基于CDIO 工程教育理念SAGD 采油教學模型的研制

蔡言鋒 張慧 陳金陽 于文強 盤錦職業技術學院

1 引言

CDIO 工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO 含義代表分別由構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）四部分構成，以產品研發到產品運行的生命周期為載體,讓學生在生產實踐活動中學習知識，分析問題，增強課程內容與職業崗位能力要求的相關性，提高學生的學習積極性和主動性。

遼河盆地是一個開發對象十分復雜的復式油氣區。2014 年，“國家能源稠（重）油開采研發中心”落戶遼河，以SAGD 雙水平井技術采油技術為核心。但是在進行職業教學和企業宣傳時，都是通過二維圖片、文字進行說明，無法將井下采油復雜過程及效果的呈現，不能在現場產生互動、強化感受和記憶。本文結合能源裝備制造類專業人才培養目標以及CDIO 工程教育理念培養模式，開發出一種基于石油、機械、電子三專業結合在一起SAGD 雙水平井采油教學模型，可以直觀而巧妙的方式進行復雜技術的淺顯化剖析，增強現場互動增強記憶力。

2 教學設備總體設計

CDIO 工程教育理念人才培養的重點在于項目案例的學習，以研制SAGD 采油教學模型為載體，遵從“構思—設計—實現—運作”四步完成項目的形式。提高學生綜合素質的培養，體現基礎知識、個人職業技能、團隊合作能力和系統學習能力。稠油SAGD 采油教學模型將石油開采、機械制造自動化、電氣工程自動化三個專業課程緊密結合起來。可以實現學生對石油開采原理、機械設計、機械繪圖、機械制造、PLC 程序控制、電路設計、電氣元件安裝等課程的學習。豐富課程建設的多樣性，使職業教育的方式方法更為靈活，另一方面深入研究崗位任務引導的職業課程建設，使職業教育與企業生產更無縫的對接。

3 教學模型硬件設計

3.1 石油開采單元設計

SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）國際開發超稠油的一項前沿技術，含義是蒸汽、輔助、重力、泄油，1978 年，R.M.Butler博士根據注水采鹽原理提出SAGD 技術。注入高干度蒸汽，與冷油區接觸，釋放汽化潛熱加熱原油。被加熱的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流動，從水平生產井中采出。蒸汽腔持續擴展，占據原油的體積。

SAGD 雙水平井技術原理模型主體框架的材料選用木材、PVC塑料板、PVC 塑料管、LED 燈材料為主要材料。模型嚴格按照SAGD雙水平井技術原理圖進行設計，SAGD 雙水平井模型能夠更直觀的展現出真實石油開采現場，對生產現場的直觀化裝飾。模型地下巖層結構近于比例的設計汽作為熱源，由上部注汽井向油層中注入蒸汽，注入的蒸汽向上超覆形成蒸汽腔并不斷擴展，與原油發生熱交換，加熱后的原油依靠重力作用流到下部生產井并被采出的生產過程，雙水平井SAGD 機理示意圖如圖1 所示。模型演示設計等近于完整的體現了生產現場的真實場景，使實訓裝置更貼于生產，在進行實訓和參觀過程中增強了職業意識。

3.2 機械單元設計

游梁式抽油機具有性能可靠、結構簡單、操作維修方便等特點。游梁式抽油機是油田目前使用最多的抽油機類型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機構、減速箱、動力設備和輔助裝備等四大部分組成。工作時，電動機的動力經減速器、曲柄連桿機構、游梁帶動驢頭上下運動，通過驢頭帶動井下抽油泵的柱塞作上下運動，柱塞往復運動將原油抽出，游梁式抽油機結構示意圖如圖2 所示。

圖2 游梁式抽油機結構示意圖

圖1 雙水平井SAGD 機理示意圖

SAGD 采油教學模型從地上部分游梁式抽油機著手進行機械制造單元方面的設計，游梁式抽油機模型結構材料選用6061 鋁合金，材料具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、氧化效果極好等優良特點。游梁式抽油機模型外觀仿照真實游梁式抽油機縮小比例設計制作。模型制作的過程中可以培養學生對各機械部件進行手工和機械加工，制作過成中包括銼、磨削、螺紋切削、車削、銑削和連接技術，使學生了解金屬切削過程中的基本原理，掌握金屬切削加工方法及加工特點。了解加工的定位及安裝，掌握機械加工工藝規程的基礎知識及基本理論。具備合理選擇加工方法（機床、刀具、切削用量）的初步能力，具備編制機械加工工藝規程等技能。學習過程中涉及零件圖、裝配圖繪制、識讀，機械結構的分析、設計，工具、刀具和量具的選擇等。引導學生進入機械專業課程學科的大門，采用啟發式教學，豐富教學內容有效避免傳統理論教學的枯燥，引導學生多角度思考，結合工程實例有更直觀的理解。

3.3 電氣控制單元設計

3.3.1 游梁式抽油機電氣控制單元設計

游梁式抽油機控制方式采用工頻和變頻兩種方式，控制電路包括：主電路、控制電路和輔助電路三部分組成，電路中還包括短路、欠壓、過載等保護。工頻控制采用可編程序控制器（PLC）與交流接觸器控制模式；變頻控制選用可編程序控制器（PLC）與變頻器結合的變頻控制模式。驅動裝置采用三相異步鼠籠式電動機，操作單元采用按鈕盒與觸摸屏（HMI）兩種方式相結合，設備急停采用實際按鈕控制。游梁式抽油機運行時，通過觸摸屏與PLC 以太網通信監控抽油機的實時工作狀態與相應的工作數據，可以更加直觀的觀察設備各個環節的運行情況，可以通過實時數據分析判斷抽油機工作狀態，系統的關系框圖如圖3 所示，電氣部分工作流程圖如圖4 所示。

圖3 系統的關系框圖

3.3.2 SAGD 采油過程電氣控制單元設計

SAGD 采油教學模型地下部分主要演示地下水、油、蒸氣的運動過程。基于CDIO 課程模式，設計地下部分通過電控LED 彩燈在管路中模擬油和熱蒸汽的流動，將SAGD 采油過程中地面以下油、水、蒸汽的運動和狀態在模型的主視面真實的演示出來。在模型兩側橫斷面，分別用電控LED 彩燈體現SAGD 采油過程逐漸形成的地下“心型”腔體。

圖4 電氣部分工作流程圖

模型安裝調試過程中培養學生學習關于電、（電）在低壓網絡中的運用、直流/交流/單項電供電/變壓器的基礎理論知識。學生能夠規劃并繪制控制器、配電裝置和驅動技術的簡單回路。同時通過練習掌握微處理器、數字技術和電子技術的基礎知識，監測校準電氣和非電氣參數，對線纜、導線的選擇和連接及其超負荷防護也在學習范圍之內，系統的關系框圖如圖5 所示。

圖5 系統的關系框圖

4 結論

綜上所述，以CDIO 理念為指導，遵從“咨詢—計劃—實施—運行”模式，完成了SAGD 采油教學模型的研制。目前，該教學模型已經運用在石油開采、機械制造、電氣控制單元相關專業教學獲得了滿意的應用效果。教學項目實施的過程中，學生通過小組討論、收集資料，以團隊合作形式制定小組工作計劃，完成工作任務，教學過程中更有效的提高學生學習的主動性，提升學生個人能力和創新能力奠定基礎。同時，結合SAGD 采油教學模型展示，解決了遼河油田SAGD 采油過程實現全方位、立體化的空間展示問題，對企業人力資源培訓和展示宣講起到重要的作用。