液壓緩沖裝置等組成，底座采用平行四邊形機構(gòu)的運動原理，從而實現(xiàn)了高臺面設(shè)備的低 位安裝。采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位整體起升到工作位置。底座主體分為 上、中、下三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底 座基座部分，由左前基座與左后基座、右前基座與右后基座分別用銷子連接成左、右兩個部 分。左、右兩個部分之間的連接構(gòu)件有連接梁、連接架和斜撐等。中間層為支撐部分，位于 上、下層之間，起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后 立柱、斜立柱等組成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿及后腿兩部分組成，起升大繩的 一端固定在人字架后腿上，人字架在整個底座起升的過程中起到支撐的作用。起升大繩兩 端裝有套環(huán)，另有參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿上。
[0105] 為實現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機井架/底座模型安裝的一定的保護裝置， 包括鉆機井架天車防碰裝置、防鉆機井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機 底座過度起升裝置、防鉆機底座過度下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置。為實現(xiàn)井架/底 座的起升和下放并受控于司鉆臺，系統(tǒng)采用步進電機來實現(xiàn)絞車功能。
[0106] 更詳細地，本實用新型還包括這些內(nèi)容：陸地鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)包括：司鉆 操作臺、鉆機模型、教師操作臺及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)。
[0107] 司鉆操作臺包括機箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計算機，所述的機箱的正面設(shè)有司鉆操 作臺正面控制面板，機箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺側(cè)面控制面板，機箱的另一個側(cè)面設(shè) 有頂驅(qū)機械控制面板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆操作臺正面控制面板上設(shè)置 有電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻 尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開 關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及 緊急制動開關(guān)；還包括顯示表組，其中所述顯示表組包括氣源壓力表、冷卻水壓表、絞車油 壓表、轉(zhuǎn)盤油壓表、轉(zhuǎn)盤扭矩表、栗壓表、吊鉗扭矩表、左鉗壓力表、右鉗扭矩表、安全鉗壓力 表、貓頭壓力表、鉆井扭矩表、轉(zhuǎn)速表、指重表、轉(zhuǎn)盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表，； 司鉆臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、 PLC/旁路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿 栗開關(guān)、2號泥漿栗開關(guān)、3號泥漿栗開關(guān)、低壓報警器開關(guān)；
[0108] 司鉆操作臺的內(nèi)部控制板包括司鉆操作臺第一可編程控制器PLCl和第二可編程 控制器PLC2,上述可編程控制器PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進行通信，其中 第一可編程控制器PLCl的CPU模塊通過A/D模塊分別與電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開關(guān)、 防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒離 合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開 關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)連接，通過PLC的開關(guān) 量輸入端口分別與指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路開 關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿栗開關(guān)、2號 泥漿栗開關(guān)、3號泥漿栗開關(guān)、低壓報警器開關(guān)進行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上的各 個開關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制，泥漿栗的調(diào)速控制；同時采集 絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤離合器位置、轉(zhuǎn)盤檔位、栗調(diào)節(jié)器位置、柴油機功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過PLC 的控制使得司鉆操作臺實現(xiàn)對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對泥漿栗的 調(diào)速控制。
[0109] 其中頂驅(qū)機械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕、吊環(huán) 回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓栗開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開 關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開關(guān)；緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸 伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過A/D模塊分別與急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓栗開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進行連接以實現(xiàn)對頂驅(qū)進行控制。
[0110] 其中緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液 缸伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過A/D模塊分別與左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸伸出/縮回控制手 柄連接以對緩沖液缸進行控制。
[0111] 參數(shù)計算機作為分布式的上位機完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計算機和 圖形計算機完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各臺計算機通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺和鉆機模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由SIEMENS S7-200PLC完成， 并連接構(gòu)成西門子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計 算機具有完成從PLC獲取前端硬件信息后，將信息發(fā)送給主控計算機的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計算機發(fā)送過來的信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0112] 鉆機模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制機。其中 井架為前開口型井架，由主體、人字架及附件組成，附件主要有二層臺、死繩穩(wěn)定器、籠梯。 井架主體由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背橫梁、斜拉桿、連接 架組成一個前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個卡銷完成。人字架是由左、右前 腿，左、右后腿及橫梁等組成的門形結(jié)構(gòu)，用來起放和支靠井架。起升裝置由起升大繩、高支 架、低支架和游車大鉤支架組成。井架采用人字架起升方式，依靠鉆臺面絞車的動力，通過 快繩、大鉤拉動起升大繩，實現(xiàn)井架起升，井架起升時為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時下放井架時又能使井架重心前移，從而依靠井架本身自重下落，在人字架上設(shè)有緩 沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實現(xiàn)。
[0113] 井架核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 操作按鈕對應(yīng)的物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各 PLC模塊進行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0114] 底座模型包括底座和底座核心控制機，其中底座主要由底座主體、起升裝置、液壓 緩沖裝置組成，底座采用平行四邊形機構(gòu)的運動原理，從而實現(xiàn)了高臺面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位整體起升到工作位置。底座主體分為上、中、下 三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部 分，由左如基座與左后基座、右如基座與右后基座分別用銷子連接成左、右兩個部分。左、右 兩個部分之間的連接構(gòu)件有連接梁、連接架和斜撐。中間層為支撐部分，位于上、下層之間， 起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱組 成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿及后腿兩部分組成，起升大繩的一端固定在人字 架后腿上，人字架在整個底座起升的過程中起到支撐的作用。起升大繩兩端裝有套環(huán)，另有 參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿上。所述鉆井模型還包括防護裝置組，其中防護裝 置組包括實現(xiàn)鉆機井架天車防碰功能的鉆機井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度起升 功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝 置、實現(xiàn)防鉆機底座過度起升功能的防鉆機底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機底座過度下放 功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝 置。
[0115] 底座核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 各個物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各PLC模塊進 行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺之間的 通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0116] 為實現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機井架底座模型安裝的一定的保護裝置，包 括鉆機井架天車防碰裝置、防鉆機井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機底 座過度起升裝置、防鉆機底座過度下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置。為實現(xiàn)井架底座的 起升和下放并受控于司鉆操作臺，系統(tǒng)采用步進電機來實現(xiàn)絞車功能。
[0117] 陸地鉆機安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計算機必須持續(xù)不斷的與前端硬件進行 通信，以獲取前端的設(shè)備狀態(tài)，也就是獲取培訓(xùn)學(xué)員的操作過程；實時獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過主控計算機處理，驅(qū)動圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動畫過程；同時， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對如旋鈕，手柄，腳油門等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場操作觸感。
[0118] 在模型中，所有數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定，都基于以下假設(shè)：
[0119] 1)、鉆井液環(huán)空攜巖能力Lc彡0. 5 ;環(huán)空鉆肩濃度Ca < 0. 09 ;環(huán)空流態(tài)穩(wěn)定參數(shù) 值Z <井眼穩(wěn)定值Z值。
[0120] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計可鉆性的基礎(chǔ)上的，它反映了不均質(zhì)地 層可鉆性的宏觀規(guī)律。同時假設(shè)影響鉆速的鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水力參數(shù)、鉆井液密度差 與地層宏觀性等這些單因素是互不影響的獨立變量的基礎(chǔ)上建立起來的函數(shù)關(guān)系。
[0121] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時，單位時間內(nèi)進入環(huán)空的泥漿和氣體形成的混氣泥漿是均 勻混合的。在這種假設(shè)下，我們可以將單位體積的混和泥漿中的氣體含量看成是相等的。
[0122] 4)、發(fā)現(xiàn)溢流后，應(yīng)及時停栗關(guān)井。在井內(nèi)壓力平衡前，地層氣體仍然會不斷地進 入井內(nèi)。因此，假設(shè)從停栗關(guān)井到關(guān)井穩(wěn)定這段時間內(nèi)，井內(nèi)形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
[0123] 5)、氣體從地層中進入井筒符合達西定律。
[0124] 6)、若進入井內(nèi)的溢流為氣體，則假設(shè)氣體溢流在環(huán)空內(nèi)上升時要膨脹，其膨脹過 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。
[0125] 7)、假設(shè)井內(nèi)的地溫梯度為一常數(shù)，則：
[0126] 井底溫度=地溫梯度X井深+井口溫度。
[0127] 由于本模型主要用于模擬培訓(xùn)，因此，在計算時間、計算精度和和準(zhǔn)確度發(fā)生沖突 時，原則上以保時間為主，而將過分復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進行了適當(dāng)簡化，但保證定性方面的準(zhǔn) 確性。
[0128] (一）鉆進過程模型
[0129] 1)、鉆速方程
[0131] 式中：
[0132] &-鉆壓指數(shù)（〇 = 0.5366 + 0.1993心）
[0133] b-轉(zhuǎn)速指數(shù)（Z) = 0.9250 - 0.0375心）
[0134] C-地層壓力指數(shù)（C = 0.7011-0.056的）
[0135] d-鉆井液密度差系數(shù)（= 〇.9767~ -7.2703 )
[0136] kd-地層統(tǒng)計可鉆性（kd= 0· 00165H+0. 635)
[0137] W-比鉆壓（KN/mm)
[0138] N-轉(zhuǎn)速（rpm)
[0139] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0140] P 實際或設(shè)計泥漿密度（g/cm3)
[0141 ] P p-地層壓力當(dāng)量密度（g/cm3)
[0142] V-機械鉆速（m/h)
[0143] 2)、有效鉆頭比水功率的計算
[0145] 式中：
[0146] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0147] P 實際或設(shè)計泥漿密度（g/cm3)
[0148] Q-排量，升/秒
[0149] Db-鉆頭直徑，厘米
[0150] 尤一噴嘴當(dāng)量直徑，厘米
[0152] (二）溢流模型
[0153] 1)、溢流過程模擬
[0154] 發(fā)生溢流時，從地層中進入井筒內(nèi)的氣體量增加，井底壓力將不斷減小，氣體進入 速度將不斷增加，該過程中所有參數(shù)的變化都是時間的連續(xù)函數(shù)。為此，假如在一個相當(dāng)小 的時間間隔At內(nèi)，進氣量滿足二次線性方程。
[0155] (1)氣體流量計算
[0157] 式中：
[0158] Qgs-對應(yīng)于Pb的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體滲流量，米3/秒
[0159] PP，Pb-地層、井底有效壓力，千帕
[0160] C-滲流系數(shù)，米3/千帕?秒（0. 2)
[0161] 在j時刻At時間內(nèi)：
[0162] (2)每段混合物長度 Δ Hmix(j) (j = 1，2, 3，......n_l)
[0163] Δ HmiX(j) = {Q[P (j)-P(j 1：)]+UjQgs(j) In [P(j)/P(j 1：)]} / (g P Q)
[0164] 式中：
[0165] Q-泥漿排量，米3/秒
[0167] Ρω__第j段混合物底部壓力，千帕
[0168] P(j D-第j段混合物頂部壓力，千帕
[0169] P -泥漿密度，克/厘米3
[0170] g-重力加速度，米/秒2
[0171] (3)環(huán)空混合物總長度
[0173] (4)井內(nèi)溢流量
[0175] (5)每段混合物密度確定
[0177] 式中：
[0178] -混合物中泥漿體積分量，
[0179] Aa-該溢流段環(huán)空橫截面積，毫米2
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