一种压裂控制装置虚拟操作培训系统及其培训方法

摘要

本发明涉及油田压裂技术领域，提供一种压裂控制装置虚拟操作培训系统及其培训方法，该系统包括：仪表车集中仿真操作系统，单泵车仿真操作系统，混砂车仿真操作系统，用于实现系统设置、实时监控、故障投放、培训记录、培训考核、浏览回放、数据查询等培训教学内容的教师站。本发明培训系统及其培训方法安全、高效、经济、规范，能够将压裂装备在压裂现场的作业场景在计算机上虚拟重现，并能够实现对压裂控制装置操作规范、压裂现场作业流程和常规故障的排查与处理等培训内容的学习、操作和考核。

说明书

技术领域

本发明涉及油田压裂技术领域，具体的说是一种压裂控制装置虚拟操作培训系统及其培训方法。

背景技术

随着大型压裂机组在油田压裂作业中的不断应用，与之配套的大型压裂控制装置的发展也突飞猛进，能够集中控制30台主体装备、50台压裂设备协同工作和自动控制压裂工艺流程，对这种控制装置操作的熟练掌握和灵活应用直接决定了压裂作业的安全与效果。如何脱离压裂作业现场，在虚拟现实的环境下实现对操作员工的操作培训，成为技术研究要点。

发明内容

本发明就是针对背景技术中的不足之处，而提供的一种安全、高效、经济、规范的压裂控制装置虚拟操作培训系统及其培训方法。它能够将压裂装备在压裂现场的作业场景在计算机上虚拟重现，并能够实现对压裂控制装置操作规范、压裂现场作业流程和常规故障的排查与处理等培训内容的学习、操作和考核。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。

一种压裂控制装置虚拟操作培训系统，它包括：

仪表车集中仿真操作系统，用来通过人机界面下达完成所述作业机组的集中操作培训内容；

单泵车仿真操作系统，用来通过人机界面和操作面板下达完成所述作业机组中单泵车的操作培训内容；

混砂车仿真操作系统，用来通过人机界面和操作面板下达完成所述作业机组中混砂车的操作培训内容；

教师站，用于系统设置、实时监控、故障投放、培训记录、培训考核、浏览回放、数据查询等培训教学内容。

其中，仪表车集中仿真操作系统中包含仪表车集中操作模拟控制器，用于接受人机界面的操作，模拟1-30台泵车、3台混砂车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面；包含仪表车集中仿真操作虚拟交互系统，用于接受仪表车集中操作模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

其中，单泵车仿真操作系统中包含单泵车操作模拟控制器，接受人机界面和操作面板的操作，模拟1台泵车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面和操作面板；包含单泵车仿真操作虚拟交互系统，用于接受单泵车模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

其中，混砂车仿真操作系统中包含混砂车操作模拟控制器，接受人机界面和操作面板的操作，模拟1台混砂车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面和操作面板；包含混砂车仿真操作虚拟交互系统，用于接受混砂车模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

在上述技术方案中，所述虚拟场景通过环幕系统显示。

在上述技术方案中，所述仪表车集中仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述技术方案中，所述单泵车仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述技术方案中，所述混砂车仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述技术方案中，单泵车仿真操作系统、混砂车仿真操作系统均可以不与教师站进行通讯，而采取独立自由训练的形式。

本发明还提供了一种使用上述虚拟操作培训系统的培训方法，该方法包括如下步骤：

1)培训前：通过教师站管理软件启动虚拟操作培训系统的软件运行，设置培训前的一些配置工作，例如，培训进入时，观察者初始位置、系统声音设置、系统物件参数和设置培训者人数等各种初始化工作。

2)培训时：教师站管理软件可以操作监控端视角，能够方便第三者（非受训者）同时观察整个场景，能够实时设置天气时间等功能，能够进行故障投放工作。

3)培训后：教师站管理软件负责关闭整个环幕系统；平时环幕系统非运行时，可以设置各个计算机端的网络连接IP地址和端口号，设置数据库访问地址等，可进行各项培训管理工作。

与传统的压裂控制装置操作培训过程相比，使用本压裂控制装置虚拟操作培训系统进行操作培训具有如下优点：

（1）经济性

让操作人员到油田作业现场进行培训，所需费用和代价是相当惊人的，随着大型页岩气开发领域难度的逐步增加，操作失误引起的经济损失和带来的危险性也越来越大，而让现场人员在去现场训练前，先使用本虚拟操作培训系统，对各种科目进行反复的训练，达到熟练的程度，就可以大大减少去现场培训的次数以及恶性事故的发生几率，进而可以减少培训的费用。

（2）可重复性

对于作业人员的培训来说，除了要使其熟练的掌握常规的操作以外，还要使其拥有在突发事故中迅速做出判断，并采取相应有效措施的能力，而在现场培训中，这种突发事件是很少发生，甚至是不允许发生的。例如压裂过程中的压力波动、高压不降、设备故障、各种井下复杂事故的发生等，这在现场都是不允许发生的。而采用虚拟操作培训系统，系统软件设计则可以将各种各样的可能发生的事件反复展现在培训人员面前，使培训人员有足够的机会接收各种突发事件的挑战，对压裂设备和压裂作业有更深刻的了解，对压裂设备的操作规程有更熟练的掌握，从而培训出更全面的操作人员。

（3）可普及性

虚拟操作培训系统不需要实战中所使用的材料，仅仅需要必要的设备和计算机，不受地点、材料、设备等方面的限制，在室内就可以对人员进行培训，因此可以大大提高受训比例和培训课程难度，达到提高整个操作队伍的业务和水平的目的。

附图说明

图1 是本发明实施例压裂控制装置虚拟操作培训系统示意图。

图2 是本发明实施例中仪表车集中操作培训方法流程图。

图3 是本发明实施例中单泵车操作培训方法流程图。

图4 是本发明实施例中混砂车操作培训方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明压裂控制装置虚拟操作培训系统，包括：

仪表车集中仿真操作系统，用来通过人机界面下达完成所述作业机组的集中操作培训内容；

单泵车仿真操作系统，用来通过人机界面和操作面板下达完成所述作业机组中单泵车的操作培训内容；

混砂车仿真操作系统，用来通过人机界面和操作面板下达完成所述作业机组中混砂车的操作培训内容；

教师站，用于系统设置、实时监控、故障投放、培训记录、培训考核、浏览回放、数据查询等培训教学内容；

其中，仪表车集中仿真操作系统中包含仪表车集中操作模拟控制器，用于接受人机界面的操作，模拟1-30台泵车、3台混砂车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面；包含仪表车集中仿真操作虚拟交互系统，用于接受仪表车集中操作模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

其中，单泵车仿真操作系统中包含单泵车操作模拟控制器，接受人机界面和操作面板的操作，模拟1台泵车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面和操作面板；包含单泵车仿真操作虚拟交互系统，用于接受单泵车模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

其中，混砂车仿真操作系统中包含混砂车操作模拟控制器，接受人机界面和操作面板的操作，模拟1台混砂车的设备数据和作业数据，并将数据显示至人机界面和操作面板；包含混砂车仿真操作虚拟交互系统，用于接受混砂车模拟控制器的数据，显示虚拟场景。

在上述实施例中，所述虚拟场景通过环幕系统显示。

在上述实施例中，所述仪表车集中仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述实施例中，所述单泵车仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述实施例中，所述混砂车仿真操作系统与教师站之间通过网络通讯进行实时的数据交换，对学员的各项操作进行记录，并实现对虚拟环境的故障投放和参数设置。

在上述实施例中，单泵车仿真操作系统、混砂车仿真操作系统均可以不与教师站进行通讯，而采取独立自由训练的形式。

教师站4在系统管理系统4.1上进行培训前的模式选择、培训选择、网络连接。按下“启动仿真系统”自动启动仪表车集中仿真操作虚拟交互系统1.17，进行三维场景显示。

在浏览模式下，可在系统管理系统4.1上进行各项场景浏览操作，仪表车集中仿真操作虚拟交互系统1.17响应这些操作。

在仪表车集中操作培训模式下，按下“开始培训”后数据库4.3开始记录所有以下操作：

仪表车集中操作台1上集中控制1-30台泵车的人机界面1.1，1.2，1.3，参加仪表车集中操作培训的泵车岗操作工通过这3个屏观察当前泵车作业状态，并通过人机界面上的按键下达各项操作控制命令；

仪表车集中操作台1上集中控制3台混砂车的人机界面1.4，1.5，1.6，参加仪表车集中操作培训的混砂车岗操作工通过这3个屏观察当前混砂车作业状态，并通过人机界面上的按键下达各项操作控制命令；

仪表车集中操作台1上集中采集显示作业数据的显示器1.7，1.8，1.9，1.10，参加仪表车集中操作培训的数据采集操作工通过这4个屏观察当前作业作业状态，并通过鼠标和键盘操作调出需要的数据显示，进行数据的实时采集和记录；

仪表车集中操作台1上的工业控制器1.11，1.12，1.13接受人机界面1.1，1.2，1.3的操作，对1-30台泵车的信号进行模拟，并在人机界面1.1，1.2，1.3上进行显示。

仪表车集中操作台1上的工业控制器1.14，1.15，1.16接受人机界面1.4，1.5，1.6的操作，对1-3台混砂车的信号进行模拟，并在人机界面1.4，1.5，1.6上进行显示。

仪表车集中仿真操作虚拟交互系统1.17对上述数据进行三维画面还原，并给出相应的动画增强效果。

培训模式分练习模式和考核模式。考核模式时，仪表车集中仿真操作虚拟交互系统1.17给出分数显示。

培训结束后，按下“结束培训”后数据库4.3停止记录。

在单泵车操作培训模式下，按下“开始培训”后数据库4.3开始记录所有以下操作：

单泵车操作台2上控制1台泵车的人机界面2.1,参加单泵车操作培训的操作工通过该屏观察当前泵车作业状态，并通过人机界面2.1上的按键下达各项操作控制命令；

单泵车操作台2上控制和显示1台泵车的操作面板2.2,参加单泵车操作培训的操作工通过该面板观察当前泵车状态，并通过面板上的开关、按钮下达各项操作控制命令；

单泵车操作台上的工业控制器2.3接受人机界面2.1和操作面板2.2的操作，对1台泵车的信号进行模拟，并在人机界面2.1，操作面板2.2上进行显示。

单泵车仿真操作虚拟交互系统2.4对上述数据进行三维画面还原，并给出相应的动画增强效果。考核模式时，给出分数显示。

培训结束后，按下“结束培训”后数据库4.3停止记录。

在混砂车操作培训模式下，按下“开始培训”后数据库4.3开始记录所有以下操作：

混砂车操作台3上控制1台混砂车的人机界面3.1,参加混砂车操作培训的操作工通过该屏观察当前混砂车作业状态，并通过人机界面3.1上的按键下达各项操作控制命令；

混砂车操作台3上控制和显示1台混砂车的操作面板3.2,参加混砂车操作培训的操作工通过该面板观察当前混砂车状态，并通过面板上的开关、按钮下达各项操作控制命令；

混砂车操作台3上的工业控制器3.3接受人机界面3.1和操作面板3.2的操作，对1台混砂车的信号进行模拟，并在人机界面3.1，操作面板3.2上进行显示。

混砂车仿真操作虚拟交互系统3.4对上述数据进行三维画面还原，并给出相应的动画增强效果。考核模式时，给出分数显示。

培训结束后，按下“结束培训”后数据库4.3停止记录。

培训结束后，教师站4可切换至回放模式，对刚才的培训或对以前的历史记录进行回放。

在培训结束前或培训结束后，教师站4可通过考核查询系统4.2进行数据库4.3的编辑、查询、打印等工作。

本实施例给上述压裂控制装置虚拟操作培训系统提供了一种操作培训方法，其具体程序流程如图2、图3、图4所示。

如图2所示，按下列步骤实现仪表车集中操作的仿真操作培训。

步骤1：连接仪表车仿真操作培训系统与教师站，对仿真系统虚拟场景进行初始化设置，对泵车、混砂车型号和初始位置、初始状态进行设置。

步骤2：在教师站输入作业设计表。

步骤3：在教师站按下“开始培训”，开始记录培训过程。

步骤4：泵车工操作岗按要求对1-30台泵车进行各项操作和控制；混砂车操作岗按要求对混砂车进行各项操作和控制；数据采集岗对作业数据、曲线进行监测和记录。

步骤5：仿真交互系统与模拟控制系统进行实时交互，学员通过对三维虚拟设备及部件的观察操作结果。

步骤6：在教师站显示器上进行操作，进行故障投放，观察操作者的应对情况；数据库自动记录。

步骤7：考核模式下，根据操作学员的操作情况给出评分。

步骤8：培训模式结束，在教师站按下“结束培训”。

如图3所示，按下列步骤实现单泵车的仿真操作培训。

步骤1：连接单泵车仿真操作培训系统与教师站，对仿真系统虚拟场景进行初始化设置，对泵车型号和初始位置、初始状态进行设置。

步骤2：如果选择自由练习模式，则断开网络连接；如果选择考核模式，则保持网络通讯。

步骤3：在教师站按下“开始培训”，开始记录培训过程。

步骤4：学员对面板进行操作或对操作界面进行操作，按规范和预定作业设计进行启车、提升油门、换挡、排出等操作。

步骤5：仿真交互系统与模拟控制系统进行实时交互，学员通过对三维虚拟设备及部件的观察操作结果。

步骤6：在网络通讯情况下，在教师站显示器上进行操作，进行故障投放，观察操作者的应对情况；数据库自动记录。

步骤7：考核模式下，根据操作学员的操作情况给出评分。

步骤8：培训模式结束，在教师站按下“结束培训”。

如图4所示，按下列步骤实现混砂车的仿真操作培训。

步骤1：连接混砂车仿真操作培训系统与教师站，对仿真系统虚拟场景进行初始化设置，对混砂车型号和初始位置、初始状态进行设置。

步骤2：如果选择自由练习模式，则断开网络连接；如果选择考核模式，则保持网络通讯。

步骤3：在教师站按下“开始培训”，开始记录培训过程。

步骤4：学员对面板进行操作或对操作界面进行操作，按规范和预定作业设计进行启车、吸入、加砂、排出等操作。

步骤5：仿真交互系统与模拟控制系统进行实时交互，学员通过对三维虚拟设备及部件的观察操作结果。

步骤6：在网络通讯情况下，在教师站显示器上进行操作，进行故障投放，观察操作者的应对情况；数据库自动记录。

步骤7：考核模式下，根据操作学员的操作情况给出评分。

步骤8：培训模式结束，在教师站按下“结束培训”。