虛擬仿真平臺在石油工程實(shí)習(xí)中的應(yīng)用探討*

由 慶，郭建平，許爭鳴，李治平

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083)

石油工程領(lǐng)域的鉆井、采油和壓裂作業(yè)分為地面流程和井下流程，地面流程具有高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，而井下工作流程具有不可視的特點(diǎn)。因此石油工程專業(yè)的同學(xué)在進(jìn)行石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)具有“安全性差”、“時(shí)空限制”和“難以實(shí)現(xiàn)”等特點(diǎn)[1-3]。

此外，石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)中涉及到許多大型貴重設(shè)備。以鉆井過程為例，在實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)，使用的金剛石鉆頭、鉆桿和鉆井液均為消耗品，如果操作不當(dāng)容易造成鉆頭和鉆井液等耗材的浪費(fèi)[4-6]。

最后，基于石油鉆采領(lǐng)域內(nèi)的溢流發(fā)生頻率較高，對于沒有井控培訓(xùn)證書或者安全生產(chǎn)相關(guān)培訓(xùn)相關(guān)知識的同學(xué)，接近這些實(shí)際生產(chǎn)過程存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于以上三個(gè)石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)工程中的特點(diǎn)，我們開發(fā)了虛擬仿真教學(xué)平臺，讓學(xué)生在虛擬鉆采環(huán)境中可以進(jìn)行自由漫游和探索，將地面流程和井下作業(yè)場景安全再現(xiàn)和可視化，提高學(xué)生對石油工程作業(yè)環(huán)境的認(rèn)知。在實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)前，學(xué)生在虛擬環(huán)境中熟悉鉆進(jìn)過程中鉆井液循環(huán)、接單根、油嘴大小調(diào)節(jié)等操作的基本方法，并反復(fù)演練，這樣才能保證在更復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中更加熟練地操作司鉆控制臺和生產(chǎn)平臺，更加從容地面對各種突發(fā)情況[7-11]。

本虛擬仿真教學(xué)平臺的具體目的可分為以下四點(diǎn)：

(1)了解石油鉆井、采油和壓裂增產(chǎn)過程中的設(shè)備、特征及功能；

(2)熟悉石油鉆井、采油和壓裂的工藝流程和原理；

(3)掌握石油鉆井、采油和壓裂的施工操作和注意事項(xiàng)；

(4)掌握石油鉆井、采油和壓裂過程中復(fù)雜情況的判斷及處理方法。

1 石油工程虛擬仿真教學(xué)平臺的模塊設(shè)計(jì)

為豐富學(xué)生學(xué)習(xí)資源和模式，拓展石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，依托國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，緊密結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，借助虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互技術(shù)，虛擬仿真教學(xué)平臺供設(shè)計(jì)有“鉆井過程認(rèn)知及模擬操作”和“采油過程認(rèn)知及原理模擬”兩大模塊(7個(gè)子模塊)，涉及鉆井及采油過程的設(shè)備認(rèn)知、原理學(xué)習(xí)、工藝流程設(shè)計(jì)和模擬操作，涵蓋10個(gè)知識點(diǎn)、85個(gè)人機(jī)交互點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對油氣鉆井、采油、壓裂全過程“原理認(rèn)知+工藝設(shè)計(jì)+模擬操作”的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1 石油工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K及內(nèi)容設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)覆蓋石油工程領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)備、施工方案、工藝流程、施工操作模擬等知識點(diǎn)。這些知識點(diǎn)彼此之間具有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，由一個(gè)工作流程進(jìn)行串聯(lián)。

2 虛擬仿真教學(xué)平臺的應(yīng)用過程

(1)教師以學(xué)生行政班為單位進(jìn)行授課。授課內(nèi)容主要包括鉆井、采油與壓裂理論、設(shè)備、工具、設(shè)計(jì)和工藝流程方面的基礎(chǔ)知識，一方面可以使學(xué)生對施工操作模擬的內(nèi)容有初步了解，另一方面也為下一步的虛擬仿真訓(xùn)練打下基礎(chǔ)。

(2)觀看石油工程作業(yè)方面標(biāo)準(zhǔn)化操作視頻，直觀了解鉆井、采油與壓裂所涉及的設(shè)備、工具、工藝流程和場景，為下一步操作模擬提供參考。

(3)模擬組建簡化版的“石油工程工藝作業(yè)團(tuán)隊(duì)”學(xué)習(xí)小組，一般5～6個(gè)學(xué)生形成一個(gè)小組，下面所有的訓(xùn)練都以小組為單位完成，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

(4)學(xué)生先從教師處獲取基本的工程數(shù)據(jù)及其合理設(shè)定范圍，然后按照所學(xué)專業(yè)知識進(jìn)行基本的鉆井和采油施工參數(shù)設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行鉆井和采油作業(yè)虛擬仿真訓(xùn)練，將“工程設(shè)計(jì)”融入課堂教學(xué)之中，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在全面掌握核心知識點(diǎn)的基礎(chǔ)上鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力和解決復(fù)雜石油工程的能力。

(5)教師在學(xué)生訓(xùn)練過程中會設(shè)置一些鉆井、采油和壓裂作業(yè)過程中可能發(fā)生的復(fù)雜情況，學(xué)生需要在訓(xùn)練的過程中實(shí)時(shí)關(guān)注作業(yè)參數(shù)的變化，根據(jù)參數(shù)的異常變化來發(fā)現(xiàn)復(fù)雜情況、判斷復(fù)雜情況、提出解決方案并實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

(6)將“創(chuàng)新思維”融入到鉆井與壓裂虛擬仿真訓(xùn)練中，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考，促進(jìn)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)、推進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)和個(gè)性發(fā)展。具體方式為：一方面教師引入鉆井與采油方面的最前沿技術(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生對技術(shù)原理進(jìn)行調(diào)研和展開討論，就技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)發(fā)表自己的見解；另一方面，從發(fā)散思維的角度，鼓勵(lì)學(xué)生對現(xiàn)有鉆井與采油裝備及工藝方案提出改進(jìn)思想和方案，開展討論。

(7)從學(xué)生個(gè)人和學(xué)習(xí)小組兩個(gè)角度，對學(xué)生的知識掌握程度、實(shí)訓(xùn)效果和參與度等方面進(jìn)行較為全面的評價(jià)，給出最終的成績。

(8)進(jìn)行反思性評價(jià)，即對學(xué)習(xí)的目標(biāo)、過程、結(jié)果、互動(dòng)與支持性情況等進(jìn)行反思與評價(jià)。

3 石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)虛擬仿真教學(xué)平臺功能介紹

3.1 鉆井工程設(shè)備認(rèn)知

通過鼠標(biāo)、鍵盤等計(jì)算杋外設(shè)進(jìn)行交互操作，了解鉆井地面流程，然后進(jìn)入仿真作業(yè)場景，觀察、分析學(xué)習(xí)地面設(shè)備名稱、結(jié)構(gòu)、功能與布局等基礎(chǔ)知識，如圖2所示。

圖2 石油工程鉆井設(shè)備認(rèn)知(真空除氣器3D場景)

通過點(diǎn)擊“跳轉(zhuǎn)到場景物體”，可以進(jìn)入到鉆井場地的該部件前面，對鉆井設(shè)備在井場的位置井型一個(gè)整體的認(rèn)知和學(xué)習(xí)，如圖3所示。并且該設(shè)備前可以高亮顯示，表示通過點(diǎn)擊該設(shè)備，可以對這個(gè)設(shè)備的功能進(jìn)行進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。

圖3 石油工程鉆井設(shè)備認(rèn)知(真空除氣器井場場景)

3.2 鉆進(jìn)過程學(xué)習(xí)

進(jìn)入鉆進(jìn)模塊，通過調(diào)節(jié)泵排量和鉆速，可以使得鉆柱及鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)起鉆和下鉆按鈕，可以進(jìn)行井眼的加深以及更換鉆頭，圖4展示的四個(gè)界面分別為井下情況的兩個(gè)視角和鉆井平臺上的兩個(gè)視角，圖5展示的是起鉆及更換鉆頭兩個(gè)操作過程，可以更換的鉆頭有PDC鉆頭及牙輪鉆頭。

圖4 鉆井過程學(xué)習(xí)及操作

圖5 起鉆更換鉆頭

3.3 固井過程學(xué)習(xí)

如圖6所示，進(jìn)入固井過程模塊，學(xué)生首先學(xué)習(xí)固井相關(guān)知識，然后開始固井操作的練習(xí)，學(xué)生需按照固井的標(biāo)準(zhǔn)操作流程先后點(diǎn)擊右邊的按鈕，如果步驟選擇錯(cuò)誤，會重新返回初始固井界面，并重新打亂右邊按鈕的順序，直至學(xué)生全部掌握整個(gè)固井操作。

圖6 固井操作練習(xí)

3.4 采油工程部件功能學(xué)習(xí)

點(diǎn)擊“部件學(xué)習(xí)”，學(xué)習(xí)各模塊對應(yīng)的設(shè)備知識，左側(cè)為設(shè)備介紹，右側(cè)為設(shè)備3D仿真，通過點(diǎn)擊設(shè)備部件，可進(jìn)行設(shè)備組成及部件認(rèn)知學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)完成”完成部件相關(guān)知識學(xué)習(xí)，如圖7所示。

圖7 采油工程部件學(xué)習(xí)界面

3.5 采油工程原理學(xué)習(xí)

點(diǎn)擊“原理學(xué)習(xí)”，進(jìn)行設(shè)備工作原理的3D學(xué)習(xí)，通過拖動(dòng)鼠標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備及部件的360度旋轉(zhuǎn)，通過設(shè)置切割剖面，可觀察設(shè)備內(nèi)部流動(dòng)及運(yùn)行情況，如圖8所示。

圖8 采油工程原理學(xué)習(xí)界面

3.6 采油工程在線測試

點(diǎn)擊“在線測試”下的立即進(jìn)入按鈕，進(jìn)入在線測試模塊，如圖9所示。查看測試說明，點(diǎn)擊開始測試進(jìn)行在線測試；頁面中部為試卷，右側(cè)為答題卡，頂部為實(shí)驗(yàn)時(shí)間；點(diǎn)擊“交卷”，可查看測試成績。

4 結(jié) 語

本虛擬仿真教學(xué)平臺綜合利用3D建模和多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石油工程領(lǐng)域的一個(gè)完整的虛擬流程。石油和天然氣開采時(shí)的大部分工作流程都是發(fā)生在地下的，在高溫高壓地層環(huán)境下發(fā)生的石油鉆采過程，具有不可視、不可逆、高風(fēng)險(xiǎn)和高成本等特點(diǎn)，需要進(jìn)行虛擬化模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)來讓更多人體驗(yàn)鉆井、采油和壓裂過程中地面和地下場景。為學(xué)生提供了一個(gè)無限次再現(xiàn)的虛擬資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓所有學(xué)生實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場感的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，開拓了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，構(gòu)架更完整的石油工程知識體系，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自主學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供了一流的資源和平臺。