= H mix0_Hmix (n)〇
[0158] 其中鉆機(jī)模型氣體膨脹模擬裝置包括與前端硬件設(shè)備及圖形處理單元通信的通 信模塊和鉆機(jī)氣體膨脹模擬模塊，與前端硬件設(shè)備通信是為了實(shí)時(shí)獲得硬件設(shè)備狀態(tài)，然 后在內(nèi)部通過相關(guān)鉆機(jī)氣體膨脹模擬的數(shù)學(xué)模型以模擬鉆機(jī)氣體膨脹過程。
[0159] 其中所述鉆機(jī)模型氣體膨脹模擬裝置包括以下模塊以實(shí)現(xiàn)鉆井氣體膨脹模擬：
[0160] (1)可在操作前進(jìn)行初始化的前端設(shè)備，用于讀取前端設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和操作命 令的通信模塊；其中上述模擬裝置中使用的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)，具體包括運(yùn) 動(dòng)管柱內(nèi)徑屯、運(yùn)動(dòng)管柱外徑屯、井徑D、鉆柱的加速度a鉆柱的單位質(zhì)量^某段鉆柱的長(zhǎng) 度li泥漿密度P、流體黏附系數(shù)K。、時(shí)間步長(zhǎng)At、重力加速度g、單位時(shí)間排開的流體量 Q1;動(dòng)態(tài)參數(shù)包括：剎把產(chǎn)生的摩擦力Fm、管柱提升速度VP、管柱內(nèi)返出的液體量％、提升 鉆柱長(zhǎng)度LP、泥漿泵體積流量QP、環(huán)空平均流速Vi、某段鉆柱密度Pa、鉆柱在井內(nèi)的摩擦力 Fk；
[0161] (2)內(nèi)存有預(yù)先建立的鉆機(jī)氣體膨脹模擬的數(shù)學(xué)模型并用于根據(jù)獲得的設(shè)備狀 態(tài)參數(shù)和操作命令，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)氣體膨脹模擬動(dòng)畫的作業(yè)數(shù)據(jù)的鉆機(jī)氣體膨脹模擬模 塊；其中鉆機(jī)氣體膨脹模擬的數(shù)學(xué)模型包括氣體狀態(tài)模型、氣體溢流重量在環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生的 壓力模型和天然氣壓縮模型；
[0162] (3)鉆機(jī)氣體膨脹模擬模塊按照設(shè)定的第一數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊以交換 初始化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元據(jù)此完成鉆機(jī)溢流的動(dòng)畫展現(xiàn)；其中圖形處理單元 包括全三維實(shí)體模型庫、圖形繪制模塊和視景仿真控制模塊，其中圖形繪制模塊由設(shè)備類 圖形繪制模塊、粒子類圖形繪制模塊、管理類圖形繪制模塊和工藝動(dòng)畫繪制模塊組成，視景 仿真控制模塊由場(chǎng)景初始化模塊、工藝動(dòng)畫控制模塊、碰撞處理模塊、特效渲染模塊和參數(shù) 顯示模塊。
[0163] (4)圖形處理單元按照設(shè)定的第二數(shù)據(jù)格式與鉆機(jī)氣體膨脹模擬模塊通訊，以交 換動(dòng)畫狀態(tài)信息；
[0164] (5)用于重復(fù)執(zhí)行上述操作的模塊。
[0165] 其中鉆機(jī)氣體膨脹模擬的數(shù)學(xué)模型包括氣體狀態(tài)模型、氣體溢流重量在環(huán)空內(nèi)產(chǎn) 生的壓力模型和天然氣壓縮模型，分別如下
[0166] (1)氣體狀態(tài)模型
[0168]式中：
[0169]Ps-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力，千帕
[0170]Vs-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，米3
[0171]Zs-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)
[0172]Ts-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，。K
[0173]P-壓力，千帕
[0174]V-氣體體積，米3
[0175]T-溫度，。K
[0176]Z-在溫度為T，壓力為P的條件下的壓縮系數(shù)
[0177] 只要知道了某時(shí)刻的壓力，溫度以及壓縮系數(shù)，就可以求得此時(shí)的氣體體積。
[0178] 2)、氣體溢流重量在環(huán)空內(nèi)產(chǎn)生的壓力模型
[0179] 根據(jù)氣體在環(huán)空內(nèi)上升過程中氣體重量不變，用氣體狀態(tài)方程求得氣柱在壓井某 時(shí)刻的密度為：
[0181] 式中：PS，Ps，Ts，Zs-分別表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體密度，壓力，溫度及壓縮系數(shù)， Tx-氣體上升到某一時(shí)刻氣柱中點(diǎn)地層溫度，°K
[0182] 則氣柱重量造成的壓力為：
[0184]將氣體高度用氣體體積^(米3)和橫截面積Aa(米3)表示，則：
[0186] 式中慫為氣體所在環(huán)空段的橫截面積，是要變化的；但為了計(jì)算方便，可將Aa的值 取為整個(gè)環(huán)空的平均橫截面積，則氣體重量造成的壓力便是一個(gè)常數(shù)。因這個(gè)壓力的值本 來就是很小的，這樣簡(jiǎn)化處理后引起的誤差可不計(jì)。
[0187] 3)、天然氣壓縮模型
[0188] 引用Kenneth，R.Hall提出的公式經(jīng)簡(jiǎn)化后，得以下計(jì)算公式來求Zjl；:
[0190]式中：

[0194] 上式是一個(gè)隱含格式，其解法為：先假設(shè)一個(gè)初始?jí)嚎s因子&，計(jì)算出匕、I；，再求 出W，最后再計(jì)算出Z，若|Z_ZQ| <e(e是精度，一般取0.0001)，則說明假設(shè)的2。就是所 要求的壓縮因子；若IZ-Zj>e，則說明需要重新假設(shè)&，再計(jì)算Z。直至IZ-ZJ彡e滿 足為止。
[0195] 其中鉆機(jī)模型循環(huán)壓力計(jì)算模擬裝置包括與前端硬件設(shè)備及圖形處理單元通信 的通信模塊和鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模塊，與前端硬件設(shè)備通信是為了實(shí)時(shí)獲得硬件設(shè) 備狀態(tài)，然后在內(nèi)部通過相關(guān)鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬的數(shù)學(xué)模型以模擬鉆機(jī)的循環(huán)壓力過 程。
[0196] 其中所述鉆機(jī)模型循環(huán)壓力計(jì)算模擬裝置包括以下模塊以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)循環(huán)壓力過 程的模擬：
[0197] (1)可在操作前進(jìn)行初始化的前端設(shè)備，用于讀取前端設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和操作命 令的通信模塊；其中上述模擬裝置中使用的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)，具體包括運(yùn) 動(dòng)管柱內(nèi)徑屯、運(yùn)動(dòng)管柱外徑屯、井徑D、鉆柱的加速度a鉆柱的單位質(zhì)量^某段鉆柱的 長(zhǎng)度li泥漿密度P、流體黏附系數(shù)K。、時(shí)間步長(zhǎng)At、重力加速度g、單位時(shí)間排開的流體 量Qt;動(dòng)態(tài)參數(shù)包括：剎把產(chǎn)生的摩擦力Fm、管柱提升速度VP、管柱內(nèi)返出的液體量％、提升 鉆柱長(zhǎng)度LP、泥漿泵體積流量QP、環(huán)空平均流速Vi、某段鉆柱密度Pa、鉆柱在井內(nèi)的摩擦力 Fk；
[0198] (2)內(nèi)存有預(yù)先建立的鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模型并用于根據(jù)獲得的設(shè)備狀態(tài)參 數(shù)和操作命令，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)循環(huán)壓力過程模擬動(dòng)畫的作業(yè)數(shù)據(jù)的鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模 擬模塊；其中鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模型包括鉆頭壓耗模型、鉆桿內(nèi)壓耗模型、鉆桿外環(huán)形 空間壓耗模型、鉆鋌內(nèi)部壓耗模型以及鉆鋌外環(huán)空壓耗模型；
[0199] (3)鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模塊按照設(shè)定的第一數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊以 交換初始化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元據(jù)此完成鉆機(jī)循環(huán)壓力過程的動(dòng)畫展現(xiàn)；其中 圖形處理單元包括全三維實(shí)體模型庫、圖形繪制模塊和視景仿真控制模塊，其中圖形繪制 模塊由設(shè)備類圖形繪制模塊、粒子類圖形繪制模塊、管理類圖形繪制模塊和工藝動(dòng)畫繪制 模塊組成，視景仿真控制模塊由場(chǎng)景初始化模塊、工藝動(dòng)畫控制模塊、碰撞處理模塊、特效 渲染模塊和參數(shù)顯示模塊。
[0200] (4)圖形處理單元按照設(shè)定的第二數(shù)據(jù)格式與鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模塊通訊， 以交換動(dòng)畫狀態(tài)信息；
[0201] (5)用于重復(fù)執(zhí)行上述操作的模塊。
[0202] 其中鉆機(jī)循環(huán)壓力計(jì)算模擬模型包括鉆頭壓耗模型、鉆桿內(nèi)壓耗模型、鉆桿外環(huán) 形空間壓耗模型、鉆鋌內(nèi)部壓耗模型以及鉆鋌外環(huán)空壓耗模型的如下：
[0203] 1)、鉆頭壓耗模型
[0205] 式中：
[0206] Pb-鉆頭壓降，MPa;
[0207] P-泥漿密度，克/厘米3;
[0208] Q-通過鉆頭噴嘴的泥漿排量，升/秒；
[0209] A。一噴嘴出口截面積，厘米2
[0210] C-噴嘴流量系數(shù)（0? 98)
[0211] 2)、鉆桿內(nèi)壓耗模型：
[0213] 式中：
[0214] Px-鉆桿內(nèi)壓耗，Mpa;
[0215] P-泥漿密度，克/厘米3;
[0216] n-泥漿塑性粘度，帕秒；
[0217] d-鉆桿內(nèi)徑，厘米；
[0218] B-常數(shù)，內(nèi)平鉆桿B= 0? 51655
[0219] Q-泥漿流量，升/秒；
[0220] Lp-鉆桿總長(zhǎng)，米。
[0221] 3)、鉆桿外環(huán)形空間壓耗模型
[0223] 式中：
[0224] Pf-鉆桿外環(huán)形空間壓耗，Mpa;
[0225] P-泥漿密度，克/厘米3;
[0226] n-泥漿塑性粘度，帕秒；
[0227] D，Df-井徑和鉆桿外徑，厘米；
[0228] Q-泥漿流量，升/秒；
[0229] Lp-鉆桿總長(zhǎng)，米。
[0230] 4)、鉆鋌內(nèi)部壓耗模型
[0232] 式中：
[0233] Pf-鉆鋌內(nèi)部壓耗，Mpa;
[0234] P-泥漿密度，克/厘米3;
[0235] n-泥漿塑性粘度，帕秒；
[0236] dc-鉆鋌內(nèi)徑，厘米；
[0237] Q-泥漿流量，升/秒；
[0238] Lc-鉆挺總長(zhǎng)度，米。
[0239] 5)、鉆鋌外環(huán)空壓耗模型
[0241] 式中：
[0242] Pf-鉆鋌外環(huán)形空間壓耗，Mpa;
[0243] P-泥漿密度，克/厘米3;
[0244] n-泥漿塑性粘度，帕秒；
[0245] D，Dc-井徑和鉆鋌外徑，厘米；
[0246] Q-泥漿流量，升/秒；
[0247] L。一鉆挺總長(zhǎng)度，米。
[0248] 其中鉆機(jī)模型鉆具提升模擬裝置包括與前端硬件設(shè)備及圖形處理單元通信的通 信模塊和鉆具提升模擬模塊，與前端硬件設(shè)備通信是為了實(shí)時(shí)獲得硬件設(shè)備狀態(tài)，例如在 鉆具提升的模擬中，需要獲得大鉤提升力、鉆柱的加速度、泥漿密度、管柱提升速度和運(yùn)動(dòng) 管柱內(nèi)外徑這些參數(shù)，然后在內(nèi)部通過相關(guān)鉆具提升模擬的數(shù)學(xué)模型以模擬鉆具提升過 程。
[0249] 其中所述鉆機(jī)模型鉆具提升模擬裝置包括以下模塊以實(shí)現(xiàn)鉆具提升模擬：
[0250] (1)用于讀取前端設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和操作命令的通信模塊；其中上述模擬裝置中 使用的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)，具體包括運(yùn)動(dòng)管柱內(nèi)徑屯、運(yùn)動(dòng)管柱外徑屯、井徑 D、鉆柱的加速度a鉆柱的單位質(zhì)量qi某段鉆柱的長(zhǎng)度^泥漿密度P、流體黏附系數(shù)Kc、 時(shí)間步長(zhǎng)△t、重力加速度g、單位時(shí)間排開的流體量Qt;動(dòng)態(tài)參數(shù)包括：剎把產(chǎn)生的摩擦力 Fm、管柱提升速度VP、管柱內(nèi)返出的液體量％、提升鉆柱長(zhǎng)度LP、泥漿泵體積流量QP、環(huán)空平 均流速 '、某段鉆柱密度Pa、鉆柱在井內(nèi)的摩擦力Fk;
[0251] (2)內(nèi)存有預(yù)先建立的鉆具提升模擬模型并用于根據(jù)獲得的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和操作 命令，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)鉆具提升模擬動(dòng)畫的作業(yè)數(shù)據(jù)的鉆機(jī)提升模擬模塊；其中鉆具提升模擬 模型包括起下鉆時(shí)鉆柱受力模型、起下鉆時(shí)提升速度模型；
[0252] (3)鉆機(jī)提升模擬模塊按照設(shè)定的第一數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊以交換初始 化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元據(jù)此完成鉆具提升的動(dòng)畫展現(xiàn)；其中圖形處理單元包括 全三維實(shí)體模型庫、圖形繪制模塊和視景仿真控制模塊，其中圖形繪制模塊由設(shè)備類圖形 繪制模塊、粒子類圖形繪制模塊、管理類圖形繪制模塊和工藝動(dòng)畫繪制模塊組成，視景仿真 控制模塊由場(chǎng)景初始化模塊、工藝動(dòng)畫控制模塊、碰撞處理模塊、特效渲染模塊和參數(shù)顯示 豐旲塊。
[0253] (4)圖形處理單元按照設(shè)定的第二數(shù)據(jù)格式與鉆機(jī)提升模擬模塊通訊，以交換動(dòng) 畫狀態(tài)信息；
[0254] (5)用于重復(fù)執(zhí)行上述操作的模塊。
[0255] 其中鉆具提升模擬模型包括起下鉆時(shí)鉆柱受力模型、起下鉆時(shí)提升速度模型，其 中上述下鉆時(shí)鉆柱受力模型、起下鉆時(shí)提升速度模型分別為：
[0256] 1)、起下鉆時(shí)鉆柱受力模型
[0257] 起鉆：
[0261] 式中：
[0262] F-大鉤提升力牛頓
[0263] F^-剎把產(chǎn)生的摩擦力（或制動(dòng)力）牛頓 [0264]Ff-浮力牛頓
[0265] Ff=P(Eq山）Pa
[0266] a-鉆柱的加速度米/秒2
[0267] qi-鉆柱的單位質(zhì)量千克/米
[0268] 1廠_某段鉆柱的長(zhǎng)度米
[0269] P-泥漿密度克/厘米3
[0270] P a-某段鉆柱密度克/厘米3
[0271] Fk-鉆柱在井內(nèi)的摩擦力牛頓
[0272] g-重力加速度米/秒2
[0273] 2)、起下鉆時(shí)提升速度模型
[0274] Vpt(i) =Vpt(i-1)+aAt
[0275] 式中：
[0276] At-計(jì)算時(shí)取時(shí)間步長(zhǎng)，秒
[0277] Vpt⑴一t⑴時(shí)刻鉆柱速度，米/秒。
[0278] 其中鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬裝置包括與前端硬件設(shè)備及圖形處理單元 通信的通信模塊和鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬模塊，與前端硬件設(shè)備通信是為了實(shí) 時(shí)獲得硬件設(shè)備狀態(tài)，然后在內(nèi)部通過相關(guān)鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬的數(shù)學(xué)模型 以模擬鉆機(jī)井架/底座的起升/下放過程。
[0279] 其中所述鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬裝置包括以下模塊以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架/ 底座的起升/下放過程模擬：
[0280] (1)用于讀取前端設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)和操作命令的通信模塊；其中上述模擬裝置中 使用的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)，具體包括運(yùn)動(dòng)管柱內(nèi)徑屯、運(yùn)動(dòng)管柱外徑屯、井徑 D、鉆柱的加速度a鉆柱的單位質(zhì)量qi某段鉆柱的長(zhǎng)度^泥漿密度P、流體黏附系數(shù)Kc、 時(shí)間步長(zhǎng)△t、重力加速度g、單位時(shí)間排開的流體量Qt;動(dòng)態(tài)參數(shù)包括：剎把產(chǎn)生的摩擦力 Fm、管柱提升速度VP、管柱內(nèi)返出的液體量％、提升鉆柱長(zhǎng)度LP、泥漿泵體積流量QP、環(huán)空平 均流速 '、某段鉆柱密度Pa、鉆柱在井內(nèi)的摩擦力Fk;
[0281] (2)內(nèi)存有預(yù)先建立的鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬的數(shù)學(xué)模型并用于根據(jù) 獲得的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和操作命令，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬動(dòng)畫的作 業(yè)數(shù)據(jù)的鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬模塊；其中鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬 的數(shù)學(xué)模型包括井架起升下放模型；
[0282] (3)鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬模塊按照設(shè)定的第一數(shù)據(jù)格式與圖形處理 單元通訊以交換初始化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元據(jù)此完成鉆機(jī)井架/底座的起升/ 下放的動(dòng)畫展現(xiàn)；其中圖形處理單元包括全三維實(shí)體模型庫、圖形繪制模塊和視景仿真控 制模塊，其中圖形繪制模塊由設(shè)備類圖形繪制模塊、粒子類圖形繪制模塊、管理類圖形繪制 模塊和工藝動(dòng)畫繪制模塊組成，視景仿真控制模塊由場(chǎng)景初始化模塊、工藝動(dòng)畫控制模塊、 碰撞處理模塊、特效渲染模塊和參數(shù)顯示模塊。
[0283] (4)圖形處理單元按照設(shè)定的第二數(shù)據(jù)格式與鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬 模塊通訊，以交換動(dòng)畫狀態(tài)信息；
[0284] (5)用于重復(fù)執(zhí)行上述操作的模塊。
[0285] 鉆機(jī)井架/底座的起升/下放模擬的數(shù)學(xué)模型包括井架起升下放模型，具體為：井 架起升下放模型：
[0286] 井架起升受力分析：井架起升時(shí)，整體繞底部鉸支點(diǎn)0旋轉(zhuǎn)上升，總體受力分析如 下：
[0287] 2F? (b~c)+P?a=G:?L:?cos(a+a+G2?L2?cos(a+a2)
[0288]式中：
[0289]a-為快繩拉力對(duì)旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)0的力臂
[0290]b、c-分別為人字架滑輪兩側(cè)起升大繩拉力對(duì)支點(diǎn)0的力臂
[0291]LpL2-井架重心與天車重心到支點(diǎn)0的距離
[0292] a --為井架起升角度（〇~90度）
[0293] a為井架重心與支點(diǎn)〇連線與井架下方輪廓線的夾角
[0294]a2-為天車重心與支點(diǎn)0連線與井架下方輪廓線的夾角
[0295]Gf-為井架自重
[0296] G2-為天車自重
[0297]P-為快繩拉力
[0298]F-為起升大繩拉力
[0299] ①計(jì)算力臂b與起升角a的關(guān)系式：其中將起升裝置簡(jiǎn)化為一平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，人 字架滑輪簡(jiǎn)化為一定點(diǎn)。
[0301]式中：<