一种陆地钻机安装操作模拟系统的三维动画模型的生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钻机模拟系统领域，尤其涉及一种陆地钻机安装操作模拟系统的三维 动画模型的生成方法。
【背景技术】
[0002] 随着中国石油技术开发公司业务全球化，钻机业务遍及世界各地，发展中国家已 经成为公司主要市场。随着出口钻机数量增加，钻机使用过程中出现的事故也越来越多，轻 则对设备造成损害，影响生产进度，带来经济损失，重则酿成重大安全事故，造成人员伤亡。 特别是在国外钻机的搬迀和使用过程中发生的几次重大事故，给公司的发展和形象造成不 良影响。钻机属于工程机械，工程机械的安全生产不仅直接影响机械的使用寿命，而且关 系到人员和财产的安全。据日本劳动科学研宄所的调查，由于操作者本人失误而造成的机 械安全事故要占事故总数的88%，客观原因造成的事故只占9%，其余2%为不可抗拒的原 因，事故原因不明者只占1%。由此可见，工程机械安全事故中的97%是可以采取预防措施 的。而这些事故中的百分之九十以上是由于操作人员没有掌握正确的使用方法和操作不规 范造成的。在拉美、非洲和中亚等国家由于文化差异和技术水平的限制，井场设备安装、拆 卸过程中的问题尤为突出。
[0003] 在钻井完成后，需要将井场设备如底座、井架、泥浆泵、防喷器组等进行拆卸，搬运 到其他钻井现场，并进行安装，以便开始新的钻井作业。在设备安装和拆卸过程中，必须遵 循一定的操作规程和技术要领，才能保证设备的正确安装、正确拆卸和安全使用。
[0004] 然而，目前设备使用者的操作规程和技术要领主要是通过厂家提供的说明书和培 训获取，而操作技能则是靠经验的积累和师傅的传授，这些方式往往存在以下问题：
[0005] 实践机会有限，难以提高技术水平：由于钻井作业的特殊性，钻井设备的拆卸和安 装等工作往往要几个月，甚至一年才进行一次，操作人员很难通过实际操作积累各种经验。 另外，在设备安装、拆卸过程中，事故发生的几率相对较小，个体对事故的处理经验极为有 限，对事故的判断、处理能力很难在实际的生产活动中积累和提高。一旦突发事故，往往由 于缺乏经验和处理能力，造成重大生命和财产损失。
[0006] 传统的技术手册、操作说明书内容零散，查阅不方便。有些复杂的操作过程很难用 文字描述清楚，加之个体理解的差异，极可能导致误操作和事故发生。如何提高设备使用者 技能水平，避免因操作不当造成的设备损坏，减少事故发生，是公司目前必须解决的紧迫问 题。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种陆地钻机安装操作模拟系统的三维动画模型的生成方法，陆地 钻机安装操作模拟系统包括：司钻操作台、钻机模型、教师操作台及三通道环幕投影显示系 统。
[0008] 司钻操作台包括机箱、内部控制板和参数计算机，所述的机箱的正面设有司钻操 作台正面控制面板，机箱的一个侧面设有司钻操作台侧面控制面板，机箱的另一个侧面设 有顶驱机械控制面板以及缓冲液缸的控制面板。其中在司钻操作台正面控制面板上设置 有电源按钮、开机按钮、气喇叭开关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻 尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚筒离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开 关、风动旋扣控制开关、滚筒高低速开关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及 紧急制动开关；还包括显示表组，其中所述显示表组包括气源压力表、冷却水压表、绞车油 压表、转盘油压表、转盘扭矩表、泵压表、大钳扭矩表、左钳扭矩表、右钳扭矩表、安全钳压力 表、猫头压力表、钻井扭矩表、转速表、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表；司钻操作 台侧面控制面板上设置指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁 路开关、电磁涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2 号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关；
[0009] 司钻操作台的内部控制板包括司钻操作台第一可编程控制器PLC1和第二可编程 控制器PLC2，上述可编程控制器PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议进行通信，其中 第一可编程控制器PLC1的CPU模块通过A/D模块分别与电源按钮、开机按钮、气喇叭开关、 防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚筒离 合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋扣控制开关、滚筒高低速开 关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动开关连接，通过PLC的开关 量输入端口分别与指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路开 关、电磁涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2号 泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关进行连接；通过PLC采集司钻操作台上的各 个开关，旋钮状态以模拟绞车的升降控制，转盘的转速控制，泥浆泵的调速控制；同时采集 绞车离合器位置、绞车档位、转盘离合器位置、转盘档位、泵调节器位置、柴油机功率调节器 位置；监测悬重、钻压、钻机气源压力、泥浆密度、泥浆粘度以及泥浆失水等参数，通过PLC 的控制使得司钻操作台实现对井架/底座的起升控制、对钻盘的转速控制以及对泥浆泵的 调速控制。
[0010] 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮、吊环 回转选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、吊环倾斜选择开 关、刹车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择开关、旋转方向 选择开关；缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸 伸出/缩回控制手柄；其中司钻操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模块 通过A/D模块分别与急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮连接，通过PLC的开关量输 入端口分别与吊环回转选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、 吊环倾斜选择开关、刹车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择 开关、旋转方向选择开关进行连接以实现对顶驱进行控制。
[0011] 其中缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液 缸伸出/缩回控制手柄；其中司钻操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模 块通过A/D模块分别与左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/缩回控制手 柄连接以对缓冲液缸进行控制。
[0012] 参数计算机作为分布式的上位机完成整个系统的数据采集与控制，主控计算机和 图形计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处理和显示，各台计算机通过TCP/IP协 议互联。司钻操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENSS7-200PLC完成， 并连接构成西门子PPI网络。PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议。其中该参数计 算机具有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控计算机的通信模块，其中通 信模块还将主控计算机发送过来的信息通过PLC传输给前端硬件加以显示。
[0013] 钻机模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制机。其中 井架为前开口型井架，由主体、人字架及附件组成，附件主要有二层台、死绳稳定器、笼梯。 井架主体由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背横梁、斜拉杆、连接 架组成一个前开口型钢架结构，主体的调整固定是由两个卡销完成。人字架是由左、右前 腿，左、右后腿及横梁等组成的门形结构，用来起放和支靠井架。起升装置由起升大绳、高支 架、低支架和游车大钩支架组成。井架采用人字架起升方式，依靠钻台面绞车的动力，通过 快绳、大钩拉动起升大绳，实现井架起升，井架起升时为了能够使井架平稳的靠放在人字架 上，同时下放井架时又能使井架重心前移，从而依靠井架本身自重下落，在人字架上设有缓 冲装置，通过缓冲装置的伸缩来实现。
[0014] 井架核心控制机选用西门子S7-200系列可编程控制器直接控制司钻操作台上的 操作按钮对应的物理量，以参数计算机作为上位机，由教师控制机对绞车控制台及前端各 PLC模块进行统一管理。整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布式控制系统。各控制 台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
[0015] 底座模型包括底座和底座核心控制机，其中底座主要由底座主体、起升装置、液压 缓冲装置组成，底座采用平行四边形机构的运动原理，从而实现了高台面设备的低位安装。 采用绞车动力，利用游车大钩使底座从低位整体起升到工作位置。底座主体分为上、中、下 三层：上层为钻台面部分，用来安装钻台面的设备，通过销子连接组成，下层为底座基座部 分，由左如基座与左后基座、右如基座与右后基座分别用销子连接成左、右两个部分。左、右 两个部分之间的连接构件有连接梁、连接架和斜撑。中间层为支撑部分，位于上、下层之间， 起支撑钻台面和起放底座作用。分别由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱组 成，用销子与上、下层连接。人字架由前腿及后腿两部分组成，起升大绳的一端固定在人字 架后腿上，人字架在整个底座起升的过程中起到支撑的作用。起升大绳两端装有套环，另有 参与起升的1组滑轮固定在人字架后腿上。所述钻井模型还包括防护装置组，其中防护装 置组包括实现钻机井架天车防碰功能的钻机井架天车防碰装置、实现防钻机井架过度起升 功能的防钻机井架过度起升装置、实现防钻机井架过度下放功能的防钻机井架过度下放装 置、实现防钻机底座过度起升功能的防钻机底座过度起升装置、实现防钻机底座过度下放 功能的防钻机底座过度下放装置、实现防钻机大钩过度下放功能的防钻机大钩过度下放装 置。
[0016] 底座核心控制机选用西门子S7-200系列可编程控制器直接控制司钻操作台上的 各个物理量（应该是各个开关按钮吧），以参数计算机作为上位机，由教师控制机对绞车控 制台及前端各PLC模块进行统一管理。整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布式控 制系统。各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
[0017] 为实现模拟培训系统的可重用性，钻机井架底座模型安装一定的保护装置，包括 钻机井架天车防碰装置、防钻机井架过度起升装置、防钻机井架过度下放装置、防钻机底座 过度起升装置、防钻机底座过度下放装置、防钻机大钩过度下放装置。为实现井架底座的起 升和下放并受控于司钻操作台，系统采用步进电机来实现绞车功能。
[0018] 陆地钻机安装操作模拟培训系统的主控计算机必须持续不断的与前端硬件进行 通信，以获取前端的设备状态，也就是获取培训学员的操作过程；实时获取前端硬件的设备 状态后，经过主控计算机处理，驱动图形软件产生与硬件设备操作同步的动画过程；同时， 还设置有硬件校正模块，对如旋钮，手柄，脚油门等产生连续数值的硬件进行校正，已满足 用户的使用习惯，仿真现场操作触感。
[0019] 在模型中，所有数学模型的建立及参数确定，都基于以下假设：
[0020] 1)、钻井液环空携岩能力Lc彡0? 5 ;环空钻肩浓度Ca< 0? 09 ;环空流态稳定参数 值Z<井眼稳定值Z值。
[0021] 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。同时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。
[0022] 3)、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。
[0023] 4)、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 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。
[0024] 5)、气体从地层中进入井筒符合达西定律。
[0025] 6)、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。
[0026] 7)、假设井内的地温梯度为一常数，则：
[0027] 井底温度=地温梯度X井深+井口温度。
[0028] 由于本模型主要用于模拟培训，因此，在计算时间、计算精度