一种石油钻井用三维仿真方法及系统与流程

本发明涉及石油钻井仿真交互，尤其涉及一种石油钻井用三维仿真方法及系统。

背景技术：

1、在石油钻井行业的司钻实操培训领域，三维仿真系统已成为替代现场实训、降低培训成本与作业风险的核心技术手段。当前主流的钻井三维仿真方案主要围绕井下场景三维建模、钻井工况可视化渲染展开，通过构建井筒、钻柱、地层的三维模型，模拟不同钻进阶段的视觉场景，可完成基础操作流程、工序步骤的培训演练，能够在一定程度上帮助受训者熟悉钻井操作逻辑，减少现场实训的设备占用与安全隐患。

2、但在前述的现有技术中，钻井三维仿真技术普遍仅实现视觉层面的工况模拟，操作端未建立与真实钻井工况对应的力觉反馈机制，操作者无法通过操作手柄感知钻压反力、转盘扭矩、钻柱振动等真实作业反馈，操作体感与现场司钻实际操作差异显著，培训过程形成的操作感知与肌肉记忆和现场工况匹配度低，操作技能的现场迁移效果不佳，难以满足高精度实操培训的应用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种石油钻井用三维仿真方法及系统，旨在解决现有技术中的钻井三维仿真技术普遍仅实现视觉层面的工况模拟，操作端未建立与真实钻井工况对应的力觉反馈机制，操作者无法通过操作手柄感知钻压反力、转盘扭矩、钻柱振动等真实作业反馈的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用的一种石油钻井用三维仿真方法，包括如下步骤：

3、采集司钻操作端的手柄操作参数与实时位姿数据，经死区剔除、滤波与归一化预处理后，输出标准化操作指令数据集；

4、接收操作指令数据集，识别当前仿真工况类型并匹配对应降阶动力学模型，进行钻柱柔性动力学与岩石破碎力学耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集；

5、接收钻井工况状态数据集，匹配当前工况对应的分段力觉映射模型，解算得到多自由度反馈力参数与手柄阻尼调节参数，输出力觉控制信号集；

6、接收钻井工况状态数据集驱动井下三维场景实时渲染，同步将力觉控制信号集下发至操作端的力反馈执行机构与阻尼调节机构。

7、其中，在采集司钻操作端的手柄操作参数与实时位姿数据，经死区剔除、滤波与归一化预处理后，输出标准化操作指令数据集的步骤中：

8、采集司钻操作手柄的轴向位移参数、旋转角度参数、操作速度参数与实时位姿数据，生成原始操作数据集；

9、对原始操作数据集进行死区剔除与滑动窗口均值滤波处理，消除操作空行程与抖动干扰数据；

10、按照手柄额定量程将处理后的数据归一化映射至标准数值区间，封装生成标准化操作指令数据集并输出。

11、其中，在对原始操作数据集进行死区剔除与滑动窗口均值滤波处理，消除操作空行程与抖动干扰数据的步骤中：

12、采用预设手柄死区阈值，剔除空行程区间内的无效操作数据；

13、通过设定窗口长度的滑动窗口均值滤波算法，对有效操作数据进行平滑处理，滤除操作抖动产生的瞬时跳变数据；

14、输出平滑后的有效操作参数数据。

15、其中，在接收操作指令数据集，识别当前仿真工况类型并匹配对应降阶动力学模型，进行钻柱柔性动力学与岩石破碎力学耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集的步骤中：

16、调取预构建的井下三维地质模型、钻柱参数模型与地层力学参数库，确定仿真边界条件；

17、根据操作指令数据集识别当前仿真工况类型，匹配对应降阶动力学求解模型；

18、以操作指令为输入条件，开展钻柱变形与破岩反力的双向耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集。

19、其中，在以操作指令为输入条件，开展钻柱变形与破岩反力的双向耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集的步骤中：

20、将钻柱离散为多段欧拉梁单元，通过降阶模型解算操作载荷下的钻柱轴向变形量、周向扭矩值与纵向振动幅值；

21、结合当前地层岩石力学参数，解算钻头与地层作用产生的破岩反力、扭矩波动与冲击载荷；

22、将钻柱动力学解算结果与破岩力学解算结果进行双向耦合迭代，输出包含多维度受力参数的钻井工况状态数据。

23、其中，在接收钻井工况状态数据集，匹配当前工况对应的分段力觉映射模型，解算得到多自由度反馈力参数与手柄阻尼调节参数，输出力觉控制信号集的步骤中：

24、从钻井工况状态数据集中提取钻柱悬重、转盘扭矩、钻柱振动幅值与破岩冲击载荷特征参数；

25、匹配当前工况类型对应的分段力觉映射模型，分别解算操作端轴向与周向自由度的反馈力幅值；

26、结合工况参数解算手柄阻尼调节系数，将反馈力参数与阻尼参数封装为力觉控制信号集并输出。

27、其中，在匹配当前工况类型对应的分段力觉映射模型，分别解算操作端轴向与周向自由度的反馈力幅值的步骤中：

28、通过工况标定得到的线性映射系数，计算基础反馈力数值；

29、叠加钻柱振动与破岩冲击对应的高频分量，修正反馈力的动态波动特性；

30、根据仿真解算时延值进行前馈补偿，提前输出力觉控制信号，抵消传输与解算延迟。

31、其中，在接收钻井工况状态数据集驱动井下三维场景实时渲染，同步将力觉控制信号集下发至操作端的力反馈执行机构与阻尼调节机构的步骤中：

32、接收钻井工况状态数据集，驱动井下三维场景模型完成钻井状态的实时画面渲染；

33、将力觉控制信号集中的反馈力指令下发至力反馈执行机构，驱动机构输出对应幅值的反馈力；

34、将阻尼调节指令同步下发至阻尼调节机构，动态调整手柄操作阻尼大小。

35、其中，在接收钻井工况状态数据集，驱动井下三维场景模型完成钻井状态的实时画面渲染的步骤中：

36、根据钻头位姿数据与钻柱变形量，实时更新井眼延伸轨迹与钻柱空间形态；

37、根据工况参数动态调整钻井液流动、岩屑运移的粒子特效状态；

38、同步叠加钻井参数数值显示层，按设定帧率输出完整三维仿真画面至显示终端。

39、本发明还提供一种石油钻井用三维仿真系统，采用上述所述的石油钻井用三维仿真方法，包括操作输入采集模块、钻井工况仿真解算模块、力觉映射解算模块和反馈渲染输出模块；其中：

40、所述操作输入采集模块，用于采集司钻操作端的手柄操作参数与实时位姿数据，经死区剔除、滤波与归一化预处理后，输出标准化操作指令数据集；

41、所述钻井工况仿真解算模块，用于接收操作指令数据集，识别当前仿真工况类型并匹配对应降阶动力学模型，进行钻柱柔性动力学与岩石破碎力学耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集；

42、所述力觉映射解算模块，用于接收钻井工况状态数据集，匹配当前工况对应的分段力觉映射模型，解算得到多自由度反馈力参数与手柄阻尼调节参数，输出力觉控制信号集；

43、所述反馈渲染输出模块，用于接收钻井工况状态数据集驱动井下三维场景实时渲染，同步将力觉控制信号集下发至操作端的力反馈执行机构与阻尼调节机构。

44、本发明的一种石油钻井用三维仿真方法及系统，采集司钻操作端的手柄操作参数与实时位姿数据，经死区剔除、滤波与归一化预处理后，输出标准化操作指令数据集；接收操作指令数据集，识别当前仿真工况类型并匹配对应降阶动力学模型，进行钻柱柔性动力学与岩石破碎力学耦合迭代解算，输出钻井工况状态数据集；接收钻井工况状态数据集，匹配当前工况对应的分段力觉映射模型，解算得到多自由度反馈力参数与手柄阻尼调节参数，输出力觉控制信号集；接收钻井工况状态数据集驱动井下三维场景实时渲染，同步将力觉控制信号集下发至操作端的力反馈执行机构与阻尼调节机构；通过降阶动力学耦合解算与分段力觉映射，实现带真实力觉反馈的钻井三维仿真，提升实操技能迁移效果；

45、通过构建操作采集、工况解算、力觉映射、视、力同步输出的完整闭环体系，突破了传统钻井仿真仅依赖视觉呈现的技术局限，可有效解决现有方案操作体感与现场工况差异大、技能迁移效果不佳的核心问题。一方面，针对操作输入采用死区剔除、滤波与归一化的组合预处理机制，可有效消除手柄空行程、操作抖动带来的无效干扰数据，保障操作指令的精准性与平滑度，为后续力觉映射提供可靠的输入基础，避免因输入失真导致的力觉反馈偏差；另一方面，采用降阶动力学模型实现钻柱柔性动力学与岩石破碎力学的耦合迭代解算，既突破了全阶动力学模型计算量大、无法满足实时仿真需求的行业瓶颈，又保留了真实钻井工况下的钻柱变形、破岩反力、扭矩波动等物理特性，为力觉反馈提供贴合实钻规律的数据源，避免了固定参数力模拟的失真问题。同时，通过分段力觉映射模型同步解算多自由度反馈力与手柄阻尼调节参数，可匹配不同钻井工况的力感特性，还原真实司钻操作的阻尼手感与受力反馈，配合三维场景渲染与力觉信号的同步下发机制，实现视觉呈现与体感反馈的高度协同，使受训者在仿真操作中形成与现场工况高度匹配的操作感知与肌肉记忆，显著提升实操技能的现场迁移效果，可有效降低现场实训的设备成本与安全风险，满足高精度司钻实操培训的应用需求。