系数K。、时间步长At、重力加速度g、单位时间排开的流体量 Qt;动态参数包括：刹把产生的摩擦力Fm、管柱提升速度VP、管柱内返出的液体量％、提升钻 柱长度LP、泥浆泵体积流量QP、环空平均流速 '、某段钻柱密度Pa、钻柱在井内的摩擦力 Fk；
[0117] (2)内存有预先建立的钻机溢流模拟的数学模型并用于根据获得的设备状态参数 和操作命令，计算出实现钻机溢流模拟动画的作业数据的钻机溢流模拟模块；其中钻机溢 流模拟的数学模型包括钻机溢流过程模拟模型和关井溢流过程模拟模型；
[0118] (3)钻机溢流模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始 化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机溢流的动画展现；其中图形处理单元包括 全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形 绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真 控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示 丰旲块。
[0119] (4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机溢流模拟模块通讯，以交换动 画状态信息；
[0120] (5)用于重复执行上述操作的模块。
[0121] 其中钻机溢流过程模拟模型包括以下子模型：气体流量计算模型、每段混合物长 度计算模型、环空混合物总长度计算模型、井内溢流量模型以及每段混合物密度模型，分别 如下
[0122] (1)气体流量计算模型：
[0124]式中：
[0125] Qgs__对应于Pb的标准状态下的气体渗流量，米3/秒
[0126]PP，Pb-地层、井底有效压力，千帕
[0127]C-渗流系数，米3/千帕?秒（0. 2)
[0128] 在j时刻At时间内
[0129] (2)每段混合物长度计算模型：
[0130]AHmiX(J)(j= 1,2,3,……n-1)
[0131] ^HmiX(J)= {Q[P (jj-Pfj-!)]+UjQgs(J)In[P(J)/P(J_ 1)]}/(gP Q)
[0132]式中：
[0133]Q-泥浆排量，米3/秒
[0134] 千帕 9
[0135]Pu厂-第j段混合物底部压力，千帕
[0136] 第j段混合物顶部压力，千帕
[0137]P-泥浆密度，克/厘米3
[0138]g-重力加速度，米/秒2
[0139] (3)环空混合物总长度计算模型：
[0141] (4)井内溢流量
[0143] (5)每段混合物密度计算模型：
[0144]
[0145]式中：
[0146] t -混合物中泥浆体积分量：
[0147]Aa__该溢流段环空横截面积，毫米2
[0148] %-混合物中天然气体积分量：
[0149] Pg__天然气密度，克/厘米3。
[0150] 关井溢流过程模拟模型包括如下子模型：关井稳定后井底混合物长度计算模型以 及关井稳定后井底纯气柱的长度计算模型，分别为：
[0151] 关井稳定后井底混合物长度计算模型：
[0153]式中：
[0154]AP= g p QAt/Aa
[0155] n-环空中所分混合物的段数
[0156] (2)关井稳定后井底纯气柱的长度
[0157] Hmix(n+1)=Hmix〇-Hmix(n)〇
[0158] 其中钻机模型气体膨胀模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通 信模块和钻机气体膨胀模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，然 后在内部通过相关钻机气体膨胀模拟的数学模型以模拟钻机气体膨胀过程。
[0159] 其中所述钻机模型气体膨胀模拟装置包括以下模块以实现钻井气体膨胀模拟：
[0160] (1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命 令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运 动管柱内径屯、运动管柱外径4、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量qi某段钻柱的长 度1』尼浆密度P、流体黏附系数K。、时间步长At、重力加速度g、单位时间排开的流体量 Qt;动态参数包括：刹把产生的摩擦力Fm、管柱提升速度VP、管柱内返出的液体量％、提升 钻柱长度LP、泥浆泵体积流量QP、环空平均流速Vi、某段钻柱密度Pa、钻柱在井内的摩擦力 Fk；
[0161] (2)内存有预先建立的钻机气体膨胀模拟的数学模型并用于根据获得的设备状 态参数和操作命令，计算出实现钻机气体膨胀模拟动画的作业数据的钻机气体膨胀模拟模 块；其中钻机气体膨胀模拟的数学模型包括气体状态模型、气体溢流重量在环空内产生的 压力模型和天然气压缩模型；
[0162] (3)钻机气体膨胀模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换 初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机溢流的动画展现；其中图形处理单元 包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类 图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景 仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数 显示模块。
[0163] (4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机气体膨胀模拟模块通讯，以交 换动画状态信息；
[0164] (5)用于重复执行上述操作的模块。
[0165] 其中钻机气体膨胀模拟的数学模型包括气体状态模型、气体溢流重量在环空内产 生的压力模型和天然气压缩模型，分别如下
[0166] (1)气体状态模型
[0168]式中：
[0169]Ps-标准状态下的压力，千帕
[0170]Vs-标准状态下的体积，米3
[0171]Zs-标准状态下的压缩系数
[0172]Ts-标准状态下的温度，。K
[0173]P-压力，千帕
[0174]V-气体体积，米3
[0175]T-温度，。K
[0176]Z-在温度为T，压力为P的条件下的压缩系数
[0177] 只要知道了某时刻的压力，温度以及压缩系数，就可以求得此时的气体体积。
[0178] 2)、气体溢流重量在环空内产生的压力模型
[0179] 根据气体在环空内上升过程中气体重量不变，用气体状态方程求得气柱在压井某 时刻的密度为：
[0181] 式中：PS，Ps，Ts，Zs-分别表示标准状态下的气体密度，压力，温度及压缩系数， Tx-气体上升到某一时刻气柱中点地层温度，°K
[0182] 则气柱重量造成的压力为：
[0184]将气体高度用气体体积^(米3)和横截面积Aa(米3)表示，则：
[0186] 式中怂为气体所在环空段的横截面积，是要变化的；但为了计算方便，可将Aa的值 取为整个环空的平均横截面积，则气体重量造成的压力便是一个常数。因这个压力的值本 来就是很小的，这样简化处理后引起的误差可不计。
[0187] 3)、天然气压缩模型
[0188] 引用Kenneth，R.Hall提出的公式经简化后，得以下计算公式来求Zjl；:
[0190]式中：
[0194]上式是一个隐含格式，其解法为：先假设一个初始压缩因子&，计算出匕、I；，再求 出W，最后再计算出Z，若|Z_ZQ| <e(e是精度，一般取0.0001)，则说明假设的2。就是所 要求的压缩因子；若IZ-Zj>e，则说明需要重新假设&，再计算Z。直至IZ-ZJ彡e满 足为止。
[0195]其中钻机模型循环压力计算模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信 的通信模块和钻机循环压力计算模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设 备状态，然后在内部通过相关钻机循环压力计算模拟的数学模型以模拟钻机的循环压力过 程。
[0196]其中所述钻机模型循环压力计算模拟装置包括以下模块以实现钻机循环压力过 程的模拟：
[0197] (1)可在操作前进行初始化的前端设备，用于读取前端设备的状态参数和操作命 令的通信模块；其中上述模拟装置中使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运 动管柱内径屯、运动管柱外径4、井径D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量qi某段钻柱的长 度1』尼浆密度P、流体黏附系数K。、时间步长At、重力加速度g、单位时间排开的流体量 Qt;动态参数包括：刹把产生的摩擦力Fm、管柱提升速度VP、管柱内返出的液体量％、提升钻 柱长度LP、泥浆泵体积流量QP、环空平均流速 '、某段钻柱密度Pa、钻柱在井内的摩擦力 Fk；
[0198] (2)内存有预先建立的钻机循环压力计算模拟模型并用于根据获得的设备状态参 数和操作命令，计算出实现钻机循环压力过程模拟动画的作业数据的钻机循环压力计算模 拟模块；其中钻机循环压力计算模拟模型包括钻头压耗模型、钻杆内压耗模型、钻杆外环形 空间压耗模型、钻铤内部压耗模型以及钻铤外环空压耗模型；
[0199] (3)钻机循环压力计算模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以 交换初始化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻机循环压力过程的动画展现；其中 图形处理单元包括全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制 模块由设备类图形绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制 模块组成，视景仿真控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效 渲染模块和参数显示模块。
[0200] (4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机循环压力计算模拟模块通讯， 以交换动画状态信息；
[0201] (5)用于重复执行上述操作的模块。
[0202] 其中钻机循环压力计算模拟模型包括钻头压耗模型、钻杆内压耗模型、钻杆外环 形空间压耗模型、钻铤内部压耗模型以及钻铤外环空压耗模型的如下：
[0203] 1)、钻头压耗模型
[0205] 式中：
[0206] Pb-钻头压降，MPa;
[0207] P-泥浆密度，克/厘米3;
[0208] Q-通过钻头喷嘴的泥浆排量，升/秒；
[0209] A。一喷嘴出口截面积，厘米2
[0210] C-喷嘴流量系数（0? 98)
[0211] 2)、钻杆内压耗模型：
[0213] 式中：
[0214] Px-钻杆内压耗，Mpa;
[0215] P-泥浆密度，克/厘米3;
[0216] n-泥浆塑性粘度，帕秒；
[0217] d-钻杆内径，厘米；
[0218] B-常数，内平钻杆B= 0? 51655
[0219] Q-泥浆流量，升/秒；
[0220] Lp-钻杆总长，米。
[0221] 3)、钻杆外环形空间压耗模型
[0223] 式中：
[0224] Pf-钻杆外环形空间压耗，Mpa;
[0225] P-泥浆密度，克/厘米3;
[0226] n-泥浆塑性粘度，帕秒；
[0227] D，Df-井径和钻杆外径，厘米；
[0228] Q-泥浆流量，升/秒；
[0229] Lp-钻杆总长，米。
[0230] 4)、钻铤内部压耗模型
[0232] 式中：
[0233] Pf-钻铤内部压耗，Mpa;
[0234] P-泥浆密度，克/厘米3;
[0235] n-泥浆塑性粘度，帕秒；
[0236] dc-钻铤内径，厘米；
[0237] Q-泥浆流量，升/秒；
[0238] Lc-钻挺总长度，米。
[0239] 5)、钻铤外环空压耗模型
[0241] 式中：
[0242] Pf-钻铤外环形空间压耗，Mpa;
[0243] P-泥浆密度，克/厘米3;
[0244] n-泥浆塑性粘度，帕秒；
[0245] D，Dc-井径和钻铤外径，厘米；
[0246] Q-泥浆流量，升/秒；
[0247] L。一钻挺总长度，米。
[0248] 其中钻机模型钻具提升模拟装置包括与前端硬件设备及图形处理单元通信的通 信模块和钻具提升模拟模块，与前端硬件设备通信是为了实时获得硬件设备状态，例如在 钻具提升的模拟中，需要获得大钩提升力、钻柱的加速度、泥浆密度、管柱提升速度和运动 管柱内外径这些参数，然后在内部通过相关钻具提升模拟的数学模型以模拟钻具提升过 程。
[0249] 其中所述钻机模型钻具提升模拟装置包括以下模块以实现钻具提升模拟：
[0250] (1)用于读取前端设备的状态参数和操作命令的通信模块；其中上述模拟装置中 使用的设备状态参数包括初始状态参数，具体包括运动管柱内径屯、运动管柱外径屯、井径 D、钻柱的加速度a钻柱的单位质量^某段钻柱的长度1』尼浆密度P、流体黏附系数Kc、 时间步长△t、重力加速度g、单位时间排开的流体量Qt;动态参数包括：刹把产生的摩擦力 Fm、管柱提升速度VP、管柱内返出的液体量％、提升钻柱长度LP、泥浆泵体积流量QP、环空平 均流速 '、某段钻柱密度Pa、钻柱在井内的摩擦力Fk;
[0251] (2)内存有预先建立的钻具提升模拟模型并用于根据获得的设备状态参数和操作 命令，计算出实现钻具提升模拟动画的作业数据的钻机提升模拟模块；其中钻具提升模拟 模型包括起下钻时钻柱受力模型、起下钻时提升速度模型；
[0252] (3)钻机提升模拟模块按照设定的第一数据格式与图形处理单元通讯以交换初始 化数据和作业数据，图形处理单元据此完成钻具提升的动画展现；其中图形处理单元包括 全三维实体模型库、图形绘制模块和视景仿真控制模块，其中图形绘制模块由设备类图形 绘制模块、粒子类图形绘制模块、管理类图形绘制模块和工艺动画绘制模块组成，视景仿真 控制模块由场景初始化模块、工艺动画控制模块、碰撞处理模块、特效渲染模块和参数显示 丰旲块。
[0253] (4)图形处理单元按照设定的第二数据格式与钻机提升模拟模块通讯，以交换动 画状态信息