钻井及井控模拟仿真平台构建

尹邦堂， 刘瑞文， 刘 刚， 林英松， 张 锐

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)



钻井及井控模拟仿真平台构建

尹邦堂， 刘瑞文， 刘 刚， 林英松， 张 锐

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580)

钻井及井控模拟仿真平台主要由仿真硬件系统和软件系统两大部分构成，可以进行钻进过程、井下复杂情况判断、破裂压力试验、井控操作程序(钻进、起下钻、空井等工况)及压井过程的模拟仿真。该平台的使用，不但可以激发学生学习的积极性，加深学生对钻井及井控理论知识的理解和掌握，还可以进行与钻井现场相似的模拟仿真操作，使学生身临其境，提升他们的钻井及井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的，避免了因现场操作带来的危险等不安定因素，为学生毕业后尽快适应钻井现场工作打下坚实的基础。

工程实践； 钻井； 井控； 模拟仿真

0 引 言

石油工程专业之特点是专业所学内容与现场生产联系紧密，理论与生产紧密相连[1-2]。石油工程专业的毕业生所从事的钻井方向的工作是勘探与开采石油及天然气资源的一个重要环节，承担着产生地下油气流体变为地上可用能源通道的重要任务[3-4]。油田生产单位所需要的钻井方向的石油工程毕业生应当具备工程实践的能力，能够根据现场的工作环境，运用所学的基础知识，创造性的完成工作[5-7]。

从用人单位及往届毕业生反馈的信息中可以看出，在工作单位最受欢迎的是具有扎实基础知识、能够灵活运用所学知识、具有工程实践能力的学生，他们能够较快地适应工作，较好地处理现场出现的各种复杂情况。但是也存在部分学生遇到与课堂上所学不同的实际问题时，缺乏解决问题的方法和手段；在分析判断生产实际问题时缺乏全局观念，仅从一点或几点出发，难以得到正确结论[8-9]。究其原因，有如下几点：

(1)石油工程专业改革后，钻井工程课程学时减少，理论与实践教学环节均有不同比例的压缩。

(2)由于招生规模的扩大和现场实际钻井条件的限制，学生的生产实习和实践教学难度不断加大，特别是作为高危行业的石油钻井，在现场实习过程中，由于顾及人身安全，禁止学生亲自操作，只能以参观的形式学习，多是走马观花。由于学生对现场实际工艺过程、常用设备工具的性能原理及操作方法了解和掌握得较差[10]，在涉及与现场相关的问题时，时常出现与实际脱节的现象，而且目前也缺乏相应的实践教学设备。

因此，基于计算机模拟仿真技术[11-13]、钻井及井控的主要工艺流程[14-15]，研发了钻井及井控模拟仿真平台，学生可以利用该平台进行与钻井现场相似的模拟操作，如模拟钻进、井控、压井、井下复杂情况判断及事故处理等。这不仅可以达到工程实践的目的，而且可以提高学生学习的积极性，同时可以避免因实物操作带来危险等不安定因素，以及由此带来的高消耗、高支出、环境污染、学生实践机会少、实际实习效果差等缺陷。

1 钻井及井控模拟仿真平台设计

钻井及井控模拟仿真平台是一套数字仿真系统，用于模拟钻井及井控技术，内容丰富，仿真程度高。目前，该平台所具有的模拟仿真内容主要包括：模拟钻井过程、井下复杂情况、破裂压力试验、井控操作程序(包括钻进、起下钻、空井等工况)、压井过程等。随着平台的不断完善，模拟仿真内容也将不断更新和扩展。其特点有：①可以模拟最新的盘式刹车电动钻机；②采用OPTO智能型网络数据采集模块、显示更加稳定、可靠；③采用触摸屏技术；④数字化仪表显示；⑤虚拟指重表；⑥维护更加方便、可靠。

钻井及井控模拟仿真平台包括电动钻机的控制操作台、清轻触式液晶仪表显示屏、司钻仪表板、防喷器控制台、仿真远程控制操作台、阻流遥控操作控制台、阻流压井管汇、立管管汇，其结构设计如图1所示。

图1 系统结构设计方案

本平台采用工业控制计算机控制下的分布式智能网络控制器，把整个平台(模拟量、开关量、数字量)通过组态软件下的网络通信连为一体，充分发挥组态软件的硬件设备驱动、上位图形界面显示和实时数据库功能。应用用于过程控制的OLE(OLE for Process Control)技术[16]，设计组态软件和井控仿真模型软件数据共享和数据交换。图像显示系统以二维地层剖面图形、结合三维动画和钻井现场视频文件(AVI)，根据学生的操作作相应的显示或播放，并附有声响系统，使学生达到身临其境的效果。

2 钻井及井控模拟仿真平台硬件系统

2.1 硬件系统结构设计

学生操作信号、仪表显示信号(模拟量、开关量等)处理采用分布式工业控制模块美国奥普图公司OPTO22系列网络智能数据模块，与上位机采用网络通信的结构，由工业组态软件进行设备驱动。系统整体布局结构如图2所示。

图2 硬件结构设计图

2.2 数据采集和控制设计及硬件组成

数据采集和控制部分的设计包括软件和硬件两部分。硬件部分是一套高性能的基于网络控制的数据采集设备，软件部分则是通过Opto 22配套的基于PC机的程序设计和人机界面设计软件所开发的司钻台电脑部分的软仪表及监控界面。硬件设备与PC机通过标准以太网进行数据交换，速度快、可靠性高，很好地解决了多机通信的冲突问题。软件部分的数据更新速度快，界面美观，能够实时或近实时地显示采集到的各仪表数据和操作数据，很好地满足了系统的需求。数据采集和控制部分的设计主要包含三方面：实现各平台数据的采集、存储、简单处理和控制；实现操作学生端监控界面(人机界面)的设计；实现数据采集设备与其他数据显示、处理主机的数据交换。

2.2.1 数据采集部分设计

硬件部分使用的是美国OPTO22公司的SNAP I/O PAC系统。主要由现场的Ultimate I/O控制器独立进行各种物理量的采集和控制，并通过以太网口与其他主机进行数据的通信。这部分采用标准的以太网技术和协议进行数据交换，能够实时或接近实时地获取现场控制器采集的信息并传输到上位机。然后上位机使用OPTO22公司提供的软件ioProject Professional，对采集到的物理量根据需要进行处理或显示。

在司钻操作台中，它将传统的司钻控制台和司钻仪表台结合起来；同时里面嵌入了SNAP I/O PAC系统，能够通过I/O单元采集该控制台以及其他控制平台上安装的开关量和模拟量的状态，并在屏幕上以数字化仪表的形式实时显示出来。学生可以通过触摸屏监控其他平台，如节流控制箱、防喷器控制装置等设备的工作状态，全面掌控整个系统的运行情况。使模拟仿真系统更贴近现场所使用的新型司钻台，更加逼真地模拟了钻井过程。

司钻控制台的刹把、各种开关和调速手柄通过相应的传感器产生模拟操作信号，数据采集装置把采集到的模拟信号送入计算机，经处理后通过控制模块进行三维动画的同步控制。

2.2.2 防喷器司钻控制台

采用全尺寸结构设计，功能和配置与现场钻台上的防喷器司钻控制台完全一致。可实现对环形防喷器、闸板防喷器、节流与压井管汇开关阀门的开关操作，通过操作信号控制，实现与远程控制台的联动。

2.2.3 防喷器远程控制台

采用全尺寸结构设计，所控制的5个对象分别由相应的换向阀操纵，可实现对环形防喷器、闸板防喷器、四通两翼连接节流与压井管汇开关阀门的操作，并配有相应的状态指示灯显示防喷器的开关状态。

2.2.4 液动节流控制箱

液动节流控制箱采用全尺寸设计，它是在压井过程中远端控制液动节流阀开度的装置。液控箱面板上装有立压表、套压表、阀位开启度表、三位四通换向阀、调速阀等。通过遥控节流阀开度大小来控制关井套压与立压，从而实施压井作业。司钻在钻台可直接观察立压表与套压表的变化以及阀位开启度。

2.2.5 井口防喷器与节流压井管汇

井口防喷器按一定比例设计加工，采用部分剖开式设计，学生可直接观察到内部结构和开关动作。节流与压井管汇结构与现场配置基本一致，配有一个液动节流阀和一个手动节流阀。学生通过对个阀门的操作和软件系统实现压井作业训练操作。

2.2.6 立管管汇

采用双立管结构，可实现流动管路的设置，观察个工况下的立压大小。

2.2.7 参数仪表显示设计

参数仪表软件设计主要包括3个部分：系统控制程序的设计、学生端人机界面的设计和数据采集设备与其他主机的通信部分。其中系统控制程序和学生端人机界面采用Opto 22 公司提供的ioProject Professional软件包进行设计。数据的采集和通信则根据这套PAC系统的网络分布式结构，由多个主机分时访问主控制器来实现数据的交换。其中学生机部分的数据通信，由于采用OPTO 22公司的软件进行设计，可以自动实现与PAC网络的数据交换；而教师机(包括模型运算部分)C语言需要重新设计其与PAC网络数据交换的接口程序。如图3所示。

图3 钻井参数显示仪表

整个系统设计符合工业自动化标准要求，结构简单、条理清晰、易于维护，每台操作设备电源独立分配，信号传输距离短，系统对学生操作响应及时，数据采用网络传输，速度快，便于实行多点和远程监控。

3 钻井及井控模拟仿真平台软件系统

利用模拟仿真软硬件系统结合，学生可以对钻井及井控的主要工艺流程进行模拟：包括钻进过程的模拟操作；钻进过程中井下复杂情况判断；起下钻过程的模拟操作；关井程序的模拟操作；压井过程的模拟操作；破压试验。

软件系统结构如图4所示。

图4 软件系统结构

系统的工作原理是：司钻控制台的刹把、各种开关和调速手柄通过相应的传感器产生模拟操作信号，数据采集装置把采集到的模拟信号送入计算机，经计算机处理后进行信号识别，通过控制模块进行三维动画的同步控制，实现操作与动画的协调一致。同时在屏幕上进行钻井仪表和数据的显示。利用投影仪和音响设备，可以达到较为真实的模拟操作效果。系统运行环境为Windows XP。

3.1 钻进过程的模拟操作

钻进过程的模拟操作包括钻井泵、转盘和绞车的控制、钻具的上提与下放、钻井过程中钻压的控制等主要钻井过程。通过上述模拟操作，学生可以掌握钻井过程的主要操作方法和工艺流程，熟悉目前现场给钻头加压的方法。通过模拟操作画面上的仪表和参数显示，可以了解到井下钻进动态及钻进过程中的注意事项等，加深了学生对钻进方法的感性认识，有利于学生在专业课学习过程中对相关知识的理解。钻进过程的模拟操作画面如图5所示。

图5 钻进过程的模拟操作画面

3.2 钻进过程中井下复杂情况判断

模拟钻进过程中常见的复杂情况，包括井漏、钻具刺漏、钻头故障、卡钻等9种井下复杂情况。复杂情况特征通过相应参数表现出来，要求学生根据参数变化特征及时判断出井下发生了何种复杂。图6为发生井下复杂情况时活动钻具模拟画面。

图6 活动钻具画面

3.3 起下钻过程的模拟操作

模拟起下钻过程的操作，图7和图8分别为起下钻杆盒起下钻铤的模拟操作画面。

图7 起下钻杆模拟操作画面

图8 起下钻铤模拟操作画面

3.4 关井程序的模拟操作

模拟操作不同工况下发生溢流后的关井方法和关井步骤，包括：钻井过程中发生溢流、起下钻杆时发生溢流、起下钻铤时发生溢流、空井时发生溢流——抢下钻、空井时发生溢流——直接关井。

通过井控模拟仿真操作，学生不但可以掌握不同工况下的关井程序，关井立压和关井套压的确定方法。发生井涌时关防喷器画面如图9所示。

图9 发生井涌时关防喷器画面

3.5 压井模拟操作

提供了常规和非常规压井的模拟操作和压井参数计算，使学生直接体验压井过程中利用节流控制阀控制立压和套压的方法，包括：工程师法压井、司钻法压井、边加重边循环法压井、直推法压井、置换法压井，如图10，11所示。

图10 井工程师法压井模拟

图11 置换法压井模拟

4 结 语

钻井及井控模拟仿真平台的建成，为钻井工程的实践教学增添了新的教学实验项目和设备，为钻井方向的学生提供了新的工程实践手段，是目前提高学生工程实践能力的重要途径。该平台的使用，不但可以激发学生学习的积极性，加深学生对钻井理论知识的理解和掌握，还可以进行与钻井现场相似的模拟操作，使学生身临其境，提升他们的钻井及井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的，避免了因现场操作带来的危险等不安定因素，为学生毕业后尽快适应钻井现场打下坚实基础。

[1] 张来斌. 推进协同创新以高水平科研服务国家能源战略需求[J]. 大学(学术版), 2012(8): 37-41.

[2] 隋秀香, 李相方, 尹邦堂. 教学实验与科研相结合培养创新型石油人才[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(11): 144-147.

[3] 陈庭根, 管志川. 钻井工程理论与技术[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2006.

[4] 王瑞和, 李明忠. 石油工程概论[M]. 2版. 东营: 中国石油大学出版社, 2011.

[5] 山红红. 强化学生创新能力培养的实践育人体系建设[J]. 中国高等教育, 2011(20): 6-8.

[6] 管志川, 王瑞和, 李明忠, 等. 石油工程专业学生工程实践能力培养研究[J]. 石油大学学报(社会科学版), 2001, 17(6): 95-97.

[7] 冯其红, 胡 伟, 战永平. 石油工程专业大学生工程实践与创新能力培养途径改革[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(12): 16-19.

[8] 韩国庆, 李宗田. 采油工程综合技术与案例分析课程教学研究[J]. 教育教学论坛, 2014(16): 67-68.

[9] 冯其红, 胡 伟, 王增宝. 改革实验教学模式培养大学生的工程实践能力[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(2): 130-132.

[10] 金业权, 王越之, 汪琦生. 石油工程生产实习问卷调查、现状分析及改革设想[J]. 石油教育, 2002(1):102-104.

[11] 冯其红, 周 童, 赵修太, 等. 石油工程实验教学示范中心信息化平台建设[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(3): 97-99.

[12] 任思璟, 李春华, 李忠勤. 基于组态仿真技术的纸机实验系统设计[J]. 实验室研究与探索, 2014, 33(7): 98-100.

[13] 罗明良, 温庆志, 齐 宁, 等. 基于学生创新能力培养的压裂酸化实验教学平台构建[J]. 实验技术与管理, 2014, 31(9): 77-80.

[14] 孙振纯. 井控技术[M]. 北京: 石油工业出版社, 1998.

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

[16] 陆会明, 朱耀春. 控制装置标准化通信:OPC服务器开发设计与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.

·名人名言·

如果你问一个善于溜冰的人怎样获得成功时，他会告诉你：“跌倒了，爬起来。”这就是成功。

——牛顿

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

中央高校基本科研业务费专项资金资助(14CX02167A)；中国石油大学基金项目(SDYY13096，QYY1406，ZR2014EEQ021)

尹邦堂(1985-)，男，山东青州人，博士，讲师，主要从事油气井工程方向的教学科研工作。

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

TE 28；G 642.0

A

1006-7167(2015)08-0085-05