20世纪80年代研制成功的顶部驱动钻井系统(Top Drive Drilling System),目前已被广泛应用于海洋、陆地钻井作业。由于顶部驱动钻井系统的应用,极大提高了钻井作业速度和效率,并且能及时避免和控制事故的发生,保障操作人员的安全,大大减轻了工人的劳动强度,已被国内外石油界专家广泛认可和接受,成为石油钻井先进装备的代表。随着科学技术的发展与进步,顶驱结构变的越来越复杂,功能也越来越强大,培训人员需要花费大量的时间从教材和现场中熟悉其结构、工作原理及工艺流程。由于书面教材直观性差、无可操作性,实操培训环境复杂、危险性较高,不利于管理和操作人员培训。根据上述情况,有必要设计开发出一套在虚拟实验室环境下的顶驱虚拟交互操作系统,模拟顶驱操作、展示顶驱结构和操作工作流程。该虚拟系统不仅为培训人员提供了真实的学习环境,而且还降低了培训成本、保证学习人员的安全。对于正确使用石油装备,充分发挥装备的工作能力,提高工作效率和确保人身安全都有非常重要的意义。本文首先介绍了TDS-11SA顶驱及辅助设备的结构和工作原理。对顶驱管子处理器的结构进行几何学分析,推导出吊环和吊环倾斜装置液缸的几何运动学方程。借助3DS Max软件创建虚拟实验场景及各类设备。依据推导出的几何运动学方程及顶驱操作工艺过程,借助Virtools平台开发制作出顶驱虚拟交互操作系统。在虚拟系统中,培训人员可以通过操作键盘和鼠标来实现场景漫游、顶驱结构展示、顶驱基本操作和钻井作业操作,而且该系统具有友好的用户界面,便于学习和操作。