油氣開發(fā)工藝虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)

萬軍鳳，代曉東，李 雷，董 燕

(中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院油氣工程學(xué)院，山東 東營(yíng) 257061)

為了持續(xù)推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，繼《教育部辦公廳關(guān)于 2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知(教高廳[2017]4號(hào))》[1]之后，2018年6月，教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知(教高函[2018]5 號(hào))》[2]，以進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可見，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)必將成為助推高等教育教學(xué)質(zhì)量變軌超車的有效手段。油氣資源作為一種戰(zhàn)略性資源，在我國(guó)能源安全領(lǐng)域中占有極其重要的地位。由于油氣資源勘探開發(fā)的特殊性：生產(chǎn)流程復(fù)雜，生產(chǎn)操作危險(xiǎn)系數(shù)高，油氣產(chǎn)品易燃易爆等特點(diǎn)[3-4]，使得學(xué)生的生產(chǎn)實(shí)習(xí)僅僅停留在“以看為主、只看不練”的現(xiàn)場(chǎng)觀摩層面，實(shí)習(xí)效果難以保障[5-6]。

虛擬仿真技術(shù)作為多種高新技術(shù)集成的結(jié)晶，在操作過程訓(xùn)練、安全應(yīng)急演練，生產(chǎn)過程仿真等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可精確模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景[7]，虛擬仿真的這種逼真性和實(shí)時(shí)交互性有效解決了生產(chǎn)實(shí)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐之間存在的巨大障礙，對(duì)提升學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 油氣開發(fā)工藝虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心建設(shè)思路

油氣開發(fā)工藝虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心(以下簡(jiǎn)稱仿真中心)的建設(shè)工作以“科學(xué)規(guī)劃、資源共享、突出重點(diǎn)、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)思想[8-9]，依據(jù)最新的行業(yè)技能要求，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的設(shè)計(jì)原則，將信息技術(shù)與工程實(shí)踐技能訓(xùn)練深度融合，來構(gòu)建一個(gè)高效能的油氣開發(fā)虛擬環(huán)境和實(shí)踐對(duì)象，使得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)高風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)際運(yùn)行困難以及大型綜合訓(xùn)練難以實(shí)施的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)。

2 仿真中心建設(shè)內(nèi)容

仿真中心建設(shè)的實(shí)踐教學(xué)資源如圖1所示，涵蓋鉆井、采油、儲(chǔ)運(yùn)等領(lǐng)域，可承擔(dān)石油類專業(yè)的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)以及非石油類專業(yè)的認(rèn)知實(shí)習(xí)，因?qū)嵺`教學(xué)資源模塊較多，受篇幅所限，僅選取較典型模塊作闡述。

2.1 油氣生產(chǎn)全景VR實(shí)習(xí)系統(tǒng)

油氣生產(chǎn)全景VR實(shí)習(xí)系統(tǒng)是基于虛擬仿真、三維建模、人機(jī)交互、多媒體、信息通訊等現(xiàn)代化信息技術(shù)手段[10-11]，構(gòu)建的集 “鉆-采-輸”全流程的立體化教學(xué)資源。

油氣生產(chǎn)全景VR實(shí)習(xí)系統(tǒng)如圖2所示。以油氣生產(chǎn)虛擬現(xiàn)場(chǎng)為例進(jìn)行介紹：首先，在全景學(xué)習(xí)功能下，各類抽油機(jī)、計(jì)量間、注水間、配水間及各類井口裝置等虛擬仿真平臺(tái)呈現(xiàn)于學(xué)生面前?，F(xiàn)場(chǎng)各種工藝流程相互銜接，這些工藝將油層產(chǎn)出液從井口產(chǎn)出到計(jì)量間計(jì)量，再到聯(lián)合站油水分離整個(gè)過程串聯(lián)起來，使得學(xué)生可快速認(rèn)識(shí)油氣生產(chǎn)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)；在虛擬現(xiàn)場(chǎng)中學(xué)生且可自主選擇視角旋轉(zhuǎn)、放大、縮小以不同的角度進(jìn)行視景觀察，仿佛漫步于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；其次，學(xué)生也可動(dòng)手操作“小地圖”功能自主選擇某一機(jī)械設(shè)備，深入細(xì)致地學(xué)習(xí)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機(jī)械動(dòng)作、工作原理等，彌補(bǔ)了課堂教學(xué)和實(shí)物教學(xué)的不足。把虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)，使實(shí)踐教學(xué)更加直觀、形象，增強(qiáng)了沉浸感和現(xiàn)實(shí)感。

2.2 采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)

為了更好地與現(xiàn)場(chǎng)操作對(duì)接，提高學(xué)生的實(shí)踐操作技能，專門構(gòu)建了采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)，實(shí)景圖如圖3所示。本系統(tǒng)主要包含游梁式抽油機(jī)、寬帶式抽油機(jī)及配套的井口裝置，以及自噴井裝備等，可開展啟停抽油機(jī)、倒流程、調(diào)平衡、調(diào)沖程、調(diào)沖次、更換光桿盤根及三角皮帶等實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。本訓(xùn)練系統(tǒng)與虛擬仿真的有機(jī)組合，更好地踐行了“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充”的原則，加深了學(xué)生對(duì)采油裝備的結(jié)構(gòu)原理、工藝技術(shù)的理解，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作水平起到了很大的促進(jìn)作用。

2.3 油氣安全生產(chǎn)虛擬仿真操作系統(tǒng)

油氣安全生產(chǎn)虛擬仿真操作系統(tǒng)是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的三維可交互式綜合訓(xùn)練平臺(tái)。該系統(tǒng)以操作規(guī)程及故障處置規(guī)程為藍(lán)本，依托典型現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用DCS(distri-buted control system，分布式控制系統(tǒng))模擬內(nèi)操，通過三維視景指令化操作模擬外操，情景再現(xiàn)油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)踐項(xiàng)目主要包括采油、油氣集輸、油庫(kù)及城市燃?xì)廨斉渌膫€(gè)訓(xùn)練子系統(tǒng)。

圖4為采油集輸生產(chǎn)仿真系統(tǒng)實(shí)景圖。采油集輸生產(chǎn)仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容包括內(nèi)操和外操兩種類別，內(nèi)操對(duì)應(yīng)中控系統(tǒng)，在中控室主要進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控和動(dòng)設(shè)備(如：泵、壓縮機(jī)等)遠(yuǎn)程操作；在外操三維交互場(chǎng)景中，學(xué)生可隨意在場(chǎng)景中漫游，通過對(duì)相關(guān)設(shè)備、閥門的開/停操作和調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)觀察設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)(如：溫度、壓力、流量等)的變化，提高了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和安全意識(shí)。

2.4 油氣鉆井操作實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

油氣鉆井操作實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)突出虛實(shí)結(jié)合的原則，將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物等比例縮小，通過真實(shí)操控臺(tái)與軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)作業(yè)過程的模擬訓(xùn)練。該系統(tǒng)主要由鉆井井場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)、ZSC-Ⅱ鉆井司鉆操作臺(tái)、鉆井模擬教學(xué)平臺(tái)控制軟件、鉆修井工具教學(xué)模型等組成。油氣鉆井操作實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

鉆井井場(chǎng)教學(xué)平臺(tái)可全面展示鉆井作業(yè)五大系統(tǒng)及鉆井現(xiàn)場(chǎng)所需的鉆井、井控和固控設(shè)備及地面輔助設(shè)施的位置擺放。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可動(dòng)手調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、泵壓、地層壓力等參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察對(duì)鉆進(jìn)速度的影響結(jié)果，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

利用ZSC-Ⅱ鉆井司鉆操作臺(tái)，學(xué)生可親自動(dòng)手進(jìn)行鉆井泵、柴油機(jī)、轉(zhuǎn)盤、絞車及絞車剎車等控制操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)頂驅(qū)裝置、轉(zhuǎn)盤、絞車、鉆井泵等的動(dòng)作控制。

鉆井模擬教學(xué)平臺(tái)控制軟件可將鉆井、關(guān)井、壓井流程中抽象生硬的知識(shí)以直觀且可模擬操作的形式展現(xiàn)出來，便于學(xué)生理解和掌握。鉆井現(xiàn)場(chǎng)仿真教學(xué)平臺(tái)訓(xùn)練界面如圖6所示。中間界面顯示鉆井井場(chǎng)模擬動(dòng)畫，操作的結(jié)果會(huì)以宏觀動(dòng)畫的方式展現(xiàn)出來；最右邊界面顯示的是指重表和鉆井參數(shù)，鉆井操作過程中所涉及的參數(shù)將在這里體現(xiàn)；最左側(cè)的界面是司鉆臺(tái)投影畫面，學(xué)生操作將在這個(gè)界面中體現(xiàn)出來。

3 仿真中心的探索

3.1 實(shí)踐教學(xué)體系探索

根據(jù)學(xué)院石油類專業(yè)特點(diǎn)，圍繞人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建“重基礎(chǔ)、分層次、系統(tǒng)化、強(qiáng)能力”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。基于實(shí)物仿真的鉆井工具拆裝及采油工藝設(shè)備訓(xùn)練系統(tǒng)等屬于基礎(chǔ)教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各種鉆井、采油設(shè)備以及基本理論、技能的實(shí)踐掌握；油氣鉆井操作實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、設(shè)備虛擬拆裝及故障處置訓(xùn)練系統(tǒng)等虛擬仿真平臺(tái)用于綜合提高類教學(xué)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力及動(dòng)手能力，使學(xué)生在對(duì)課程基本理論進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用同時(shí)還接受系統(tǒng)規(guī)范的工程技能訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)和企業(yè)工作崗位的快速對(duì)接；油氣安全生產(chǎn)及生產(chǎn)事故應(yīng)急模擬訓(xùn)練系統(tǒng)等仿真操作平臺(tái)具有實(shí)戰(zhàn)化特點(diǎn)，用于創(chuàng)新類教學(xué)，工程安全意識(shí)貫穿于實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容始終，允許學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究。

3.2 開放共享實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)探索

仿真中心努力向多專業(yè)共享平臺(tái)目標(biāo)發(fā)展，適當(dāng)對(duì)接校內(nèi)油氣通選課程，支持線上共享和線下開放實(shí)踐，不同專業(yè)學(xué)生，可根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)、學(xué)習(xí)興趣靈活安排時(shí)間進(jìn)行自主、選擇性地實(shí)踐，強(qiáng)化學(xué)生綜合素養(yǎng)能力培養(yǎng)。

4 結(jié)論

在當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革背景下，我校積極響應(yīng)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，結(jié)合油氣開發(fā)相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)需求和專業(yè)特點(diǎn)，依托現(xiàn)代化信息技術(shù)，堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的設(shè)計(jì)原則，建設(shè)了集“鉆-采-輸”一體化的仿真中心，借助該平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)難以完成的操作訓(xùn)練，且在實(shí)踐教學(xué)體系及開放共享實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方面進(jìn)行了積極探索，這對(duì)有效提升學(xué)生工程實(shí)踐操作技能和創(chuàng)新精神具有重要意義。