石油鉆采與儲運虛擬仿真實驗中心建設探索

何巖峰, 竇祥驥

(常州大學 石油工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引 言

石油鉆采和儲運是密切聯系的兩個石油生產環節，彼此之間相互影響，如果任何一個環節的潛力沒有得到充分發揮，則整個石油生產鏈的產量都會下降，對我國的能源安全造成不利影響[1-2]。因此，通過實踐教學環節，幫助學生了解石油鉆采和儲運之間的關聯性，培養具有跨領域創新意識和工程實踐能力的石油鉆采與儲運技術人才，對于保障我國國民經濟健康穩定發展具有十分重要的意義[3]。

然而，目前國內的鉆采與儲運實踐教學仍存在一定的問題，主要表現在兩個方面：①各高校相關實踐教學中心的鉆采與儲運教學往往相互割裂，專業實踐教學存在著“孤島”現象，培養的人才知識結構較為單一。②石油與天然氣工程所涉及的生產及運輸環節，通常發生在數千米的地下或密閉的管道中，且具有高溫、高壓、高腐蝕等復雜環境，從而導致石油與天然氣工程領域人才培養面臨著傳統實踐教學“不可視、不可達、不可及、不可逆、高危險和高成本”等困難，對高層次工程應用人才的培養造成了較大的挑戰。

針對以上問題，學校開展了一系列的教學研究工作[4-6]，建立了國家級石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心(以下簡稱仿真中心)，以培養兼通雙專業知識石油人才的實踐教學體系為依托，采用虛實結合的實踐教學方法[7-9]，解決了石油鉆采及儲運領域傳統實踐教學“不可視、不可達、不可及、不可逆、高危險和高成本”的難題，并實現了油氣鉆采與儲運等上下游完整產業鏈一體化教學，為石油鉆采與儲運高層次應用型人才培養提供了平臺基礎。

1 仿真中心建設內容

仿真中心與中國石化、新奧燃氣、港華燃氣等用人企業進行了多次深入交流，針對我校石油工程專業與油氣儲運工程專業畢業生就業去向存在交叉的現象，校企共同制定了人才的培養方案，設置并持續改進實踐課程體系和教學內容，重點增加了部分兼顧石油與油氣儲運工程知識點和操作規范的實踐項目。

改革教學手段，仿真中心綜合使用實體裝備及虛擬仿真軟件，進行“虛實結合”的實踐教學[10-12]。其中，為解決傳統實踐教學手段“不可視、不可達、不可及、不可逆、高危險和高成本”的難題，仿真中心開發了一系列沉浸式、桌面式及親歷式虛擬仿真軟件，可實現全井場覆蓋，能夠安全地模擬地層和密閉管道中復雜環境下的油氣流動與設備工況，并通過人機交互將操作結果及時反饋給操作者。截至目前，仿真中心共計開發了122套虛擬仿真實驗教學軟件，并按照油氣鉆采儲運行業的生產崗位，歸類為6個主要的模塊，分別進行油氣井工程、油氣田開發工程、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急處理等方面的實踐教學(見圖1)。

在實際教學過程中，以上6個模塊并非是割裂，而是相互聯系的，可實現統一的集中管理與信息共享，有效打破了傳統獨立實驗的教學“孤島”。例如，在實踐教學時，學生在油氣田開發工程模塊所選擇的設備或所執行的操作，會進一步對油氣集輸模塊的結果產生影響，從而幫助學生理解鉆采、儲運之間的相互聯系；同時，各軟件的評分系統實現了數據的共享，在考核過程中要求學生能夠綜合考慮鉆采及儲運相關設計要求，并根據其在所有模塊中的綜合表現評定總成績，從而有助于培養兼通雙專業知識和跨領域實踐能力的油氣生產人才。

(a) 油氣井工程模塊

(b) 油氣田開發工程模塊

(c) 油氣集輸模塊

(e) 天然氣處理與管道輸送

仿真中心通過在實體設備的基礎上聯合開發石油鉆采與儲運一體化虛擬環境仿真軟件，可在兼顧石油工程與油氣儲運工程知識點和操作規范的基礎上，安全地模擬地層和密閉管道中“不可視”環境下的油氣流動與設備工況，并通過人機交互將操作結果及時反饋給操作者，從而讓操作者得以“視微”而了解地下油層內的微觀油氣滲流規律；得以“知著”而了解到生產工藝流程的各環節之間的相互影響和協調性；得以“習邇”而能夠根據計算機的模擬仿真結果，學習診斷和解決復雜故障的方法；得以“及遠”而掌握使用自動化裝置遠程操作的能力。同時，相對于大型實體實驗設備，虛擬仿真設備的建設難度、運行成本均較低，升級改造也更加方便[13-16]。

2 仿真中心的主要特色

與國內同類虛擬仿真中心相比，我校石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心的特色主要體現在：

(1) 構建培養兼通雙專業知識的實踐教學體系。油氣的生產鏈上，油氣鉆采的上游環節到油氣儲運的中下游環節是密切聯系的整體，這兩個環節的生產參數相互影響，因此必須從完整的石油與天然氣生產鏈的宏觀視野出發進行思考，使兩個環節協調生產，以便提高油氣生產的經濟效益。為此，石油工程與油氣儲運工程專業的畢業生必須了解彼此專業的知識，才能更為協調地設計與管理。針對這一問題，我校成功申報了江蘇省重點建設專業，將石油工程專業和油氣儲運工程組建成專業類統籌建設，結合與企業交流的結果，打破兩個專業之間的知識壁壘。仿真中心近年加強了涉及兩專業交叉知識的實踐教學項目建設，開設了油氣集輸、注水站管理、污水處理、三相分離器操作、注水泵操作、聯合站操作等實踐項目，引導學生從石油與天然氣開采巨系統的角度進行油氣生產鏈的管理與設計，培養更符合新時代油田公司需要的高層次工程應用人才。改革后的教學內容與培養方案、課程設置、實踐教學手段和實踐教學質量評價標準相結合，創新地形成了培養兼通石油工程與油氣儲運工程專業知識的高層次工程應用人才的實踐教學體系。

(2) 油氣工程安全環保教育貫穿實踐教學內容。油氣鉆采儲運行業作為高溫高壓環境下生產易燃易爆油氣的高危行業，有必要著力培養相關專業學生的安全環保意識。因此，中心在進行實踐教學內容和虛擬仿真軟件設計時，始終將安全環保的實踐教學內容和事故應急處理方法作為重點開發的軟件和重點考核的內容。例如，仿真中心在所有虛擬仿真模塊中設置了可能出現的突發情況，要求學生從環保及安全的角度做出及時處理，并根據學生的處理情況實時反饋事故進展，同時對學生的選擇和操作進行成績評定，從而實現將油氣工程安全環保教育貫穿實踐教學內容。

(3) 強調學生創新能力的培養。為培養學生進行自主探索及創新的能力，仿真中心充分強調學生在實踐教學過程中的自主性。學生可根據實驗目的，自主選擇實驗設備/軟件及實驗方法，自行設計實驗步驟、制定實驗方案。例如，在有桿抽油泵泵效分析實驗中，為確定實驗目的所要求的泵效，學生既可以利用實體設備進行測定，也可以利用虛擬仿真軟件獲得相應結果，具體的實驗方案均由學生自行進行編制。在此基礎上，仿真中心進一步鼓勵學生利用多種方法完成實驗內容，并對比各種方法的優缺點，加深對于實踐教學內容的理解，并提升自身的創新實踐能力。

3 仿真中心的建設成效

學校充分利用油氣鉆采及儲運虛擬仿真實驗教學資源開展實踐教學。通過不斷豐富仿真中心的教學資源，實現了教學環境立體化、直觀化、形象化的顯著提高，可滿足學生實驗預習、操作及復習的全方位需求，鞏固了學生所學理論知識，鍛煉了學生的實踐動手能力，從而大幅度提升了實踐教學的質量。在此基礎上，仿真中心的軟硬件設備等教學資源實現了對外開放，多次服務于國內其它高校及企事業單位的實踐教學，已成為油氣鉆采及儲運領域高層次工程應用型人才培養的重要平臺。

近年來，依托于仿真中心，石油工程及油氣儲運工程專業學生共計發表論文60余篇，申報專利26項，在中國石油工程設計大賽等全國性比賽中獲獎102人次，對鉆井、采油、油氣集輸、油氣安全與應急處理等專業領域的理解與認識得到了顯著提升，初步具備了兼顧石油鉆采及儲運的創新實踐能力。2016年，我校“石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心”獲批為國家級虛擬仿真實驗教學中心。

4 仿真中心的建設方向

仿真中心將借助實踐教學及虛擬仿真領域的新理念、新技術，進一步優化教學方法、革新教學手段、豐富教學資源，加強仿真中心建設。①進一步加強鉆采與儲運環節的深度融合，增加交叉領域實踐項目的數量，完善雙專業知識及跨領域實踐能力考核體系。②進一步優化實驗的操作步驟，使其更加接近于現場實際操作流程，并符合相應行業規范。③通過引入虛擬現實(VR)技術，開發石油鉆采及儲運領域的虛擬現實實踐教學軟件，增強教學過程中的立體性、交互性及多感知性，進一步提升實踐教學的效果。目前，仿真中心已經完成了虛擬現實軟件的研發，并在實踐教學中進行了初步應用。

5 結 語

石油鉆采與儲運工程虛擬仿真實驗教學中心在兼顧石油工程與油氣儲運工程知識點和操作規范的基礎上，完成傳統教學方法所不具備或難以完成的教學功能，實現了較高質量的鉆采、儲運一體化實踐教學。其中，在涉及“不可視、不可達、不可及、不可逆、高危險和高成本”的情況下，仿真中心所開發的虛擬仿真軟件可安全地模擬地層和密閉管道中復雜環境下的油氣流動與設備工況，并通過人機交互將操作結果及時反饋給操作者，從而讓操作者在實踐學習過程中得以實現“視微”“知著”“習邇”“及遠”的目標。仿真中心以培養兼通雙專業知識油氣生產人才的實踐教學體系為特色，始終堅持將油氣工程安全環保教育貫穿實踐教學內容，充分強調學生創新能力的培養，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學科的虛擬仿真教學實踐提供一定的參考。