井下作業模擬仿真實驗教學平臺的研發與應用

劉振東，馬建民，曲本全，陳 暉

（中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東 青島 266580）

井下作業模擬仿真實驗教學平臺的研發與應用

劉振東，馬建民，曲本全，陳 暉

（中國石油大學（華東）石油工業訓練中心，山東 青島 266580）

文章簡述了石油工業生產中井下作業技術的特點，介紹了井下作業模擬仿真實驗教學平臺的四個組成部分：知識講解、仿真操作、知識考核和互動交流，并通過實例進行了展示。在實驗教學過程中引入虛擬仿真技術，可以大大激發學生的學習興趣，提高學生的學習效率，提升實驗教學水平。

虛擬仿真；井下作業；油氣井維修；油層改造

虛擬仿真技術，是在多媒體技術、虛擬現實技術與網絡通信技術等信息科技迅猛發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物。目前已廣泛應用于場館仿真［1］、文物古跡［2］、工業仿真、道路橋梁［3］、地質災害［4］和網上銷售等領域。

一、平臺研發的必要性

井下作業是石油工程技術的重要組成部分。由于在作業過程中施工管柱需要下入到幾千米深的井筒內，具有不可視、不可及、高溫、高壓、危險性大等特點［5］，采用常規教學方法難以達到教學目的。專業實習又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協調困難、存在不安全因素等難題，實習效果較差［6］。

筆者結合中國石油大學（華東）石油工業訓練中心的井下作業實訓課程，采用多媒體虛擬現實技術和數值計算仿真技術［7］，研發了基于C/S（客戶機服務器模式）與B/S（瀏覽器服務器模式）的井下作業模擬仿真教學平臺，并進行了教學方法、實驗手段等方面的改革研究與實踐探索，取得了良好的效果。

二、平臺的組成及功能

井下作業主要包括油氣井維修和油層改造等作業施工，其中油氣井維修主要包括檢泵、試注、堵水、打撈、解卡、套管修復和側鉆等作業；油層改造主要包括酸化和壓裂作業［8］。為便于講解和學生學習，將教學平臺分為知識講解、仿真操作、知識考核和互動交流四部分。

1.知識講解

在“知識講解”教學環節，主要分為油氣井維修和油層改造兩部分，其中油氣井維修主要講解相關基礎知識、常用設備和工具、常用施工工藝等；油層改造主要講解酸化和壓裂施工的常用工具和常用施工工藝。本環節共研發了120種典型井下作業工具和34種典型井下作業工藝的仿真動畫，時長達32小時，所有仿真動畫均配有文字和同步語音解說。下面通過實例簡要說明一下井下作業工具和井下作業工藝的講解過程。

圖1 卡瓦打撈筒工作原理

井下作業工具以 “卡瓦打撈筒”為例，首先通過文字和圖片對卡瓦打撈筒進行簡要說明，讓學生有一個初步認識，然后通過三維動畫進行詳細講解，動畫內容包括該工具的用途、主要結構、操作方法和工作原理等。其中，講解工具結構時常采用透視圖或剖視圖等方式，并輔以虛擬裝配過程介紹；在講解工作原理時，將地層和工具都通過剖視圖的方式進行展示，工具內部各部件的動作過程、井內液體的流動形態以及對周圍油藏的影響等都能夠非常清晰地展現出來，如圖1所示。形象的動畫使學生理解起來非常容易，大大激發了學生的學習興趣，提高了學生的學習效率。

井下作業工藝以 “套管刮削”為例，同樣先通過文字和圖片對套管刮削進行簡要說明，然后通過三維動畫對施工工藝進行詳細講解，動畫內容主要包括該工藝的功能、施工準備、操作步驟和操作注意事項等，如圖2所示。其中，施工準備部分主要講解實施本工藝需要提前準備的設備、工具、量具和潤滑液等；操作過程部分將實施該工藝所需要做的工作一步步地配合動畫和語音進行講解，動畫內容逼真形象，既可以看到地面上的井場布局和局部細節，也可以看到地下的工作場景和工作過程。這些都是學生到現場實習時不可能達到的效果。

圖2 套管刮削作業功能介紹

2.仿真操作

在“仿真操作”教學環節，共研發了11種典型的油氣井維修作業仿真項目和6種典型的油層改造作業仿真項目。仿真操作的初始界面如圖3-a所示，中間主界面為虛擬數字樣機工況顯示區，右邊為主要設備儀表監視區，下方為控制臺。學生可以在教師的引導下自己動手操作控制臺按鈕和手柄，完成各種井下作業工藝的仿真訓練。下面以“凹面磨鞋作業”為例進行說明。

雙擊選擇“凹面磨鞋作業”項目后，仿真操作系統進入初始界面。點擊界面左下方的“啟動”按鈕，可以聽到發動機啟動的聲音，同時儀表盤指針指向相應位置，數字樣機視角發生變化。將“盤剎”手柄拖至“剎緊”位置，“液壓開關”拖至“剎車鉗”位置，再將“液壓絞車”開關撥至“下放”位置，小絞車吊鉤將下移并勾住一根鉆桿，如圖3-a所示。

將“液壓絞車”開關撥至“上提”位置，剛才小絞車吊鉤勾住的鉆桿被提起，然后將“液壓絞車”開關撥至“停止”位置。

將“盤剎”手柄拖至“釋放”位置，將“滾筒離合器”拖至中位，點擊“吊卡安裝”按鈕，小絞車吊鉤與鉆桿脫離，游車下行，吊卡卡住鉆桿接頭，如圖3-b所示。

圖3 凹面磨鞋作業過程

由于操作過程很長，不能一一展現，僅通過以上幾步展示一下本平臺實現互動仿真操作的具體形式。

本環節具有良好的人機交互功能，操作方便，運行可靠，容錯性好。通過本環節的培訓，學生的動手能力、工程實踐意識和對所學知識的綜合運用能力得到很大提高，能夠很好地與現場操作對接。

3.知識考核

在“知識考核”環節，不僅具有理論考核功能，還可以進行實操考核。

理論考核主要為選擇題和判斷對錯題。學生答題后提交，系統能夠自動評出成績［9］，并在答錯的題目處給出正確答案，便于學生檢查、改正。

實操考核時，學生須先登記姓名和學號，然后選擇實操項目，進入實操考核環境，系統能夠根據考生操作的正確程度和熟練程度進行評分。通過該環節，學生能夠對學習情況做出客觀評價，更好地規劃學習目標。

4.互動交流

在學習過程中，學生隨時可以進入互動交流平臺，實現在線答疑、討論等交互功能［10］。近期交流的問題會在右側窗口顯示，學生可以點擊查看。學生提問的問題，不僅教師能夠解答，同學之間也可以互相解答。

5.其它功能

除以上所說的四個教學環節以外，本平臺還具有用戶管理及跟蹤功能［11］，可以全面掌握學生的學習進度和教學資源的應用情況。目前，本教學平臺已對本校在校生全面開放，學生不僅能在網上學習本平臺的理論知識，還可以進行實操訓練和模擬考核。

另外，平臺還可以與硬件模擬器對接，如圖4所示，通過軟硬結合，學生如同身臨其境，可顯著提高學生的認知能力和操作技能。

圖4 學生通過模擬器進行實操練習

三、結束語

通過以上介紹可以看出，本平臺可以不受時空限制，實現了各種典型井下作業工藝的全方位模擬演示和仿真操作，涵蓋了井下作業技術實訓的全部內容，形成了一個由簡單到復雜、由理論到實踐的合理教學實訓體系，具有隱形部位可視化、理論講解形象化、操作訓練規范化安全化、知識考核全面化等特點，得到了廣大師生的一致好評。

［1］許永順，梁兆正.虛擬技術在科技博物館展示教育中的應用與實例［C］.全國首屆數字（虛擬）科技館技術與應用學術研討會論文集，2007：41-54.

［2］郄海風.基于計算機虛擬仿真技術下的文化遺產再現與復原［J］.電腦知識與技術，2010（2）：937-938.

［3］魏魯雙，姜華，彭運動.虛擬仿真技術在大型橋梁工程中的應用［J］.華北水利水電學院學報，2010（5）：16-20.

［4］劉軍旗，吳沖龍，毛小平等.地質勘察虛擬仿真的3C分析［J］.長江科學院院報，2009（4）：48-51.

［5］孫樹強.井下作業［M］.北京：石油工業出版社，2006.

［6］馮峰，孫聰，曲先強.船海虛擬仿真實驗教學中心的建設與發展［J］.實驗技術與管理，2014（1）：11-14.

［7］蔡衛國.虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2011（8）：76-78.

［8］馬繼振.修井作業［M］.北京：石油工業出版社，2012.

［9］夏一名.基于Web的在線考試系統設計與實現［D］.成都：電子科技大學，2012.

［10］馬敏飛.信息技術在遠程開放教育互動交流中的應用探討［J］.寧波廣播電視大學學報，2012（1）：111-113.

［11］王善民.電子商務網站用戶跟蹤與訪問數據分析研究［D］.長春：吉林大學，2009.

（編輯：魯利瑞）

表5 求助方式比例分析

四、結語

B-learning支持下的學習不再是新的學習理論，它已經成長為一種基于實踐的學習策略與教學模式，在實施過程中強調活動學習，因此，混合教學方案的設計是混合學習的核心。

通過以上研究發現，B-learning促進的大學 《政治經濟學》課程的教學取得了預期效果，混合學習能有效促進學生的學習。學生比較認可這種方式，他們的態度、學習行為、知識與能力、學習方式發生了很大的變化。

參考文獻：

［1］李克東，趙建華.混合學習的原理與應用模式［J］.電化教育研究，2004（7）.

［2］田世生，傅鋼善.BlendedLearning初步研究［J］.電化教育研究，2004（7）.

［3］黃榮懷，馬丁，鄭蘭琴等.基于混合式學習的課程設計理論［J］.電化教育研究，2009（1）.

［4］KINGOSOFT高校網絡教學平臺［EB/OL］.http：//www.kingosoft.com/produce/index.aspx.

（編輯：李曉萍）

G434

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1673-8454（2015）06-0085-03