钻井工程是利用机械设备将地层钻成具有一定深度的圆柱形孔眼的工程,是石油开采的前期必备条件。这一过程主要用到的设备有钻机、井控设备、固控设备、钻杆、钻铤和钻头等。由于钻井设备价格昂贵,且施工现场环境恶劣,并具有很大的危险性,因而,除了生产专业人员,其他人员禁止接近和进入石油钻井生产现场。
  为了真实地显现石油钻井生产现场,对学生进行相关知识与技能的训练,中心建立了钻井工程虚拟仿真实验实训教学模块。本模块硬件条件主要由计算机数据仿真控制系统、3D钻井作业场景动画系统、按一定比例缩放的系列仿真教学设备(钻机模型、井控设备模型、泥浆循环系统模型、钻井管柱模型等)、多媒体投影显示系统、现场作业模拟音效系统等五大系统组成,可以完整地再现石油钻井整个工艺操作流程,展现工作现场场景和工作气氛,提高学生对钻井作业现场的感性认识。
  本教学模块共开设9个实验实训教学项目,学生通过本模块的项目训练,既可以手动操作钻机、井控设备、固控设备等,也可以通过数据仿真控制系统在线虚拟操作这些设备,练习不同工况下钻机的操作方法和不同钻井工艺的施工方法,并在环形荧幕上显示井场、井底的操作虚拟结果,通过互动操作,提高了对钻井、井控等作业施工的动手能力和应对突发事故的心理承受能力;通过钻井管柱和钻头设计仿真实训可以让学生掌握钻井管柱和钻头的设计方法,完成钻井设备仿真实训、钻机常规及非常规虚拟仿真操作、压井工艺虚拟仿真、常规及非常规钻井工艺虚拟仿真等功能。

序号

实验实训
项  目

内容及功能

I-1

钻井设备仿真实训

本教学项目主要包括井场布局说明、钻井设备介绍和钻井设备仿真操作三部分。通过井场布局展示,让学生了解整个钻井井场各设备的布局方式以及各设备的功能;钻井设备介绍主要包括钻机八大系统功能、十大部件结构及功能、井控设备、辅助设备和仪器仪表等;钻井设备仿真操作部分可以让学生动手操作司钻台控制模型钻机的起升系统、泥浆循环系统和旋转系统等动作,模拟起下钻、接根和钻进等钻井作业。井控设备仿真操作可以让学生动手进行环形防喷器、闸板防喷器、套管头和封井器的拆装训练,井控工艺训练包括节流压井管汇倒阀训练、半封井口和全封井口训练等。

I-2

泥浆循环系统仿真实训

本教学项目主要包括钻井管柱介绍和钻井管柱设计两部分。钻井管柱主要包括方钻杆、钻杆、钻铤、岩心筒、稳定器、各种接头和钻头等。通过讲解让学生了解钻杆、钻铤等零部件的规格、力学性能和功能等,了解钻柱功能和受力状态,掌握钻柱强度设计方法。

I-3

钻井管柱仿真实训

本教学项目主要是让学生根据要检测的对象,选用合适的传感器、数据采集模块、数据传输方式和数据显示及存储单元,并完成数据检测、故障判断及处理等实训内容。常用录井传感器有绞车传感器、立管压力传感器、套管压力传感器、泵冲/转速传感器、转盘扭矩传感器、大钩悬重传感器、硫化氢传感器、泥浆检测系列传感器等;常用测井传感器有自然伽马能谱测井仪、双侧向测井仪、双感应八侧向测井仪、岩性密度传感器、电极系-井径-连斜-微电极组合测井仪和地层测试器等。

I-4

钻头设计虚拟仿真实训

本教学项目主要包括钻头介绍、设计依据和设计软件应用三部分。目前常用的钻头有牙轮钻头和PDC金刚石钻头两种。通过讲解,让学生了解常用钻头的种类、规格、工作原理和特性等,掌握钻头设计过程中的关键要领,能够应用钻头设计软件设计新型钻头。

I-5

钻机常规操作虚拟仿真实训

本教学项目主要让学生通过3D虚拟仿真系统学习钻机的常规操作,如起、下钻作业、配有转盘系统的钻机正常钻进及接单根训练、配有顶驱系统的钻机正常钻进及接立根训练以及井架起升、各单元拆卸及维修、保养等作业。通过本项目的训练,学生可以掌握钻机的常规操作方法。

I-6

钻机非常规操作虚拟仿真实训

本教学项目主要让学生通过3D虚拟仿真系统,学习钻机在遇到复杂情况时的操作方法,如钻进过程中发生溢流的关井操作、蹩跳下的钻进操作、不同地层下钻机的钻进及接根操作、起钻铤时发生溢流的关井操作和空井发生溢流的关井操作等。通过本项目的训练,学生可以掌握在遇到复杂情况时钻机的操作方法,并提高了学生遇到紧急情况时的心理承受能力和反应速度。

I-7

压井工艺虚拟仿真实训

本教学项目主要让学生通过3D虚拟仿真系统,学习在钻机过程中遇到泥浆溢流时,为防止井喷而采取的不同压井方法及操作步骤。常用的压井方法有司钻法压井、工程师法压井、超重司钻法压井、体积法压井、置换法压井和直推法压井等,体现压而不死,活而不喷,不喷不漏,保护油层的效果。

I-8

常规钻井工艺虚拟仿真实训

本教学项目借助于虚拟软件,以竖直井为例,将钻井所必须的钻前工程、钻进工程和完井作业三个阶段的工序依次展开:定井位、道路勘测、基础施工、安装井架、搬家、安装设备、一次开钻、二次开钻、钻进、起钻、换钻头、下钻、完井、电测、下套管、固井作业等。通过本项目的训练,学生可以掌握整口井的完整钻井工艺过程,并通过3D虚拟仿真系统进行模拟操作,提高了学生对整个钻井工艺的理解。

I-9

特殊钻井工艺虚拟仿真实训

特殊钻井工艺一般是指欠平衡钻井、水平井、大位移井、分支井、小井眼井、套管钻井、稠油钻井、深井钻井和超深井钻井等钻井工艺。通过本实训项目,学生可以了解欠平衡钻井工艺技术、井眼轨迹控制技术、连续管钻井技术、套管钻井技术、稠油钻井技术和深井钻井技术等最前沿的钻井技术,拓宽学生视野,激发学生学习前沿科学技术的兴趣。


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