本發(fā)明屬于教學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)演示裝置，尤其涉及一種定向鉆井模擬教學(xué)演示裝置，特別是涉及一種實(shí)驗(yàn)室和教室用的定向鉆井教學(xué)模擬演示裝置。

背景技術(shù)：

使井身沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的方向和軌跡鉆達(dá)目的層的鉆井工藝方法，稱為定向鉆井，一般指斜向鉆井和水平鉆井。定向鉆井可廣泛應(yīng)用于斜向鉆井、水平鉆井和對(duì)接鉆井。對(duì)接鉆井技術(shù)主要是指采用定向鉆井技術(shù)和水平對(duì)接鉆井技術(shù)，使地面相距數(shù)百米的兩井，在地下數(shù)百米的目的礦層直接采用鉆井方法實(shí)現(xiàn)兩井連通。隨著勘探開發(fā)的不斷深入，定向鉆井技術(shù)得到了快速發(fā)展，同時(shí)要求水平井水平段延伸更長(zhǎng)、鉆進(jìn)速度更快和井筒更加光滑，以降低作業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)油氣資源的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。目前，定向鉆井技術(shù)主要掌握在國(guó)外公司的手中，我國(guó)在定向鉆井技術(shù)方面與國(guó)外公司相比還有很大的差距。國(guó)外油田服務(wù)公司和石油公司正在通過(guò)改進(jìn)工具設(shè)計(jì)、提高工具性能和可靠性以及優(yōu)化鉆井作業(yè)模式等方面展開提高定向鉆井的質(zhì)量和效率研究，并在井下數(shù)據(jù)獲取與傳輸、井眼軌跡控制技術(shù)、定向鉆井配套技術(shù)等方面保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

為了更好地跟蹤和研究定向井技術(shù)，國(guó)內(nèi)相關(guān)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都設(shè)置了相關(guān)課程。但是國(guó)內(nèi)的課程還是停留在傳統(tǒng)的教學(xué)模式階段，而對(duì)于定向鉆井技術(shù)這種與實(shí)際結(jié)合緊密的課程來(lái)說(shuō)，僅僅靠書本和圖片等教學(xué)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，導(dǎo)致學(xué)生缺少對(duì)實(shí)際設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作情況的清晰認(rèn)識(shí)，更沒(méi)有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)，造成學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收效率比較低，以及畢業(yè)后動(dòng)手操作能力較差等諸多問(wèn)題。

為了解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中存著的諸多問(wèn)題，特別是與實(shí)際聯(lián)系緊密的學(xué)科中存著的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)也開發(fā)了一些模擬教學(xué)裝置，例如公開號(hào)為cn106652752a的專利申請(qǐng)中公開了一種石油鉆采機(jī)械實(shí)驗(yàn)演示裝置，該裝置主要是通過(guò)齒輪傳動(dòng)裝置演示了抽油機(jī)、鉆機(jī)絞車、鉆井泵的減速箱和變速箱工作原理，圓錐齒輪機(jī)構(gòu)主要演示了鉆井鉆盤工作部分工作原理，曲軸搖桿機(jī)構(gòu)演示了鉆井泵的工作部分工作原理，滾筒、鋼絲繩和滑輪等機(jī)構(gòu)演示了鉆井時(shí)鉆機(jī)鉆桿起升環(huán)節(jié)等等。專利號(hào)為cn105023501a的專利中公開了一種石油鉆井實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、鉆井設(shè)備模型平臺(tái)，鉆井設(shè)備模型平臺(tái)坐落在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，在鉆井設(shè)備模型平臺(tái)上下布置鉆井設(shè)備模型，鉆井設(shè)備模型包括井架、天車、游車、方鉆桿、頂驅(qū)，以及設(shè)置在鉆井平臺(tái)下部的井控系統(tǒng)等，該平臺(tái)能夠免除實(shí)習(xí)教育認(rèn)識(shí)不充分，實(shí)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)和費(fèi)用高等問(wèn)題，提高了實(shí)習(xí)操作訓(xùn)練效率。專利公開號(hào)為cn101719332a的專利中公開了一種全三維實(shí)時(shí)鉆井模擬的方法，該方法主要通過(guò)采用三維動(dòng)畫建模方法建立三維鉆井圖形實(shí)體模型、專門設(shè)置的圖形處理器、視景仿真控制程序等，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)參照鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作流程，對(duì)鉆井工藝過(guò)程和操作方法進(jìn)行逼真模擬，生成了高質(zhì)量圖形動(dòng)畫，用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)操作人員和在校學(xué)生培訓(xùn)，提高了培訓(xùn)效果，降低了培訓(xùn)成本。

雖然現(xiàn)有技術(shù)中有涉及鉆井的模擬裝置，取得了一定的效果，但是現(xiàn)有技術(shù)中主要是對(duì)鉆井裝置的地面設(shè)備進(jìn)行模擬，缺少對(duì)整個(gè)鉆井過(guò)程的模擬，特別是缺少定性鉆井工藝的模擬演示裝置。特別的，現(xiàn)有的模擬系統(tǒng)均為基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的模擬系統(tǒng)，僅能展現(xiàn)各組成部件隨著時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡，而在較為復(fù)雜的地層中，鉆頭以及鉆桿受到的外力經(jīng)常會(huì)影響鉆井的質(zhì)量，關(guān)于鉆井工業(yè)中地下的動(dòng)力學(xué)演示和教學(xué)裝置長(zhǎng)期以來(lái)是業(yè)內(nèi)未注意到的內(nèi)容，而定向鉆井工業(yè)作為鉆井技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)，對(duì)整個(gè)石油工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。因此，如何提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生的理性認(rèn)識(shí)，特別是增強(qiáng)學(xué)生參與感，避免學(xué)生動(dòng)手能力差等問(wèn)題是現(xiàn)實(shí)教學(xué)中迫切需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠模擬鉆井全景的鉆井教學(xué)模擬演示裝置，特別是模擬定向鉆井的模擬演示裝置。所述模擬演示裝置包括井架、鉆井驅(qū)動(dòng)裝置、鉆桿、井下鉆具控制裝置、透明沙箱、地層參數(shù)模擬裝置以及計(jì)算機(jī)控制裝置，所述計(jì)算機(jī)控制裝置包括通信模塊、主動(dòng)控制模塊、自動(dòng)控制模塊和評(píng)價(jià)模塊，所述主動(dòng)控制模塊能夠根據(jù)預(yù)定的地層參數(shù)和地層靶向區(qū)域位置由人工設(shè)定或者由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的計(jì)算程序自動(dòng)設(shè)定具體的控制參數(shù)，所述自動(dòng)控制模塊能夠利用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量鉆具的鉆進(jìn)速度和鉆井軌跡，然后根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算鉆具的鉆進(jìn)方向和方位，并與預(yù)先設(shè)定的鉆進(jìn)方向和方位進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)鉆井軌跡進(jìn)行修正。

優(yōu)選地，所述井下鉆具控制裝置包括鉆具驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)接收裝置、傳感器裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，其中所述鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置包括鉆頭方位控制裝置，所述鉆頭方位控制裝置包括液壓支出機(jī)構(gòu)和與液壓支出機(jī)構(gòu)連接的內(nèi)嵌有可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼球的球座。

優(yōu)選地，所述鉆頭方位控制裝置包括至少三組液壓支出機(jī)構(gòu)和與液壓支出機(jī)構(gòu)連接的內(nèi)嵌有可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼球的球座，其中每組都可以在計(jì)算機(jī)控制裝置的控制下在收縮位置和伸展位置之間運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述地層參數(shù)模擬裝置包括地層參數(shù)設(shè)定裝置和信號(hào)發(fā)射裝置，井下鉆具控制裝置包括鉆具驅(qū)動(dòng)裝置、信號(hào)接收裝置、傳感器裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，所述透明沙箱用于方便觀察鉆具在沙箱中的運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述井架為通用井架的比例模型，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和教室的條件來(lái)設(shè)定井架的比例，例如可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室或教室的空間，或者參考該模型為固定模型或是可移動(dòng)模型來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

優(yōu)選地，所述鉆井驅(qū)動(dòng)裝置包括頂驅(qū)系統(tǒng)等鉆具驅(qū)動(dòng)裝置。所述鉆桿為按照常規(guī)鉆桿的一定比例的具有一定的強(qiáng)度和柔韌性的金屬或塑料材料制成，其具體比例和長(zhǎng)度可以根據(jù)具體需要來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

優(yōu)選地，所述井下鉆具組件可以包括可以用于定向鉆井的任何底部鉆具組合。鉆具驅(qū)動(dòng)裝置包括電動(dòng)或液壓動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置，例如井下鉆井馬達(dá)、渦輪鉆具或其他的井下鉆井工具。

信號(hào)接收裝置包括用于接收地層參數(shù)模擬裝置發(fā)射的信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)控制裝置。

傳感器裝置包括鉆具速度傳感器、鉆具方位傳感器等用于控制鉆具鉆速和方位的傳感器。

鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置包括控制鉆具鉆速，以及調(diào)節(jié)鉆具運(yùn)動(dòng)方向和方位的控制裝置，主要用于控制鉆具在地層中的運(yùn)動(dòng)。

所述沙箱為透明沙箱，主要用于方便學(xué)員觀察鉆具在沙箱中的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)控制鉆具運(yùn)動(dòng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。沙箱的箱體可以用透明的加厚玻璃或透明塑料制造，沙箱中的物質(zhì)可以為便于觀察鉆具在沙箱中運(yùn)動(dòng)的可以模擬地層的任何透明的物質(zhì)，例如添加粘結(jié)劑的透明塑料粒，或者凝固后的透明的凝膠等。

所述地層參數(shù)模擬裝置包括地層參數(shù)設(shè)定裝置和信號(hào)發(fā)射裝置，其中所述地層參數(shù)設(shè)定裝置用于設(shè)定地層的參數(shù)，所述地層參數(shù)包括影響鉆具鉆進(jìn)的各種地層參數(shù)，例如巖石的強(qiáng)度、地層溫度、地層壓力等地層參數(shù)。所述信號(hào)發(fā)射裝置包括位于沙箱中的信號(hào)發(fā)射器，所述信號(hào)發(fā)射器用于將設(shè)置的地層參數(shù)信號(hào)發(fā)射給的鉆具驅(qū)動(dòng)裝置上的信號(hào)接收裝置。

優(yōu)選地，所述演示裝置包括動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊，所述動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊根據(jù)底層參數(shù)設(shè)定裝置給出的參數(shù)，計(jì)算出鉆頭和鉆桿在該參數(shù)下的受力，并根據(jù)受力情況模擬鉆頭和鉆桿的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)受力情況改變時(shí)，模擬出該受力情況下的阻力變化和進(jìn)尺速度、進(jìn)尺深度變化，相應(yīng)的，鉆頭和鉆桿的進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速同步變化。同時(shí)，提示操作人員根據(jù)巖層的變化調(diào)整鉆具驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使之適應(yīng)當(dāng)前由于巖層變化而引起受力狀態(tài)變化，設(shè)定正確參數(shù)后方可繼續(xù)進(jìn)行鉆井演示。

所述計(jì)算機(jī)控制裝置包括通信模塊、主動(dòng)控制模塊、自動(dòng)控制模塊和評(píng)價(jià)模塊，所述通信模塊用于接收包括傳感器裝置和信號(hào)接收裝置發(fā)送的信號(hào)，所述主動(dòng)控制模塊能夠根據(jù)地層參數(shù)和地層靶向區(qū)域設(shè)定具體的控制參數(shù)并控制鉆具驅(qū)動(dòng)裝置的工作，所述自動(dòng)控制模塊能夠根據(jù)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)修正井下鉆具的工作，所述評(píng)價(jià)模塊能夠?qū)W(xué)員的具體操作與系統(tǒng)設(shè)定操作進(jìn)行比對(duì)，并且給出評(píng)價(jià)結(jié)果。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的定向鉆井教學(xué)模擬演示裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制裝置的控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

圖1為本發(fā)明的用于實(shí)驗(yàn)室和教室的定向鉆井教學(xué)模擬演示裝置，所述模擬演示裝置包括井架1，鉆井驅(qū)動(dòng)裝置2，鉆桿3，井下鉆具控制裝置、透明沙箱4，地層參數(shù)模擬裝置和計(jì)算機(jī)控制裝置8。

所述井架為通用井架的比例模型，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和教室的條件來(lái)設(shè)定井架的比例，例如可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室或教室的空間，或者參考該模型為固定模型或是可移動(dòng)模型來(lái)進(jìn)行設(shè)定。所述模型的材質(zhì)可以為任何滿足強(qiáng)度需要的材料，例如可以采用金屬或強(qiáng)度較高的塑料材料制備。所述井架包括底座，優(yōu)選地，所述底座為長(zhǎng)方形，并且底座的尺寸大于井架底部的尺寸，以便將井架固定在底座上。在長(zhǎng)方形底座的中間偏向長(zhǎng)方形一端的位置設(shè)置有圓形通孔，以便鉆桿及附件可以通過(guò)。根據(jù)材質(zhì)的不同，所述井架可以通過(guò)粘接、焊接或螺釘?shù)裙潭ǚ绞焦潭ㄔ诘鬃?。?yōu)選地，所述底座可以包括支腳，支腳的數(shù)量可以為4至9個(gè)，優(yōu)選的，所述支腳的數(shù)量為6個(gè)。所述支腳固定在沙箱蓋體上，支腳的固定方式同樣可以采用粘接、焊接或螺釘固定的方式固定在沙箱蓋體上。

鉆桿驅(qū)動(dòng)裝置可以為驅(qū)動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置或液壓驅(qū)動(dòng)裝置。優(yōu)選地，可以為電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置。優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)裝置為電動(dòng)機(jī)，所述電動(dòng)機(jī)可以為電池驅(qū)動(dòng)或者照明電源驅(qū)動(dòng)。

所述鉆桿為金屬桿制成，特別是具有一定強(qiáng)度和柔韌性的金屬桿構(gòu)成。優(yōu)選地，所述鉆桿從上到下可包括可伸縮短節(jié)、鉆桿驅(qū)動(dòng)短節(jié)和井下鉆具組合短節(jié)。所述可伸縮短節(jié)可以在鉆桿縱向上伸縮運(yùn)動(dòng)，從而可以為鉆頭的鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)提供支撐。所述可伸縮短節(jié)與計(jì)算機(jī)控制裝置連接，從而可以由計(jì)算機(jī)控制裝置對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制，從而控制可伸縮短節(jié)的伸縮運(yùn)動(dòng)。所述鉆桿驅(qū)動(dòng)短節(jié)包括方鉆桿，所述鉆桿驅(qū)動(dòng)裝置連接在井架上，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)盤之間的傳動(dòng)，可以采用齒輪傳動(dòng)的方式傳動(dòng)。轉(zhuǎn)盤為中間開有方形通孔的轉(zhuǎn)盤，驅(qū)動(dòng)短節(jié)的方鉆桿的尺寸與轉(zhuǎn)盤方形通孔的尺寸相適應(yīng)，并穿過(guò)轉(zhuǎn)盤中間的方形通孔，從而驅(qū)動(dòng)方鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步地驅(qū)動(dòng)整個(gè)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

井下鉆具組合短節(jié)位于鉆頭13后部，井下鉆具控制裝置位于井下鉆具組合短節(jié)內(nèi)，用于精確控制鉆井的方向和方位等。井下鉆具控制裝置為定向鉆井的核心部件之一，能夠精確控制鉆頭方向和方位，從而控制鉆井軌跡的重要裝置。井下鉆具控制裝置包括井下鉆具組件、鉆具驅(qū)動(dòng)裝置12、信號(hào)接收裝置15、傳感器裝置14和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置11。所述信號(hào)接收裝置位于短節(jié)內(nèi)遠(yuǎn)離鉆頭的一端，所述信號(hào)接收裝置用于接收地層參數(shù)模擬裝置中第一信號(hào)發(fā)射裝置和第二信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出的信號(hào)，并將接收到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)控制裝置。所述第一信號(hào)發(fā)射裝置、第二信號(hào)發(fā)射裝置以及信號(hào)接收裝置為能夠在地下一定距離內(nèi)發(fā)送和接收信號(hào)的裝置，優(yōu)選地，所述第一信號(hào)發(fā)射裝置、第二信號(hào)發(fā)射裝置以及信號(hào)接收裝置為無(wú)線電信號(hào)發(fā)射和接收裝置。

所述傳感器裝置14緊鄰信號(hào)接收裝置并位于信號(hào)接收裝置15的前方。此處的前方是指鉆頭在地層中鉆進(jìn)的方向。所述傳感器裝置中設(shè)置有用于測(cè)量鉆具鉆速和方位的傳感器裝置，優(yōu)選地，所述傳感器包括三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，所述傳感器采用x,y,z三軸正交安裝，在每個(gè)軸上，三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的軸方向保持平行。三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀分別將測(cè)試得到的數(shù)據(jù)時(shí)刻傳送到計(jì)算機(jī)控制裝置，然后計(jì)算機(jī)控制裝置對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若鉆頭偏離了預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，則計(jì)算機(jī)控制裝置通過(guò)計(jì)算給出修正指令，然后將修正鉆頭運(yùn)動(dòng)的控制指令輸送給鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，對(duì)鉆頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整和矯正。

鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置緊鄰傳感器裝置并位于傳感器裝置的前方，鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置主要控制鉆頭運(yùn)動(dòng)以及鉆頭鉆進(jìn)的方位。鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置包括精確調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的鉆頭驅(qū)動(dòng)控制裝置以及控制鉆頭運(yùn)動(dòng)方位的鉆頭方位控制裝置。所述鉆頭驅(qū)動(dòng)控制裝置主要控制驅(qū)動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，鉆頭驅(qū)動(dòng)控制裝置與計(jì)算機(jī)控制裝置連接并能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)控制裝置的指令控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。鉆頭方位控制裝置優(yōu)選采用液壓控制裝置，優(yōu)選地，鉆頭方位控制裝置主要包括設(shè)置在井下鉆具組合短節(jié)內(nèi)的三個(gè)液壓支出機(jī)構(gòu)，三個(gè)嵌在球座內(nèi)的可自由滾動(dòng)的鋼球。所述液壓支出機(jī)構(gòu)與球座連接，其能夠根據(jù)計(jì)算機(jī)控制裝置的指令，在需要的情況下，推動(dòng)球座沿井下鉆具組合短節(jié)徑向向外運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)控制裝置能夠獨(dú)立地精確控制每個(gè)液壓支出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離，從而精確控制鉆具的運(yùn)動(dòng)方位。在收縮位置時(shí)，所述球座和鋼球位于均勻設(shè)置在井下鉆具組合短節(jié)上的三個(gè)圓柱形的孔洞中，三個(gè)鋼球的徑向最外側(cè)不高于井下鉆具組合短節(jié)的外徑表面，也就是說(shuō)在收縮位置時(shí)，球座和鋼球隱藏在圓柱形孔洞中。當(dāng)處于伸展位置時(shí)，位于球座底部的液壓支出機(jī)構(gòu)推動(dòng)球座沿井下鉆具組合短節(jié)的徑向向外運(yùn)動(dòng)，從而使鋼球的外側(cè)表面高于井下鉆具組合短節(jié)的徑向外表面，使鉆具產(chǎn)生偏心運(yùn)動(dòng)，從而修正鉆頭的運(yùn)動(dòng)方位。

鉆具驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)選采用電動(dòng)機(jī)，其能夠驅(qū)動(dòng)鉆頭相對(duì)于井下鉆具組合短節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)鉆頭相對(duì)于整個(gè)鉆柱的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鉆具驅(qū)動(dòng)裝置能夠接收來(lái)自鉆頭驅(qū)動(dòng)控制裝置的指令，鉆頭驅(qū)動(dòng)控制裝置能夠通過(guò)指令控制鉆具驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制鉆頭在沙箱中的鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

所述地層參數(shù)模擬裝置包括與計(jì)算機(jī)控制裝置連接的第一信號(hào)發(fā)射裝置9和第二信號(hào)發(fā)射裝置10。第一信號(hào)裝置9和第二信號(hào)裝置10優(yōu)選為無(wú)線電信號(hào)發(fā)射裝置，可以將上述信號(hào)發(fā)射裝置埋設(shè)在沙箱上部，位于不妨礙鉆具鉆進(jìn)的位置即可。第一信號(hào)發(fā)射裝置和第二信號(hào)發(fā)射裝置可以通過(guò)有線方式或無(wú)線方式與計(jì)算機(jī)控制裝置進(jìn)行通信。操作人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制裝置設(shè)定或者修改地層參數(shù)，并通過(guò)第一信號(hào)發(fā)射裝置和第二信號(hào)發(fā)射裝置將設(shè)定或修改的地層參數(shù)發(fā)射出去，以便位于井下鉆具組合短節(jié)內(nèi)的信號(hào)接收裝置能夠接收上述信號(hào)，并將信號(hào)再傳遞給計(jì)算機(jī)控制裝置。

所述沙箱為透明沙箱，主要用于方便學(xué)員觀察鉆具在沙箱中的運(yùn)動(dòng)情況，從而對(duì)控制鉆具在沙箱中的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。優(yōu)選地，沙箱的箱體可以采用四個(gè)側(cè)板均為透明的加厚玻璃或塑料制成，沙箱的底部和蓋體可以為不透明的材料制成。優(yōu)選地，制作沙箱側(cè)板的玻璃可以采用5mm-10mm厚度的鋼化玻璃，所述底板可以采用帶有與玻璃厚度適合的凹槽的塑料板制成，所述玻璃可以插接在凹槽中，并通過(guò)粘結(jié)劑接合，構(gòu)成透明沙箱的主體結(jié)構(gòu)。沙箱的蓋體也可以采用透明的塑料板制成，在蓋體上還設(shè)置有用于固定井架底座支腳的孔，可以通過(guò)孔用螺釘將支腳固定在蓋體上。此外，蓋體上還開設(shè)有供鉆桿和數(shù)據(jù)線通過(guò)的通孔，以便輸送鉆桿和數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)選地，所述通孔為兩個(gè)，一個(gè)供鉆桿通過(guò)，另一個(gè)供數(shù)據(jù)線穿過(guò)。為了方便學(xué)員觀察鉆具的運(yùn)動(dòng)情況，所述沙箱內(nèi)放置可以模擬地層的透明物質(zhì)，例如添加粘結(jié)劑的透明塑料粒，或者采用凝固后的透明的凝膠。優(yōu)選地，所述透明物質(zhì)為添加粘結(jié)劑的透明塑料粒，所述透明塑料粒優(yōu)選pc透明塑料?；騪vc透明塑料粒，所述塑料粒的粒徑優(yōu)選為0.3mm-2mm。為了更好地顯示鉆具的運(yùn)動(dòng)情況，可以設(shè)置背景燈或者在鉆頭的圓周面上設(shè)置三個(gè)以上的發(fā)光裝置，優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置為led燈。

所述演示裝置包括動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊，所述動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊根據(jù)底層參數(shù)設(shè)定裝置給出的參數(shù)，計(jì)算出鉆頭和鉆桿在該參數(shù)下的受力，并根據(jù)受力情況模擬鉆頭和鉆桿的實(shí)際狀態(tài)，當(dāng)受力情況改變時(shí)，模擬出該受力情況下的阻力變化和進(jìn)尺速度、進(jìn)尺深度變化，相應(yīng)的，鉆頭和鉆桿的進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速同步變化。同時(shí)，提示操作人員根據(jù)巖層的變化調(diào)整鉆具驅(qū)動(dòng)參數(shù)，使之適應(yīng)當(dāng)前由于巖層變化而引起受力狀態(tài)變化，設(shè)定正確參數(shù)后方可繼續(xù)進(jìn)行鉆井演示。這一裝置的設(shè)置，使得演示參與者既能直觀感受到地下情況的多變，又能切身體會(huì)如何進(jìn)行參數(shù)調(diào)整才能適應(yīng)不同的環(huán)境。

述計(jì)算機(jī)控制裝置包括通信模塊、主動(dòng)控制模塊、自動(dòng)控制模塊和評(píng)價(jià)模塊。

所述通信模塊，用于接收包括傳感器裝置和信號(hào)接收裝置傳輸?shù)男盘?hào)。通信模塊包括信號(hào)發(fā)射模塊和信號(hào)接收模塊，其中信號(hào)發(fā)射模塊能夠控制信號(hào)的發(fā)射，優(yōu)選地，信號(hào)控制模塊能夠?qū)⒃O(shè)定或修改的地層參數(shù)信號(hào)傳輸給第一信號(hào)發(fā)射裝置和第二信號(hào)發(fā)射裝置，并通過(guò)第一信號(hào)發(fā)射裝置和第二信號(hào)發(fā)射裝置將地層參數(shù)信號(hào)發(fā)射出去。

所述主動(dòng)控制模塊，用于控制鉆井驅(qū)動(dòng)裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置的工作。優(yōu)選地，所述主動(dòng)控制模塊能夠根據(jù)預(yù)定的地層參數(shù)和地層靶向區(qū)域位置人工設(shè)定具體的控制參數(shù)，并將控制參數(shù)傳輸?shù)姐@井驅(qū)動(dòng)裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，并控制鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度和鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方位。優(yōu)選地，所述主動(dòng)控制模塊能夠根據(jù)預(yù)定的地層參數(shù)和地層靶向區(qū)域位置利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的預(yù)定計(jì)算程序設(shè)定具體的控制參數(shù)，并將控制參數(shù)傳輸?shù)姐@井驅(qū)動(dòng)裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，并控制鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度和鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方位。優(yōu)選地，可以在鉆進(jìn)過(guò)程中修改地層參數(shù)，然后通過(guò)通信模塊將修正的地層參數(shù)通過(guò)信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射出去，然后根據(jù)信號(hào)接收裝置接收到的信號(hào)，從新計(jì)算鉆進(jìn)的速度等鉆井參數(shù)，并將控制指令發(fā)送給鉆井驅(qū)動(dòng)裝置和鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，從而控制鉆桿和鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以及鉆頭鉆進(jìn)的方向和方位。

所述自動(dòng)控制模塊，用于調(diào)整和修正鉆桿和鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及鉆頭鉆進(jìn)的方位。優(yōu)選地，所述自動(dòng)控制模塊能夠利用三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀實(shí)時(shí)測(cè)量鉆具的速度和鉆井軌跡，然后根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算鉆具的鉆進(jìn)方向和方位，并與預(yù)先設(shè)定的鉆進(jìn)方向和方位進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)軌跡進(jìn)行修正，然后將修正的控制信號(hào)傳輸給鉆具驅(qū)動(dòng)控制裝置，從而對(duì)鉆具的鉆進(jìn)方向和方位進(jìn)行調(diào)整。

所述評(píng)價(jià)模塊，用于評(píng)價(jià)學(xué)員的操作過(guò)程。優(yōu)選地，所述評(píng)價(jià)模塊能夠?qū)W(xué)員的具體操作與系統(tǒng)設(shè)定操作進(jìn)行比對(duì)，并且給出評(píng)價(jià)結(jié)果。優(yōu)選地，所述評(píng)價(jià)結(jié)果包括優(yōu)秀、良好、合格、需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)等評(píng)價(jià)指標(biāo)，和系統(tǒng)根據(jù)比對(duì)結(jié)果給出的進(jìn)一步改進(jìn)的建議，從而使學(xué)員既能直觀地了解定向井的鉆進(jìn)情況，又能提高實(shí)際操作裝置和設(shè)備的能力。

以上介紹了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，旨在使得本發(fā)明的精神更加清楚和便于理解，并不是為了限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的修改、替換、改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明所附的權(quán)利要求概括的保護(hù)范圍之內(nèi)。