石油鉆采與儲運(yùn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)探索

何巖峰, 竇祥驥

(常州大學(xué) 石油工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

石油鉆采和儲運(yùn)是密切聯(lián)系的兩個石油生產(chǎn)環(huán)節(jié)，彼此之間相互影響，如果任何一個環(huán)節(jié)的潛力沒有得到充分發(fā)揮，則整個石油生產(chǎn)鏈的產(chǎn)量都會下降，對我國的能源安全造成不利影響[1-2]。因此，通過實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生了解石油鉆采和儲運(yùn)之間的關(guān)聯(lián)性，培養(yǎng)具有跨領(lǐng)域創(chuàng)新意識和工程實(shí)踐能力的石油鉆采與儲運(yùn)技術(shù)人才，對于保障我國國民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的意義[3]。

然而，目前國內(nèi)的鉆采與儲運(yùn)實(shí)踐教學(xué)仍存在一定的問題，主要表現(xiàn)在兩個方面：①各高校相關(guān)實(shí)踐教學(xué)中心的鉆采與儲運(yùn)教學(xué)往往相互割裂，專業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在著“孤島”現(xiàn)象，培養(yǎng)的人才知識結(jié)構(gòu)較為單一。②石油與天然氣工程所涉及的生產(chǎn)及運(yùn)輸環(huán)節(jié)，通常發(fā)生在數(shù)千米的地下或密閉的管道中，且具有高溫、高壓、高腐蝕等復(fù)雜環(huán)境，從而導(dǎo)致石油與天然氣工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)面臨著傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)“不可視、不可達(dá)、不可及、不可逆、高危險和高成本”等困難，對高層次工程應(yīng)用人才的培養(yǎng)造成了較大的挑戰(zhàn)。

針對以上問題，學(xué)校開展了一系列的教學(xué)研究工作[4-6]，建立了國家級石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡稱仿真中心)，以培養(yǎng)兼通雙專業(yè)知識石油人才的實(shí)踐教學(xué)體系為依托，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方法[7-9]，解決了石油鉆采及儲運(yùn)領(lǐng)域傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)“不可視、不可達(dá)、不可及、不可逆、高危險和高成本”的難題，并實(shí)現(xiàn)了油氣鉆采與儲運(yùn)等上下游完整產(chǎn)業(yè)鏈一體化教學(xué)，為石油鉆采與儲運(yùn)高層次應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了平臺基礎(chǔ)。

1 仿真中心建設(shè)內(nèi)容

仿真中心與中國石化、新奧燃?xì)?、港華燃?xì)獾扔萌似髽I(yè)進(jìn)行了多次深入交流，針對我校石油工程專業(yè)與油氣儲運(yùn)工程專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)去向存在交叉的現(xiàn)象，校企共同制定了人才的培養(yǎng)方案，設(shè)置并持續(xù)改進(jìn)實(shí)踐課程體系和教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)增加了部分兼顧石油與油氣儲運(yùn)工程知識點(diǎn)和操作規(guī)范的實(shí)踐項(xiàng)目。

改革教學(xué)手段，仿真中心綜合使用實(shí)體裝備及虛擬仿真軟件，進(jìn)行“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)[10-12]。其中，為解決傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)手段“不可視、不可達(dá)、不可及、不可逆、高危險和高成本”的難題，仿真中心開發(fā)了一系列沉浸式、桌面式及親歷式虛擬仿真軟件，可實(shí)現(xiàn)全井場覆蓋，能夠安全地模擬地層和密閉管道中復(fù)雜環(huán)境下的油氣流動與設(shè)備工況，并通過人機(jī)交互將操作結(jié)果及時反饋給操作者。截至目前，仿真中心共計開發(fā)了122套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件，并按照油氣鉆采儲運(yùn)行業(yè)的生產(chǎn)崗位，歸類為6個主要的模塊，分別進(jìn)行油氣井工程、油氣田開發(fā)工程、油氣集輸、原油處理與管道輸送、天然氣處理與管道輸送和油氣安全與應(yīng)急處理等方面的實(shí)踐教學(xué)(見圖1)。

在實(shí)際教學(xué)過程中，以上6個模塊并非是割裂，而是相互聯(lián)系的，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的集中管理與信息共享，有效打破了傳統(tǒng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的教學(xué)“孤島”。例如，在實(shí)踐教學(xué)時，學(xué)生在油氣田開發(fā)工程模塊所選擇的設(shè)備或所執(zhí)行的操作，會進(jìn)一步對油氣集輸模塊的結(jié)果產(chǎn)生影響，從而幫助學(xué)生理解鉆采、儲運(yùn)之間的相互聯(lián)系；同時，各軟件的評分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，在考核過程中要求學(xué)生能夠綜合考慮鉆采及儲運(yùn)相關(guān)設(shè)計要求，并根據(jù)其在所有模塊中的綜合表現(xiàn)評定總成績，從而有助于培養(yǎng)兼通雙專業(yè)知識和跨領(lǐng)域?qū)嵺`能力的油氣生產(chǎn)人才。

(a) 油氣井工程模塊

(b) 油氣田開發(fā)工程模塊

(c) 油氣集輸模塊

(e) 天然氣處理與管道輸送

仿真中心通過在實(shí)體設(shè)備的基礎(chǔ)上聯(lián)合開發(fā)石油鉆采與儲運(yùn)一體化虛擬環(huán)境仿真軟件，可在兼顧石油工程與油氣儲運(yùn)工程知識點(diǎn)和操作規(guī)范的基礎(chǔ)上，安全地模擬地層和密閉管道中“不可視”環(huán)境下的油氣流動與設(shè)備工況，并通過人機(jī)交互將操作結(jié)果及時反饋給操作者，從而讓操作者得以“視微”而了解地下油層內(nèi)的微觀油氣滲流規(guī)律；得以“知著”而了解到生產(chǎn)工藝流程的各環(huán)節(jié)之間的相互影響和協(xié)調(diào)性；得以“習(xí)邇”而能夠根據(jù)計算機(jī)的模擬仿真結(jié)果，學(xué)習(xí)診斷和解決復(fù)雜故障的方法；得以“及遠(yuǎn)”而掌握使用自動化裝置遠(yuǎn)程操作的能力。同時，相對于大型實(shí)體實(shí)驗(yàn)設(shè)備，虛擬仿真設(shè)備的建設(shè)難度、運(yùn)行成本均較低，升級改造也更加方便[13-16]。

2 仿真中心的主要特色

與國內(nèi)同類虛擬仿真中心相比，我校石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的特色主要體現(xiàn)在：

(1) 構(gòu)建培養(yǎng)兼通雙專業(yè)知識的實(shí)踐教學(xué)體系。油氣的生產(chǎn)鏈上，油氣鉆采的上游環(huán)節(jié)到油氣儲運(yùn)的中下游環(huán)節(jié)是密切聯(lián)系的整體，這兩個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)參數(shù)相互影響，因此必須從完整的石油與天然氣生產(chǎn)鏈的宏觀視野出發(fā)進(jìn)行思考，使兩個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)生產(chǎn)，以便提高油氣生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，石油工程與油氣儲運(yùn)工程專業(yè)的畢業(yè)生必須了解彼此專業(yè)的知識，才能更為協(xié)調(diào)地設(shè)計與管理。針對這一問題，我校成功申報了江蘇省重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)，將石油工程專業(yè)和油氣儲運(yùn)工程組建成專業(yè)類統(tǒng)籌建設(shè)，結(jié)合與企業(yè)交流的結(jié)果，打破兩個專業(yè)之間的知識壁壘。仿真中心近年加強(qiáng)了涉及兩專業(yè)交叉知識的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，開設(shè)了油氣集輸、注水站管理、污水處理、三相分離器操作、注水泵操作、聯(lián)合站操作等實(shí)踐項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生從石油與天然氣開采巨系統(tǒng)的角度進(jìn)行油氣生產(chǎn)鏈的管理與設(shè)計，培養(yǎng)更符合新時代油田公司需要的高層次工程應(yīng)用人才。改革后的教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)方案、課程設(shè)置、實(shí)踐教學(xué)手段和實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，創(chuàng)新地形成了培養(yǎng)兼通石油工程與油氣儲運(yùn)工程專業(yè)知識的高層次工程應(yīng)用人才的實(shí)踐教學(xué)體系。

(2) 油氣工程安全環(huán)保教育貫穿實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。油氣鉆采儲運(yùn)行業(yè)作為高溫高壓環(huán)境下生產(chǎn)易燃易爆油氣的高危行業(yè)，有必要著力培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的安全環(huán)保意識。因此，中心在進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和虛擬仿真軟件設(shè)計時，始終將安全環(huán)保的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和事故應(yīng)急處理方法作為重點(diǎn)開發(fā)的軟件和重點(diǎn)考核的內(nèi)容。例如，仿真中心在所有虛擬仿真模塊中設(shè)置了可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，要求學(xué)生從環(huán)保及安全的角度做出及時處理，并根據(jù)學(xué)生的處理情況實(shí)時反饋事故進(jìn)展，同時對學(xué)生的選擇和操作進(jìn)行成績評定，從而實(shí)現(xiàn)將油氣工程安全環(huán)保教育貫穿實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

(3) 強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。為培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行自主探索及創(chuàng)新的能力，仿真中心充分強(qiáng)調(diào)學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)過程中的自主性。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，自主選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備/軟件及實(shí)驗(yàn)方法，自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟、制定實(shí)驗(yàn)方案。例如，在有桿抽油泵泵效分析實(shí)驗(yàn)中，為確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃蟮谋眯В瑢W(xué)生既可以利用實(shí)體設(shè)備進(jìn)行測定，也可以利用虛擬仿真軟件獲得相應(yīng)結(jié)果，具體的實(shí)驗(yàn)方案均由學(xué)生自行進(jìn)行編制。在此基礎(chǔ)上，仿真中心進(jìn)一步鼓勵學(xué)生利用多種方法完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并對比各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，加深對于實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的理解，并提升自身的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3 仿真中心的建設(shè)成效

學(xué)校充分利用油氣鉆采及儲運(yùn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開展實(shí)踐教學(xué)。通過不斷豐富仿真中心的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)環(huán)境立體化、直觀化、形象化的顯著提高，可滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作及復(fù)習(xí)的全方位需求，鞏固了學(xué)生所學(xué)理論知識，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動手能力，從而大幅度提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，仿真中心的軟硬件設(shè)備等教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)了對外開放，多次服務(wù)于國內(nèi)其它高校及企事業(yè)單位的實(shí)踐教學(xué)，已成為油氣鉆采及儲運(yùn)領(lǐng)域高層次工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要平臺。

近年來，依托于仿真中心，石油工程及油氣儲運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生共計發(fā)表論文60余篇，申報專利26項(xiàng)，在中國石油工程設(shè)計大賽等全國性比賽中獲獎102人次，對鉆井、采油、油氣集輸、油氣安全與應(yīng)急處理等專業(yè)領(lǐng)域的理解與認(rèn)識得到了顯著提升，初步具備了兼顧石油鉆采及儲運(yùn)的創(chuàng)新實(shí)踐能力。2016年，我?！笆豌@采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”獲批為國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。

4 仿真中心的建設(shè)方向

仿真中心將借助實(shí)踐教學(xué)及虛擬仿真領(lǐng)域的新理念、新技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)方法、革新教學(xué)手段、豐富教學(xué)資源，加強(qiáng)仿真中心建設(shè)。①進(jìn)一步加強(qiáng)鉆采與儲運(yùn)環(huán)節(jié)的深度融合，增加交叉領(lǐng)域?qū)嵺`項(xiàng)目的數(shù)量，完善雙專業(yè)知識及跨領(lǐng)域?qū)嵺`能力考核體系。②進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的操作步驟，使其更加接近于現(xiàn)場實(shí)際操作流程，并符合相應(yīng)行業(yè)規(guī)范。③通過引入虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)，開發(fā)石油鉆采及儲運(yùn)領(lǐng)域的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)軟件，增強(qiáng)教學(xué)過程中的立體性、交互性及多感知性，進(jìn)一步提升實(shí)踐教學(xué)的效果。目前，仿真中心已經(jīng)完成了虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的研發(fā)，并在實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行了初步應(yīng)用。

5 結(jié) 語

石油鉆采與儲運(yùn)工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在兼顧石油工程與油氣儲運(yùn)工程知識點(diǎn)和操作規(guī)范的基礎(chǔ)上，完成傳統(tǒng)教學(xué)方法所不具備或難以完成的教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)了較高質(zhì)量的鉆采、儲運(yùn)一體化實(shí)踐教學(xué)。其中，在涉及“不可視、不可達(dá)、不可及、不可逆、高危險和高成本”的情況下，仿真中心所開發(fā)的虛擬仿真軟件可安全地模擬地層和密閉管道中復(fù)雜環(huán)境下的油氣流動與設(shè)備工況，并通過人機(jī)交互將操作結(jié)果及時反饋給操作者，從而讓操作者在實(shí)踐學(xué)習(xí)過程中得以實(shí)現(xiàn)“視微”“知著”“習(xí)邇”“及遠(yuǎn)”的目標(biāo)。仿真中心以培養(yǎng)兼通雙專業(yè)知識油氣生產(chǎn)人才的實(shí)踐教學(xué)體系為特色，始終堅持將油氣工程安全環(huán)保教育貫穿實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，充分強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，從而取得了較為豐碩的階段性成果，為石油與天然氣工程及相關(guān)學(xué)科的虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐提供一定的參考。