPTO22公司提供的軟件ioProject Professional，對采集到的物理量根據需要進行處理或顯示。

在司鉆操作臺中，它將傳統的司鉆控制臺和司鉆儀表臺結合起來；同時里面嵌入了SNAP I/O PAC系統，能夠通過I/O單元采集該控制臺以及其他控制平臺上安裝的開關量和模擬量的狀態，并在屏幕上以數字化儀表的形式實時顯示出來。學生可以通過觸摸屏監控其他平臺，如節流控制箱、防噴器控制裝置等設備的工作狀態，全面掌控整個系統的運行情況。使模擬仿真系統更貼近現場所使用的新型司鉆臺，更加逼真地模擬了鉆井過程。

司鉆控制臺的剎把、各種開關和調速手柄通過相應的傳感器產生模擬操作信號，數據采集裝置把采集到的模擬信號送入計算機，經處理后通過控制模塊進行三維動畫的同步控制。

2.2.2 防噴器司鉆控制臺

采用全尺寸結構設計，功能和配置與現場鉆臺上的防噴器司鉆控制臺完全一致。可實現對環形防噴器、閘板防噴器、節流與壓井管匯開關閥門的開關操作，通過操作信號控制，實現與遠程控制臺的聯動。

2.2.3 防噴器遠程控制臺

采用全尺寸結構設計，所控制的5個對象分別由相應的換向閥操縱，可實現對環形防噴器、閘板防噴器、四通兩翼連接節流與壓井管匯開關閥門的操作，并配有相應的狀態指示燈顯示防噴器的開關狀態。

2.2.4 液動節流控制箱

液動節流控制箱采用全尺寸設計，它是在壓井過程中遠端控制液動節流閥開度的裝置。液控箱面板上裝有立壓表、套壓表、閥位開啟度表、三位四通換向閥、調速閥等。通過遙控節流閥開度大小來控制關井套壓與立壓，從而實施壓井作業。司鉆在鉆臺可直接觀察立壓表與套壓表的變化以及閥位開啟度。

2.2.5 井口防噴器與節流壓井管匯

井口防噴器按一定比例設計加工，采用部分剖開式設計，學生可直接觀察到內部結構和開關動作。節流與壓井管匯結構與現場配置基本一致，配有一個液動節流閥和一個手動節流閥。學生通過對個閥門的操作和軟件系統實現壓井作業訓練操作。

2.2.6 立管管匯

采用雙立管結構，可實現流動管路的設置，觀察個工況下的立壓大小。

2.2.7 參數儀表顯示設計

參數儀表軟件設計主要包括3個部分：系統控制程序的設計、學生端人機界面的設計和數據采集設備與其他主機的通信部分。其中系統控制程序和學生端人機界面采用Opto 22 公司提供的ioProject Professional軟件包進行設計。數據的采集和通信則根據這套PAC系統的網絡分布式結構，由多個主機分時訪問主控制器來實現數據的交換。其中學生機部分的數據通信，由于采用OPTO 22公司的軟件進行設計，可以自動實現與PAC網絡的數據交換；而教師機(包括模型運算部分)C語言需要重新設計其與PAC網絡數據交換的接口程序。如圖3所示。

圖3 鉆井參數顯示儀表

整個系統設計符合工業自動化標準要求，結構簡單、條理清晰、易于維護，每臺操作設備電源獨立分配，信號傳輸距離短，系統對學生操作響應及時，數據采用網絡傳輸，速度快，便于實行多點和遠程監控。

3 鉆井及井控模擬仿真平臺軟件系統

利用模擬仿真軟硬件系統結合，學生可以對鉆井及井控的主要工藝流程進行模擬：包括鉆進過程的模擬操作；鉆進過程中井下復雜情況判斷；起下鉆過程的模擬操作；關井程序的模擬操作；壓井過程的模擬操作；破壓試驗。

軟件系統結構如圖4所示。

圖4 軟件系統結構

系統的工作原理是：司鉆控制臺的剎把、各種開關和調速手柄通過相應的傳感器產生模擬操作信號，數據采集裝置把采集到的模擬信號送入計算機，經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，實現操作與動畫的協調一致。同時在屏幕上進行鉆井儀表和數據的顯示。利用投影儀和音響設備，可以達到較為真實的模擬操作效果。系統運行環境為Windows XP。

3.1 鉆進過程的模擬操作

鉆進過程的模擬操作包括鉆井泵、轉盤和絞車的控制、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。通過上述模擬操作，學生可以掌握鉆井過程的主要操作方法和工藝流程，熟悉目前現場給鉆頭加壓的方法。通過模擬操作畫面上的儀表和參數顯示，可以了解到井下鉆進動態及鉆進過程中的注意事項等，加深了學生對鉆進方法的感性認識，有利于學生在專業課學習過程中對相關知識的理解。鉆進過程的模擬操作畫面如圖5所示。

圖5 鉆進過程的模擬操作畫面

3.2 鉆進過程中井下復雜情況判斷

模擬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參數表現出來，要求學生根據參數變化特征及時判斷出井下發生了何種復雜。圖6為發生井下復雜情況時活動鉆具模擬畫面。

圖6 活動鉆具畫面

3.3 起下鉆過程的模擬操作

模擬起下鉆過程的操作，圖7和圖8分別為起下鉆桿盒起下鉆鋌的模擬操作畫面。

圖7 起下鉆桿模擬操作畫面

圖8 起下鉆鋌模擬操作畫面

3.4 關井程序的模擬操作

模擬操作不同工況下發生溢流后的關井方法和關井步驟，包括：鉆井過程中發生溢流、起下鉆桿時發生溢流、起下鉆鋌時發生溢流、空井時發生溢流——搶下鉆、空井時發生溢流——直接關井。

通過井控模擬仿真操作，學生不但可以掌握不同工況下的關井程序，關井立壓和關井套壓的確定方法。發生井涌時關防噴器畫面如圖9所示。

圖9 發生井涌時關防噴器畫面

3.5 壓井模擬操作

提供了常規和非常規壓井的模擬操作和壓井參數計算，使學生直接體驗壓井過程中利用節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、邊加重邊循環法壓井、直推法壓井、置換法壓井，如圖10，11所示。

圖10 井工程師法壓井模擬

圖11 置換法壓井模擬

4 結 語

鉆井及井控模擬仿真平臺的建成，為鉆井工程的實踐教學增添了新的教學實驗項目和設備，為鉆井方向的學生提供了新的工程實踐手段，是目前提高學生工程實踐能力的重要途徑。該平臺的使用，不但可以激發學生學習的積極性，加深學生對鉆井理論知識的理解和掌握，還可以進行與鉆井現場相似的模擬操作，使學生身臨其境，提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能，達到工程實踐的目的，避免了因現場操作帶來的危險等不安定因素，為學生畢業后盡快適應鉆井現場打下堅實基礎。

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·名人名言·

如果你問一個善于溜冰的人怎樣獲得成功時，他會告訴你：“跌倒了，爬起來。”這就是成功。

——牛頓

Construction of Simulation Platform of Drilling and Well Control

YINBang-tang,LIURui-wen,LIUGang,LINYing-song,ZHANGRui

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580, China)

The Drilling and Well Control Simulation Platform is composed of experimental devices and software system. The drilling, downhole complication judgment, formation fracture pressure test, well control procedure (such as drilling, tripping in and out, empty wells), and the well killing can be simulated. Based on this platform, the studying enthusiasm of students can be stimulated, and the drilling and well control theoretical knowledge can be deeply understood. Also the platform can be operated similarly to the field drilling. Students can be personally on the scene. It can improve the basic skills of drilling and well control and achieve the purpose of engineering practice. And the risks due to the field drilling operations and other unstable factors can be avoided. This platform can help graduation students adapt the field drilling as soon as possible.

engineering practice; drilling; well control; simulation

2015-01-06

中央高校基本科研業務費專項資金資助(14CX02167A)；中國石油大學基金項目(SDYY13096，QYY1406，ZR2014EEQ021)

尹邦堂(1985-)，男，山東青州人，博士，講師，主要從事油氣井工程方向的教學科研工作。

Tel.：18653252815；E-mail：yinbangtang@163.com

TE 28；G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0085-05