一种连续管钻机模型的仿真操作系统 |
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| 申请号 | CN202311485255.7 | 申请日 | 2023-11-09 | 公开(公告)号 | CN118011853A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 北京国钻技术有限公司; | 发明人 | 徐子豪; 陈家琦; 石岩峰; 曹小明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 适用于钻探设备智能控制领域，提供了一种连续管钻机模型的仿真 操作系统 ，包括：注入头指向单元，用于获取指向参数和指向指令，钻机行驶单元，用于获取行驶参数和行驶指令，钻机钻进单元，由注入头链滚模 块 、钻孔轨迹模块以及钻进控 制模 块组成，注入头链滚模块用于 修改 注入头链滚模型参数，钻孔轨迹模块基于注入头链滚模型和钻孔轨迹参数，获得钻孔轨迹曲线，钻进 控制模块 用于获取钻进参数和钻进指令，根据钻进参数确定模拟钻进过程的钻压、钻速、连续管夹持 力 、连续管注入力，根据钻进指令控制模拟钻进过程的启停；连续管钻机模型，连续管钻机模型基于注入头指向单元、钻机行驶单元以及钻机钻进单元模拟连续管钻机工作过程。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种连续管钻机模型的仿真操作系统，其特征在于，所述系统包括： |
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| 说明书全文 | 一种连续管钻机模型的仿真操作系统技术领域[0001] 本发明属于钻探设备智能控制领域，尤其涉及一种连续管钻机模型的仿真操作系统。 背景技术[0002] 当前连续管钻机技术快速发展，同时各类设备的不断更新也使连续管钻机有了更广阔的应用场景，除了油气开发，还包括煤矿钻孔等。连续管钻机被誉为“万能作业机”，是石油钻井技术融合与集成的产物。它把多环节、多流程的传统作业通过新的装配工艺进行了整合，实现了钻井的一体化操作，并贯穿了整个油气开采过程。实时操作系统具有较高的可靠性、稳定性，同时也具有开放性和兼容性。实时操作系统可以很好地兼容硬件系统与软件系统，同时将二者的功能结合起来，在统一的操作平台下运行。实时性是实时操作系统领先于非实时操作系统最重要的特征。 [0003] 目前在美国某些地区已经有超过10％以上的油井开始使用连续管钻机钻井技术。90年代美国页岩油的快速开采也得益于连续管钻进技术的快速发展，同时页岩油的开发也使得连续管技术进入了快速发展的时期，从2008年之后十年之内，美国页岩油开采的效率提高了3‑4倍。Schlumberger公司曾于1993年建议在西委内瑞拉采用连续管钻机进行钻进，到目前为止已经钻进了300多口井，这也验证了连续管钻机在钻井方面的高效性。 [0004] 但是，连续管钻机所采用的主控设备依旧是较为传统的装置，同时连续管钻机的集成化程度低，现有的连续管钻机缺乏一种统一的操作系统概念，行业门槛较高，连续管钻机的操作系统复杂，非专业人士需要经过大量的培训才能进行操作。 发明内容[0006] 本申请实施例是这样实现的，一种连续管钻机模型的仿真操作系统，所述系统包括： [0007] 注入头指向单元，用于获取指向参数和指向指令，根据指向参数确定注入头指向模型的指向高度、指向角度以及作业时间，根据指向指令控制所述注入头指向模型的指向动作； [0008] 钻机行驶单元，用于获取行驶参数和行驶指令，根据行驶参数确定钻机底盘模型的行驶方向，根据行驶指令控制所述钻机底盘模型的行驶动作，所述行驶参数至少有目标点的横坐标、纵坐标、所述钻机底盘模型的转角和所述钻机底盘模型的行驶速度； [0009] 钻机钻进单元，由注入头链滚模块、钻孔轨迹模块以及钻进控制模块组成，所述注入头链滚模块用于修改注入头链滚模型参数，所述钻孔轨迹模块基于所述注入头链滚模型和钻孔轨迹参数，获得钻孔轨迹曲线，所述钻进控制模块用于获取钻进参数和钻进指令，根据钻进参数确定模拟钻进过程的钻压、钻速、连续管夹持力、连续管注入力，根据钻进指令控制模拟钻进过程的启停； [0010] 连续管钻机模型，所述连续管钻机模型基于所述注入头指向单元、所述钻机行驶单元以及所述钻机钻进单元模拟连续管钻机工作过程。 [0011] 本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统，通过注入头指向单元模拟控制注入头的方向，用户可以实时监测指向框高度值和角度值曲线的变化情况，通过钻机行驶单元模拟控制钻机行走的方式，用户可以通过钻机行驶的路径曲线即可判断钻机运行过程是否到达了目标点的位置，同时根据曲线在目标点处的斜率即可大致判断钻机转角是否正确，通过钻机钻进单元模拟控制钻进过程，用户可以对整个钻机钻进过程直观的感受。上述单元都可以通过实时操作系统进行控制，实时操作系统的加入使得连续管钻机具备了更高的智能性和可操作性，为钻机真正无人操作奠定了坚实的基础，对钻机钻进过程模拟中引入了多体动力学仿真，扩大了实时操作系统的应用范围，多体动力学求解器仿真给实时操作系统实现钻机功能提供了强大的支撑，同时也使实时操作系统有了更强的通用性。附图说明 [0013] 图2为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机模型图； [0014] 图3为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头指向模型图； [0015] 图4为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头指向模型结构简图； [0016] 图5为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头指向模型动力学模型图； [0017] 图6为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头指向操作模块； [0018] 图7为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头指向操作模块算例； [0019] 图8为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机底盘模型图； [0020] 图9为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机转弯运动学分析图； [0021] 图10为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机行驶操作模块； [0022] 图11为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机行驶操作模块的算例； [0023] 图12为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头链滚模型图； [0024] 图13为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的车架参参数图； [0025] 图14为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的夹具参数图； [0026] 图15为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的驱动轮参数图； [0027] 图16为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的从动轮参数图； [0028] 图17为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的挤压轮参数图； [0029] 图18为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的张紧轮参数图； [0030] 图19为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的链条参数图； [0031] 图20为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的注入头链滚模型的积分参数； [0032] 图21为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻机钻进单元的工作流程图； [0033] 图22为本申请实施例提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统的钻进控制模块； [0034] 图23为一个实施例中计算机设备的内部结构框图。 具体实施方式[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0036] 可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。 [0037] 如图1所示，在一个实施例中，提供了一种连续管钻机模型的仿真操作系统，该连续管钻机模型的仿真操作系统可以集成于的计算机设备中，具体可以包括注入头指向单元100、钻机行驶单元200、钻机钻进单元300。 [0038] 注入头指向单元100，用于获取指向参数和指向指令，根据指向参数确定注入头指向模型的指向高度、指向角度以及作业时间，根据指向指令控制所述注入头指向模型的指向动作； [0039] 钻机行驶单元200，用于获取行驶参数和行驶指令，根据行驶参数确定钻机底盘模型的行驶方向，根据行驶指令控制所述钻机底盘模型的行驶动作，所述行驶参数至少有目标点的横坐标、纵坐标、所述钻机底盘模型的转角和所述钻机底盘模型的行驶速度； [0040] 钻机钻进单元300，由注入头链滚模块、钻孔轨迹模块以及钻进控制模块组成，所述注入头链滚模块用于修改注入头链滚模型参数，所述钻孔轨迹模块基于所述注入头链滚模型和钻孔轨迹参数，获得钻孔轨迹曲线，所述钻进控制模块用于获取钻进参数和钻进指令，根据钻进参数确定模拟钻进过程的钻压、钻速、连续管夹持力、连续管注入力，根据钻进指令控制模拟钻进过程的启停； [0041] 连续管钻机模型，所述连续管钻机模型基于所述注入头指向单元、所述钻机行驶单元以及所述钻机钻进单元模拟连续管钻机工作过程。 [0042] 在一个实施例中，连续管钻机模型主要结构至少包含三个部分：注入头指向部分、钻机行驶部分以钻机钻进部分，还可以包括钻机支撑部分，本申请主要介绍前三个部分。连续管钻机模型是预先设计好的模型，其中的部分参数可以根据用户输入的参数进行变更，以适应不同的应用场景。整个连续管钻机模型可根据实时操作系统控制模拟钻机工作过程。 [0043] 在一个实施例中，如图3所示，注入头指向单元是整个实时操作系统的一部分，用于控制连续管钻机模型中注入头指向部分，包括注入头指向模型110，注入头指向模型由指向框111、两侧主臂112、同步杆113以及两侧的四根液压杆114组成，其中同步杆的作用是保证两侧运动的一致性，液压杆作为执行元件提供动力，来推动两侧主臂和指向框的运动，达到指向的目的。 [0044] 在一个实施例中，如图4所示，本申请主要采用的是对主臂与水平面的夹角α1和指向框与主臂的夹角α2对注入头指向模型进行控制，指向框中心的高度h和指向框与水平面的夹角α是更直观的参数，因此在用户操作界面中主要将后者作为输入目标值。这两组参数满足如下关系： [0045] α1+α2＝α [0046] sinα1＝(h‑l)/L [0047] 如图5所示，注入头指向模型的动力学模型中，主臂与同步杆之间的约束为固定副，液压杆外套筒与推杆之间的约束为滑移副，其余的连接部分如液压杆与主臂、液压杆与指向框以及主臂与指向框之间连接的约束都为旋转副。在动力学模型中，通过向液压杆的外套筒与推杆之间加力或者速度信号即可驱动整个指向框模型的运动。 [0048] 注入头指向模型在动作执行的过程中，如果获得的控制量是阶跃信号，注入头指向模型会进行动态响应，同时会有出现超调的概率。注入头指向框的主臂与水平面夹角从‑30°到‑50°，给定阶跃信号后角度曲线产生了超调，避免发生控制量的超调，同时稳定注入头指向框的运动过程，使用动作轨迹规划算法来实现注入头指向框的动作。 [0049] 注入头指向模型中主臂与水平面的夹角α1和指向框与主臂的夹角α2初始时刻的角度需要通过求解器读取，初始时刻两个角速度都为0，目标的角度为用户给定值，到达目标角度时刻的角速度也应该为0，根据这一条件，采用埃米尔特插值算法进行轨迹规划。埃米尔特插值算法中插值多项式的函数值与原函数相同，同时在节点处插值多项式的一阶至指定阶导数值也与被插值函数的相应阶导数相等，本文中动作轨迹规划需要一阶插值多项式和被插值函数一阶导数相等，因此可以设角度为θ，设动作轨迹曲线为： [0050] [0051] 将(t0,θ0)，(t1,θ1), 代入上式即可解出四个参数的值如下： [0052] c0＝θ0 [0053] c1＝0 [0054] [0055] [0056] 在一个实施例中，如图6所示，注入头指向单元还包括：注入头指向操作模块120，注入头指向操作模块的操作界面包含指向参数设定、指向模型操作、运行时间以及结果显示等几部分功能模块。指向参数设定模块是操作系统界面的输入部分，用户输入指向框目标高度、目标角度以及作业时间，点击设定之后目标参数即写入操作系统中，在运行的过程中控制系统会读取目标高度值和角度值并进行运行。 [0057] 指向模型操作模块作用是用户对模型仿真进行的操作，包括启动、暂停、恢复和结束，同时还可以管理后处理动画显示过程，包括动画载入、动画停止和动画重启三个功能。模型启动即开始仿真，用户可以在任意时刻暂停或仿真，当点击恢复按键时，仿真从断点处继续执行。模型在仿真过程采用的是多线程并行，即模型运行过程与操作界面的更新互不干扰，这就保证了用户操作的实时性。模型启动之后，运行时间模块的LCD数字显示器开始工作，实时显示当前运行时间，方便用户实时掌握运行的进程。 [0058] 在启动模型仿真之后即可进行动画载入操作，动画结果会显示在FreeCAD主界面上，并与模型运行过程同步进行，用户可以实时查看模型的动画效果，后处理动画中模型的各个视图同步运行，方便用户同时观测多个视角下模型的运行效果。动画重启按键即动画从初始时刻重新运行，这也是动画的回放过程，用户可以多次查看模型运算的结果。 [0059] 用户可以实时监测指向框高度值和角度值曲线的变化情况，同时可以查看误差曲线的变化情况。在注入头指向框实际运行中，其作业空间是有限的，指向框的高度值不会超过2.4m，指向框与水平面的夹角在‑20°到90°之间，所有的控制实验均在注入头指向框的作业空间内执行。在结果曲线显示的界面中，坐标轴是动态变化的，即在运行过程中，时间坐标轴的最大值会逐渐变大，时间刻度也会逐渐变小，这就保证了用户任意时刻都可以看到直观的动图而不需要手动调节曲线位置。 [0060] 注入头指向单元的数据传输采用的是文件传输的形式，用户输入控制参数之后点击设定按键，新的控制目标即写入模型入口文件中，模型在启动过后会读取入口文件以获得控制目标值，在之后的运行中控制器会实时读取模型入口文件中的数据来检测控制目标值是否发生改变。模型运行过程中的输出结果统一由控制器输出到结果文件中，操作系统主界面会采用定时器实时读取控制器输出的结果文件并进行主界面显示数据(包括运行时间显示和结果曲线)的更新，定时器的读取频率可以根据用户的需求进行调整，本文的注入头指向操作模块中操作主界面的定时器读取频率为100Hz。 [0061] 在一个实施例中，如图7所示，对注入头指向单元进行算例验证，示例性的，指向框高度1.6m，指向框与水平面夹角50°以及作业时间40s，图中黑实线代表当前注入头指向框的高度值，蓝实线代表本次实验中注入头指向框的目标高度值，红实线代表实测高度曲线与目标高度曲线之间的误差值曲线；同样，指向框角度曲线中，黑实线表示当前实测指向框与水平面夹角值，蓝实线代表本次实验目标角度值曲线，红实线表示实测角度值与目标角度值之间的误差值曲线。 [0062] 通过曲线可以看出时间坐标轴的最大刻度值即为模型作业时间，指向框的角度值和高度值都在作业时间内都会按照一定的动作轨迹进行运行，图中的曲线即为通过动作轨迹规划算法生成出的三次埃米尔特插值曲线。高度值和角度值曲线最终都与目标值吻合，并且在终点处的导数都为0，这就保障了注入头指向框在作业过程中的安全性，不会产生超调。同时误差曲线也最终降为0。 [0063] 同时通过实测的高度和角度曲线也可以看出初始时刻的指向框高度和角度值，这是在初始时刻控制系统从求解器中读出来的数据，这一数据参与了动作轨迹规划算法中的曲线拟合过程。 [0064] 在一个实施例中，如图8所示，钻机行驶单元200是整个实时操作系统的一部分，用于控制连续管钻机模型中钻机行驶部分，包括钻机底盘模型210，钻机底盘是一种履带车，通过控制两侧履带211的运动进行钻机直行或者转弯。履带采用的是链滚系统，包括履带211和滚轮212，其中滚轮又分为驱动轮和从动轮，前者提供驱动力带动整条履带运动。钻机底盘四个角上安装有支撑液压柱213，用于固定钻机在钻进过程中保持稳定状态。底盘上侧有指向框安装架214，用于安装注入头指向框。 [0065] 在一个实施例中，如图9所示，通过设定目标值来确保钻机按照正确的路线和正确的姿态行驶。履带车在行驶的过程中是通过控制两条履带的速度来实现直行和转弯，钻机直行过程中两条履带的速度大小一致，方向相同，没有转弯的角速度，当履带车转弯时，两条履带的速度有偏差，产生一个转弯的角速度实现转弯操作。 [0066] 钻机转弯过程运动学分析如图9所示。钻机行驶的过程共有三个自由度，有两组参数可以唯一确定钻机的运动状态，一组参数是两条履带的速度大小以及各自的方向，两个速度的方向满足一个约束条件即方向平行；另一组参数是钻机的中心速度和钻机的转弯角速度，而钻机中心速度和转弯角速度的方向也存在约束关系。因此通过上述两组参数即可确定钻机的运动状态。在工程应用中，履带车司机一般通过直接控制两条履带的速度来操作履带车行驶，而在实时操作系统中为了方便用户使用中有更直观的感受，采用的是钻机中心速度大小和转弯角速度两个参数来确定钻机的行驶状态。 [0067] 图中vc表示钻机中心速度大小，vl和vr表示钻机两侧履带速度大小，ω表示钻机的转弯角速度，l表示钻机宽度，R表示钻机内侧履带转弯半径钻机转弯过程速度满足以下关系： [0068] 当钻机直行时满足： [0069] [0070] 钻机转弯时，本文统一设定逆时针转弯为正，顺时针转弯为负。当钻机进行逆时针转弯时满足： [0071] [0072] 当钻机进行顺时针转弯时满足： [0073] [0074] 钻机在行驶过程中的起点和终点都有具体的坐标位置，同时钻机在起点和终点的姿态也是确定的。因此采用的目标路径规划算法可以定义为已知起点、终点的坐标位置和各自的姿态，求解整个过程的路径曲线这一问题。路径曲线可以采用贝塞尔曲线(Bezier Curve)进行规划，在目标路径规划算法中需要生成的曲线经过起始和终止两点，并在起点终点处满足给定的路径斜率(方向)，因此采用三阶贝塞尔曲线如下： [0075] B(t)＝P0(1‑t)3+3P1t(1‑t)2+3P2t2(1‑t)+P3t3 [0076] 式中包含四个点，分别为： [0077] P0＝(x0,y0) [0078] P1＝(x1,y1) [0079] P2＝(x2,y2) [0080] P3＝(x3,y3) [0081] 式中P0和P3分别为路径曲线的起始点和终止点，P1和P2分别为中间两个控制点，主要是用于控制路径曲线的形状。通过控制点位置的选取可以保证曲线在起点和终点处的方向斜率符合要求，贝塞尔曲线一般不会经过中间两个控制点。曲线的曲率公式为： [0082] [0083] 将三阶贝塞尔曲线公式代入曲线曲率公式可得： [0084] [0085] 确定三阶贝塞尔曲线参数的关键在于找到中间两个控制点，设定第一个控制点位于起始点方向延长线上，第二个控制点位于终止点方向的反向延长线上。起始点和终止点之间的直线距离可以表示为： [0086] [0087] 两个控制点的坐标可以设定为： [0088] x1＝x0‑α1Δssinθ1 [0089] y1＝y0+α1Δscosθ1 [0090] x2＝x3+α2Δssinθ2 [0091] y2＝y3‑α2Δscosθ2 [0092] 式中α1和α2是两个缩放因子，可以根据需求进行修改；θ1和θ2分别是固连在刚体上的坐标系在起始点和终止点处与全局坐标之间的夹角。通过将两个控制点进行参数设计可以不断修改参数来找到更优的路径曲线。 [0093] 在一个实施例中，如图10所示，钻机行驶单元还包括：钻机行驶操作模块220，钻机行驶操作模块的操作界面包含行驶参数设定、行驶模型操作以及路径曲线显示等几部分功能模块。用户在行驶参数设定部分输入的参数包括目标点的横坐标、纵坐标、钻机的转角以及钻机的行驶速度。在实验中为了更加快速检验操作效果，目标坐标点采用mm作为单位，钻机行驶速度采用mm/s作为单位。用户点击设定之后，目标的参数即写入操作系统中，操作系统在运行时即可读取目标值并进行仿真。 [0094] 钻机行驶操作模块操作界面的模型操作部分与注入头指向操作模块类似，都包括启动、暂停、恢复、结束以及动画载入、动画停止和动画重启几部分内容。控制系统的运行采用多线程并行的方式，与操作主界面的更新过程互不干扰。动画载入部分为钻机行驶的后处理动画模块，通过这一模块的动画显示，用户可以更加直观地看到钻机运行的过程，同时可以在后处理模块中将钻机的运行轨迹绘制出来，可以和行驶曲线进行对比。动画重启模块支持动画回放功能，每一次运行动画都可以从头开始演示。 [0095] 路径曲线显示模块包括运行时间和路径曲线显示两部分，运行时间是通过LCD显示器来显示当前的模型仿真时刻，这一时间与仿真过程的时间同步，方便用户实时掌握运行动向。路径曲线显示主要是显示钻机在行驶过程中的路径曲线以及目标点的位置，通过钻机行驶的路径曲线即可判断钻机运行过程是否到达了目标点的位置，同时根据曲线在目标点处的斜率即可大致判断钻机转角是否正确，而钻机转角值也可以通过操作系统的结果文件直接进行读取。由于在工程实际中对于目标点以及转角的要求精度并不是很高，因此本申请所搭建的操作系统仿真的结果只需要满足一定的结果范围即可，如钻机实际终点和目标终点的距离小于100mm即可认为钻机达到了目标点；钻机在终点处的转角误差在‑20°～20°之间即可认为转角基本正确。这一技术指标可以根据用户和工程应用的需求进行不断更新完善。 [0096] 在一个实施例中，如图11所示，对钻机行驶单元进行算例验证，示例性，设定目标点的位置为(2000,2000)，钻机转角设为‑80°，速度值设为80mm/s，根据行驶后处理动画图可以看出在后处理动画中，钻机的实际行驶轨迹曲线与操作系统界面的基本一致，通过读取结果文件可得钻机在终点处的固连坐标系转角为‑84.2°，与目标转角‑80°有不超过5°的偏差，属于在正常的工作范围内。 [0097] 在一个实施例中，钻机钻进单元300整体可以分为三个模块，即注入头链滚模块310、钻孔轨迹模块320以及钻进控制模块330，这三部分在操作过程中需要依次进行，首先进行注入头链滚模型的装配，其次生成钻孔轨迹曲线，最终沿着规划好的钻孔轨迹曲线进行钻进控制作业。 [0098] 在一个实施例中，如图12所示，注入头链滚模型包括车架311、夹具312、驱动轮313、从动轮314、挤压轮315、张紧轮316、链条317七个主要部分以及连续管。其中车架的主要作用是其他零件的安装基座，用于安装包括驱动313轮、从动轮314、夹具312和张紧轮316等，同时固定在钻机上。夹具安装在车架上，主要用于对连续管施加夹持力，夹具上安装有挤压轮315，同时夹具与车架之间可以产生相对滑动位移。链条317由链节构成，包括夹持链节和连接链节，其中夹持链节用于直接夹持连续管，连接链节用于将链条连成闭环，连续管用于钻进，由链滚系统提供注入力和夹持力。 [0099] 在一个实施例中，注入头链滚模型修改模块包括几何参数、积分参数、链条装配以及动画载入，几何参数和积分参数主要是对注入头链滚模型进行参数化建模，链条装配是一个动力学弛豫过程，在链条装配过程中可以通过下方进度条实时观测装配的进程，动画载入动能是将生成的注入头链滚系统模型显示在FreeCAD的动画界面上，方便用户快速检验链滚系统装配结果。 [0100] 注入头链滚模型几何参数的部件有车架311、夹具312、驱动轮313、从动轮314、挤压轮315、张紧轮316、链条317和连续管。每个功能按键都对应各自部件的几何参数设定界面，通过点击各个功能按键即可进入参数设定环节。界面中的确定按键功能是将此时注入头模型的几何参数写入模型设计类的xml文件中，xml文件即可被直接应用于注入头链滚模型的建模。 [0101] 如图13‑图20所示，车架参数包括：张紧轮孔位坐标、夹具安装坐标、夹具位置坐标、驱动轮孔位坐标、从动轮孔位坐标、夹具长度、夹具高度、夹具宽度；夹具参数包括：挤压轮孔位坐标、挤压轮长度、挤压轮宽度、挤压轮高度；驱动轮参数包括：驱动轮直径、高度、齿数、齿高、初始相位角；从动轮参数包括：从动轮直径以及高度；挤压轮参数包括：挤压轮直径、高度以及数量；张紧轮参数包括：张紧轮直径、高度以及数量；链条参数包括：链条长度、连接节宽度、链节组数、轴销半径、夹持节长度、轴销高度、夹持节宽度、夹持块长度、连接节长度、夹持块直径；连续管参数包括：连续管夹持部分长度、单元数、连续管外径、单元最大长度系数、连续管内径、单元最小长度系数；积分参数包括：最大积分阶数、积分误差、迭代误差等。 [0102] 当用户修改完参数之后，可以导出数据，写入模型参数设计类的xml文件中。这一步完成之后才可以进行链条装配过程。 [0103] 在一个实施例中，钻孔轨迹计算模型采用最小曲率法对钻孔轨迹进行计算，最小曲率法假设了两个测点M1和M2之间的轨迹为一段圆弧，因此问题转化为求一段求解空间圆弧曲线的问题。参数θ1和θ2分别表示的是前后测点的倾角，α1和α2分别表示前后测点的方位角，ΔL表示前后两测点的测深差值。设定前后两测点之间在三个坐标轴上的间距分别为ΔX，ΔY和ΔZ，ε表示该段圆弧的弧度值。根据几何关系可知满足式： [0104] ΔX＝λ[cos(α1)cos(θ1)+cos(α2)cos(θ2)] [0105] ΔY＝λ[sin(α1)cos(θ1)+sin(α2)cos(θ2)] [0106] ΔZ＝λ[sin(θ1)+sin(θ2)] [0107] 其中， cosε＝sinθ1sinθ2+cosθ1cosθ2cos(α2‑α1) [0108] 用户在实际操作的过程中只需要将最小二乘法中所需的参数数据输入即可获得整条钻孔轨迹曲线，钻孔轨迹的参数共有9个，分别是测深、倾角、方位角、测深间隔、天坐标、北坐标、东坐标、狗腿度和工具面角。在9个参数中，输入参数为测深、倾角和方位角三个，其余6个参数为输出参数。当用户输入参数之后，钻孔轨迹计算模块即可根据最小曲率法进行轨迹的计算，并将结果以数组的形式反馈。 [0109] 用户输入参数时一般输入多组，每一组即代表一个测点，通过多个测点来规划整条钻孔轨迹，而输出的参数即为分别对应每个测点。而要生成并绘制出一条光滑的钻孔轨迹曲线，用户输入的测点数是不够的，因此在钻孔轨迹计算模块中加入了插值算法，在测点之间进行插值得到更密集的钻孔轨迹点，并将插值出的曲线数据同样以数组的形式反馈给用户，并可以实时进行曲线的绘制。用户在进行钻孔轨迹规划时可以生成多条曲线并进行遍历，从中找出最优的钻孔轨迹曲线，这就需要用到钻孔轨迹曲线的参数遍历。参数遍历过程遍历的是输入的三个参数即测深、倾角和方位角，通过设定参数的上下界以及遍历步长即可实现对钻孔轨迹曲线的遍历。 [0110] 用户在进行钻孔轨迹规划时可以生成多条曲线并进行遍历，从中找出最优的钻孔轨迹曲线，这就需要用到钻孔轨迹曲线的参数遍历。参数遍历过程遍历的是输入的三个参数即测深、倾角和方位角，通过设定参数的上下界以及遍历步长即可实现对钻孔轨迹曲线的遍历。 [0111] 在一个实施例中，钻孔轨迹模型的操作界面包括注入头链滚模型输入界面以及钻孔轨迹数据输入界面，钻孔轨迹数据包含了九个钻孔轨迹参数，用户可自行添加或者删除钻孔轨迹测点的数量，钻孔轨迹数据中还包含其他四个参数：孔内直径、摩擦系数、连续管长度和孔口高度。这些参数初始时刻有默认值显示，用户有其他需求时直接修改数据即可。钻孔轨迹模型还包括参数遍历、轨迹生成、单例运行和多例运行。参数遍历按键主要是针对钻孔轨迹参数遍历设计的，轨迹生成是除了有直接模型导入之外，无论是否进行参数遍历，当用户数据输入完成之后即可生成轨迹。当只有一组参数时，操作界面会生成一条钻孔轨迹，而进行参数遍历时，操作界面会生成所有遍历曲线，并实时更新数据。单例运行是只有一条钻孔轨迹时运行钻进过程，单条钻孔轨迹可以是用户导入的现有钻孔轨迹模型，也可以是用户进行非参数遍历操作过程时生成的曲线，单例运行可以直接显示钻机控制界面。 多例运行是用户进行参数遍历时生成的多个算例逐次运行过程，这一过程启动后便不需要人为干预，直到运行完成，这一功能使得多算例的运行成为了自动化的过程，可以自动仿真成百或者上千条钻孔轨迹。 [0112] 绘制而成的钻孔轨迹可以通过实时更新的空间曲线图显示，可以是单条钻孔轨迹，也可以是通过钻孔轨迹遍历得到的多条钻孔轨迹，每当有新的钻孔轨迹生成时，钻孔轨迹数据和钻孔轨迹绘制曲线图会同步进行更新，钻孔轨迹数据会将每一次的钻孔轨迹数据进行存储，而钻孔轨迹绘制在参数遍历过程中可以保留每一条钻孔轨迹曲线，方便用户查看参数遍历的钻孔轨迹分布。 [0113] 在一个实施例中，示例性，在一次实验中，遍历的参数是第三个测点的倾角和方位角数据，被遍历参数在数据表格中填入0.0即可。因此实验输入的数据为(0.0,0.0,0.0)，(100.0,0.0,0.0)和(200.0,0.0,0.0)，钻孔轨迹参数遍历界面中是一个遍历参数的表格，表格的行数表示待遍历参数的个数，每一个待遍历参数包含六个值，即参数所在数据表格的位置(即行数和列数)，待遍历参数的最小值、最大值以及遍历步长，其中最大值和最小值之间是一个闭区间。可调整待遍历参数的个数，依次生成所有的钻孔轨迹曲线，并将钻孔轨迹数据和曲线图实时显示出来。 [0114] 在一个实施例中，钻进控制模块包括：钻进参数设定模块、钻进模型操作模块以及钻进数据显示模块，钻进参数设定模块，主要是输入钻机的钻进距离和钻进时间，通过这两个参数值控制系统可以计算出目标钻速，并进行钻速控制；钻进模型操作模块包括启动、暂停、恢复、结束、动画载入、动画停止和动画重启功能。其中启动按键是用户进行开启仿真时点击的，与其他功能系统相同，模型的仿真与系统界面的更新属于两个并行的线程，模型运行过程中不会影响系统界面的实时刷新。动画载入即在FreeCAD中显示动画后处理效果，这一功能需要在仿真启动之后执行。动画停止使用户可以更加方便地分析某一时刻的运动状态，动画重启功能是整个仿真过程的动画从头开始演示，方便用户从宏观上掌握整个过程中模型钻进的状态信息；钻进数据显示模块，通过LCD数据显示器和仪表盘显示钻进过程的钻压、钻速、连续管夹持力、连续管注入力，随着仿真过程的进行，表盘的指针会实时变化，指向实测值，用户可以从表盘上获得对参数直观的感受，而从LCD数据显示器上获得精确的数据值；还显示钻进深度曲线，用户可以实时观测当前钻进的深度信息，曲线的时间轴是动态变化的，随着仿真的运行，时间坐标轴的最大值会逐渐变大，而用户在任意时刻都可以查看整个条钻进曲线。 [0115] 在一个实施例中，本申请提供的一种连续管钻机模型的仿真操作系统可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图23所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该一种连续管钻机模型的仿真操作系统的各个程序模块，比如，图1所示的注入头指向单元、钻机行驶单元和钻机钻进单元。 [0116] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例模块中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各单元的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。 [0117] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。 [0118] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。 [0119] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 |
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