一種用於專業技術領域的教學模擬演示裝置的製作方法

2023-12-05 22:35:31

本發明屬於教學技術領域，涉及一種用於專業技術領域的教學演示裝置，尤其涉及一種定向鑽井模擬教學演示裝置，特別是涉及一種實驗室和教室用的定向鑽井教學模擬演示裝置。

背景技術：

使井身沿著預先設計的方向和軌跡鑽達目的層的鑽井工藝方法，稱為定向鑽井，一般指斜向鑽井和水平鑽井。定向鑽井可廣泛應用於斜向鑽井、水平鑽井和對接鑽井。對接鑽井技術主要是指採用定向鑽井技術和水平對接鑽井技術，使地面相距數百米的兩井，在地下數百米的目的礦層直接採用鑽井方法實現兩井連通。隨著勘探開發的不斷深入，定向鑽井技術得到了快速發展，同時要求水平井水平段延伸更長、鑽進速度更快和井筒更加光滑，以降低作業成本，實現油氣資源的經濟高效開發。目前，定向鑽井技術主要掌握在國外公司的手中，我國在定向鑽井技術方面與國外公司相比還有很大的差距。國外油田服務公司和石油公司正在通過改進工具設計、提高工具性能和可靠性以及優化鑽井作業模式等方面展開提高定向鑽井的質量和效率研究，並在井下數據獲取與傳輸、井眼軌跡控制技術、定向鑽井配套技術等方面保持技術優勢。

為了更好地跟蹤和研究定向井技術，國內相關大學和科研機構都設置了相關課程。但是國內的課程還是停留在傳統的教學模式階段，而對於定向鑽井技術這種與實際結合緊密的課程來說，僅僅靠書本和圖片等教學手段是遠遠不夠的，導致學生缺少對實際設備的結構和工作情況的清晰認識，更沒有動手操作的機會，造成學生對知識的吸收效率比較低，以及畢業後動手操作能力較差等諸多問題。

為了解決傳統教學模式中存著的諸多問題，特別是與實際聯繫緊密的學科中存著的問題，國內也開發了一些模擬教學裝置，例如公開號為cn106652752a的專利申請中公開了一種石油鑽採機械實驗演示裝置，該裝置主要是通過齒輪傳動裝置演示了抽油機、鑽機絞車、鑽井泵的減速箱和變速箱工作原理，圓錐齒輪機構主要演示了鑽井鑽盤工作部分工作原理，曲軸搖杆機構演示了鑽井泵的工作部分工作原理，滾筒、鋼絲繩和滑輪等機構演示了鑽井時鑽機鑽杆起升環節等等。專利號為cn105023501a的專利中公開了一種石油鑽井實驗教學平臺，該平臺主要包括實驗平臺、鑽井設備模型平臺，鑽井設備模型平臺坐落在實驗平臺上，在鑽井設備模型平臺上下布置鑽井設備模型，鑽井設備模型包括井架、天車、遊車、方鑽杆、頂驅，以及設置在鑽井平臺下部的井控系統等，該平臺能夠免除實習教育認識不充分，實習時間長和費用高等問題，提高了實習操作訓練效率。專利公開號為cn101719332a的專利中公開了一種全三維實時鑽井模擬的方法，該方法主要通過採用三維動畫建模方法建立三維鑽井圖形實體模型、專門設置的圖形處理器、視景仿真控制程序等，利用計算機仿真技術參照鑽井作業現場的實際操作流程，對鑽井工藝過程和操作方法進行逼真模擬，生成了高質量圖形動畫，用於鑽井現場操作人員和在校學生培訓，提高了培訓效果，降低了培訓成本。

雖然現有技術中有涉及鑽井的模擬裝置，取得了一定的效果，但是現有技術中主要是對鑽井裝置的地面設備進行模擬，缺少對整個鑽井過程的模擬，特別是缺少定性鑽井工藝的模擬演示裝置。特別的，現有的模擬系統均為基於運動學的模擬系統，僅能展現各組成部件隨著時間變化的運動軌跡，而在較為複雜的地層中，鑽頭以及鑽杆受到的外力經常會影響鑽井的質量，關於鑽井工業中地下的動力學演示和教學裝置長期以來是業內未注意到的內容，而定向鑽井工業作為鑽井技術發展的前沿技術，對整個石油工業的發展起著舉足輕重的作用。因此，如何提高教學效果，增強學生的理性認識，特別是增強學生參與感，避免學生動手能力差等問題是現實教學中迫切需要解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種能夠模擬鑽井全景的鑽井教學模擬演示裝置，特別是模擬定向鑽井的模擬演示裝置。所述模擬演示裝置包括井架、鑽井驅動裝置、鑽杆、井下鑽具控制裝置、透明沙箱、地層參數模擬裝置以及計算機控制裝置，所述計算機控制裝置包括通信模塊、主動控制模塊、自動控制模塊和評價模塊，所述主動控制模塊能夠根據預定的地層參數和地層靶向區域位置由人工設定或者由計算機存儲的計算程序自動設定具體的控制參數，所述自動控制模塊能夠利用傳感器實時測量鑽具的鑽進速度和鑽井軌跡，然後根據測量得到的數據計算鑽具的鑽進方向和方位，並與預先設定的鑽進方向和方位進行對比，並對鑽井軌跡進行修正。

優選地，所述井下鑽具控制裝置包括鑽具驅動裝置、信號接收裝置、傳感器裝置和鑽具驅動控制裝置，其中所述鑽具驅動控制裝置包括鑽頭方位控制裝置，所述鑽頭方位控制裝置包括液壓支出機構和與液壓支出機構連接的內嵌有可以自由轉動的鋼球的球座。

優選地，所述鑽頭方位控制裝置包括至少三組液壓支出機構和與液壓支出機構連接的內嵌有可以自由轉動的鋼球的球座，其中每組都可以在計算機控制裝置的控制下在收縮位置和伸展位置之間運動。

優選地，所述地層參數模擬裝置包括地層參數設定裝置和信號發射裝置，井下鑽具控制裝置包括鑽具驅動裝置、信號接收裝置、傳感器裝置和鑽具驅動控制裝置，所述透明沙箱用於方便觀察鑽具在沙箱中的運動。

優選地，所述井架為通用井架的比例模型，可以根據實驗室和教室的條件來設定井架的比例，例如可以根據實驗室或教室的空間，或者參考該模型為固定模型或是可移動模型來進行設定。

優選地，所述鑽井驅動裝置包括頂驅系統等鑽具驅動裝置。所述鑽杆為按照常規鑽杆的一定比例的具有一定的強度和柔韌性的金屬或塑料材料製成，其具體比例和長度可以根據具體需要來進行設定。

優選地，所述井下鑽具組件可以包括可以用於定向鑽井的任何底部鑽具組合。鑽具驅動裝置包括電動或液壓動力的驅動裝置，例如井下鑽井馬達、渦輪鑽具或其他的井下鑽井工具。

信號接收裝置包括用於接收地層參數模擬裝置發射的信號，並將信號傳輸給計算機控制裝置。

傳感器裝置包括鑽具速度傳感器、鑽具方位傳感器等用於控制鑽具鑽速和方位的傳感器。

鑽具驅動控制裝置包括控制鑽具鑽速，以及調節鑽具運動方向和方位的控制裝置，主要用於控制鑽具在地層中的運動。

所述沙箱為透明沙箱，主要用於方便學員觀察鑽具在沙箱中的運動情況，對控制鑽具運動有一個清晰的認識。沙箱的箱體可以用透明的加厚玻璃或透明塑料製造，沙箱中的物質可以為便於觀察鑽具在沙箱中運動的可以模擬地層的任何透明的物質，例如添加粘結劑的透明塑料粒，或者凝固後的透明的凝膠等。

所述地層參數模擬裝置包括地層參數設定裝置和信號發射裝置，其中所述地層參數設定裝置用於設定地層的參數，所述地層參數包括影響鑽具鑽進的各種地層參數，例如巖石的強度、地層溫度、地層壓力等地層參數。所述信號發射裝置包括位於沙箱中的信號發射器，所述信號發射器用於將設置的地層參數信號發射給的鑽具驅動裝置上的信號接收裝置。

優選地，所述演示裝置包括動力學計算模塊，所述動力學計算模塊根據底層參數設定裝置給出的參數，計算出鑽頭和鑽杆在該參數下的受力，並根據受力情況模擬鑽頭和鑽杆的實際狀態，當受力情況改變時，模擬出該受力情況下的阻力變化和進尺速度、進尺深度變化，相應的，鑽頭和鑽杆的進給速度和轉速同步變化。同時，提示操作人員根據巖層的變化調整鑽具驅動參數，使之適應當前由於巖層變化而引起受力狀態變化，設定正確參數後方可繼續進行鑽井演示。

所述計算機控制裝置包括通信模塊、主動控制模塊、自動控制模塊和評價模塊，所述通信模塊用於接收包括傳感器裝置和信號接收裝置發送的信號，所述主動控制模塊能夠根據地層參數和地層靶向區域設定具體的控制參數並控制鑽具驅動裝置的工作，所述自動控制模塊能夠根據傳感器傳輸的信號修正井下鑽具的工作，所述評價模塊能夠將學員的具體操作與系統設定操作進行比對，並且給出評價結果。

附圖說明

圖1為根據本發明的定向鑽井教學模擬演示裝置的結構示意圖；

圖2為本發明的計算機控制裝置的控制模塊結構示意圖；

具體實施方式

圖1為本發明的用於實驗室和教室的定向鑽井教學模擬演示裝置，所述模擬演示裝置包括井架1，鑽井驅動裝置2，鑽杆3，井下鑽具控制裝置、透明沙箱4，地層參數模擬裝置和計算機控制裝置8。

所述井架為通用井架的比例模型，可以根據實驗室和教室的條件來設定井架的比例，例如可以根據實驗室或教室的空間，或者參考該模型為固定模型或是可移動模型來進行設定。所述模型的材質可以為任何滿足強度需要的材料，例如可以採用金屬或強度較高的塑料材料製備。所述井架包括底座，優選地，所述底座為長方形，並且底座的尺寸大於井架底部的尺寸，以便將井架固定在底座上。在長方形底座的中間偏向長方形一端的位置設置有圓形通孔，以便鑽杆及附件可以通過。根據材質的不同，所述井架可以通過粘接、焊接或螺釘等固定方式固定在底座上。優選地，所述底座可以包括支腳，支腳的數量可以為4至9個，優選的，所述支腳的數量為6個。所述支腳固定在沙箱蓋體上，支腳的固定方式同樣可以採用粘接、焊接或螺釘固定的方式固定在沙箱蓋體上。

鑽杆驅動裝置可以為驅動鑽杆轉動的電動驅動裝置或液壓驅動裝置。優選地，可以為電動機或液壓馬達驅動裝置。優選地，所述驅動裝置為電動機，所述電動機可以為電池驅動或者照明電源驅動。

所述鑽杆為金屬杆製成，特別是具有一定強度和柔韌性的金屬杆構成。優選地，所述鑽杆從上到下可包括可伸縮短節、鑽杆驅動短節和井下鑽具組合短節。所述可伸縮短節可以在鑽杆縱向上伸縮運動，從而可以為鑽頭的鑽進運動提供支撐。所述可伸縮短節與計算機控制裝置連接，從而可以由計算機控制裝置對液壓驅動裝置進行控制，從而控制可伸縮短節的伸縮運動。所述鑽杆驅動短節包括方鑽杆，所述鑽杆驅動裝置連接在井架上，並驅動轉盤轉動，電動機和轉盤之間的傳動，可以採用齒輪傳動的方式傳動。轉盤為中間開有方形通孔的轉盤，驅動短節的方鑽杆的尺寸與轉盤方形通孔的尺寸相適應，並穿過轉盤中間的方形通孔，從而驅動方鑽杆轉動，進一步地驅動整個鑽杆轉動。

井下鑽具組合短節位於鑽頭13後部，井下鑽具控制裝置位於井下鑽具組合短節內，用於精確控制鑽井的方向和方位等。井下鑽具控制裝置為定向鑽井的核心部件之一，能夠精確控制鑽頭方向和方位，從而控制鑽井軌跡的重要裝置。井下鑽具控制裝置包括井下鑽具組件、鑽具驅動裝置12、信號接收裝置15、傳感器裝置14和鑽具驅動控制裝置11。所述信號接收裝置位於短節內遠離鑽頭的一端，所述信號接收裝置用於接收地層參數模擬裝置中第一信號發射裝置和第二信號發射裝置發出的信號，並將接收到的信號傳輸給計算機控制裝置。所述第一信號發射裝置、第二信號發射裝置以及信號接收裝置為能夠在地下一定距離內發送和接收信號的裝置，優選地，所述第一信號發射裝置、第二信號發射裝置以及信號接收裝置為無線電信號發射和接收裝置。

所述傳感器裝置14緊鄰信號接收裝置並位於信號接收裝置15的前方。此處的前方是指鑽頭在地層中鑽進的方向。所述傳感器裝置中設置有用於測量鑽具鑽速和方位的傳感器裝置，優選地，所述傳感器包括三軸加速度計和三軸陀螺儀，所述傳感器採用x,y,z三軸正交安裝，在每個軸上，三軸加速度計和三軸陀螺儀的軸方向保持平行。三軸加速度計和三軸陀螺儀分別將測試得到的數據時刻傳送到計算機控制裝置，然後計算機控制裝置對測量得到的數據進行分析，若鑽頭偏離了預定的運動軌跡，則計算機控制裝置通過計算給出修正指令，然後將修正鑽頭運動的控制指令輸送給鑽具驅動控制裝置，對鑽頭的運動進行調整和矯正。

鑽具驅動控制裝置緊鄰傳感器裝置並位於傳感器裝置的前方，鑽具驅動控制裝置主要控制鑽頭運動以及鑽頭鑽進的方位。鑽具驅動控制裝置包括精確調節電機運動的鑽頭驅動控制裝置以及控制鑽頭運動方位的鑽頭方位控制裝置。所述鑽頭驅動控制裝置主要控制驅動鑽頭轉動的電機的運動速度和運動方向，鑽頭驅動控制裝置與計算機控制裝置連接並能夠根據計算機控制裝置的指令控制電機的運動。鑽頭方位控制裝置優選採用液壓控制裝置，優選地，鑽頭方位控制裝置主要包括設置在井下鑽具組合短節內的三個液壓支出機構，三個嵌在球座內的可自由滾動的鋼球。所述液壓支出機構與球座連接，其能夠根據計算機控制裝置的指令，在需要的情況下，推動球座沿井下鑽具組合短節徑向向外運動。計算機控制裝置能夠獨立地精確控制每個液壓支出機構的運動速度和運動距離，從而精確控制鑽具的運動方位。在收縮位置時，所述球座和鋼球位於均勻設置在井下鑽具組合短節上的三個圓柱形的孔洞中，三個鋼球的徑向最外側不高於井下鑽具組合短節的外徑表面，也就是說在收縮位置時，球座和鋼球隱藏在圓柱形孔洞中。當處於伸展位置時，位於球座底部的液壓支出機構推動球座沿井下鑽具組合短節的徑向向外運動，從而使鋼球的外側表面高於井下鑽具組合短節的徑向外表面，使鑽具產生偏心運動，從而修正鑽頭的運動方位。

鑽具驅動裝置優選採用電動機，其能夠驅動鑽頭相對於井下鑽具組合短節的旋轉運動，也就是說驅動鑽頭相對於整個鑽柱的旋轉運動。鑽具驅動裝置能夠接收來自鑽頭驅動控制裝置的指令，鑽頭驅動控制裝置能夠通過指令控制鑽具驅動裝置的運動速度和運動方向，進而控制鑽頭的轉動速度和轉動方向，從而控制鑽頭在沙箱中的鑽進運動。

所述地層參數模擬裝置包括與計算機控制裝置連接的第一信號發射裝置9和第二信號發射裝置10。第一信號裝置9和第二信號裝置10優選為無線電信號發射裝置，可以將上述信號發射裝置埋設在沙箱上部，位於不妨礙鑽具鑽進的位置即可。第一信號發射裝置和第二信號發射裝置可以通過有線方式或無線方式與計算機控制裝置進行通信。操作人員可以通過計算機控制裝置設定或者修改地層參數，並通過第一信號發射裝置和第二信號發射裝置將設定或修改的地層參數發射出去，以便位於井下鑽具組合短節內的信號接收裝置能夠接收上述信號，並將信號再傳遞給計算機控制裝置。

所述沙箱為透明沙箱，主要用於方便學員觀察鑽具在沙箱中的運動情況，從而對控制鑽具在沙箱中的運動有一個清晰的認識。優選地，沙箱的箱體可以採用四個側板均為透明的加厚玻璃或塑料製成，沙箱的底部和蓋體可以為不透明的材料製成。優選地，製作沙箱側板的玻璃可以採用5mm-10mm厚度的鋼化玻璃，所述底板可以採用帶有與玻璃厚度適合的凹槽的塑料板製成，所述玻璃可以插接在凹槽中，並通過粘結劑接合，構成透明沙箱的主體結構。沙箱的蓋體也可以採用透明的塑料板製成，在蓋體上還設置有用於固定井架底座支腳的孔，可以通過孔用螺釘將支腳固定在蓋體上。此外，蓋體上還開設有供鑽杆和數據線通過的通孔，以便輸送鑽杆和數據傳輸。優選地，所述通孔為兩個，一個供鑽杆通過，另一個供數據線穿過。為了方便學員觀察鑽具的運動情況，所述沙箱內放置可以模擬地層的透明物質，例如添加粘結劑的透明塑料粒，或者採用凝固後的透明的凝膠。優選地，所述透明物質為添加粘結劑的透明塑料粒，所述透明塑料粒優選pc透明塑料粒或pvc透明塑料粒，所述塑料粒的粒徑優選為0.3mm-2mm。為了更好地顯示鑽具的運動情況，可以設置背景燈或者在鑽頭的圓周面上設置三個以上的發光裝置，優選地，所述發光裝置為led燈。

所述演示裝置包括動力學計算模塊，所述動力學計算模塊根據底層參數設定裝置給出的參數，計算出鑽頭和鑽杆在該參數下的受力，並根據受力情況模擬鑽頭和鑽杆的實際狀態，當受力情況改變時，模擬出該受力情況下的阻力變化和進尺速度、進尺深度變化，相應的，鑽頭和鑽杆的進給速度和轉速同步變化。同時，提示操作人員根據巖層的變化調整鑽具驅動參數，使之適應當前由於巖層變化而引起受力狀態變化，設定正確參數後方可繼續進行鑽井演示。這一裝置的設置，使得演示參與者既能直觀感受到地下情況的多變，又能切身體會如何進行參數調整才能適應不同的環境。

述計算機控制裝置包括通信模塊、主動控制模塊、自動控制模塊和評價模塊。

所述通信模塊，用於接收包括傳感器裝置和信號接收裝置傳輸的信號。通信模塊包括信號發射模塊和信號接收模塊，其中信號發射模塊能夠控制信號的發射，優選地，信號控制模塊能夠將設定或修改的地層參數信號傳輸給第一信號發射裝置和第二信號發射裝置，並通過第一信號發射裝置和第二信號發射裝置將地層參數信號發射出去。

所述主動控制模塊，用於控制鑽井驅動裝置和鑽具驅動控制裝置的工作。優選地，所述主動控制模塊能夠根據預定的地層參數和地層靶向區域位置人工設定具體的控制參數，並將控制參數傳輸到鑽井驅動裝置和鑽具驅動控制裝置，並控制鑽杆轉動速度和鑽頭的轉動速度和方位。優選地，所述主動控制模塊能夠根據預定的地層參數和地層靶向區域位置利用計算機存儲的預定計算程序設定具體的控制參數，並將控制參數傳輸到鑽井驅動裝置和鑽具驅動控制裝置，並控制鑽杆轉動速度和鑽頭的轉動速度和方位。優選地，可以在鑽進過程中修改地層參數，然後通過通信模塊將修正的地層參數通過信號發射裝置發射出去，然後根據信號接收裝置接收到的信號，從新計算鑽進的速度等鑽井參數，並將控制指令發送給鑽井驅動裝置和鑽具驅動控制裝置，從而控制鑽杆和鑽頭的轉動速度，以及鑽頭鑽進的方向和方位。

所述自動控制模塊，用於調整和修正鑽杆和鑽頭的轉動速度以及鑽頭鑽進的方位。優選地，所述自動控制模塊能夠利用三軸加速度計和三軸陀螺儀實時測量鑽具的速度和鑽井軌跡，然後根據測量得到的數據計算鑽具的鑽進方向和方位，並與預先設定的鑽進方向和方位進行對比，並對軌跡進行修正，然後將修正的控制信號傳輸給鑽具驅動控制裝置，從而對鑽具的鑽進方向和方位進行調整。

所述評價模塊，用於評價學員的操作過程。優選地，所述評價模塊能夠將學員的具體操作與系統設定操作進行比對，並且給出評價結果。優選地，所述評價結果包括優秀、良好、合格、需要進一步學習等評價指標，和系統根據比對結果給出的進一步改進的建議，從而使學員既能直觀地了解定向井的鑽進情況，又能提高實際操作裝置和設備的能力。

以上介紹了本發明的較佳實施方式，旨在使得本發明的精神更加清楚和便於理解，並不是為了限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的修改、替換、改進，均應包含在本發明所附的權利要求概括的保護範圍之內。