一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练系统及方法与流程

1.本发明涉及浅水钻井技术领域，尤其涉及一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练系统及方法。


背景技术：

2.目前，国家相关部门加大了对国家能源安全的保障力度，要求各大石油企事业单位加强对石油勘探开发的投入，增加我国新增油气发现及产量，以确保国家能源安全。因此，海洋石油的勘探与开发作业也逐渐由浅海近海区域转向深海远海区域，以增加海洋油气的勘探开发区域面积，寻求更多的油气发现。
3.由于新进员工或石油相关专业学生，他们对钻井的过程、钻机的操作或 者发生事故时的处理方法都没有感性的认识，对于现场钻井操作不熟悉。一旦出现操作失误或不慎，有可能引发严重的质量事故或安全事故，为国家和人民带来重大的损失。因此，钻井从业人员的上岗知识培训和专业技能培训显得十分重要。但由于几乎所有的钻井现场和设施都分布在海上，不可能将培训放到现场进行，如果仅依靠常规的课堂教学或实验室操作，由于缺乏形象逼真、直观生动的辅助手段和方式，不免陷入课程内容简单枯燥、学员学习效果差的尴尬局面，培训难以达到预期效果。同时，现有的钻井情景演练系统存在模拟训练效果差和训练内容单一的问题，且系统不具备多岗位协同训练能力，不能真实展示受训人员的操作反馈，因此需要针对浅水关井井控作业进设计一种演练系统和方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练系统及方法，运用数学物理模型，模拟浅水石油工程压井作业中的各种工况和参数信息，同时还能够开展各类作业的井控演练，实现演练过程的单人演练与多人联合演练，并能够对用户处置操作、突发事件处理、任务完成情况及相关知识点进行演练评价，指出演练过程中存在的问题与不足。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练系统，包括依次连接的教师机、服务器和学生机；所述教师机包括学员管理模块、作业管理模块、评价管理模块和控制台软件模块；学员管理模块用于实现培训人员信息和培训分组设置管理功能；作业管理模块用于设置培训项目和发送培训项目至学员端；评价管理模块用于对人员操作过程进行自动评价，统计评分细节；控制台软件模块用于完成包括作业场景、作业内容、演练分组、人员角色分配和演练项目的演练参数设置，实现作业过程中主要设备参数的实时显示；服务器包括工艺控制模块、钻井数据计算模块和网络通信模块；工艺控制模块用于完成包括完成钻井、修井、完井各个作业的工艺流程控制，以及应急演练的演练过程控制；钻井数据计算模块采用数学模型模拟石油工程钻井作业中的各种工况和参数，能设置
各种钻井参数，模拟钻机的各种操作；网络通信模块用于完成服务器与每台学生机之间的数据通信，将每台学生机的人员位置信息，设备状态信息汇总到服务器，再将数据汇总到钻井数据计算模块，最后将处理后的数据返回给每台学生机；学生机包括三维显示软件模块、人物角色行为模拟及逻辑控制模块、声效控制模块和设备参数显示模块；三维显示软件模块用于三维建模井场环境及作业设备，建立人机交互环境，通过控制程序实时渲染作业流程；人物角色行为模拟及逻辑控制模块用于建立钻井作业当班组人员角色并制作人物动作库，通过人物角色行为模拟及逻辑控制模块完成对人物活动的模拟、显示及判别；声效控制模块用于模拟钻井现场泵、绞车、转盘设备以及现场环境的音效；设备参数显示模块用于将数学模型实时计算得到的钻井参数、人员操作的设备和仪表数据，通过三维设备模型进行实时显示。
6.一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练方法，包括：s1：根据虚拟现实技术构建3d浅水关井井控模型；s2：教师及学员进行身份认证并上传至服务器进行验证；s3：教师机进行演练浅水关井项目设置，将演练任务方案上传服务器，服务器向学生机下发工况演练任务，分配岗位信息；s4：学生机接受演练任务列表和岗位信息，在重置设备状态后，生成演练分项的初始化场景及设备状态；s5：通过桌面式虚拟显示软件及unity3d网络架构同步所有参与演练人员的显示终端三维图形状态信息，进行浅水关井井控多岗位演练，并将演练数据实时上传至服务器；s6：学生机记录演练信息，形成演练记录，并获得演练成绩。
7.所述步骤s3中演练任务包括：钻井工况下硬关井、起下钻杆工况下硬关井、起下钻铤工况下硬关井和空井工况下硬关井。
8.所述步骤s4中岗位包括：司钻、副司钻、泵工、钻工、录井工程师、钻井监督、队长、高级队长及水下师。
9.所述钻井工况下硬关井演练过程包括：司钻检查有溢流情况发生后发出井涌信号，司钻停止钻井、顶驱及钻井泵，上提钻具，关闭环形bop后再关闭上闸板bop，打开钻井四通处的液动放喷阀，在司钻房确认液动节流阀关闭，录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
10.所述起下钻杆工况下硬关井演练过程包括：司钻发出井涌信号通知各岗位，上提钻具至关闭bop，抢接钻杆内防喷器，关闭环形bop后再关闭上闸板bop，打开钻井四通处的液动放喷阀，关闭节流管汇上的液动节流阀，录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
11.所述起下钻铤工况下硬关井演练过程包括：钻发出井涌信号通知各岗位，迅速将钻铤立柱下到合适位置，坐好卡瓦，抢接变扣接头或防喷立柱，情况恶劣时接顶驱，将钻杆下过防喷器位置，关闭环形bop后再关闭上闸板bop，打开钻井四通处的液动放喷阀，确认节流管汇上的液动节流阀关闭，录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
12.所述空井工况下硬关井演练过程包括：钻井监督检查有溢流情况发生后发出井涌信号，关闭闸板防喷器，打开钻井四通处的液动放喷阀，确认关闭节流管汇上的液动节流阀，录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
13.本发明的有益效果：1、本发明运用溢流模型、钻速模型、压井模型等数学物理模型，模拟石油工程钻井作业中的各种工况和参数信息，例如压力、扭矩、钻速、排量等，精确反应这些物理参数之间的关系，达到与实际钻井作业相同的效果。系统支持各种钻井参数设置，如钻具结构、井深结构、地层参数、设备参数等，使演练过程更加灵活多变，更具培训针对性。系统采用的数学物理模型支持无定序操作架构，能真实模拟作业过程的各种操作，真实表达人为操作的差异性，使系统表现更接近实际。
14.2.本发明在演练过程中，系统可根据受训人员的实际操作真实再现作业操作过程、事故演化过程和参数变化过程。能够做到不同的人使用该系统，在不同的操作过程下，能够实现与真实规律相仿的数据表现和事件发展，在钻井高压底层、误操作或处理不当的情况下，该系统支持井控事故的触发和事故现象的表现。
附图说明
15.图1是本发明的系统框图。
具体实施方式
16.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
17.本实施例中，如图1所示，一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练系统，包括依次连接的教师机、服务器和学生机；所述教师机包括学员管理模块、作业管理模块、评价管理模块和控制台软件模块；学员管理模块用于实现培训人员信息和培训分组设置管理功能；作业管理模块用于设置培训项目和发送培训项目至学员端；评价管理模块用于对人员操作过程进行自动评价，统计评分细节；控制台软件模块用于完成包括作业场景、作业内容、演练分组、人员角色分配和演练项目的演练参数设置，实现作业过程中主要设备参数的实时显示；服务器包括工艺控制模块、钻井数据计算模块和网络通信模块；工艺控制模块用于完成包括完成钻井、修井、完井各个作业的工艺流程控制，以及应急演练的演练过程控制；钻井数据计算模块采用数学模型模拟石油工程钻井作业中的各种工况和参数，能设置各种钻井参数，模拟钻机的各种操作；网络通信模块用于完成服务器与每台学生机之间的数据通信，将每台学生机的人员位置信息，设备状态信息汇总到服务器，再将数据汇总到钻井数据计算模块，最后将处理后的数据返回给每台学生机；学生机包括三维显示软件模块、人物角色行为模拟及逻辑控制模块、声效控制模块和设备参数显示模块；三维显示软件模块用于三维建模井场环境及作业设备，建立人机交互环境，通过控制程序实时渲染作业流程；人物角色行为模拟及逻辑控制模块用于建立钻井作业当班组人员角色并制作人物动作库，通过人物角色行为模拟及逻辑控制模块完成对人物活动的模拟、显示及判别；声效控制模块用于模拟钻井现场泵、绞车、转盘设备以及现场环境的音效；设备参数显示模块用于将数学模型实时计算得到的钻井参数、人员操作的设备和仪表数据，通过三维设备模型进行实时显示。
18.桌面式浅水关井井控多岗位协同演练方法，包括：
s1：根据虚拟现实技术构建3d浅水关井井控模型；s2：教师及学员进行身份认证并上传至服务器进行验证；s3：教师机进行演练浅水关井项目设置，将演练任务方案上传服务器，服务器向学生机下发工况演练任务，分配岗位信息；s4：学生机接受演练任务列表和岗位信息，在重置设备状态后，生成演练分项的初始化场景及设备状态；s5：通过桌面式虚拟显示软件及unity3d网络架构同步所有参与演练人员的显示终端三维图形状态信息，进行浅水关井井控多岗位演练，并将演练数据实时上传至服务器；s6：学生机记录演练信息，形成演练记录，并获得演练成绩。
19.3.根据权利要求2所述的一种桌面式浅水关井井控多岗位协同演练方法，其特征在于，所述步骤s1还包括：s11：根据虚拟现实技术构建三维模型，所述三维模型包括：演练场景模型、井控设备模型、人员模型、环境状况模型及事故发生发展过程模型；s12：对三维模型进行优化，并最终生成3d浅水关井井控模型。
20.所述步骤s3中演练任务包括：钻井工况下硬关井、起下钻杆工况下硬关井、起下钻铤工况下硬关井和空井工况下硬关井。
21.所述步骤s4中岗位包括：司钻、副司钻、泵工、钻工、录井工程师、钻井监督、队长、高级队长及水下师。
22.所述钻井工况下硬关井演练过程包括：步骤一：司钻观察信号异常并检查有溢流情况发生后发出井涌信号；队长和高级队长立即到钻台；司钻将钻具提离井底，使钻杆接头避开上闸板bop芯子并停顶驱、停泵，泵工泵舱待命；钻工a拨打和接收电话，传递信息，协助司钻记录信息；钻工b、c在钻台待命，听从司钻指令；钻工d听到警报后，立即到司钻房拿对讲机和手电筒，到远控台处待命；录井工程师发现返出异常等信号，先后汇报钻台和监督办；步骤二：司钻关闭环形bop，观察远控台压力是否先降后升，环形控制压力是否先降后升，观察流量是否与环形bop所需流量一致；关闭上闸板bop，观察远控台压力和流量；通知钻工d已关闭环形和上闸板bop；副司钻准备纸、笔，放于司钻房阻流阀控制盘处；钻工a观察司钻操作bop过程，以防误操作，并随时准备接听电话；钻工d在远控台处等待接受操作bop信号，迅速检查环形和上闸板对应的三位四通阀是否成功关闭，如未成功关闭，立即手动操作，及时向司钻汇报防喷器已关闭信号；录井工程师密切监控录井参数，如有异常，立即汇报监督；步骤三：司钻打开钻井四通处的液动放喷阀；泵工做好加重泥浆的准备；钻工b检查防喷器连接处是否渗漏，及时向司钻汇报，并接受队长或司钻的指令；钻工c观察泥浆槽处是否有返出，及时向司钻汇报，并接收队长或司钻的指令；钻工d在远控台处等待接受操作液动放喷阀信号，迅速检查环形和上闸板对应的三位四通阀是否成功打开，如未成功打开，立即手动操作，及时向司钻汇报液动放喷阀已打开信号；步骤四：司钻在司钻房确认液动节流阀关闭，如未关闭，立即关闭，通知钻工a关闭节流阀阀上游平板阀，打开环形防喷器；钻工a到钻台关闭节流阀上游平板阀；钻工d在远控台等待接受打开环形bop信号，并确认三位四通阀打开，如未打开，手动操作，启动振动筛，
做好压井前准备；步骤五：钻井监督接到司钻汇报后，告知司钻记录数据，获取关井压力后，完成压井施工单，准备压井作业；副司钻在司钻房节控箱处记录15分钟内每1分钟的立压、套压和泥浆池增量；录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
23.所述起下钻杆工况下硬关井演练过程包括：步骤一：司钻发出井涌信号通知各岗位；副司钻迅速到阻流/压井管汇处，确认阀门处于井控状态（mgs上游30#阀须打开），并通知司钻；泵工确认泵舱管汇处于井控状态，并通知司钻；钻工a到司钻房，准备协助司钻关bop；钻工b、c迅速到振动筛待命；钻工d迅速到振动筛待命；步骤二：钻井监督接到录井上报的返出异常信号后，询问钻台情况后立即到钻台；队长和高级队长立即到钻台；司钻立即停止起钻；泵工泵舱待命；钻工a拨打和接收电话，传递信息，协助司钻记录信息；钻工b、c钻台待命，听从司钻指令；钻工d听到警报后，立即到司钻房拿对讲机和手电筒，到远控台处待命；录井工程师发现溢流信号后，先后汇报钻台和监督办；步骤三：司钻快速下放钻具至坐卡瓦的合适位置，坐好卡瓦，打开吊卡起游车至二层台扣一柱钻杆，指挥钻工抢接考克和ibop；副司钻操作排管机抓一柱钻杆配合司钻扣上动力吊卡，井口安装完考克和ibop后操作铁钻工紧扣；钻工a迅速到钻台，与钻工b迅速坐好卡瓦，与钻工b、c合作抢接考克和ibop（尝试抢接，关闭考克，抢接ibop，卸ibop顶盖）；钻工b与钻工a迅速坐好卡瓦，与钻工a、c合作抢接考克和ibop（尝试抢接，关闭考克，抢接ibop，卸ibop顶盖）；钻工c与钻工a、b合作抢接考克和ibop（尝试抢接，关闭考克，抢接ibop，卸ibop顶盖）；钻工d到远控台处等待司钻关闭bop操作后，确认bop关闭状态；录井工程师持续监控返出，有异常汇报监督；步骤四：若钻杆内喷势较大，司钻立即接顶驱，并关闭顶驱液动旋塞阀；钻工a、b迅速坐好卡瓦；钻工a、b和c协助司钻抢接顶驱；步骤五：司钻关闭环形bop，观察远控台压力是否先降后升，环形控制压力是否先降后升，观察流量是否与环形bop所需流量一致，关闭上闸板bop，观察压力和流量是否正常，通知钻工d已关闭环形和上闸板bop；副司钻准备纸、笔，放于司钻房阻流阀控制盘处；钻工a抢接顶驱或ibop成功后，到司钻房，观察司钻操作bop过程，以防误操作并随时接听电话；钻工b立即到井口，在安全距离观看井口套管头，防喷器组、管线是否有渗漏，并随时汇报钻台，接收队长或司钻的其他指令；钻工c立即到高架槽处观察泥浆槽是否有返出，并随时汇报钻台；钻工d在远控台处等待接受操作bop信号，迅速检查环形和上闸板对应的三位四通阀是否成功关闭，如未成功关闭，立即手动操作，及时向司钻汇报防喷器已关闭信号；步骤六：司钻操作司控台，打开钻井四通处的液动放喷阀；泵工做好加重泥浆的准备；钻工a观察司钻操作液动放喷阀过程，防止误操作；钻工d远控台处等待接受操作液动放喷阀信号，及时向司钻汇报液动放喷阀已打开信号；步骤七：司钻在司钻房确认液动节流阀关闭，如未关闭，立即关闭，通知钻工a关闭节流阀上游平板阀，节流阀关闭后，操作司控台，打开环形防喷器；钻工a到钻台关闭节流阀上游平板阀；钻工d启动振动筛，做好压井前准备；步骤八：钻井监督接到司钻汇报后，告知司钻记录数据，获取关井压力后，完成压
井施工单，准备压井作业；副司钻在司钻房节控箱处记录15分钟内每1分钟的立压、套压和泥浆池增量；录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
24.所述起下钻铤工况下硬关井演练过程包括：步骤一：司钻发出井涌信号通知各岗位准备关井；副司钻迅速到阻流/压井管汇处，确认阀门处于井控状态（mgs上游30#阀须打开），并通知司钻；泵工确认泵舱管汇处于井控状态，并通知司钻；钻工a到司钻房，准备协助司钻关bop；钻工b、c和d迅速到钻台待命；步骤二：钻井监督接到录井上报的返出异常信号后，询问钻台情况后立即到钻台；队长和高级队长立即到钻台；司钻下放钻铤至坐卡瓦位置；泵工泵舱待命；钻工a拨打和接收电话，传递信息，协助司钻记录信息；钻工b、c合作，配合司钻坐卡瓦，打安全卡瓦；钻工d听到警报后，立即到司钻房拿对讲机和手电筒，到远控台处待命；录井工程师发现溢流信号后，先后汇报钻台和监督办；步骤三：钻井监督持续监控各项参数，关注钻台的汇报；司钻抢接防喷立柱，上起游车到二层台扣防喷立柱，指挥钻工抢接防喷立柱，将钻铤下过防喷器位置，选取关闭防喷器的合适位置，如条件允许，尽量多下入钻杆；副司钻推出防喷立柱，配合司钻操作扣钻杆吊卡，井口安装完ibop后操作铁钻工紧扣；钻工a迅速到钻台，与钻工b迅速坐好卡瓦，与钻工b、c合作抢接ibop；钻工d到远控台处等待司钻关闭bop操作后，确认bop关闭状态；录井工程师持续监控返出，有异常汇报监督；步骤四：司钻关闭环形bop，观察远控台压力是否先降后升，环形控制压力是否先降后升，观察流量是否与环形bop所需流量一致，关闭上闸板bop，观察压力和流量是否正常，通知钻工d已关闭环形和上闸板bop；副司钻准备纸、笔，放于司钻房阻流阀控制盘处；钻工a抢接顶驱或ibop成功后，到司钻房，观察司钻操作bop过程，以防误操作并随时接听电话；钻工b立即到井口，在安全距离观看井口套管头，防喷器组、管线是否有渗漏，并随时汇报钻台，接收队长或司钻的其他指令；钻工c立即到高架槽处观察泥浆槽是否有返出，并随时汇报钻台；钻工d在远控台处等待接受操作bop信号，迅速检查环形和上闸板对应的三位四通阀是否成功关闭，如未成功关闭，立即手动操作，及时向司钻汇报防喷器已关闭信号；步骤五：司钻操作司控台，打开钻井四通处的液动放喷阀；泵工做好加重泥浆的准备；钻工a观察司钻操作液动放喷阀过程，防止误操作；钻工d在远控台处等待接受操作液动放喷阀信号，迅速检查环形和上闸板对应的三位四通阀是否成功打开，如未成功打开，立即手动操作，及时向司钻汇报液动放喷阀已打开信号；步骤六：司钻在司钻房确认液动节流阀关闭，如未关闭，立即关闭，通知钻工a关闭节流阀上游平板阀，节流阀关闭后，操作司控台，打开环形防喷器；钻工a到钻台关闭节流阀上游平板阀；钻工d启动振动筛，做好压井前准备；步骤七：钻井监督接到司钻汇报后，告知司钻记录数据，获取关井压力后，完成压井施工单，准备压井作业；副司钻在司钻房节控箱处记录15分钟内每1分钟的立压、套压和泥浆池增量；录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
25.所述空井工况下硬关井演练过程包括：步骤一：司钻发出井涌信号通知各岗位准备关井；副司钻迅速到阻流/压井管汇处，确认阀门处于井控状态（mgs上游30#阀须打开），并通知司钻；泵工确认泵舱管汇处于井控状态，并通知司钻；钻工a到司钻房，准备协助司钻关bop；钻工b、c和d迅速到钻台待命；
步骤二：钻井监督接到录井上报的返出异常信号后，询问钻台情况后立即到钻台；队长立即到钻台；司钻关闭全封/剪切闸板防喷器，观察远控台压力是否先降后升，管汇控制压力是否先降后升，观察流量是否与环形bop所需流量一致，通知钻工d已关闭全封/剪切闸板bop；副司钻准备纸、笔，放于司钻房阻流阀控制盘处；泵工泵舱待命；钻工a拨打和接收电话，传递信息，协助司钻记录信息；钻工b立即到井口，在安全距离观看井口套管头，防喷器组、管线是否有渗漏，并随时汇报钻台，接收队长或司钻的其他指令；钻工c立即到高架槽处观察泥浆槽是否有返出，并随时汇报钻台；钻工d听到警报后，立即到司钻房拿对讲机和手电筒到远控台处接受操作bop信号，迅速检查剪切/全封闸板对应的三位四通阀是否成功关闭，如未成功关闭，立即手动操作，及时向司钻汇报防喷器已关闭信号；录井工程师发现溢流信号后，先后汇报钻台和监督办；录井工程师发现溢流信号后，先后汇报钻台和监督办；步骤三：司钻操作司控台，打开钻井四通处的液动放喷阀；泵工做好加重泥浆的准备；钻工a观察司钻操作液动放喷阀过程，防止误操作；钻工d在远控台处等待接受操作液动放喷阀信号，及时向司钻汇报液动放喷阀已打开信号；步骤六：司钻在司钻房确认液动节流阀关闭，如未关闭，立即关闭，通知钻工a关闭节流阀上游平板阀，节流阀关闭后，操作司控台，打开环形防喷器；钻工a到钻台关闭节流阀上游平板阀；钻工d启动振动筛，做好压井前准备；步骤七：钻井监督接到司钻汇报后，告知司钻记录数据，获取关井压力后，完成压井施工单，准备压井作业；副司钻在司钻房节控箱处记录15分钟内每1分钟的立压、套压和泥浆池增量；录井工程师监测并记录压力数据，做好随时汇报监督的准备。
26.本发明在演练过程中，系统可根据受训人员的实际操作真实再现作业操作过程、事故演化过程和参数变化过程。能够做到不同的人使用该系统，在不同的操作过程下，能够实现与真实规律相仿的数据表现和事件发展，在钻井高压底层、误操作或处理不当的情况下，该系统支持井控事故的触发和事故现象的表现。
27.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。