钻井模拟器钻进工艺模拟方法技术

本发明专利技术公开的一种钻井模拟器钻进工艺模拟方法，它包括以下步骤：１）读取前端设备的状态参数和操作指令；２）根据设备状态参数和操作指令类别及预先建立的钻进工艺模型计算出实现钻进工艺模拟动画的作业数据；３）按照设定的数据格式与专门设置的图形处理单元通讯，交换初始化数据和作业数据；４）图形处理单元据交换的数据完成钻进工艺的动画展现；５）按照设定的数据格式与图形处理单元通讯，交换动画状态信息。本发明专利技术基于计算机仿真技术并参照钻井作业现场的实际操作流程，对钻进工艺的原理和操作方法进行逼真模拟，用于钻井现场操作人员和在校学生的技术技能培训，增强了教学培训的现场感，缩短了培训周期，提高了培训效果，降低了培训成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种钻井模拟方法，特别是涉及一种。
技术介绍
石油工业是一种技术密集型行业，钻井作业是石油工业拿储量、上产量的重要手段之一。由于石油钻井生产条件的限制和井下情况的复杂性，使石油钻井作业面临极大的风险。为了获得更好生产效率和经济效益，减少人为事故的发生，对钻井现场操作人员和工程技术人员的技术技能培训就显得十分重要。钻井过程的模拟处于钻井过程中的较为重要的一部分，所以钻井模拟器钻进工艺的模拟也是举足轻重。 目前，钻井操作培训主要在生产现场进行，由于各种条件和因素的制约，使培训内容受到极大的限制，培训的系统性、培训效果及培训人员数量等都受到极大的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的即在于克服现有技术的缺点，提供一种基于计算机仿真技术的钻井模拟器钻进工艺的模拟方法，该方法参照钻井作业现场的实际操作流程，对钻进工艺的工作原理和操作方法进行逼真模拟，增强教学培训的现场感，縮短培训周期、提高培训效果、降低培训成本。 本专利技术的目的通过以下技术方案来实现，专门针对钻进工艺模拟的控制程序，按照以下步骤实现钻进工艺模拟 (1)读取前端设备的状态参数和操作指令； (2)根据获得的设备状态参数和操作指令类别以及预先建立的钻进工艺模型，计算出实现钻进工艺模拟动画的作业数据； (3)按照设定的数据格式与专门设置的图形处理单元通讯，交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此数据完成钻进工艺的动画展现； (4)按照设定的数据格式与图形处理单元通讯，交换钻进工艺动画状态信息； (5)重复前述步骤(1) (4)。 钻进工艺模拟控制程序必须持续不断的与前端设备进行通信，以获取前端的设备状态以及获取培训学员的操作过程。这样做有以下几个原因 (1)实时获取前端硬件的设备状态后，经过钻进工艺模拟控制程序处理，可以驱动图形处理单元产生与硬件设备操作同步的动画过程。比如在图形处理单元中，大钩的上升和下降过程就是受前端绞车离合器，脚油门，刹把，离合器档位等部件的控制。(2)实时获取的前端设备状态也是钻进工艺模拟控制程序中模拟数学模型的基础数据。比如在钻进过程的模拟中，就需要获得钻盘转数、刹把状态，泥浆排量，泥浆密度等参数。 钻进工艺模拟的控制程序所计算出的钻进工艺参数也需要实时传输给前端设备，所以钻进工艺模拟的控制程序和前端设备之间的通信具备双向、高速和稳定的特性。 操作指令类别包括正常钻进及接立柱的操作指令、不同地层可钻性条件下的钻 进操作指令、憋跳下的钻进操作指令、高压地层钻进操作指令和低压地层钻进操作指令。 正常钻进及接立柱的操作的过程为开始本次作业，循环泥浆，轻压跑合，正常钻 进，接立柱，下放一定深度后，结束本次作业。 不同地层可钻性条件下的钻进操作的过程为开始本次作业，循环泥浆，轻压跑 合，在第一种地层钻进1米，在第二种地层钻进1米，在第三种地层钻进1米，提出钻柱，结 束本次作业。 憋跳下的钻进操作的过程为开始本次作业，正常钻进，如果未出现憋跳则正常钻 进，如果出现憋跳则上提钻柱，改变转速、钻压，下放钻进，判断憋跳是否减弱，若憋跳未减 弱则返回上提钻柱，循环至憋跳减弱，然后对憋跳段划眼，结束本次作业。 高压地层钻进操作的过程为开始本次作业，循环泥浆，正常钻进，判断是否出现 溢流，若未出现溢流则正常钻进，否则加大泥浆密度，继续钻进，接立柱，最后结束本次作 业。 低压地层钻进操作的过程为开始本次作业，循环泥浆，正常钻进，判断是否出现 漏失，若未出现漏失则正常钻进，否则加大泥浆密度，继续钻进，接立柱，最后结束本次作 业。 本专利技术所述的钻进工艺模拟必须建立在严格的数学模型基础上，这样才能使钻进 工艺模拟的各种参数符合实际现场的情况，才能达到良好的培训效果。 本专利技术所采用的钻进工艺模型包括喷嘴组合模型、钻头水功率模型、比水功率模 型、喷嘴等效比水功率模型、钻速速度模型、流体量模型、钻机起升系统动力学运动学数学 处理模型、刹车鼓摩擦力模型、钻头轴承或牙齿寿命模型、每米钻进成本模型、起下钻速度 判别模型、钻井泥浆密度选择范围模型和钻井液排量模型。模型使用的设备状态参数包括 初始状态参数和动态参数，初始状态参数包括钻头压降Pb、比钻压W、地层统计可钻性kd、 有效钻头比水功率H『实际或设计泥浆密度P 、刹车鼓摩擦力F^传动效率nff、井内最高 地层压力PP和井内最小地层破裂压力Pf ; 动态参数包括刹车鼓摩擦力F^提升速度Vp、某挡稳定起升角速度"。钻头总进 尺F、稠度系数K、、岩屑当量直径ds、井眼扩大系数P、屈服值、、塑性粘度ns、井底地层 压力Pp、井深h、井内易漏层破裂压力Pf、排量Q、喷嘴组合J、钻转速N和机械钻速V。 钻进工艺模型条件的假设 (1)钻井液环空携岩能力Lc > 0. 5 ;环空钻屑浓度Ca < 0. 09 ;环空流态稳定参数 值Z《井眼稳定值Z值。 (2)所用通用钻速方程是建立在地层统计可钻性的基础上的，它反映了不均质地 层可钻性的宏观规律。只要按《钻井手册(甲方)》选出相应的钻头类型，建立准确的地层 可钻性梯度公式，纳入设计的程序，即可得出符合实际的结果。 (3)波动压力的分析与计算是建立在刚性液柱(钻井液与井内管柱为不可压縮) 理论基础上的。(4)钻井中发生溢流时，单位时间内进入环空的泥浆和气体形成的混气泥浆是均 匀混合的。在这种假设下，我们可以将单位体积的混和泥浆中的气体含量看成是相等的。 (5)发现溢流后，应及时停泵关井。在井内压力平衡前，地层气体仍然会不断地进4入井内。因此，假设从停泵关井到关井稳定这段时间内，井内形成一段连续的纯气柱；且在压井过程中，此连续气柱不被破坏。(6)气体从地层中进入井筒符合达西定律。(7)若进入井内的溢流为气体，则假设气体溢流在环空内上升时要膨胀，其膨胀过程符合气体状态方程，且忽略气体滑脱现象。若进入井内的溢流为液体，则假设液体溢流在上升过程中不发生膨胀和滑脱现象。(8)电动机的输出功率按恒定值考虑。(9)假设井内的地温梯度为一常数，则 井底压力=地温梯度X井深+井口温度。 (10)地层破裂压力梯度为一常数，则井内任一点的地层破裂压力为该点井深乘以 地层破裂压力梯度。(11)通用钻速方程式在假设影响钻速的钻压指数、转速指数、水力参数、钻井液密 度差与地层宏观性等这些单因素是互不影响的独立变量的基础上建立起来的函数关系。 由于本模型主要用于模拟培训，因此，在计算时间、计算精度和和准确度发生冲突 时，原则上以保时间为主，而将过分复杂的数学模型进行了适当简化，但保证定性方面的准 确性。建立的钻进工艺模型包括 —、喷嘴组合设计模型 喷嘴组合级差多大合适， 一般采用直径比q = (0. 5-0. 8)进行组合 双喷嘴 丄g《+《三喷嘴d。:J，=《《:7《2《单喷嘴J = de双等径AJ2 =义 三等径^ = >/2 = ^ 丄二、钻头水功模型，比水功率模型及喷嘴等效比水功率模型Nb = PbQ1L =OD2 /4),4 + " + ^ 《'=3iVtz z " 式中Nb—钻头水功率，瓦 Pb—钻头压降，千帕 Q—排量，升/秒5 Nc—钻头比水功率，瓦/毫米2 D—钻头直径，毫米 Nee—喷嘴有效比水功率，瓦/毫米2 J" J2， J本文档来自技高网...

【技术保护点】
钻井模拟器钻进工艺模拟方法，其特征是：专门针对钻进工艺模拟的控制程序，按照以下步骤实现钻进工艺模拟：（１）读取前端设备的状态参数和操作指令；（２）根据获得的设备状态参数和操作指令类别以及预先建立的钻进工艺模型，计算出实现钻进工艺模拟动画的作业数据；（３）按照设定的数据格式与专门设置的图形处理单元通讯，交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此数据完成钻进工艺动画的展现；（４）按照设定的数据格式与图形处理单元通讯，交换钻进工艺动画状态信息；（５）重复前述步骤（１）～（４）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈利学，梅雪，梅大成，龚捷，胡卫东，郑巧，赵刚，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]