尹邦堂， 劉瑞文， 劉 剛， 林英松， 張 銳

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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鉆井及井控模擬仿真平臺構(gòu)建

尹邦堂， 劉瑞文， 劉 剛， 林英松， 張 銳

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

鉆井及井控模擬仿真平臺主要由仿真硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，可以進(jìn)行鉆進(jìn)過程、井下復(fù)雜情況判斷、破裂壓力試驗、井控操作程序(鉆進(jìn)、起下鉆、空井等工況)及壓井過程的模擬仿真。該平臺的使用，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對鉆井及井控理論知識的理解和掌握，還可以進(jìn)行與鉆井現(xiàn)場相似的模擬仿真操作，使學(xué)生身臨其境，提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能，達(dá)到工程實踐的目的，避免了因現(xiàn)場操作帶來的危險等不安定因素，為學(xué)生畢業(yè)后盡快適應(yīng)鉆井現(xiàn)場工作打下堅實的基礎(chǔ)。

工程實踐； 鉆井； 井控； 模擬仿真

0 引 言

石油工程專業(yè)之特點是專業(yè)所學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)場生產(chǎn)聯(lián)系緊密，理論與生產(chǎn)緊密相連[1-2]。石油工程專業(yè)的畢業(yè)生所從事的鉆井方向的工作是勘探與開采石油及天然氣資源的一個重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)著產(chǎn)生地下油氣流體變?yōu)榈厣峡捎媚茉赐ǖ赖闹匾蝿?wù)[3-4]。油田生產(chǎn)單位所需要的鉆井方向的石油工程畢業(yè)生應(yīng)當(dāng)具備工程實踐的能力，能夠根據(jù)現(xiàn)場的工作環(huán)境，運用所學(xué)的基礎(chǔ)知識，創(chuàng)造性的完成工作[5-7]。

從用人單位及往屆畢業(yè)生反饋的信息中可以看出，在工作單位最受歡迎的是具有扎實基礎(chǔ)知識、能夠靈活運用所學(xué)知識、具有工程實踐能力的學(xué)生，他們能夠較快地適應(yīng)工作，較好地處理現(xiàn)場出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況。但是也存在部分學(xué)生遇到與課堂上所學(xué)不同的實際問題時，缺乏解決問題的方法和手段；在分析判斷生產(chǎn)實際問題時缺乏全局觀念，僅從一點或幾點出發(fā)，難以得到正確結(jié)論[8-9]。究其原因，有如下幾點：

(1)石油工程專業(yè)改革后，鉆井工程課程學(xué)時減少，理論與實踐教學(xué)環(huán)節(jié)均有不同比例的壓縮。

(2)由于招生規(guī)模的擴(kuò)大和現(xiàn)場實際鉆井條件的限制，學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)和實踐教學(xué)難度不斷加大，特別是作為高危行業(yè)的石油鉆井，在現(xiàn)場實習(xí)過程中，由于顧及人身安全，禁止學(xué)生親自操作，只能以參觀的形式學(xué)習(xí)，多是走馬觀花。由于學(xué)生對現(xiàn)場實際工藝過程、常用設(shè)備工具的性能原理及操作方法了解和掌握得較差[10]，在涉及與現(xiàn)場相關(guān)的問題時，時常出現(xiàn)與實際脫節(jié)的現(xiàn)象，而且目前也缺乏相應(yīng)的實踐教學(xué)設(shè)備。

因此，基于計算機(jī)模擬仿真技術(shù)[11-13]、鉆井及井控的主要工藝流程[14-15]，研發(fā)了鉆井及井控模擬仿真平臺，學(xué)生可以利用該平臺進(jìn)行與鉆井現(xiàn)場相似的模擬操作，如模擬鉆進(jìn)、井控、壓井、井下復(fù)雜情況判斷及事故處理等。這不僅可以達(dá)到工程實踐的目的，而且可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時可以避免因?qū)嵨锊僮鲙砦ｋU等不安定因素，以及由此帶來的高消耗、高支出、環(huán)境污染、學(xué)生實踐機(jī)會少、實際實習(xí)效果差等缺陷。

1 鉆井及井控模擬仿真平臺設(shè)計

鉆井及井控模擬仿真平臺是一套數(shù)字仿真系統(tǒng)，用于模擬鉆井及井控技術(shù)，內(nèi)容豐富，仿真程度高。目前，該平臺所具有的模擬仿真內(nèi)容主要包括：模擬鉆井過程、井下復(fù)雜情況、破裂壓力試驗、井控操作程序(包括鉆進(jìn)、起下鉆、空井等工況)、壓井過程等。隨著平臺的不斷完善，模擬仿真內(nèi)容也將不斷更新和擴(kuò)展。其特點有：①可以模擬最新的盤式剎車電動鉆機(jī)；②采用OPTO智能型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊、顯示更加穩(wěn)定、可靠；③采用觸摸屏技術(shù)；④數(shù)字化儀表顯示；⑤虛擬指重表；⑥維護(hù)更加方便、可靠。

鉆井及井控模擬仿真平臺包括電動鉆機(jī)的控制操作臺、清輕觸式液晶儀表顯示屏、司鉆儀表板、防噴器控制臺、仿真遠(yuǎn)程控制操作臺、阻流遙控操作控制臺、阻流壓井管匯、立管管匯，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

本平臺采用工業(yè)控制計算機(jī)控制下的分布式智能網(wǎng)絡(luò)控制器，把整個平臺(模擬量、開關(guān)量、數(shù)字量)通過組態(tài)軟件下的網(wǎng)絡(luò)通信連為一體，充分發(fā)揮組態(tài)軟件的硬件設(shè)備驅(qū)動、上位圖形界面顯示和實時數(shù)據(jù)庫功能。應(yīng)用用于過程控制的OLE(OLE for Process Control)技術(shù)[16]，設(shè)計組態(tài)軟件和井控仿真模型軟件數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。圖像顯示系統(tǒng)以二維地層剖面圖形、結(jié)合三維動畫和鉆井現(xiàn)場視頻文件(AVI)，根據(jù)學(xué)生的操作作相應(yīng)的顯示或播放，并附有聲響系統(tǒng)，使學(xué)生達(dá)到身臨其境的效果。

2 鉆井及井控模擬仿真平臺硬件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

學(xué)生操作信號、儀表顯示信號(模擬量、開關(guān)量等)處理采用分布式工業(yè)控制模塊美國奧普圖公司OPTO22系列網(wǎng)絡(luò)智能數(shù)據(jù)模塊，與上位機(jī)采用網(wǎng)絡(luò)通信的結(jié)構(gòu)，由工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動。系統(tǒng)整體布局結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

2.2 數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)計及硬件組成

數(shù)據(jù)采集和控制部分的設(shè)計包括軟件和硬件兩部分。硬件部分是一套高性能的基于網(wǎng)絡(luò)控制的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，軟件部分則是通過Opto 22配套的基于PC機(jī)的程序設(shè)計和人機(jī)界面設(shè)計軟件所開發(fā)的司鉆臺電腦部分的軟儀表及監(jiān)控界面。硬件設(shè)備與PC機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，速度快、可靠性高，很好地解決了多機(jī)通信的沖突問題。軟件部分的數(shù)據(jù)更新速度快，界面美觀，能夠?qū)崟r或近實時地顯示采集到的各儀表數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，很好地滿足了系統(tǒng)的需求。數(shù)據(jù)采集和控制部分的設(shè)計主要包含三方面：實現(xiàn)各平臺數(shù)據(jù)的采集、存儲、簡單處理和控制；實現(xiàn)操作學(xué)生端監(jiān)控界面(人機(jī)界面)的設(shè)計；實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與其他數(shù)據(jù)顯示、處理主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計

硬件部分使用的是美國OPTO22公司的SNAP I/O PAC系統(tǒng)。主要由現(xiàn)場的Ultimate I/O控制器獨立進(jìn)行各種物理量的采集和控制，并通過以太網(wǎng)口與其他主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。這部分采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)和協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，能夠?qū)崟r或接近實時地獲取現(xiàn)場控制器采集的信息并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。然后上位機(jī)使用OPTO22公司提供的軟件ioProject Professional，對采集到的物理量根據(jù)需要進(jìn)行處理或顯示。

在司鉆操作臺中，它將傳統(tǒng)的司鉆控制臺和司鉆儀表臺結(jié)合起來；同時里面嵌入了SNAP I/O PAC系統(tǒng)，能夠通過I/O單元采集該控制臺以及其他控制平臺上安裝的開關(guān)量和模擬量的狀態(tài)，并在屏幕上以數(shù)字化儀表的形式實時顯示出來。學(xué)生可以通過觸摸屏監(jiān)控其他平臺，如節(jié)流控制箱、防噴器控制裝置等設(shè)備的工作狀態(tài)，全面掌控整個系統(tǒng)的運行情況。使模擬仿真系統(tǒng)更貼近現(xiàn)場所使用的新型司鉆臺，更加逼真地模擬了鉆井過程。

司鉆控制臺的剎把、各種開關(guān)和調(diào)速手柄通過相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生模擬操作信號，數(shù)據(jù)采集裝置把采集到的模擬信號送入計算機(jī)，經(jīng)處理后通過控制模塊進(jìn)行三維動畫的同步控制。

2.2.2 防噴器司鉆控制臺

采用全尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能和配置與現(xiàn)場鉆臺上的防噴器司鉆控制臺完全一致?？蓪崿F(xiàn)對環(huán)形防噴器、閘板防噴器、節(jié)流與壓井管匯開關(guān)閥門的開關(guān)操作，通過操作信號控制，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制臺的聯(lián)動。

2.2.3 防噴器遠(yuǎn)程控制臺

采用全尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計，所控制的5個對象分別由相應(yīng)的換向閥操縱，可實現(xiàn)對環(huán)形防噴器、閘板防噴器、四通兩翼連接節(jié)流與壓井管匯開關(guān)閥門的操作，并配有相應(yīng)的狀態(tài)指示燈顯示防噴器的開關(guān)狀態(tài)。

2.2.4 液動節(jié)流控制箱

液動節(jié)流控制箱采用全尺寸設(shè)計，它是在壓井過程中遠(yuǎn)端控制液動節(jié)流閥開度的裝置。液控箱面板上裝有立壓表、套壓表、閥位開啟度表、三位四通換向閥、調(diào)速閥等。通過遙控節(jié)流閥開度大小來控制關(guān)井套壓與立壓，從而實施壓井作業(yè)。司鉆在鉆臺可直接觀察立壓表與套壓表的變化以及閥位開啟度。

2.2.5 井口防噴器與節(jié)流壓井管匯

井口防噴器按一定比例設(shè)計加工，采用部分剖開式設(shè)計，學(xué)生可直接觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開關(guān)動作。節(jié)流與壓井管匯結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場配置基本一致，配有一個液動節(jié)流閥和一個手動節(jié)流閥。學(xué)生通過對個閥門的操作和軟件系統(tǒng)實現(xiàn)壓井作業(yè)訓(xùn)練操作。

2.2.6 立管管匯

采用雙立管結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)流動管路的設(shè)置，觀察個工況下的立壓大小。

2.2.7 參數(shù)儀表顯示設(shè)計

參數(shù)儀表軟件設(shè)計主要包括3個部分：系統(tǒng)控制程序的設(shè)計、學(xué)生端人機(jī)界面的設(shè)計和數(shù)據(jù)采集設(shè)備與其他主機(jī)的通信部分。其中系統(tǒng)控制程序和學(xué)生端人機(jī)界面采用Opto 22 公司提供的ioProject Professional軟件包進(jìn)行設(shè)計。數(shù)據(jù)的采集和通信則根據(jù)這套PAC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分布式結(jié)構(gòu)，由多個主機(jī)分時訪問主控制器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。其中學(xué)生機(jī)部分的數(shù)據(jù)通信，由于采用OPTO 22公司的軟件進(jìn)行設(shè)計，可以自動實現(xiàn)與PAC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換；而教師機(jī)(包括模型運算部分)C語言需要重新設(shè)計其與PAC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的接口程序。如圖3所示。

圖3 鉆井參數(shù)顯示儀表

整個系統(tǒng)設(shè)計符合工業(yè)自動化標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)簡單、條理清晰、易于維護(hù)，每臺操作設(shè)備電源獨立分配，信號傳輸距離短，系統(tǒng)對學(xué)生操作響應(yīng)及時，數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，速度快，便于實行多點和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 鉆井及井控模擬仿真平臺軟件系統(tǒng)

利用模擬仿真軟硬件系統(tǒng)結(jié)合，學(xué)生可以對鉆井及井控的主要工藝流程進(jìn)行模擬：包括鉆進(jìn)過程的模擬操作；鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷；起下鉆過程的模擬操作；關(guān)井程序的模擬操作；壓井過程的模擬操作；破壓試驗。

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作原理是：司鉆控制臺的剎把、各種開關(guān)和調(diào)速手柄通過相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生模擬操作信號，數(shù)據(jù)采集裝置把采集到的模擬信號送入計算機(jī)，經(jīng)計算機(jī)處理后進(jìn)行信號識別，通過控制模塊進(jìn)行三維動畫的同步控制，實現(xiàn)操作與動畫的協(xié)調(diào)一致。同時在屏幕上進(jìn)行鉆井儀表和數(shù)據(jù)的顯示。利用投影儀和音響設(shè)備，可以達(dá)到較為真實的模擬操作效果。系統(tǒng)運行環(huán)境為Windows XP。

3.1 鉆進(jìn)過程的模擬操作

鉆進(jìn)過程的模擬操作包括鉆井泵、轉(zhuǎn)盤和絞車的控制、鉆具的上提與下放、鉆井過程中鉆壓的控制等主要鉆井過程。通過上述模擬操作，學(xué)生可以掌握鉆井過程的主要操作方法和工藝流程，熟悉目前現(xiàn)場給鉆頭加壓的方法。通過模擬操作畫面上的儀表和參數(shù)顯示，可以了解到井下鉆進(jìn)動態(tài)及鉆進(jìn)過程中的注意事項等，加深了學(xué)生對鉆進(jìn)方法的感性認(rèn)識，有利于學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中對相關(guān)知識的理解。鉆進(jìn)過程的模擬操作畫面如圖5所示。

圖5 鉆進(jìn)過程的模擬操作畫面

3.2 鉆進(jìn)過程中井下復(fù)雜情況判斷

模擬鉆進(jìn)過程中常見的復(fù)雜情況，包括井漏、鉆具刺漏、鉆頭故障、卡鉆等9種井下復(fù)雜情況。復(fù)雜情況特征通過相應(yīng)參數(shù)表現(xiàn)出來，要求學(xué)生根據(jù)參數(shù)變化特征及時判斷出井下發(fā)生了何種復(fù)雜。圖6為發(fā)生井下復(fù)雜情況時活動鉆具模擬畫面。

圖6 活動鉆具畫面

3.3 起下鉆過程的模擬操作

模擬起下鉆過程的操作，圖7和圖8分別為起下鉆桿盒起下鉆鋌的模擬操作畫面。

圖7 起下鉆桿模擬操作畫面

圖8 起下鉆鋌模擬操作畫面

3.4 關(guān)井程序的模擬操作

模擬操作不同工況下發(fā)生溢流后的關(guān)井方法和關(guān)井步驟，包括：鉆井過程中發(fā)生溢流、起下鉆桿時發(fā)生溢流、起下鉆鋌時發(fā)生溢流、空井時發(fā)生溢流——搶下鉆、空井時發(fā)生溢流——直接關(guān)井。

通過井控模擬仿真操作，學(xué)生不但可以掌握不同工況下的關(guān)井程序，關(guān)井立壓和關(guān)井套壓的確定方法。發(fā)生井涌時關(guān)防噴器畫面如圖9所示。

圖9 發(fā)生井涌時關(guān)防噴器畫面

3.5 壓井模擬操作

提供了常規(guī)和非常規(guī)壓井的模擬操作和壓井參數(shù)計算，使學(xué)生直接體驗壓井過程中利用節(jié)流控制閥控制立壓和套壓的方法，包括：工程師法壓井、司鉆法壓井、邊加重邊循環(huán)法壓井、直推法壓井、置換法壓井，如圖10，11所示。

圖10 井工程師法壓井模擬

圖11 置換法壓井模擬

4 結(jié) 語

鉆井及井控模擬仿真平臺的建成，為鉆井工程的實踐教學(xué)增添了新的教學(xué)實驗項目和設(shè)備，為鉆井方向的學(xué)生提供了新的工程實踐手段，是目前提高學(xué)生工程實踐能力的重要途徑。該平臺的使用，不但可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加深學(xué)生對鉆井理論知識的理解和掌握，還可以進(jìn)行與鉆井現(xiàn)場相似的模擬操作，使學(xué)生身臨其境，提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能，達(dá)到工程實踐的目的，避免了因現(xiàn)場操作帶來的危險等不安定因素，為學(xué)生畢業(yè)后盡快適應(yīng)鉆井現(xiàn)場打下堅實基礎(chǔ)。

[1] 張來斌. 推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新以高水平科研服務(wù)國家能源戰(zhàn)略需求[J]. 大學(xué)(學(xué)術(shù)版), 2012(8): 37-41.

[2] 隋秀香, 李相方, 尹邦堂. 教學(xué)實驗與科研相結(jié)合培養(yǎng)創(chuàng)新型石油人才[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(11): 144-147.

[3] 陳庭根, 管志川. 鉆井工程理論與技術(shù)[M]. 東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2006.

[4] 王瑞和, 李明忠. 石油工程概論[M]. 2版. 東營: 中國石油大學(xué)出版社, 2011.

[5] 山紅紅. 強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實踐育人體系建設(shè)[J]. 中國高等教育, 2011(20): 6-8.

[6] 管志川, 王瑞和, 李明忠, 等. 石油工程專業(yè)學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)研究[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2001, 17(6): 95-97.

[7] 馮其紅, 胡 偉, 戰(zhàn)永平. 石油工程專業(yè)大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑改革[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2012, 29(12): 16-19.

[8] 韓國慶, 李宗田. 采油工程綜合技術(shù)與案例分析課程教學(xué)研究[J]. 教育教學(xué)論壇, 2014(16): 67-68.

[9] 馮其紅, 胡 偉, 王增寶. 改革實驗教學(xué)模式培養(yǎng)大學(xué)生的工程實踐能力[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(2): 130-132.

[10] 金業(yè)權(quán), 王越之, 汪琦生. 石油工程生產(chǎn)實習(xí)問卷調(diào)查、現(xiàn)狀分析及改革設(shè)想[J]. 石油教育, 2002(1):102-104.

[11] 馮其紅, 周 童, 趙修太, 等. 石油工程實驗教學(xué)示范中心信息化平臺建設(shè)[J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(3): 97-99.

[12] 任思璟, 李春華, 李忠勤. 基于組態(tài)仿真技術(shù)的紙機(jī)實驗系統(tǒng)設(shè)計[J]. 實驗室研究與探索, 2014, 33(7): 98-100.

[13] 羅明良, 溫慶志, 齊 寧, 等. 基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的壓裂酸化實驗教學(xué)平臺構(gòu)建[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2014, 31(9): 77-80.

[14] 孫振純. 井控技術(shù)[M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1998.

[15] Grace R D. Blowout and Well Control Handbook [M]. Burlington: Gulf Professional Publishing. 2003.

[16] 陸會明, 朱耀春. 控制裝置標(biāo)準(zhǔn)化通信:OPC服務(wù)器開發(fā)設(shè)計與應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

·名人名言·

如果你問一個善于溜冰的人怎樣獲得成功時，他會告訴你：“跌倒了，爬起來?！边@就是成功。

——牛頓

Construction of Simulation Platform of Drilling and Well Control

YINBang-tang,LIURui-wen,LIUGang,LINYing-song,ZHANGRui

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Huadong), Qingdao 266580, China)

The Drilling and Well Control Simulation Platform is composed of experimental devices and software system. The drilling, downhole complication judgment, formation fracture pressure test, well control procedure (such as drilling, tripping in and out, empty wells), and the well killing can be simulated. Based on this platform, the studying enthusiasm of students can be stimulated, and the drilling and well control theoretical knowledge can be deeply understood. Also the platform can be operated similarly to the field drilling. Students can be personally on the scene. It can improve the basic skills of drilling and well control and achieve the purpose of engineering practice. And the risks due to the field drilling operations and other unstable factors can be avoided. This platform can help graduation students adapt the field drilling as soon as possible.

engineering practice; drilling; well control; simulation

2015-01-06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(14CX02167A)；中國石油大學(xué)基金項目(SDYY13096，QYY1406，ZR2014EEQ021)

尹邦堂(1985-)，男，山東青州人，博士，講師，主要從事油氣井工程方向的教學(xué)科研工作。

Tel.：18653252815；E-mail：yinbangtang@163.com

TE 28；G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0085-05