一种用于专业技术领域的教学模拟演示装置

摘要

本发明涉及一种用于专业技术领域比如定向钻井的教学模拟演示装置，所述模拟演示装置包括井架、钻井驱动装置、钻杆、井下钻具控制装置、透明沙箱、地层参数模拟装置以及计算机控制装置，其中地层参数模拟装置包括地层参数设定装置和信号发射装置，井下钻具控制装置包括井下钻具组件、钻具驱动装置、信号接收装置、传感器装置和钻具驱动控制装置，所述透明沙箱用于方便观察钻具在沙箱中的运动。该装置能够直观地显示定向钻井的具体工况，并能够根据具体的地层情况设定具体的操作参数，从而便于学员具体操作，增强了学员的感性认识，提高了学习效率，压缩了实践教学成本。

说明书

技术领域

本发明属于教学技术领域，涉及一种用于专业技术领域的教学演示装置，尤其涉及一种定向钻井模拟教学演示装置，特别是涉及一种实验室和教室用的定向钻井教学模拟演示装置。

背景技术

使井身沿着预先设计的方向和轨迹钻达目的层的钻井工艺方法，称为定向钻井，一般指斜向钻井和水平钻井。定向钻井可广泛应用于斜向钻井、水平钻井和对接钻井。对接钻井技术主要是指采用定向钻井技术和水平对接钻井技术，使地面相距数百米的两井，在地下数百米的目的矿层直接采用钻井方法实现两井连通。随着勘探开发的不断深入，定向钻井技术得到了快速发展，同时要求水平井水平段延伸更长、钻进速度更快和井筒更加光滑，以降低作业成本，实现油气资源的经济高效开发。目前，定向钻井技术主要掌握在国外公司的手中，我国在定向钻井技术方面与国外公司相比还有很大的差距。国外油田服务公司和石油公司正在通过改进工具设计、提高工具性能和可靠性以及优化钻井作业模式等方面展开提高定向钻井的质量和效率研究，并在井下数据获取与传输、井眼轨迹控制技术、定向钻井配套技术等方面保持技术优势。

为了更好地跟踪和研究定向井技术，国内相关大学和科研机构都设置了相关课程。但是国内的课程还是停留在传统的教学模式阶段，而对于定向钻井技术这种与实际结合紧密的课程来说，仅仅靠书本和图片等教学手段是远远不够的，导致学生缺少对实际设备的结构和工作情况的清晰认识，更没有动手操作的机会，造成学生对知识的吸收效率比较低，以及毕业后动手操作能力较差等诸多问题。

为了解决传统教学模式中存着的诸多问题，特别是与实际联系紧密的学科中存着的问题，国内也开发了一些模拟教学装置，例如公开号为CN106652752A的专利申请中公开了一种石油钻采机械实验演示装置，该装置主要是通过齿轮传动装置演示了抽油机、钻机绞车、钻井泵的减速箱和变速箱工作原理，圆锥齿轮机构主要演示了钻井钻盘工作部分工作原理，曲轴摇杆机构演示了钻井泵的工作部分工作原理，滚筒、钢丝绳和滑轮等机构演示了钻井时钻机钻杆起升环节等等。专利号为CN105023501A的专利中公开了一种石油钻井实验教学平台，该平台主要包括实验平台、钻井设备模型平台，钻井设备模型平台坐落在实验平台上，在钻井设备模型平台上下布置钻井设备模型，钻井设备模型包括井架、天车、游车、方钻杆、顶驱，以及设置在钻井平台下部的井控系统等，该平台能够免除实习教育认识不充分，实习时间长和费用高等问题，提高了实习操作训练效率。专利公开号为CN101719332A的专利中公开了一种全三维实时钻井模拟的方法，该方法主要通过采用三维动画建模方法建立三维钻井图形实体模型、专门设置的图形处理器、视景仿真控制程序等，利用计算机仿真技术参照钻井作业现场的实际操作流程，对钻井工艺过程和操作方法进行逼真模拟，生成了高质量图形动画，用于钻井现场操作人员和在校学生培训，提高了培训效果，降低了培训成本。

虽然现有技术中有涉及钻井的模拟装置，取得了一定的效果，但是现有技术中主要是对钻井装置的地面设备进行模拟，缺少对整个钻井过程的模拟，特别是缺少定性钻井工艺的模拟演示装置。特别的，现有的模拟系统均为基于运动学的模拟系统，仅能展现各组成部件随着时间变化的运动轨迹，而在较为复杂的地层中，钻头以及钻杆受到的外力经常会影响钻井的质量，关于钻井工业中地下的动力学演示和教学装置长期以来是业内未注意到的内容，而定向钻井工业作为钻井技术发展的前沿技术，对整个石油工业的发展起着举足轻重的作用。因此，如何提高教学效果，增强学生的理性认识，特别是增强学生参与感，避免学生动手能力差等问题是现实教学中迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟钻井全景的钻井教学模拟演示装置，特别是模拟定向钻井的模拟演示装置。所述模拟演示装置包括井架、钻井驱动装置、钻杆、井下钻具控制装置、透明沙箱、地层参数模拟装置以及计算机控制装置，所述计算机控制装置包括通信模块、主动控制模块、自动控制模块和评价模块，所述主动控制模块能够根据预定的地层参数和地层靶向区域位置由人工设定或者由计算机存储的计算程序自动设定具体的控制参数，所述自动控制模块能够利用传感器实时测量钻具的钻进速度和钻井轨迹，然后根据测量得到的数据计算钻具的钻进方向和方位，并与预先设定的钻进方向和方位进行对比，并对钻井轨迹进行修正。

优选地，所述井下钻具控制装置包括钻具驱动装置、信号接收装置、传感器装置和钻具驱动控制装置，其中所述钻具驱动控制装置包括钻头方位控制装置，所述钻头方位控制装置包括液压支出机构和与液压支出机构连接的内嵌有可以自由转动的钢球的球座。

优选地，所述钻头方位控制装置包括至少三组液压支出机构和与液压支出机构连接的内嵌有可以自由转动的钢球的球座，其中每组都可以在计算机控制装置的控制下在收缩位置和伸展位置之间运动。

优选地，所述地层参数模拟装置包括地层参数设定装置和信号发射装置，井下钻具控制装置包括钻具驱动装置、信号接收装置、传感器装置和钻具驱动控制装置，所述透明沙箱用于方便观察钻具在沙箱中的运动。

优选地，所述井架为通用井架的比例模型，可以根据实验室和教室的条件来设定井架的比例，例如可以根据实验室或教室的空间，或者参考该模型为固定模型或是可移动模型来进行设定。

优选地，所述钻井驱动装置包括顶驱系统等钻具驱动装置。所述钻杆为按照常规钻杆的一定比例的具有一定的强度和柔韧性的金属或塑料材料制成，其具体比例和长度可以根据具体需要来进行设定。

优选地，所述井下钻具组件可以包括可以用于定向钻井的任何底部钻具组合。钻具驱动装置包括电动或液压动力的驱动装置，例如井下钻井马达、涡轮钻具或其他的井下钻井工具。

信号接收装置包括用于接收地层参数模拟装置发射的信号，并将信号传输给计算机控制装置。

传感器装置包括钻具速度传感器、钻具方位传感器等用于控制钻具钻速和方位的传感器。

钻具驱动控制装置包括控制钻具钻速，以及调节钻具运动方向和方位的控制装置，主要用于控制钻具在地层中的运动。

所述沙箱为透明沙箱，主要用于方便学员观察钻具在沙箱中的运动情况，对控制钻具运动有一个清晰的认识。沙箱的箱体可以用透明的加厚玻璃或透明塑料制造，沙箱中的物质可以为便于观察钻具在沙箱中运动的可以模拟地层的任何透明的物质，例如添加粘结剂的透明塑料粒，或者凝固后的透明的凝胶等。

所述地层参数模拟装置包括地层参数设定装置和信号发射装置，其中所述地层参数设定装置用于设定地层的参数，所述地层参数包括影响钻具钻进的各种地层参数，例如岩石的强度、地层温度、地层压力等地层参数。所述信号发射装置包括位于沙箱中的信号发射器，所述信号发射器用于将设置的地层参数信号发射给的钻具驱动装置上的信号接收装置。

优选地，所述演示装置包括动力学计算模块，所述动力学计算模块根据底层参数设定装置给出的参数，计算出钻头和钻杆在该参数下的受力，并根据受力情况模拟钻头和钻杆的实际状态，当受力情况改变时，模拟出该受力情况下的阻力变化和进尺速度、进尺深度变化，相应的，钻头和钻杆的进给速度和转速同步变化。同时，提示操作人员根据岩层的变化调整钻具驱动参数，使之适应当前由于岩层变化而引起受力状态变化，设定正确参数后方可继续进行钻井演示。

所述计算机控制装置包括通信模块、主动控制模块、自动控制模块和评价模块，所述通信模块用于接收包括传感器装置和信号接收装置发送的信号，所述主动控制模块能够根据地层参数和地层靶向区域设定具体的控制参数并控制钻具驱动装置的工作，所述自动控制模块能够根据传感器传输的信号修正井下钻具的工作，所述评价模块能够将学员的具体操作与系统设定操作进行比对，并且给出评价结果。

附图说明

图1为根据本发明的定向钻井教学模拟演示装置的结构示意图；

图2为本发明的计算机控制装置的控制模块结构示意图；

具体实施方式

图1为本发明的用于实验室和教室的定向钻井教学模拟演示装置，所述模拟演示装置包括井架1，钻井驱动装置2，钻杆3，井下钻具控制装置、透明沙箱4，地层参数模拟装置和计算机控制装置8。

所述井架为通用井架的比例模型，可以根据实验室和教室的条件来设定井架的比例，例如可以根据实验室或教室的空间，或者参考该模型为固定模型或是可移动模型来进行设定。所述模型的材质可以为任何满足强度需要的材料，例如可以采用金属或强度较高的塑料材料制备。所述井架包括底座，优选地，所述底座为长方形，并且底座的尺寸大于井架底部的尺寸，以便将井架固定在底座上。在长方形底座的中间偏向长方形一端的位置设置有圆形通孔，以便钻杆及附件可以通过。根据材质的不同，所述井架可以通过粘接、焊接或螺钉等固定方式固定在底座上。优选地，所述底座可以包括支脚，支脚的数量可以为4至9个，优选的，所述支脚的数量为6个。所述支脚固定在沙箱盖体上，支脚的固定方式同样可以采用粘接、焊接或螺钉固定的方式固定在沙箱盖体上。

钻杆驱动装置可以为驱动钻杆转动的电动驱动装置或液压驱动装置。优选地，可以为电动机或液压马达驱动装置。优选地，所述驱动装置为电动机，所述电动机可以为电池驱动或者照明电源驱动。

所述钻杆为金属杆制成，特别是具有一定强度和柔韧性的金属杆构成。优选地，所述钻杆从上到下可包括可伸缩短节、钻杆驱动短节和井下钻具组合短节。所述可伸缩短节可以在钻杆纵向上伸缩运动，从而可以为钻头的钻进运动提供支撑。所述可伸缩短节与计算机控制装置连接，从而可以由计算机控制装置对液压驱动装置进行控制，从而控制可伸缩短节的伸缩运动。所述钻杆驱动短节包括方钻杆，所述钻杆驱动装置连接在井架上，并驱动转盘转动，电动机和转盘之间的传动，可以采用齿轮传动的方式传动。转盘为中间开有方形通孔的转盘，驱动短节的方钻杆的尺寸与转盘方形通孔的尺寸相适应，并穿过转盘中间的方形通孔，从而驱动方钻杆转动，进一步地驱动整个钻杆转动。

井下钻具组合短节位于钻头13后部，井下钻具控制装置位于井下钻具组合短节内，用于精确控制钻井的方向和方位等。井下钻具控制装置为定向钻井的核心部件之一，能够精确控制钻头方向和方位，从而控制钻井轨迹的重要装置。井下钻具控制装置包括井下钻具组件、钻具驱动装置12、信号接收装置15、传感器装置14和钻具驱动控制装置11。所述信号接收装置位于短节内远离钻头的一端，所述信号接收装置用于接收地层参数模拟装置中第一信号发射装置和第二信号发射装置发出的信号，并将接收到的信号传输给计算机控制装置。所述第一信号发射装置、第二信号发射装置以及信号接收装置为能够在地下一定距离内发送和接收信号的装置，优选地，所述第一信号发射装置、第二信号发射装置以及信号接收装置为无线电信号发射和接收装置。

所述传感器装置14紧邻信号接收装置并位于信号接收装置15的前方。此处的前方是指钻头在地层中钻进的方向。所述传感器装置中设置有用于测量钻具钻速和方位的传感器装置，优选地，所述传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述传感器采用X,Y,Z三轴正交安装，在每个轴上，三轴加速度计和三轴陀螺仪的轴方向保持平行。三轴加速度计和三轴陀螺仪分别将测试得到的数据时刻传送到计算机控制装置，然后计算机控制装置对测量得到的数据进行分析，若钻头偏离了预定的运动轨迹，则计算机控制装置通过计算给出修正指令，然后将修正钻头运动的控制指令输送给钻具驱动控制装置，对钻头的运动进行调整和矫正。

钻具驱动控制装置紧邻传感器装置并位于传感器装置的前方，钻具驱动控制装置主要控制钻头运动以及钻头钻进的方位。钻具驱动控制装置包括精确调节电机运动的钻头驱动控制装置以及控制钻头运动方位的钻头方位控制装置。所述钻头驱动控制装置主要控制驱动钻头转动的电机的运动速度和运动方向，钻头驱动控制装置与计算机控制装置连接并能够根据计算机控制装置的指令控制电机的运动。钻头方位控制装置优选采用液压控制装置，优选地，钻头方位控制装置主要包括设置在井下钻具组合短节内的三个液压支出机构，三个嵌在球座内的可自由滚动的钢球。所述液压支出机构与球座连接，其能够根据计算机控制装置的指令，在需要的情况下，推动球座沿井下钻具组合短节径向向外运动。计算机控制装置能够独立地精确控制每个液压支出机构的运动速度和运动距离，从而精确控制钻具的运动方位。在收缩位置时，所述球座和钢球位于均匀设置在井下钻具组合短节上的三个圆柱形的孔洞中，三个钢球的径向最外侧不高于井下钻具组合短节的外径表面，也就是说在收缩位置时，球座和钢球隐藏在圆柱形孔洞中。当处于伸展位置时，位于球座底部的液压支出机构推动球座沿井下钻具组合短节的径向向外运动，从而使钢球的外侧表面高于井下钻具组合短节的径向外表面，使钻具产生偏心运动，从而修正钻头的运动方位。

钻具驱动装置优选采用电动机，其能够驱动钻头相对于井下钻具组合短节的旋转运动，也就是说驱动钻头相对于整个钻柱的旋转运动。钻具驱动装置能够接收来自钻头驱动控制装置的指令，钻头驱动控制装置能够通过指令控制钻具驱动装置的运动速度和运动方向，进而控制钻头的转动速度和转动方向，从而控制钻头在沙箱中的钻进运动。

所述地层参数模拟装置包括与计算机控制装置连接的第一信号发射装置9和第二信号发射装置10。第一信号装置9和第二信号装置10优选为无线电信号发射装置，可以将上述信号发射装置埋设在沙箱上部，位于不妨碍钻具钻进的位置即可。第一信号发射装置和第二信号发射装置可以通过有线方式或无线方式与计算机控制装置进行通信。操作人员可以通过计算机控制装置设定或者修改地层参数，并通过第一信号发射装置和第二信号发射装置将设定或修改的地层参数发射出去，以便位于井下钻具组合短节内的信号接收装置能够接收上述信号，并将信号再传递给计算机控制装置。

所述沙箱为透明沙箱，主要用于方便学员观察钻具在沙箱中的运动情况，从而对控制钻具在沙箱中的运动有一个清晰的认识。优选地，沙箱的箱体可以采用四个侧板均为透明的加厚玻璃或塑料制成，沙箱的底部和盖体可以为不透明的材料制成。优选地，制作沙箱侧板的玻璃可以采用5mm-10mm厚度的钢化玻璃，所述底板可以采用带有与玻璃厚度适合的凹槽的塑料板制成，所述玻璃可以插接在凹槽中，并通过粘结剂接合，构成透明沙箱的主体结构。沙箱的盖体也可以采用透明的塑料板制成，在盖体上还设置有用于固定井架底座支脚的孔，可以通过孔用螺钉将支脚固定在盖体上。此外，盖体上还开设有供钻杆和数据线通过的通孔，以便输送钻杆和数据传输。优选地，所述通孔为两个，一个供钻杆通过，另一个供数据线穿过。为了方便学员观察钻具的运动情况，所述沙箱内放置可以模拟地层的透明物质，例如添加粘结剂的透明塑料粒，或者采用凝固后的透明的凝胶。优选地，所述透明物质为添加粘结剂的透明塑料粒，所述透明塑料粒优选PC透明塑料粒或PVC透明塑料粒，所述塑料粒的粒径优选为0.3mm-2mm。为了更好地显示钻具的运动情况，可以设置背景灯或者在钻头的圆周面上设置三个以上的发光装置，优选地，所述发光装置为LED灯。

所述演示装置包括动力学计算模块，所述动力学计算模块根据底层参数设定装置给出的参数，计算出钻头和钻杆在该参数下的受力，并根据受力情况模拟钻头和钻杆的实际状态，当受力情况改变时，模拟出该受力情况下的阻力变化和进尺速度、进尺深度变化，相应的，钻头和钻杆的进给速度和转速同步变化。同时，提示操作人员根据岩层的变化调整钻具驱动参数，使之适应当前由于岩层变化而引起受力状态变化，设定正确参数后方可继续进行钻井演示。这一装置的设置，使得演示参与者既能直观感受到地下情况的多变，又能切身体会如何进行参数调整才能适应不同的环境。

述计算机控制装置包括通信模块、主动控制模块、自动控制模块和评价模块。

所述通信模块，用于接收包括传感器装置和信号接收装置传输的信号。通信模块包括信号发射模块和信号接收模块，其中信号发射模块能够控制信号的发射，优选地，信号控制模块能够将设定或修改的地层参数信号传输给第一信号发射装置和第二信号发射装置，并通过第一信号发射装置和第二信号发射装置将地层参数信号发射出去。

所述主动控制模块，用于控制钻井驱动装置和钻具驱动控制装置的工作。优选地，所述主动控制模块能够根据预定的地层参数和地层靶向区域位置人工设定具体的控制参数，并将控制参数传输到钻井驱动装置和钻具驱动控制装置，并控制钻杆转动速度和钻头的转动速度和方位。优选地，所述主动控制模块能够根据预定的地层参数和地层靶向区域位置利用计算机存储的预定计算程序设定具体的控制参数，并将控制参数传输到钻井驱动装置和钻具驱动控制装置，并控制钻杆转动速度和钻头的转动速度和方位。优选地，可以在钻进过程中修改地层参数，然后通过通信模块将修正的地层参数通过信号发射装置发射出去，然后根据信号接收装置接收到的信号，从新计算钻进的速度等钻井参数，并将控制指令发送给钻井驱动装置和钻具驱动控制装置，从而控制钻杆和钻头的转动速度，以及钻头钻进的方向和方位。

所述自动控制模块，用于调整和修正钻杆和钻头的转动速度以及钻头钻进的方位。优选地，所述自动控制模块能够利用三轴加速度计和三轴陀螺仪实时测量钻具的速度和钻井轨迹，然后根据测量得到的数据计算钻具的钻进方向和方位，并与预先设定的钻进方向和方位进行对比，并对轨迹进行修正，然后将修正的控制信号传输给钻具驱动控制装置，从而对钻具的钻进方向和方位进行调整。

所述评价模块，用于评价学员的操作过程。优选地，所述评价模块能够将学员的具体操作与系统设定操作进行比对，并且给出评价结果。优选地，所述评价结果包括优秀、良好、合格、需要进一步学习等评价指标，和系统根据比对结果给出的进一步改进的建议，从而使学员既能直观地了解定向井的钻进情况，又能提高实际操作装置和设备的能力。

以上介绍了本发明的较佳实施方式，旨在使得本发明的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本发明所附的权利要求概括的保护范围之内。