油氣田開發仿真教學系統研究與應用

李杰

摘要：針對石油工程專業復合型人才培養的需要，以加強學生的實踐能力為目標，與油田生產實習相結合，研制以生產安全培訓演示軟件和開發動態綜合仿真模型為核心的油氣田開發仿真教學系統，包括井仿真模型、開采仿真模型和注采系統仿真模型。該系統具有顯示直觀、綜合性強以及理論與實踐緊密結合等特點，既可使學生快速高效地回顧所學專業知識，也開拓了學生的視野，了解了石油工程崗位的任務和特點，為學生從事石油工程工作打下實踐基礎，促進提升專業人才培養的質量。油氣田開發仿真教學系統對于拓寬專業實驗教學思路、完善專業實驗室教學模式有一定的示范作用。

關鍵詞：油氣田開發；仿真教學；仿真系統

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0145-02

石油工程專業的目標是培養復合型人才，要求培養的學生具有工程性和實踐性，這就需要建立相關的課程和教學體系，即提高實踐環節比例，完善實踐教學體系，鼓勵實驗單獨設課，增加綜合性、設計性等創新性實驗比例，加強學生實踐創新能力培養。在實踐教學方面，中國石油大學（北京）安排去生產單位進行生產實習教學環節，但由于學生數量較多，實習單位生產任務重，導致實際效果變差[1]。為了提高實踐教學質量，中國石油大學（北京）開展研究，設立了石油工程開發仿真教學實驗課程。該課程主要針對大學三年級的學生，對石油專業知識有一定理論認識，但對油田實際了解較少，有針對性的仿真實驗教學，可高效地培養學生動手能力，增強學生對專業的感性認識，并充分了解石油工程的崗位特點。

一、油氣田開發仿真教學目標

油氣田開發仿真實驗室每年面對石油工程的所有學生，肩負著石油工程專業學生專業培養和實踐能力的培養的使命，通過油氣田開發仿真實習，可以不斷地強化學生的實驗能力、動手能力、觀察能力、分析和解決問題能力，使石油工程的學生能夠更好地和系統地理解和掌握油氣田開發方面的知識，為畢業后做一個合格的石油工程師打下堅實的基礎。

二、油氣田開發仿真教學系統的組成

針對石油工程油氣田開發專業，仿真教學系統由兩大部分組成：第一部分是生產安全培訓系統，主要內容是在生產實習過程中可能存在的各類安全問題；第二部分是動態仿真模型系統，包括鉆井工程仿真模型、開采仿真模型和注采系統仿真模型。

1.生產安全培訓系統。生產安全培訓包括勞保安全和現場安全兩部分。勞保安全培訓是安全防護用品的穿戴實踐，目的是培育學生自我保護的基本防護知識。現場安全培訓是通過軟件或視頻動畫展示事故案例。

2.動態仿真模型系統。（1）井仿真模型。井仿真教學模型是由地層模型、井身結構模型和燈光顯示系統組成。其中井身結構模型有三種，分別是目前三種常見井型（水平井、直井和斜井），同時每種井型配有燈光照明顯示系統，可應用于模擬油氣水在地層內的滲流方式和鉆井過程中鉆井液的流動方式。（2）開采仿真模型。開采仿真模型包括了自噴井模型、有桿泵模型及潛油電泵模型。自噴井模型模擬了油藏地層能量充足時，井筒內流體流動過程中氣、液兩相流的各種流態。有桿泵模型包括抽油機模型和螺桿泵模型兩種。抽油機模型由抽油機地面和井下部分組成[2]，可直觀展示地面上抽油機的部件組成及工作原理以及井下抽油泵的組成和工作原理。螺桿泵模型也由地面和地下兩個部分組成，可以展示螺桿泵的原理和泵體的工作過程。這兩個模型都能實現人工控制，通過改變相應參數，模擬實際抽油機和螺桿泵工作制度改變帶來的影響，使學生直觀了解沖程和沖次等概念及影響、了解泵效的影響因素以及提高泵效的措施。潛油電泵是一種典型的無桿泵[3]，是油田開發后期強注強采最常用的采油機械，潛油電泵模型可直觀地演示潛油電泵采油工作原理、潛油電泵內部結構，通過調節出液壓力來觀察泵的流量變化。（3）注采系統仿真模型。注采系統仿真模型是對油田開發進行模擬的宏觀模型。如果說前面的仿真實習是微觀的，那么注采系統動態仿真實習則是宏觀的，該模型包括地面與地下兩個部分。模型的主要功能由三個部分組成，其一是模擬整個油田的注水流程及原油從地面采出后的流向；其二是全面系統地模擬了一個完整油藏開發過程中需要的地面設備，包括注水管網等注水站地面設備、采油管網及油氣地面處理設備，如儲水罐、工作泵組、配水間、水井井口裝置和油井井口裝置等；其三是地下油水運動顯示系統，包括油水井連通剖面圖和地層燈光模型，前者能夠直觀顯示采油泵的位置及其對泵效的影響，后者能夠直觀顯示油層非均質性的影響以及分層注水、籠統注水工藝。

三、仿真教學系統的應用與教學效果分析

1.仿真教學系統的應用。（1）教學的目標。在進行仿真實習教學時，采取知識點以點帶面的方法進行，首先從某個知識點切入，先介紹理論知識，在學生明白理論知識的基礎上，結合仿真教具進行這一知識點的深入學習，使理論和實際相結合，真正掌握這一部分知識；其次，進行知識點相串聯，把單個知識點進行整合，在整合的過程中讓學生了解整個油田的運行過程，同時對自己以后在油田所從事的工作崗位有一定的了解。（2）教學過程的管理。油氣田開發仿真實習教學是由三個方面組成的，其一是教師就生產實踐過程及安全注意事項的講解；其二是學生對油氣田開發過程的仿真模擬的觀摩和實際操作；其三是學生對油氣開采過程中理論知識的全面回顧和總結。

2.教學過程中仿真系統的特點。通過近幾年的教學實踐，油氣田開發仿真系統不斷得以完善，總體來看，該系統具有如下幾個特點，能大大提高教學效果：（1）對油氣田開發知識的直觀顯示。在進行油田生產安全培訓時，主要通過結合油田近年來在現場所發生過的事故，運用動畫展示來進行教學。在看得到動畫展示危險事故時，同學們都會發出驚嘆，通過事故原因分析，學生們真正了解了實際生產作業時可能存在的危險以及應對危機的方法，為學生今后走上工作崗位打下安全基礎。（2）油氣田開發知識的綜合理解。油氣田開發仿真教學系統中的幾個主要模型，模擬的是鉆井、地層流體滲流和采油工程三個領域的主要過程，因此能夠使學生建立起綜合的油藏開發的概念。鉆井工程仿真模型是鉆井知識和滲流知識的綜合，除了可以使學生直接觀察油井的井身結構，了解井管柱的組成、結構及管柱在井內的作用之外，還能令學生了解井眼和地層連通的完井方法以及不同完井方法的適用條件和局限性；更重要的是，該模型通過燈光顯示系統巖石油氣水在地層中的滲流方式，令學生直觀地了解水平井、直井和斜井滲流的差異，從而全面掌握了流體滲流的相關知識。開采仿真模型是采油工藝知識的綜合，通過自己動手實驗，模擬完井后在不同開采方式下地下流體從地層中開采并在井筒中流動的過程，可以更深入地掌握油井自噴的條件及自噴時井筒內流動形態的變化；另外還能掌握有桿泵的工作原理如沖程、沖次的概念以及氣體對泵效的影響，同時通過自己觀察，找出泵效低的原因，加深對抽油泵的工作原理的理解；還能掌握有桿泵和無桿泵不同的內部構造和工作原理，綜合了解如何優選采油工藝的基本原理和方法。注采系統仿真模型是油田生產系統的綜合，包括流體在注采管網和地層中綜合流動、注采裝備及技術與生產單位管理系統的綜合以及注采綜合調整技術。例如，系統可以選擇不同的注水增壓泵，直觀感受其對注水量的影響，還可以直觀了解注水的地層中的滲流過程，了解油層非均質性所產生的問題及分層注水與籠統注水的區別、分層注水的工藝和優點。通過學生動手模擬和教師的講解，學生可以明確整個油田的運行方式、采油廠各單位的工作職能和需要掌握的重點知識。（3）理論知識和實踐能力的有機結合。仿真教學系統能夠給學生提供充分的動手實踐機會。例如抽油機模型，除了使學生直觀了解抽油泵的工作原理和抽油機部件組成之外，還能在學生自己操作過程中，控制氣量的大小，記錄有氣與無氣時的泵效，了解氣體對泵效的影響，同時通過自己觀察，找出泵效低的原因，加深對抽油泵的工作原理的理解。潛油電泵仿真模型可直觀地演示潛油電泵采油工作原理、潛油電泵內部結構，學生還能通過調節出液壓力來觀察泵的流量變化，通過記錄電流卡片學會進一步分析電潛泵的工作狀態。

3.仿真教學效果分析。隨著開發仿真教學系統的不斷完善，目前已經成功應運用石油工程專業，并在本科生培養中發揮著重要的作用。此外，由于其可以將復雜的專業理論直觀呈現的特點，此仿真系統承擔全校石油工程科普教育的功能。特別是在本科教學中取得了顯著的功效。首先，實用化是仿真系統最大的功能之一，通過采用和現場實際相一致的仿真系統，讓學生在學校就能了解到現場的知識，體現了實用性強的優點。其次，綜合性強，開發仿真系統不但以實物的形式展現了油田地面運輸系統，而且以光電的形式展示了地下流體的流動狀態，同時也形象地讓學生看到油井井筒的構造及組成部分，進一步加強學生知識的綜合性，使學生對知識的理解更加系統。最后是對學生具有啟發性，通過仿真實習，學生初步知道自己是否喜歡從事油氣田開發的工作，如果以后從事油氣田的工作，自己在什么樣的工作崗位，為以后工作的選擇做初步的準備，同時為生產實習打下基礎。

四、結束語

開發仿真教學系統自研制成功以來，在教學領域應用越來越多，該系統將課堂、實踐環節和生產單位環境有機結合在一起，以其實用性、直觀性、系統性和綜合性，受到了學生的一致好評。

參考文獻：

[1]檀朝東，劉慧卿，等.采油工程校內生產實習基地建設方案研究[J].中國石油和化工，2011，（7）：59-61.

[2]邢明明，董世民，崔陽，陳培毅，等.游梁式抽油機皮帶傳動效率的仿真模型[J].工程力學，2013，（7）：242-246.

[3]孫艾茵，劉蜀知，劉繪新.石油工程概論[J].北京石油工業出版社，2008：156-157.