虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)及意義

羅超　尹楠鑫　林魂　陳岑　羅逸凡

摘 要 針對巖心獲取成本高、保存難度大以及可能存在一定危險性等問題，基于Unity 3D平臺構(gòu)建了沉浸感強(qiáng)、實(shí)時交互性好的虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引導(dǎo)學(xué)員回顧地質(zhì)綜合三大巖類（沉積巖、火成巖及變質(zhì)巖）基礎(chǔ)地質(zhì)知識，基于地質(zhì)3D模擬動畫（地層構(gòu)造、油氣藏和油氣運(yùn)移），使學(xué)員了解鉆井取心過程、掌握巖心觀察描述等相關(guān)的知識體系。整個實(shí)驗(yàn)分析過程中需要充分調(diào)用鉆井地質(zhì)、虛擬巖心等資料，吸收整理地質(zhì)背景資料、分析化驗(yàn)資料及測錄井資料，以沉積巖石學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)等理論為指導(dǎo)，開展巖心綜合描述分析研究，掌握油氣儲層綜合描述分析的一般流程和技術(shù)方法。

關(guān)鍵詞 虛擬巖心;網(wǎng)絡(luò)教學(xué);油氣儲層綜合分析

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.31.016

Construction and Significance of Virtual Core Network Teaching Platform

LUO Chao， YIN Nanxin， LIN Hun， CHEN Cen， LUO Yifan

（Chongqing University of Science & Technology， Chongqing 401331）

Abstract Aiming at the problems of high cost of core acquisition， difficulty of preservation and possible risk， a virtual core network teaching system with strong immersion and good real-time interaction was constructed based on Unity 3D platform. This system guides students to review the basic geological knowledge of three rock types （sedimentary rock， igneous rock and metamorphic rock）， and enables students to understand the process of drilling coring and master the knowledge system of core observation and description based on 3D geological simulation animation （formation structure， oil and gas reservoir and oil and gas migration）. Drilling geology， virtual core and other data need to be fully used in the whole experimental analysis process. Students could absorb and sort out geological background data， analyze laboratory data and log data. Guided by the theories of sedimentary petrology， petroleum geology and reservoir geology， comprehensive core description analysis is carried out to master the general process and technical method of comprehensive description and analysis of oil and gas reservoir.

Keywords virtual core; network teaching; comprehensive analysis of oil and gas reservoirs

前言

巖心是地質(zhì)專業(yè)人員認(rèn)識地下沉積、成巖、構(gòu)造等復(fù)雜地質(zhì)作用的重要資料，能為地質(zhì)找礦、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害提供重要參考。[1-2]對于地質(zhì)類相關(guān)專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)會觀察巖心，認(rèn)識沉積、成巖及構(gòu)造等地質(zhì)作用，是開展地質(zhì)調(diào)查、從事地質(zhì)研究的必備基本技能。[3-4]

巖心資料具有如下特征：（1）巖心一般埋藏于地下數(shù)千米的深處，獲取技術(shù)門檻較高，耗費(fèi)成本高昂，一般只存放在油田、地質(zhì)調(diào)查部門等生產(chǎn)單位;（2）巖心自然風(fēng)化過程迅速，在常規(guī)管理中因頻繁搬運(yùn)、鉆孔、采樣、觀察等原因易發(fā)生損壞，保存難度大;（3）部分細(xì)粒沉積巖易富集放射性元素，可能具有微弱放射性，在無防護(hù)作用下直接接觸、觀察可能存在一定危險。

在實(shí)體教學(xué)場所內(nèi)開展巖心觀察描述的教學(xué)實(shí)習(xí)活動，因巖心標(biāo)本數(shù)量少、上課學(xué)生數(shù)量多，[5-6]使得巖心樣本資料面臨“供需”不匹配的困境。同一授課時間內(nèi)，巖心標(biāo)本數(shù)量的限制，使得無法滿足多個班級、多個小組同時觀察的需求。近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)有力地促進(jìn)了教學(xué)方式方法的變革，[7-9]同時受新冠疫情的影響，線上教學(xué)的大趨勢對國內(nèi)外地質(zhì)類專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的要求，使得在目前的教學(xué)過程中，建設(shè)能供地質(zhì)類專業(yè)學(xué)生學(xué)會觀察巖心的虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，顯得意義重大。

1 虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺簡介

該平臺是一套用戶界面友好的開放式學(xué)習(xí)平臺，基于Unity 3D平臺運(yùn)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具，以滿足學(xué)習(xí)人員了解鉆井取心過程、系統(tǒng)的觀察和描述巖心的需求。開發(fā)的虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，共分為巖石礦物標(biāo)本、地質(zhì)綜合教學(xué)系統(tǒng)、地質(zhì)3D模擬動畫以及虛擬巖心庫4個模塊。其中巖石礦物標(biāo)本模塊，主要介紹地質(zhì)綜合三大類巖石（火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖）的基本概念;地質(zhì)綜合教學(xué)系統(tǒng)涵蓋了原油及烴源巖、儲集巖觀察描述的內(nèi)容和方法、鉆井井場虛擬漫游實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（圖1）和綜合地質(zhì)專業(yè)知識課件4部分內(nèi)容;地質(zhì)3D模擬動畫主要包括了地層構(gòu)造、油氣藏以及油氣運(yùn)移相關(guān)的石油地質(zhì)知識;虛擬巖心庫包含了塔里木盆地海相地層、渤海灣盆地、四川盆地以及準(zhǔn)噶爾盆地的相關(guān)基礎(chǔ)地質(zhì)資料，該部分是學(xué)生實(shí)際動手操作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

該平臺設(shè)置有考核模塊，通過上機(jī)操作、實(shí)驗(yàn)報告等方式考核學(xué)員對知識點(diǎn)的掌握情況，所有環(huán)節(jié)考核成績均會被記錄，以此來最終評價學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

2 虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺應(yīng)用

該平臺可以系統(tǒng)觀察陸源碎屑巖的結(jié)構(gòu)類型（粒度、形狀、膠結(jié)物及膠結(jié)類型），火成巖、變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)特征;初步掌握肉眼觀察和描述常見陸源碎屑巖、火成巖、變質(zhì)巖的方法，掌握各巖類的分類和命名原則（圖2）。同時，通過該虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺可以接觸如下知識點(diǎn)：巖礦顏色注意區(qū)分自生色、繼承色;碎屑成分中石英顆粒、長石顆粒、巖屑、云母等礦物的識別及含量估計;雜基、膠結(jié)物（硅質(zhì)膠結(jié)物、鈣質(zhì)膠結(jié)物、鐵質(zhì)膠結(jié)物以及泥質(zhì)膠結(jié)物）的成分識別及百分含量確定;顆粒大小、分選、圓度、球度等結(jié)構(gòu)特征的確定;膠結(jié)類型（基底式、孔隙式、接觸式或雜亂式）;其他特征（礫石有無定向排列，有無次生脈穿插，縫洞發(fā)及含有情況，含化石的種屬和數(shù)量）。

觀察顏色：采用“美國地質(zhì)學(xué)會巖石顏色標(biāo)準(zhǔn)（The Geological Society of America：Rock-Color Chart）”（簡稱GSA色標(biāo)），對巖心顏色進(jìn)行判斷。

成分觀察：碎屑成分主要為石英、長石和巖屑。

估算礦物含量：碎屑成分含量的百分含量估計，首先要指出碎屑占巖石的百分含量，再分別指出不同的碎屑成分（如石英、長石、巖屑）占全部碎屑的百分含量。

觀察碎屑顆粒分選：碎屑顆粒分選程度的目估等級分為：極好、好、中等、差、級差。

觀察巖心磨圓度：圓度是碎屑顆粒磨圓的程度，一般經(jīng)歷搬運(yùn)的距離越長，水流等地質(zhì)作用改造的作用越強(qiáng)，則碎屑顆粒的圓度越好。

觀察顆粒接觸關(guān)系：接觸關(guān)系是指碎屑顆粒之間相互接觸的樣式，是評價碎屑顆粒經(jīng)歷成巖作用強(qiáng)弱的重要指示性參數(shù)，包含點(diǎn)接觸、線接觸、凹凸接觸和縫合接觸。

巖石結(jié)構(gòu)成熟度分析：分結(jié)構(gòu)成熟度高、結(jié)構(gòu)成熟度中等、結(jié)構(gòu)成熟度低3個級別。

沉積構(gòu)造觀察：沉積構(gòu)造指由于沉積物成分、結(jié)構(gòu)、顏色的不均一性而引起的巖石宏觀特征。按成因分為3種類型：機(jī)械成因的構(gòu)造（原生）;化學(xué)成因的構(gòu)造（次生）;生物成因的構(gòu)造。

觀察顆粒粒徑：碎屑顆粒的大小，可以反映源巖距離沉積區(qū)距離的遠(yuǎn)近，也可以指示源巖抗物理改造作用能力的強(qiáng)弱。常用單位是毫米和值。

特殊礦物與生物遺跡化石：特殊礦物指示了不同的沉積、成巖及構(gòu)造條件，是研究油氣儲層重要的指示依據(jù)。生物遺跡化石的類型、數(shù)量、特征以及保存狀況的差異，可以指示不同的沉積、成巖和構(gòu)造演化的過程。

含油性描述：是指儲層被油氣充滿的程度，一般儲層物性條件越好，油氣源越豐富，被油氣充滿的程度也越高。

鉆井巖心定名：采用三級命名法對巖性進(jìn)行定名，一般先確定基本名，粒級超過50%的粒級作為巖性定名的主要度量，基本名前以“**質(zhì)”標(biāo)度含量在25-50%之間的粒級，放在最前的“含**”標(biāo)度含量在10-25%的粒級。

巖石沉積相分析：基于沉積巖體巖石學(xué)特征、古生物特征、沉積物構(gòu)造特征來概括鉆井巖心所處的沉積相環(huán)境。沉積相分為陸相組、海相組和海陸過渡相組。

3 虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的重要意義

學(xué)員進(jìn)入虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺后，從塔里木盆地、渤海灣盆地、四川盆地以及準(zhǔn)噶爾盆地4個典型實(shí)例中，自主選擇不同的實(shí)際案例數(shù)據(jù)庫，視頻中教師通過講解原理和步驟、然后進(jìn)行示范性操作，學(xué)生跟著教師的步驟進(jìn)行練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生完成一整套流程，掌握油氣儲層綜合評價的方法原理以及實(shí)踐環(huán)節(jié)。

本實(shí)驗(yàn)特色在于為學(xué)員提供了一系列油田現(xiàn)場實(shí)際的數(shù)據(jù)資料，針對自己的需求有多重選擇，在數(shù)據(jù)庫下面進(jìn)行仿真練習(xí)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的的分析和處理，加強(qiáng)了自主分析能力和實(shí)際動手能力，同時可視化的環(huán)境也讓可以讓學(xué)員更直觀的感受地下油氣儲層特征，從而更加吸引學(xué)生注意力，保持興趣。學(xué)員在操作的過程中，需要綜合運(yùn)用巖石礦物標(biāo)本觀察與描述技術(shù)、沉積微相劃分技術(shù)、儲層成巖作用分析技術(shù)等，通過虛擬巖心等資料，研究地下油氣儲層沉積、構(gòu)造、成巖特征，讓學(xué)生通過實(shí)際數(shù)據(jù)的整理分析等操作，可獲得地下地層的構(gòu)造特征或者儲層特征等相關(guān)結(jié)論，獲得地下油氣地層特征的直觀體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

巖心資料獲取難度大、保存條件嚴(yán)格以及可能具有的危害性，使得構(gòu)建虛擬巖心網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺對地質(zhì)類專業(yè)技能的培養(yǎng)意義重大。該平臺系統(tǒng)通過引導(dǎo)學(xué)員回顧地質(zhì)綜合三大巖類基礎(chǔ)地質(zhì)知識，基于地質(zhì)3D模擬動畫，使學(xué)員了解鉆井取心過程、掌握巖心觀察描述等相關(guān)的知識體系，可以為開展巖心綜合描述分析研究、掌握油氣儲層綜合描述分析的一般流程和技術(shù)方法，提供有力支撐。

基金資助：重慶科技學(xué)院校級虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目“井場漫游與鉆井巖心分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”研究成果;重慶市自然科學(xué)基金，cstc2019jcyj-msxmX0725，頁巖儲層壓裂液滲吸滯留及解除水鎖微觀作用機(jī)制研究

參考文獻(xiàn)

[1] 彭瀾，馬玉忠.巖心數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)發(fā)布系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].錄井工程，2013，24（2）：62-66.

[2] 程艷敏，侯金山.華北油田巖心數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)及意義[J].中國石油勘探，2009，2：76-79.

[3] 曾健友，楊素怡，徐慶杰.多模態(tài)交互在虛擬巖心庫設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2020，17（1）：119-126.

[4] 陳志軍，張婭，呂新彪.巖礦石標(biāo)本三維建模技術(shù)及其教學(xué)資源庫建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（11）：140-145.

[5] 鄭愛玲.石油工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（35）：134-135.

[6] 由慶，郭建平，許爭鳴.虛擬仿真平臺在石油工程實(shí)習(xí)中的應(yīng)用探討[J].廣州化工，2020，48（23）：150-152.

[7] 盧聰.水力壓裂實(shí)施虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)與研究[J].教育教學(xué)論壇，2019，47：273-274.

[8] 呂建軍，徐仁桐，鄭菊艷.基于Unity WebGL的海洋平臺建設(shè)虛擬仿真系統(tǒng)[J].中國海洋平臺，2021，36（3）：72-77.

[9] 羅超，尹楠鑫，李志軍.提升資源勘查工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)質(zhì)量的措施研究[J].科教導(dǎo)刊，2021，（24）：39-40+78.