專利名稱：鉆井模擬器溢流模擬方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鉆井模擬方法，特別是涉及一種鉆井模擬器溢流模擬方法。
背景技術：
石油工業(yè)是一種技術密集型行業(yè)，鉆井作業(yè)是石油工業(yè)拿儲量、上產量的重要手 段之一。由于石油鉆井生產條件的限制和井下情況的復雜性，使石油鉆井作業(yè)面臨極大的 風險。為了獲得更好生產效率和經濟效益，減少人為事故的發(fā)生，對鉆井現(xiàn)場操作人員和工 程技術人員的技術技能培訓就顯得十分重要。鉆進和關井處于鉆井過程中較為重要的兩部 分，所以在鉆進和關井過程中的對溢流控制就顯得很重要了。 目前，鉆井操作培訓主要在生產現(xiàn)場進行，由于各種條件和因素的制約，使培訓內 容受到極大的限制，培訓的系統(tǒng)性、培訓效果及培訓人員數(shù)量等都受到極大的影響。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種基于計算機仿真技術的鉆 井模擬器溢流模擬方法，該方法是參照鉆井作業(yè)現(xiàn)場的實際操作流程，對鉆井模擬器溢流 的工作原理和操作方法進行逼真模擬，增強教學培訓的現(xiàn)場感，縮短培訓周期、提高培訓效 果、降低培訓成本。 本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)鉆井模擬器溢流模擬方法，專門針對鉆 井模擬器溢流模擬控制程序，按照以下步驟實現(xiàn)鉆井過程中溢流情況的模擬
(1)讀取前端設備的狀態(tài)參數(shù)和操作指令； (2)根據(jù)獲得的設備狀態(tài)參數(shù)和操作指令類別以及預先建立的鉆井模擬器溢流模 型，計算出實現(xiàn)鉆井模擬器溢流模擬動畫的作業(yè)數(shù)據(jù)； (3)按照設定的數(shù)據(jù)格式與專門設置的圖形處理單元通訊，交換初始化數(shù)據(jù)和作
業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元根據(jù)此數(shù)據(jù)完成鉆井模擬器溢流的動畫展現(xiàn)； (4)按照設定的數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊，交換動畫狀態(tài)信息； (5)重復前述步驟(1) (4)。 鉆井模擬器溢流模擬控制程序必須持續(xù)不斷的與前端設備進行通信，以獲取前端 的設備狀態(tài)以及獲取培訓學員的操作過程。這樣做有以下幾個原因 (1)實時獲取前端硬件的設備狀態(tài)后，經過鉆井模擬器溢流模擬控制程序處理，可 以驅動圖形處理單元產生與硬件設備操作同步的動畫過程。比如在圖形處理單元中，大鉤 的上升和下降過程就是受前端絞車離合器，腳油門，剎把，離合器檔位等部件的控制。
(2)實時獲取的前端設備狀態(tài)也是鉆井模擬器溢流模擬控制程序中模擬數(shù)學模型 的基礎數(shù)據(jù)。 鉆井模擬器溢流模擬控制程序所計算出的鉆井溢流參數(shù)也需要實時傳輸給前端 設備，所以鉆井模擬器溢流模擬控制程序和前端設備之間的通信具備雙向、高速和穩(wěn)定的 特性。
操作指令類別包括正常鉆井與關井指令、起鉆與關井指令、起鉆鋌與關井指令和 空井指令。 正常鉆進與關井操作的過程為開始本次作業(yè)，正常鉆進，判斷是否出現(xiàn)溢流，若 未出現(xiàn)溢流則正常鉆進，若出現(xiàn)溢流，打開節(jié)流管匯，關閉環(huán)形防噴器、上半封防噴器、環(huán)形 防噴器、節(jié)流閥、J2A平板閥，然后錄井，結束本次作業(yè)。
起鉆與關井操作的過程為開始本次作業(yè)，卸方鉆桿，起立桿，判斷是否溢流，若未
發(fā)現(xiàn)溢流則返回起立桿，若發(fā)現(xiàn)溢流則搶接鉆具防噴器，關井，錄井，最后結束本次作業(yè)。
起鉆鋌與關井操作的過程為開始本次作業(yè)，起鉆鋌，判斷是否溢流，若未發(fā)現(xiàn)溢
流則返回起鉆鋌，若發(fā)現(xiàn)溢流則搶接防噴單桿，關井，錄井，最后結束本次作業(yè)。
空井與關井操作的過程為開始本次作業(yè)，起完鉆鋌，判斷溢流量是否大，如果溢
流量大則關井，錄井，最后結束本次作業(yè)；如果溢流量小則搶接防噴單桿，關井，錄井，最后
結束本次作業(yè)。 本發(fā)明所述的鉆井模擬器溢流模擬必須建立在嚴格的數(shù)學模型基礎上，這樣才能 使鉆井模擬器溢流模擬的各種參數(shù)符合實際現(xiàn)場的情況，才能達到良好的培訓效果。
本發(fā)明所采用的鉆井模擬器溢流模擬模型包括鉆井溢流過程模擬模型和關井溢 流過程模擬模型。模型使用的設備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，初始狀態(tài)參數(shù) 包括鉆頭壓降Pb、比鉆壓W、地層統(tǒng)計可鉆性Kd、實際或設計泥漿密度P 、剎車鼓摩擦力F^ 傳動效率n ff、重力加速度g、滲流系數(shù)C、標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)Zs、標準狀態(tài)下的溫度 Ts、天然氣密度P g、溢流段環(huán)空環(huán)空中所分混合物的段數(shù)n、橫截面積U昆合物中泥漿體
積分量^M、混合物中天然氣體積分量^g和考慮平衡安全的地層壓力附加值^ ; 動態(tài)參數(shù)包括剎車鼓摩擦力F^提升速度Vp、某擋穩(wěn)定起升角速度"。鉆頭總進 尺F、井深H、地層有效壓力Pp、井底有效壓力Pb、排量Q、鉆轉速N、機械鉆速V、氣體滲流量 Qw、每段混合物底部壓力和每段混合物頂部壓力。
鉆井模擬器溢流模擬模型條件的假設 (1)鉆井液環(huán)空攜巖能力Lc > 0. 5 ;環(huán)空鉆屑濃度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。 (2)所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計可鉆性的基礎上的，它反映了不均質地 層可鉆性的宏觀規(guī)律。只要按《鉆井手冊(甲方)》選出相應的鉆頭類型，建立準確的地層 可鉆性梯度公式，納入設計的程序，即可得出符合實際的結果。 (3)波動壓力的分析與計算是建立在剛性液柱(鉆井液與井內管柱為不可壓縮) 理論基礎上的。
(4)鉆井中發(fā)生溢流時，單位時間內進入環(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。
(5)發(fā)現(xiàn)溢流后，應及時停泵關井。在井內壓力平衡前，地層氣體仍然會不斷地進 入井內。因此，假設從停泵關井到關井穩(wěn)定這段時間內，井內形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
(6)氣體從地層中進入井筒符合達西定律。 (7)若進入井內的溢流為氣體，則假設氣體溢流在環(huán)空內上升時要膨脹，其膨脹過 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。若進入井內的溢流為液體，則假設液體溢流在上升過程中不發(fā)生膨脹和滑脫現(xiàn)象。
(8)電動機的輸出功率按恒定值考慮。
(9)假設井內的地溫梯度為一常數(shù)，則
井底壓力=地溫梯度X井深+井口溫度 (10)地層破裂壓力梯度為一常數(shù)，則井內任一點的地層破裂壓力為該點井深乘以 地層破裂壓力梯度。
(11)通用鉆速方程式在假設影響鉆速的鉆壓指數(shù)、轉速指數(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上建立起來的函數(shù)關系。
由于本模型主要用于模擬培訓，因此，在計算時間、計算精度和和準確度發(fā)生沖突 時，原則上以保時間為主，而將過分復雜的數(shù)學模型進行了適當簡化，但保證定性方面的準 確性。
建立的鉆井模擬器溢流模擬模型包括
( — )、鉆井溢流過程模擬模型 在鉆井過程中發(fā)生溢流時，隨著打開氣層厚度的增加，從地層中進入井筒內的氣 體量也增加，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，假如在一個相當小的時間間隔At內，進氣量滿足二次線性方 程。 1、氣體流量計算
&=贈-《) 式中Qgs-對應于Pb的標準狀態(tài)下的氣體滲流量，米3/秒 [OO43] Pp， Pb-地層、井底有效壓力，千帕
C—滲流系數(shù)，米3/千帕 秒 在j時刻A t時間內<formula>formula see original document page 5</formula> 2、每段混合物長度AHmiX(j)(j = 1，2，3， n_l) <formula>formula see original document page 5</formula> 式中Q—鉆進時泥漿泵排量，米3/秒 Uj—Z JjPs/ZsTs ，千帕 P(j)—第j段混合物底部壓力，千帕 P(j—d—第j段混合物頂部壓力，千帕 p —泥漿密度，克/厘米3 g—重力加速度，米/秒2 3、環(huán)空混合物總長度 <formula>formula see original document page 5</formula> 4、井內溢流量 <formula>formula see original document page 5</formula>
5、每段混合物密度確定<formula>formula see original document page 6</formula>式中m —混合物中泥漿體積分量，A — Q
'樣一一一一"'"
Aa__該溢流段環(huán)空橫截面積，毫米2 —混合物中天然氣體積分量，= 。 二 P g—天然氣密度，克/厘米3 因為P g □ P ，所以上式可改寫為PmaU) = ( 二 )、關井溢流過程模擬模型 關井過程實際上是井底壓力恢復的過程。剛關井時，由于井底壓力未平衡地層壓 力，地層流體還要繼續(xù)進入井筒，進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。隨著關井時間的延長，井底壓力逐漸增加，地層流體進入速度逐漸減少，直到 最后井底壓力平衡地層壓力。關井過程中，無論是井筒還是地層，所有參數(shù)都是時間函數(shù)。 因描述這一過程的數(shù)學模型及其計算方法很復雜，在此不作詳述。下面僅給出關井穩(wěn)定后 井底混合物長度等有關參數(shù)計算公式。
1 、關井穩(wěn)定后井底混合物長度
腿。L 如；^Pp -(" — _/ +l)A尸」S〃
式中AP = gp QA t/Aa
n__環(huán)空中所分混合物的段數(shù)
2、關井穩(wěn)定后井底純氣柱的長度
nmix(n+l) nmix〇 nmix(n)


鉆井模擬器溢流控制程序與圖形處理單元的通信通過廣泛使用TCP/IP協(xié)議進 行。鉆井模擬器溢流控制程序將通過數(shù)據(jù)處理得到的與圖形有關的數(shù)據(jù)發(fā)向圖形處理單 元，這樣就能夠把鉆井模擬器溢流中的各種動作以及鉆井現(xiàn)場各種設備的狀態(tài)、空間位置 等控制信號和數(shù)據(jù)準確的發(fā)給圖形單元，使圖形能迅速、準確地反映前端操作者的各種動 作。鉆井模擬器溢流控制程序與圖形處理單元通信的數(shù)據(jù)格式如下 (1)鉆井模擬器溢流模擬控制程序發(fā)送給圖形處理單元的初始化及作業(yè)數(shù)據(jù)格式
{



struct
unsigned short state ;〃0 :表示初始數(shù)據(jù)，l :表示作業(yè)數(shù)據(jù) unsigned short dl ;//表示動作指令
float d2 ;〃在初始狀態(tài)下表示吊環(huán)下平面離鉆臺平面高度，在作業(yè)狀態(tài)下
表示物體上下的速度(單位m/s，可正可負)
float d3 ;〃在初始狀態(tài)下表示井深，在作業(yè)狀態(tài)下表示頂驅旋轉速度(單
位r/min，可正可負) unsigned short d4 ;〃在初始狀態(tài)下表示井下鉆桿數(shù)量(單位根)，在作業(yè)
狀態(tài)下表示吊環(huán)前/后傾斜角度(單位度，可正可負) unsigned short d5 ;〃在初始狀態(tài)下表示大鉤下掛鉆桿數(shù)量(注意如果d5
有值，則d4的值沒有意義)，在作業(yè)狀態(tài)下表示吊環(huán)旋轉角度(單位度，可正可負)
作業(yè)
unsigned short d6 unsigned short d7 unsigned short d8 unsigned short d9 unsigned short dlO
}data ;
struct
在初始狀態(tài)下表示立桿盒鉆桿數(shù)量(單位柱) 在初始狀態(tài)下表示井下鉆挺數(shù)量(單位根) 在初始狀態(tài)下表示立桿盒鉆挺數(shù)量(單位柱) 在初始狀態(tài)下表示本次作業(yè)是否為壓井作業(yè) /在初始狀態(tài)下表示鉆桿上是否有3根打撈線
float JS ;〃井深 float gaslengthl float gasheightl float gaslength2 float gasheight2 float hkkillmudlength float hkkillmuclheight float hkovermudlength float hkovermudheight float zzkillmudlength float zzkillmudheight float zzovermudlength float zzovermudheight
溢流氣體長度 溢流氣體底部距井底高度 在現(xiàn)有的作業(yè)中無用，保留 在現(xiàn)有的作業(yè)中無用，保留 '環(huán)空內壓井泥漿長度 '環(huán)空內壓井泥漿距井底高度 '環(huán)空內重泥漿長度 '環(huán)空內重泥漿距井底高度 '鉆柱內壓井泥漿長度 '鉆柱內壓井泥漿距井口高度 '鉆柱內重泥漿長度 '鉆柱內重泥漿距井口高度
unsigned short JingKongFlag ;〃在初始狀態(tài)下表示本次作業(yè)是否為壓井
皿digned short fireflag ;//點火標志
}jk;
(2)圖形處理單元發(fā)送給鉆井模擬器溢流模擬控制程序的數(shù)據(jù)格式
union JSRevTUDate struct
float dl float d2
大鉤高度 大鉤速度
unsignedshortd3〃每個動作繪制完成標記unsignedshortd4〃半封狀態(tài)，O表示關，l表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshortd5〃全封狀態(tài)，0表示關，1表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshortd6〃環(huán)形狀態(tài)，0表示關，1表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshortd7〃小鼠洞是否有桿，O表示無桿，1表示有桿unsignedshortd8〃吊環(huán)下掛物體是否在鉆臺平面下，o表示在下面，
1表示在上面 }data;
}; 由于系統(tǒng)規(guī)模較大，設計復雜，圖形繪制程序的設計是基于面向對象的。鑒于在鉆 井模擬器溢流中涉及到的物體較多，并且各個物體在不同的方面有不同的特性，因此在設
計之前，應確定設計類的準則。對本發(fā)明而言，這里關心的是用物體如何實現(xiàn)鉆井模擬器溢 流流程，所以類的設計應該圍繞物體的動畫功能需要來進行，而所涉及到的圖形處理單元 包括圖形繪制程序和視景仿真控制程序。 其中，圖形繪制程序主要包括設備類圖形繪制、粒子類圖形繪制、管理類圖形繪制 和工藝動畫繪制，視景仿真控制程序主要包括場景初始化、工藝動畫控制、碰撞處理和特效 渲染。類的設計包括
(1)設備類 鉆井模擬器溢流模擬中涉及到動畫的物體具有一些相同的特點，例如每個物體 都具有場景坐標、旋轉角度等特點，就將各個類中的相同屬性和方法抽象出來集成為類 Device。類Device是一個父類，它向子類提供了一些公共屬性和方法。就屬性而言，類 Device的屬性中除了場景坐標、旋轉角度、上升速度之外、還應有ID， Device, pre0bject、 Device, sub0bject等屬性。其中ID是用來標志物體類型，由于鉆井模擬中動畫涉及的 物體類型較多，利用ID可以方便查找物體的類型。而屬性Device, pre0bject、 Device. subObject可以為查找某物體的前后物體帶來便利。另外，類Device還應該具有公共方法， 鉆井中的物體都具有旋轉、移動等動作，因此方法中必定有移動方法MoveDevice()和旋轉 方法RotateDevice()。鑒于所有物體都要以三維圖形在計算機上顯示出來，因此還應有物 體的繪制方法，即Draw()。
(2)粒子類 鉆井模擬器溢流模擬中模擬微觀事物具有多樣性，因此設計了粒子類，在系統(tǒng)設 計中把粒子系統(tǒng)抽象為一個類，命名為Particle。與Device相同Particle是為完成粒子 模擬功能中所設計的父類。父類Particle的屬性有粒子分別在XYZ坐標軸上的位置以及坐 標軸上的位置增量，還有粒子生命狀態(tài)。而Particle的子類有Fire類、Gas類和Blowout 類。Fire類主要用于火焰燃燒效果的模擬；Gas類主要用于正常鉆進過程中鉆到氣層時，氣 體溢出的模擬；Blowout類主要用于發(fā)生井噴時，井口泥漿噴涌的效果模擬。
(3)Shader管理類 Shader的使用是通過調用OpenGL API中的函數(shù)，這個函數(shù)讓Shader的應用可 以直接與OpenGL驅動相連接，它是存儲一個OpenGL著色片段不可缺少的數(shù)據(jù)結構。這 些數(shù)據(jù)結構被稱為著色對象(Shader Object)。在一個著色對象創(chuàng)建好后，應用程序通過調用glShaderSourceARB把著色代碼提供給著色對象。為了有效的使用和管理編寫好的 Shader，在設計過程中專門設計了 GLShader類。這個類主要用來設定Shader對象，讀入編 寫好的Vertex文件和Fragment文件，讀入參數(shù)類型和參數(shù)值，讀入紋理信息，Shader的使 用和刪除等。GLShader類的設計能使Shader的使用更為有效，提高了 Shader使用的靈活 性和可重用性。 視景仿真控制程序主要完成以下工作
(1)場景初始化 —個新的作業(yè)開始前，圖形處理單元在接收到鉆井模擬器溢流控制程序發(fā)出的作 業(yè)指令后初始化當前場景，例如鉆井平臺上各操作部件當前的數(shù)量、狀態(tài)以及位置。
(2)工藝動畫控制 將與鉆井模擬器溢流模擬控制程序相互通信得到的參數(shù)及數(shù)據(jù)進行處理，體現(xiàn)出 鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運動參數(shù)、具體動作、視圖選擇(包括上視角、井下視角、防噴器視 角、多視圖顯示等)等。
(3)碰撞處理 在三維圖形的運動仿真過程中是不允許有"穿墻而過"的狀況發(fā)生的，因此要對運
動物體作碰撞檢測的處理。為了遵循模型運動的真實感，視景仿真控制程序包括碰撞的檢
測與處理部分。
(4)特效渲染 實現(xiàn)對火焰、氣泡、液體噴涌效果的模擬，使用GLSL實現(xiàn)電影級的光照效果，可以
分別模擬白天，夜晚，探照燈等光照模式，大大地提高了圖形效果和真實感。 本發(fā)明的有益效果是提供了一種對鉆井模擬器溢流模擬的模擬方法，即參照鉆
井作業(yè)現(xiàn)場的實際操作流程，對鉆井模擬器溢流的工作原理和操作方法進行逼真模擬，增
強教學培訓的現(xiàn)場感，縮短培訓周期、提高培訓效果、降低培訓成本。


圖1鉆井模擬器的組成結構圖 圖2鉆井模擬器溢流的控制程序組成框圖 圖3鉆井模擬器溢流模擬控制程序流程圖 圖4鉆井模擬器溢流模擬控制程序與前端設備通信框圖 圖5正常鉆井與關井流程圖 圖6起鉆與關井流程圖 圖7起鉆鋌與關井流程圖 圖8空井與關井流程圖 圖9圖形處理單元的組成框圖 圖10設備類及其部分子類的結構 圖11粒子類及其部分子類的結構 圖12Shader在OPENGL中的執(zhí)行過程 圖13設備類、粒子類和Shader管理類之間的調用關系
具體實施例方式
下面通過實施例進一步描述本發(fā)明的技術方案，本發(fā)明不限于所述實施例。
為了實施本發(fā)明所述的技術方案，構建了一個鉆井模擬系統(tǒng)，如圖l，它包括主控 計算機、圖形處理計算機、前端設備和投影設備，主控計算機和圖形處理計算機通過TCP/IP 互聯(lián)，前端設備與主控計算機通過Siemens PPI協(xié)議互聯(lián)，圖形處理計算機連接投影設備， 主控計算機上運行鉆井模擬器溢流模擬的控制程序，圖形處理計算機運行圖形處理單元， 前端設備包括節(jié)流管匯、高壓管匯、防噴器控制臺、阻流器控制臺、遠程控制臺和司鉆控制 臺，投影設備包括兩臺投影儀和一個大尺寸屏幕。 如圖2是鉆井模擬器溢流模擬控制程序的組成，鉆井模擬器溢流模擬控制程序包 括與前端硬件設備及圖形處理單元通信的通信模塊和溢流模擬模塊，與前端硬件設備通信 是為了實時獲得硬件設備狀態(tài)，然后在內部通過相關數(shù)學模型，模擬溢流的過程，溢流模擬 包括正常鉆井與關井操作模擬、起鉆與關井操作模擬、起鉆鋌與關井操作模擬和空井與關 井操作模擬。進而通過TCP/IP協(xié)議向圖形處理單元發(fā)送控制命令，驅動圖形處理單元產生 與硬件設備操作同步的動畫過程，并將信號反饋給前端硬件，使前端儀表參數(shù)的顯示符合 現(xiàn)場情況。 如圖3，鉆井模擬器溢流模擬方法，鉆井模擬器溢流模擬控制程序，按照以下步驟 實現(xiàn)溢流模擬 (1)讀取前端設備的狀態(tài)參數(shù)和操作指令； (2)根據(jù)獲得的設備狀態(tài)參數(shù)和操作指令類別以及預先建立的鉆井模擬器溢流模 型，計算出實現(xiàn)溢流情況的模擬動畫的作業(yè)數(shù)據(jù)； (3)按照設定的數(shù)據(jù)格式與專門設置的圖形處理單元通訊，交換初始化數(shù)據(jù)和作 業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元根據(jù)此數(shù)據(jù)完成溢流的動畫展現(xiàn)； (4)按照設定的數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊，交換動畫狀態(tài)信息；
(5)重復前述步驟(1) (4)。 由于前端設備采用PLC進行控制和處理，因此在系統(tǒng)中采用通用的OPC技術實現(xiàn) 通信過程。 0PC服務器使用西門子公司提供的S7-2000PC Server。并且在西門子公司提供的 PCAccess軟件中建立OPC服務器和需要訪問的PLC硬件系統(tǒng)存儲單元的映射關系。
在鉆井模擬器溢流模擬控制程序中實現(xiàn)OPC客戶端功能。利用支持C++BUilder 的IOCOMP組件能夠輕松建立客戶端和服務器的通信過程。 如圖4是鉆井模擬器溢流模擬控制程序與前端設備通信框圖。該通信框圖包括 OPC客戶機，OPC服務器和PLC系統(tǒng)，其中OPC客戶機通過OPC接口與OPC服務器連接，OPC 服務器通過PPI電纜與PLC系統(tǒng)連接。 操作指令類別主要包括正常鉆井與關井指令、起鉆與關井指令、起鉆鋌與關井指 令和空井與關井指令。 圖5是正常鉆進與關井操作流程圖，其工作流程大致可描述為開始本次作業(yè)，正 常鉆進，判斷是否出現(xiàn)溢流，若未出現(xiàn)溢流則正常鉆進，若出現(xiàn)溢流，打開節(jié)流管匯，關閉環(huán) 形防噴器、上半封防噴器、環(huán)形防噴器、節(jié)流閥、J2A平板閥，然后錄井，結束本次作業(yè)。
圖6是起鉆與關井操作流程圖，其工作流程大致可描述為開始本次作業(yè)，卸方鉆桿，起立桿，判斷是否溢流，若未發(fā)現(xiàn)溢流則返回起立桿，若發(fā)現(xiàn)溢流則搶接鉆具防噴器，關 井，錄井，最后結束本次作業(yè)。 圖7是起鉆鋌與關井操作流程圖，其工作流程大致可描述為開始本次作業(yè)，起鉆 鋌，判斷是否溢流，若未發(fā)現(xiàn)溢流則返回起鉆鋌，若發(fā)現(xiàn)溢流則搶接防噴單桿，關井，錄井， 最后結束本次作業(yè)。 圖8是空井與關井操作流程圖，其工作流程大致可描述為開始本次作業(yè)，起完鉆 鋌，判斷溢流量是否大，如果溢流量大則關井，錄井，最后結束本次作業(yè)；如果溢流量小則搶 接防噴單桿，關井，錄井，最后結束本次作業(yè)。 本發(fā)明所述的鉆井模擬器溢流模擬必須建立在嚴格的數(shù)學模型基礎上，這樣才能 使鉆井模擬器溢流模擬的各種參數(shù)符合實際現(xiàn)場的情況，才能達到良好的培訓效果。
本發(fā)明所采用的鉆井模擬器溢流模擬模型包括鉆井溢流過程模擬模型和關井溢 流過程模擬模型。模型使用的設備狀態(tài)參數(shù)包括初始狀態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，初始狀態(tài)參數(shù) 包括鉆頭壓降Pb、比鉆壓W、地層統(tǒng)計可鉆性Kd、實際或設計泥漿密度P 、剎車鼓摩擦力F^ 傳動效率n ff、重力加速度g、滲流系數(shù)C、標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)Zs、標準狀態(tài)下的溫度 Ts、天然氣密度P g、溢流段環(huán)空環(huán)空中所分混合物的段數(shù)n、橫截面積U昆合物中泥漿體
積分量^M、混合物中天然氣體積分量Pg和考慮平衡安全的地層壓力附加值^ ;
動態(tài)參數(shù)包括剎車鼓摩擦力F^提升速度Vp、某擋穩(wěn)定起升角速度"。鉆頭總進 尺F、井深H、地層有效壓力Pp、井底有效壓力Pb、排量Q、鉆轉速N、機械鉆速V、氣體滲流量 Qw、每段混合物底部壓力和每段混合物頂部壓力。 如圖9是圖形處理單元的組成框圖，它包括一個全三維實體模型庫、圖形繪制程 序和視景仿真控制程序。 建立一個完美的模型，是鉆井模擬系統(tǒng)真實感體現(xiàn)最為重要的元素，鉆井模擬系 統(tǒng)中虛擬環(huán)境的實現(xiàn)過程基本分為三步第一步是幾何建模，主要包括用多邊形或三角形 構成對象的立體外形；第二步是物理建模，主要包括對幾何建模的結果進行紋理、顏色、光 照等處理；第三步是具體程序控制，主要通過運動建模的方法實現(xiàn)虛擬環(huán)境下的物體運動 模擬。前兩步是虛擬場景的構建過程，第三步則是運動建模。 幾何建模是開發(fā)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中最基本、最重要的工作之一。虛擬環(huán)境中的幾何 模型是物體幾何信息的表示，涉及表示幾何信息的數(shù)據(jù)結構、相關的構造與操縱該數(shù)據(jù)結 構的算法。虛擬環(huán)境中的每個物體包含形狀和外觀兩個方面。物體的形狀由構造物體的各 個多邊形、三角形和頂點來確定，物體的外觀則由表面紋理、顏色、光照系數(shù)等來決定。因 此，用于存儲虛擬環(huán)境中幾何模型的模型文件應該能夠提供以上信息，同時還要滿足虛擬 建模技術的三個常用指標交互顯示能力、交互式操縱能力、易于構造的能力對虛擬對象模 型的要求。 幾何建模技術分為體素和結構兩個方面。體素用來構造物體的原子單位，體素的 選取決定了建模系統(tǒng)所能構造的對象范圍。結構用來決定體素如何組成新的對象。
物理建模指的是虛擬對象的質量、重量、慣性、表面紋理、硬度、變形模式等特征的 建模，這些特征與幾何建模和行為法則相融合，形成一個更具真實感的虛擬環(huán)境。物理建模 是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中比較高層次的建模，它需要物理學與計算機圖形學配合，涉及到力的反 饋問題，主要是重量建模、表面形變和軟硬度等物體屬性的體現(xiàn)。
在虛擬環(huán)境中，物體的特性還涉及到位置改變、碰撞、捕獲、縮放和表面變形等，僅 僅建立靜態(tài)三位幾何體對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是不夠的。 對象位置包括對象的移動、旋轉和縮放。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，不僅要涉及到絕對的 坐標系統(tǒng)，還要涉及到每個對象相對的坐標系統(tǒng)。碰撞檢測是VR技術的重要技術，它在運 動建模中經常使用，例如虛擬環(huán)境中，人不能穿墻而過。碰撞檢測技術是虛擬環(huán)境中對象與 對象之間碰撞的一種識別技術。為了節(jié)省系統(tǒng)開銷，在鉆井模擬系統(tǒng)中采用矩形邊界檢測 方法。 本實施例中用三維建模工具3ds max建立所有設備的模型，將3ds max所繪制 的模型導入到實時3D環(huán)境虛擬實境編輯軟件Virtools中，根據(jù)設備的物理特性配置 Virtools中模型的所有特性，使用Virtools控制模型的運動和顯示，在初始狀態(tài)下可以實 現(xiàn)全場景的漫游，搭建Cave環(huán)境實現(xiàn)全三維仿真。 圖形繪制程序的設計是面向對象的，本發(fā)明將鉆井模擬器溢流中涉及到的對象分 為三類設備類圖、粒子類和shader管理類。 系統(tǒng)中涉及到動畫的物體具有一些相同的特點，例如每個物體都具有場景坐標、 旋轉角度等特點，于是就可以將各個類中的相同屬性和方法抽象出來集成為類Device。 類Device是一個父類，它向子類提供了一些公共屬性和方法。就屬性而言，類Device的 屬性中除了場景坐標、旋轉角度、上升速度之外、還應有ID， Device. preObject、 Device. sub0bject等屬性。其中ID是用來標志物體類型，由于本發(fā)明中圖形處理單元中動畫涉及 的物體類型較多，利用ID可以方便查找物體的類型。而屬性Device. preObject、 Device. subObject可以為查找某物體的前后物體帶來便利。另外，類Device還應該具有公共方法， 起鉆中的物體都具有旋轉、移動等動作，因此方法中必定有移動方法MoveDevice()和旋轉 方法RotateDevice()。鑒于所有物體都要以三維圖形在計算機上顯示出來，因此還應有物 體的繪制方法，即Draw()。根據(jù)分析，從父類派生下來的是大鉤、液壓大鉗等子類，它們不僅 繼承了父類的公有屬性和方法，還具有自己的屬性和方法。例如大鉤就有SetState()這個 方法以設置大鉤當前的狀態(tài)。 圖10是鉆井模擬器溢流過程中涉及到的設備類及其部分子類。 由于系統(tǒng)模擬微觀事物的多樣性，粒子系統(tǒng)的使用在整個系統(tǒng)中也有較高的重用
性，因此設計了粒子類。 圖ll展示了粒子類及其子類。在系統(tǒng)設計中把粒子系統(tǒng)抽象為一個類，命名為 Particle。與Device相同Particle是為完成粒子模擬功能中所設計的父類。父類Particle 的屬性有粒子分別在XYZ坐標軸上的位置以及坐標軸上的位置增量，還有粒子生命狀態(tài)。 而Particle的子類有Fire類、Gas類和Blowout類。Fire類主要用于火焰燃燒效果的模 擬；Gas類主要用于正常鉆進過程中鉆到氣層時，氣體溢出的模擬；Blowout類主要用于發(fā) 生井噴時，井口泥漿噴涌的效果模擬。這些子類還分別有自己的屬性，例如粒子大小、大小 增量、顏色分量R/G/B等。 Particle類的方法主要是Init () 、 Draw()，用于對粒子的初始化和繪制，而子類 中引入了繼承結構中的多態(tài)性概念。由于Fire、 Gas、 Blowout粒子系統(tǒng)采用的數(shù)學模型不 同，所以各自的繪制方法都不盡相同，每個子類都有自己的初始化狀態(tài)和繪制方法。除了共 有的Init () 、 Draw()方法，每個子類有自己的私有方法，例如Fire類就有計算尾焰、向量計算等方法。 OpenGL是目前跨平臺最廣泛的三維圖形引擎，它在真實感圖形制作上的優(yōu)秀性能
使之成為諸大公司的圖形標準，所以OpenGL成為新一代的三維圖形工業(yè)標準。 圖12說明了 Shader在0penGL中的執(zhí)行過程，Shader的使用是通過調用OpenGL
API中的函數(shù)。OpenGL提供了一個新的函數(shù)glCreateShaderObjectARB，這個函數(shù)讓Shader
的應用可以直接與OpenGL驅動相連接，它是存儲一個OpenGL著色片段不可缺少的數(shù)據(jù)結
構。這些數(shù)據(jù)結構被稱為著色對象(Shader Object)。在一個著色對象創(chuàng)建好后，應用程序
通過調用glShaderSourceARB把著色代碼提供給著色對象。 為了有效的使用和管理編寫好的Shader，在設計過程中專門設計了 GLShader類。 這個類主要用來設定Shader對象，讀入編寫好的Vertex文件和Fragment文件，讀入參數(shù) 類型和參數(shù)值，讀入紋理信息，Shader的使用和刪除等。GLShader類的設計能使Shader的 使用更為有效，提高了 Shader使用的靈活性和可重用性。 由于父類Device和Particle所有的屬性和方法都是公有的，因此子類可以調用 父類的所有方法。鑒于子類較多，這里只給出父類間的調用關系，如圖13所示。面向對象 的設計方法非常靈活，系統(tǒng)可以根據(jù)需要方便的添加新的類、屬性和方法，對程序的擴展是 非常有利的。 視景仿真控制程序主要負責與鉆井模擬器溢流模擬控制程序的通訊，獲取實時動 畫的指令和數(shù)據(jù)，對圖形繪制程序發(fā)出作業(yè)指令完成實時動畫的繪制，由于在三維圖形的 運動仿真過程中是不允許有"穿墻而過"的狀況發(fā)生的，所以視景仿真控制程序要對運動 物體作碰撞檢測與處理，為了提高圖形效果和真實感，采用渲染特效，模擬火焰、氣泡、液體 噴涌效果，還使用GLSL實現(xiàn)電影級的光照效果，可以分別模擬白天，夜晚，探照燈等光照模 式。 在作業(yè)開始后，由鉆井控制器溢流控制程序發(fā)出指令讓視角固定，也可以通過鉆 井模擬器溢流模擬控制程序發(fā)出指令讓圖形分成三個部分進行分屏顯示，鉆井模擬器溢流 模擬控制程序接收來自前端操作者發(fā)出的各種指令及參數(shù)信息，并行數(shù)據(jù)處理。然后通過 TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)處理后得到的與圖形有關的數(shù)據(jù)發(fā)向圖形處理單元，這些數(shù)據(jù)包括起 下鉆速度、轉盤轉速、控制圖形各種動作的信號；壓井中的鉆井液顏色、氣柱長度等，圖形處 理單元得到數(shù)據(jù)后，做出具體反映，體現(xiàn)出鉆臺上各種控制系統(tǒng)的運動參數(shù)、具體動作、視 圖選擇(包括上視角、井下視角、防噴器視角、多視圖顯示等)等，并將一些設備狀態(tài)參數(shù)和 圖形繪制完成標記反饋回鉆井模擬器溢流模擬控制程序。
圖形處理單元與鉆井模擬器溢流模擬控制程序之間通信的數(shù)據(jù)格式如下
A鉆井模擬器溢流模擬控制程序發(fā)送給圖形處理單元的初始化及作業(yè)數(shù)據(jù)格式
union JSSendTUData




unsigned short state ;〃0 :表示初始數(shù)據(jù)，l :表示作業(yè)數(shù)據(jù)
float dl;〃大鉤高度float d2;〃大鉤速度unsignedshort d3 ;//每個動作繪制完成標記unsignedshort d4 ;//半封狀態(tài)，O表示關，l表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshort d5 ;//全封狀態(tài)，0表示關，1表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshort d6 ;//環(huán)形狀態(tài)，O表示關，l表示中間狀態(tài)，2表示開unsignedshort d7 ;//小鼠洞是否有桿，O表示無桿，1表示有桿unsignedshort d8 ;//吊環(huán)下掛物體是否在鉆臺平面下，o表示在下面，
1表示在上面}data ; }; 這樣就把鉆井模擬器溢流流程中的各種動作以及鉆井現(xiàn)場各種設備的狀態(tài)、空間 位置等控制信號和數(shù)據(jù)準確的發(fā)給圖形處理單元，使圖形能迅速、準確地反映前端操作者 的各種動作，完成全三維實時鉆井模擬器溢流的模擬。
權利要求
鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是專門針對鉆井模擬器溢流模擬的控制程序，按照以下步驟實現(xiàn)溢流情況的模擬(1)讀取前端設備的狀態(tài)參數(shù)和操作指令；(2)根據(jù)獲得的設備狀態(tài)參數(shù)和操作指令類別以及預先建立的鉆井模擬器溢流模擬的模型，計算出實現(xiàn)溢流模擬動畫的作業(yè)數(shù)據(jù)；(3)按照設定的數(shù)據(jù)格式與專門設置的圖形處理單元通訊，交換初始化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)，圖形處理單元跟據(jù)此數(shù)據(jù)完成溢流的動畫展現(xiàn)；(4)按照設定的數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊，交換動畫狀態(tài)信息；(5)重復前述步驟(1)～(4)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是所述的設備狀態(tài)參數(shù) 包括初始狀態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)，其中，初始狀態(tài)參數(shù)包括鉆頭壓降Pb、比鉆壓W、地層統(tǒng)計可 鉆性Kd、實際或設計泥漿密度P 、剎車鼓摩擦力F^、傳動效率nff、重力加速度g、滲流系數(shù) C、標準狀態(tài)下的壓縮系數(shù)Zs、標準狀態(tài)下的溫度Ts、天然氣密度P 8、溢流段環(huán)空環(huán)空中所分混合物的段數(shù)n、橫截面積Aa、混合物中泥漿體積分量^Z、混合物中天然氣體積分量^g和考慮平衡安全的地層壓力附加值^;動態(tài)參數(shù)包括剎車鼓摩擦力F^提升速度Vp、某擋穩(wěn)定起升角速度co。鉆頭總進尺 F、井深H、地層有效壓力Pp、井底有效壓力Pb、排量Q、鉆轉速N、機械鉆速V、氣體滲流量Qgs、 每段混合物底部壓力和每段混合物頂部壓力。
3. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是所述的操作指令包括 正常鉆井與關井指令、起鉆與關井指令、起鉆鋌與關井指令和空井與關井指令。
4. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是所述鉆井模擬器溢流 模型包括鉆井溢流過程模擬模型和關井溢流過程模擬模型。
5. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是所述的數(shù)據(jù)格式包括 初始化數(shù)據(jù)格式、作業(yè)數(shù)據(jù)格式和動畫狀態(tài)信息格式。
6. 根據(jù)權利要求1所述的鉆井模擬器溢流模擬方法，其特征是所述的圖形處理單元 包括圖形繪制程序和視景仿真控制程序，其中，圖形繪制程序包括設備類圖形繪制、粒子類 圖形繪制、管理類圖形繪制和工藝動畫繪制，視景仿真控制程序包括工藝動畫控制、碰撞處 理、特效渲染和參數(shù)顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種鉆井模擬器溢流模擬方法，它包括以下步驟1)讀取前端設備的狀態(tài)參數(shù)和操作指令；2)根據(jù)設備狀態(tài)參數(shù)和操作指令類別及預先建立的溢流模型計算出實現(xiàn)溢流模擬動畫的作業(yè)數(shù)據(jù)；3)按照設定的數(shù)據(jù)格式與專門設置的圖形處理單元通訊，交換初始化數(shù)據(jù)和作業(yè)數(shù)據(jù)；4)圖形處理單元根據(jù)交換的數(shù)據(jù)完成溢流的動畫展現(xiàn)；5)按照設定的數(shù)據(jù)格式與圖形處理單元通訊，交換動畫狀態(tài)信息。本發(fā)明基于計算機仿真技術并參照鉆井作業(yè)現(xiàn)場的實際操作流程，對溢流的原理和操作方法進行逼真模擬，用于鉆井現(xiàn)場操作人員和在校學生的技術技能培訓，增強了教學培訓的現(xiàn)場感，縮短了培訓周期，提高了培訓效果，降低了培訓成本。
文檔編號G09B25/02GK101710467SQ20091026342
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權日2009年12月16日
發(fā)明者梅大成, 梅雪, 胡衛(wèi)東, 趙剛, 鄭巧, 陳利學, 龔捷 申請人:西南石油大學