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(shí)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(jī)功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測(cè)懸重、鉆壓、鉆機(jī)氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過(guò)PLC 的控制使得司鉆操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井架/底座的起升控制、對(duì)鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對(duì)泥漿栗的 調(diào)速控制。
[0075] 其中頂驅(qū)機(jī)械控制面板上設(shè)置有急停按鈕60、吊環(huán)中位按鈕82、復(fù)位/靜音按鈕 70、吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)83、內(nèi)防噴器開關(guān)87、液壓栗開關(guān)61、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)64、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)66、剎車選擇開關(guān)68、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開關(guān)65、電機(jī)選擇開關(guān) 67、操作選擇開關(guān)69、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)71 ;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，具體結(jié)構(gòu)布置如附圖4所示；其中 前端操作臺(tái)的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊通過(guò)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(guò)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(jī)選擇開關(guān)、電機(jī)選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān) 進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂驅(qū)進(jìn)行控制。
[0076] 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(tái)的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過(guò)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(duì)緩沖液缸進(jìn)行控制。
[0077] 參數(shù)計(jì)算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計(jì)算機(jī)和 圖形計(jì)算機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺(tái)和鉆機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計(jì) 算機(jī)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(jì)算機(jī)的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計(jì)算機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息通過(guò)PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0078] 鉆機(jī)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(jī)。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(tái)、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(gè)前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個(gè)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(lái)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(tái)面絞車的動(dòng)力，通過(guò) 快繩、大鉤拉動(dòng)起升大繩，實(shí)現(xiàn)井架起升，井架起升時(shí)為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時(shí)下放井架時(shí)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(guò)緩沖裝置的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0079] 井架核心控制機(jī)選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺(tái)上的 操作按鈕對(duì)應(yīng)的物理量，以參數(shù)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制機(jī)對(duì)絞車控制臺(tái)及前端各 PLC模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺(tái)之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0080] 底座模型包括底座和底座核心控制機(jī)，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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，從而實(shí)現(xiàn)了高臺(tái)面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動(dòng)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(tái)面部分，用來(lái)安裝鉆臺(tái)面的設(shè)備，通過(guò)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(gè)部分。左、右 兩個(gè)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(tái)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(gè)底座起升的過(guò)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(hù)裝置組，其中防護(hù)裝 置組包括實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架天車防碰功能的鉆機(jī)井架天車防碰裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過(guò)度起升 功能的防鉆機(jī)井架過(guò)度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過(guò)度下放功能的防鉆機(jī)井架過(guò)度下放裝 置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過(guò)度起升功能的防鉆機(jī)底座過(guò)度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過(guò)度下放 功能的防鉆機(jī)底座過(guò)度下放裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放功能的防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放裝 置。
[0081] 底座核心控制機(jī)選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺(tái)上的 各個(gè)物理量（應(yīng)該是各個(gè)開關(guān)按鈕吧），以參數(shù)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制機(jī)對(duì)絞車控 制臺(tái)及前端各PLC模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控 制系統(tǒng)。各控制臺(tái)之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0082] 為實(shí)現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機(jī)井架底座模型安裝一定的保護(hù)裝置，包括 鉆機(jī)井架天車防碰裝置、防鉆機(jī)井架過(guò)度起升裝置、防鉆機(jī)井架過(guò)度下放裝置、防鉆機(jī)底座 過(guò)度起升裝置、防鉆機(jī)底座過(guò)度下放裝置、防鉆機(jī)大鉤過(guò)度下放裝置。為實(shí)現(xiàn)井架底座的起 升和下放并受控于司鉆操作臺(tái)，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)絞車功能。
[0083] 陸地鉆機(jī)安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)必須持續(xù)不斷的與前端硬件進(jìn)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(guò)程；實(shí)時(shí)獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過(guò)主控計(jì)算機(jī)處理，驅(qū)動(dòng)圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動(dòng)畫過(guò)程；同時(shí)， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對(duì)如旋鈕，手柄，腳油門等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進(jìn)行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場(chǎng)操作觸感。
[0084] 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)：
[0085] 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。
[0086] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計(jì)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(shí)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(dú)立變量的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的函數(shù)關(guān)系。
[0087] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)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。
[0088] 4)、發(fā)現(xiàn)溢流后，應(yīng)及時(shí)停栗關(guān)井。在井內(nèi)壓力平衡前，地層氣體仍然會(huì)不斷地進(jìn) 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(shí)間內(nèi)，井內(nèi)形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過(guò)程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
[0089] 5)、氣體從地層中進(jìn)入井筒符合達(dá)西定律。
[0090] 6)、若進(jìn)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(shí)要膨脹，其膨脹過(guò) 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。
[0091] 7)、假設(shè)井內(nèi)的地溫梯度為一常數(shù)，則：
[0092] 井底溫度=地溫梯度X井深+井口溫度。
[0093] 由于本模型主要用于模擬培訓(xùn)，因此，在計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和和準(zhǔn)確度發(fā)生沖突 時(shí)，原則上以保時(shí)間為主，而將過(guò)分復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但保證定性方面的準(zhǔn) 確性。
[0094] (一）鉆進(jìn)過(guò)程模型
[0095] 1)、鉆速方程
[0097] 式中：
[0098] a-鉆壓指數(shù)（α = 0.5366 + 0·1993~ )
[0099] b-車專速指數(shù)（6 = 0.9250 - 0.0375irf )
[0100] C-地層壓力指數(shù)（c = 0.7011-0.0568^ )
[0101] d-鉆井液密度差系數(shù)（= 0.9767~ -7.2703 )
[0102] kd-地層統(tǒng)計(jì)可鉆性（kd= 0· 00165H+0. 635)
[0103] W-比鉆壓（KN/mm)
[0104] N-轉(zhuǎn)速（rpm)
[0105] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0106] P 實(shí)際或設(shè)計(jì)泥漿密度（g/cm3)
[0107] P p-地層壓力當(dāng)量密度（g/cm3)
[0108] V-機(jī)械鉆速（m/h)
[0109] 2)、有效鉆頭比水功率的計(jì)算
[0111] 式中：
[0112] Hei-有效鉆頭比水功率（kw/mm2)
[0113] P 實(shí)際或設(shè)計(jì)泥漿密度（g/cm3)
[0114] Q-排量，升/秒
[0115] Db-鉆頭直徑，厘米
[0116] de-噴嘴當(dāng)量直徑，厘米
[0118] (二）溢流模型
[0119] 1)、溢流過(guò)程模擬
[0120] 發(fā)生溢流時(shí)，從地層中進(jìn)入井筒內(nèi)的氣體量增加，井底壓力將不斷減小，氣體進(jìn)入 速度將不斷增加，該過(guò)程中所有參數(shù)的變化都是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。為此，假如在一個(gè)相當(dāng)小 的時(shí)間間隔At內(nèi)，進(jìn)氣量滿足二次線性方程。
[0121] (1)氣體流量計(jì)算
[0123] 式中：
[0124] Qgs-對(duì)應(yīng)于Pb的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體滲流量，米3/秒
[0125] PP，Pb-地層、井底有效壓力，千帕
[0126] C-滲流系數(shù)，米3/千帕?秒（0. 2)
[0127] 在j時(shí)刻At時(shí)間內(nèi)：
[0128] (2)每段混合物長(zhǎng)度 Δ Hmix(j) (j = 1，2, 3，......n_l)
[0129] Δ HmiX(j) = {Q[P (j)-P(j 1：)]+UjQgs(j) In [P(j)/P(j 1：)]} / (g P Q)
[0130] 式中：
[0131 ] Q-泥漿排量，米3/秒
[0133] Ρω__第j段混合物底部壓力，千帕
[0134] P0 D-第j段混合物頂部壓力，千帕
[0135] P -泥漿密度，克/厘米3
[0136] g-重力加速度，米/秒2
[0137] (3)環(huán)空混合物總長(zhǎng)度
[0141] (5)每段混合物密度確定
[0143] 式中：
[0144] I 一混合物中泥漿體積分量，
[0145] Aa-該溢流段環(huán)空橫截面積，毫米2
[0146] A -混合物中天然氣體積分量，
[0147] P g-天然氣密度，克/厘米3
[0148] 因?yàn)镻g遠(yuǎn)小于P，所以上式可改寫為：
[0149] 2)、關(guān)井溢流過(guò)程模擬
[0150] 關(guān)井過(guò)程實(shí)際上是井底壓力恢復(fù)的過(guò)程。剛關(guān)井時(shí)，由于井底壓力未平衡地層壓 力，地層流體還要繼續(xù)進(jìn)入井筒，進(jìn)入的高壓氣體把井筒環(huán)空混合物壓縮，使套壓和立管壓 力不斷增加。隨著關(guān)井時(shí)間的延長(zhǎng)，井底壓力逐漸增加，地層流體進(jìn)入速度逐漸減少，直到 最后井底壓力平衡地層壓力。關(guān)井過(guò)程中，無(wú)論是井筒還是地層，所有參數(shù)都是時(shí)間函數(shù)。 因描述這一過(guò)程的數(shù)學(xué)模型及其計(jì)算方法很復(fù)雜，在此不作詳述。下面僅給出關(guān)井穩(wěn)定后 井底混合物長(zhǎng)度等有關(guān)參數(shù)計(jì)算公式。
[0151] (1)關(guān)井穩(wěn)定后井底混合物長(zhǎng)度
[0153] 式中：
[0154] Δ P = g p Q Δ t/Aa
[0155] η-環(huán)空中所分混合物的段數(shù)
[0156] (2)關(guān)井穩(wěn)定后井底純氣柱的長(zhǎng)度
[0157]