鉆探設備結構原理及金剛石鉆進虛擬仿真實驗系統建設與實驗教學實施

趙大軍　趙研　王戈　范曉鵬　韓君鵬　郭威

摘? 要：為解決地質工程專業課程實驗教學設備結構龐大復雜、難以真實體現、實驗費用高和安全風險大的實驗教學難題，基于計算機虛擬仿真技術構建鉆探設備結構原理及金剛石鉆進虛擬仿真實驗系統，開發地質工程專業課程的虛擬仿真實驗教學項目，包括鉆探設備與鉆具結構原理和拆裝實驗、繩索取心金剛石鉆進的交互操作實驗。實踐表明，虛擬仿真實驗系統的交互性好，可解決地質工程專業課程真實實驗教學的難題，提高大學生的實踐能力和創新能力，為地質工程專業創新型人才的培養提供實驗教學的新模式。

關鍵詞：鉆探設備；結構原理；金剛石鉆進；虛擬仿真；實驗系統

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）18-0001-05

Abstract： In order to solve the problems of large and complex structure of experimental teaching equipment for geological engineering major， which is difficult to be truly demonstrated， high experiment cost and high safety risk， the structure principle of drilling equipment and virtual simulation experiment system of diamond drilling are constructed based on computer virtual simulation technology， and the virtual simulation experiment teaching project of geological engineering major is developed. It includes the structure principle and disassembly experiment of drilling equipment and drilling tool， and the interactive operation experiment of coring diamond drilling. The practice shows that the virtual simulation experiment system has good interactivity， solves the problem of real experiment teaching of geological engineering major course， improves the practical ability and innovation ability of college students， and provides a new model of experimental teaching for the cultivation of innovative talents in geological engineering major.

Keywords： drilling equipment; structural principle; diamond drilling; virtual simulation; experimental system

鉆探設備、鉆探設備課程設計、鉆探工藝學等課程是地質工程專業的主干專業課，該類課程是研究鉆進過程中鉆機、泥漿泵、鉆塔、動力機的結構、工作原理、特點及適用條件；金剛石繩索取心鉆進等各種鉆進技術方法的鉆進原理、取心原理及鉆具的結構原理。課程的理論基礎涉及機械設計、金屬工藝學、流體力學、液壓傳動和巖石破碎學等。課程與工程實際結合緊密，實踐教學要求高，實驗學時接近課程總學時的30%。

但地質工程專業課程實驗教學存在一些亟待解決的問題[1-2]：①真實實驗系統復雜。鉆進實驗設備及工具包括鉆機、泥漿泵、鉆塔、動力機、繩索取心鉆具、鉆頭和擰卸工具等。鉆探設備涉及機械系統、液壓系統及電子檢測與控制系統；鉆進過程涉及地面及空中設備、井下鉆桿、鉆頭，涉及井底破碎巖石、鉆桿運動與受力、泥漿循環和鉆孔護壁等內容。實驗系統結構龐大、系統復雜，難以在實驗室真實體現。②真實設備結構原理、鉆進原理理解困難[3]。鉆探設備內部結構不易觀察，零件裝配關系難以理解，異常工況不易再現，實驗教學效果難以保證。僅通過線下真實實驗，學生難以很好理解鉆探設備及鉆具的整體及部件結構原理，難以很好理解井下碎巖、排粉、護壁等工作原理。③真實實驗成本高、安全風險大。鉆探設備屬大型設備，體積大、重量大、功率大，設備搬運、安裝、維護費用高，油料消耗大、運行費用高。鉆進中開動設備多，設備管理復雜。真實實驗過程中，涉及高轉速、大扭矩、高液壓，還涉及高空、地面及地下的立體交叉系統，安全風險大[4]。

計算機虛擬仿真技術是依托多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等虛擬現實技術，構建與真實場景高度逼真的虛擬實驗環境和實驗內容[5]。近年我國越來越重視高等教育的虛擬仿真實驗教學，注重虛擬仿真實驗教學一流課程的建設，陸續出臺了多個加強本科虛擬仿真實驗教學的文件，2022年由工業和信息化部 教育部 文化和旅游部 國家廣播電視總局 國家體育總局印發的《虛擬現實與行業應用融合發展行動計劃（2022—2026年）》，明確指出在高等教育、職業學校建設一批虛擬現實實驗室與虛擬仿真實訓基地，面向實驗性與聯想性教學內容，開發一批虛擬現實數字課程，強化互動實操，推動沉浸式新課堂。建設一批虛擬仿真實驗實訓重點項目。

通過計算機虛擬仿真技術創建和體驗真實的鉆探設備結構和井底鉆進過程，借助視覺、聽覺及觸覺等與虛擬鉆探設備和鉆進系統進行自然的交互，并通過頭盔顯示器、數據手套等傳感設備，觀測與虛擬實驗系統交互的三維界面，使學生直接參與鉆進實驗，產生沉浸感[6]，其逼真性和實時交互性為理解和掌握金剛石鉆進提供有力的支撐[7]。將虛擬仿真技術應用于地質工程專業課程的實驗教學，可實現以下目的[8-9]：①將抽象的鉆探設備與鉆具內部結構原理、不可見的井底鉆進過程形象化[10]。建立鉆探設備、鉆具結構及鉆進過程VR（Virtual Reality，虛擬現實）實驗系統，通過虛擬仿真技術建立的鉆探設備及鉆具交互式三維模型實現復雜設備透視化、裝配關系動態化，通過參數變換實現不可及、不可逆工況的形象化模擬，搭建與實際相近的形象化實驗環境，使學生走進鉆探設備內部感受部件三維結構及傳動原理、走進井底感受鉆具的鉆進過程[11]。通過自主拆卸和安裝虛擬的設備零部件，深入理解設備部件內部結構和工作原理；自主設計鉆進規程參數進行金剛石鉆進。提高學生的三維空間思維能力，加深對鉆探設備、金剛石鉆進過程及鉆進原理的理解[12]。②解決實驗設備更新不及時，降低實驗教學費用，降低實驗風險，提高實驗教學質量。線上虛擬實驗，允許錯誤性操作，允許設備出現故障，允許破壞性實驗，不存在實驗費用和風險，可加深對鉆探設備和鉆進過程風險認識、加深對設備結構特性和鉆進過程的理解[13]，培養分析和解決復雜問題的能力，提高實驗研究能力[14]。

一? 建設要求

根據地質工程專業培養方案及專業課程的教學要求，并根據地質工程專業實驗課程存在的教學難題，采用先進的教育理念，按照“虛實結合”的原則[15]，充分運用虛擬現實（VR）技術，解決實驗教學難題[16-17]。研究開發鉆探設備結構原理及金剛石鉆進虛擬仿真實驗系統，在學生知識和能力培養方面，滿足如下教學要求。①掌握典型的XY-4型立軸式鉆機的總體結構及鉆機的摩擦離合器、變速箱、分動箱、升降機、回轉器及卡盤的結構和工作原理，能分析鉆機的工作特性、存在的問題，能提出改進方案。掌握鉆機的液壓給進系統、卡盤松緊系統、鉆機移動系統和鉆桿擰卸系統的組成及工作原理，能運用液壓傳動、流體力學知識分析鉆機液壓系統的工作特性、存在的問題，并提出改進方案。提高鉆探設備機械裝配圖及液壓傳動系統圖的讀圖能力。②掌握典型的BW-1型往復式泥漿泵的總體結構和工作原理，掌握泥漿泵的變速機構、曲柄連桿機構、活塞與缸套、泵閥、安全閥、卸壓閥和空氣室的結構和工作原理，掌握活塞與缸套、閥與閥座等主要易損件的磨損機理，能分析泥漿泵的工作特性及適用條件。③掌握典型的S-75型繩索取心單動雙管鉆具的總體結構和工作原理，掌握鉆具的撈矛機構、彈卡定位機構、懸掛機構、到位報信機構、巖心堵塞報警機構、單動機構、調節機構及內管打撈機構的結構和工作原理，會調節內管間隙，會取心操作。能分析鉆具存在的問題，并提出改進方案。④掌握S-75型繩索取心鉆具金剛石鉆進的工作原理，包括鉆頭碎巖、泥漿循環、巖粉排除、提斷與打撈巖心、內管取心和投放內管，及下放鉆桿、加接鉆桿、擰接與擰卸鉆桿和提升鉆桿等工作原理及工作過程。學生可自主設計鉆進參數（包括鉆壓、轉速、泵量和給進速度），能分析鉆進參數對鉆進效率的影響規律。提高學生的創新意識，自主學習能力，提高實踐能力和解決實際問題能力，激發學生提高我國鉆探裝備技術水平的使命感。

二? 建設內容

根據虛擬仿真實驗系統的建設要求，需進行虛擬仿真實驗系統的實驗條件及實驗內容的設計。

（一）? 實驗條件設計

為保證此虛擬仿真實驗系統的互動性，同時能夠真實還原實驗場景、實驗設備及相關的實驗操作和相應的實驗效果，虛擬仿真實驗系統采用高性能主機（CPU：i7 11 700 K以上、內存32 G、顯卡3060、2 T硬盤）進行運行，采用HTC VIVE PRO 2.0VR套裝頭顯設備進行互動，雙眼顯示分辨率達到4 K，杜絕操作者的眩暈，采用無線連接方式，更加方便操作，同時配備75寸觸控電容屏，將操作者畫面實時同步顯示，在操作互動的同時方便他人觀看學習交流，擴大該仿真系統的教學效果。軟件系統方面，采用了虛幻引擎Unreal Engine 5進行開發，無論從實驗場景、相關儀器設備、實驗操作互動、相關流體特效及物理反饋等多方面，達到最真實的1∶1效果，且動作反饋時間3 ms、幀率25、顯示刷新率60 Hz、動畫幀數60，避免了因場景設備龐大而出現的卡頓情況，確保了運行的流暢。場景設備、模型動畫方面，采用3Dmax、Maya、ZBrush和Blender等主流開發工具進行制作，能夠將設備進行1∶1制作與還原，在對場景無任何減配的情況下，將總場景模型面數壓縮至300 000面數，采用pbr流程制作，將截圖分辨率達到2 048×2 048，最大程度還原設備的真實表面材質，最大程度接近人體工程學，方便學生對設備外觀及功能的掌握與學習。該系統采用了Mysql數據庫，能夠滿足學生地日常練習，還能夠實時地對學生的操作進行考核，考核精細到每一操作步驟，最后能夠根據考核做出評分，既方便教師對學生學習情況的掌握又使學生對專業知識有進一步的理解。

基于VR、三維虛擬仿真技術，學生可采用觀察法、拆裝法、操作法、參數設計法、控制變量法、歸納法和比較分析法等實驗方法，完成鉆探設備結構原理及金剛石鉆進的虛擬仿真實驗。

（二）? 虛擬仿真實驗設計

采用先進的教育理念和教學方法[18-19]，對虛擬仿真系統的實驗內容、教學方法及考核方法進行設計。

1）采用先進的OBE（Outcome-based Education，以產出為導向）教育理念，結合PBL（Problem-based Learning，基于問題的教學法）教學法，遵照事物認識規律進行虛擬仿真實驗設計。

以培養學生地質工程專業技術問題的分析能力、研究能力、自主學習等綜合能力，培養家國情懷為目標，采用OBE教育理念，反向設計虛擬仿真實驗的教學內容、教學方法、教學步驟和評價體系等。在提高地質工程專業實踐能力的同時，為鉆井工程應用型人才的培養奠定基礎。

將PBL教學法用于虛擬仿真實驗教學，提高學生創新意識及自主學習能力。以維果茨基的“最近發展區”原則設置實驗教學問題，使學生通過解決實驗問題得到最大收獲。在鉆機結構原理、泥漿泵結構原理、金剛石繩索取心鉆具、鉆進過程4個實驗教學環節中，設置了20個PBL實驗教學問題，學生帶著問題進行不同環節的虛擬仿真實驗，可提高實踐創新意識。

實驗步驟遵照從感性認識到理性認識事物的客觀規律。在VR軟件上，從鉆探設備、工具、鉆進系統整體入手全面認識，使學生對實驗內容從整體上建立感性認識。在實驗步驟設計中，考慮到學生的學習基礎與自學能力，難度上按照層層遞進思路。按照先認識鉆機結構原理，再認識鉆具結構，再認識井底鉆進過程的思路設計。

2）為提高虛擬仿真實驗的真實感，在實驗環境、實驗操作、仿真結果和互動教學方面進行了與真實環境逼真的虛擬仿真設計。

實驗環境仿真設計。以真實的XY-4型立軸式鉆機、BW-1型往復式泥漿泵、SG-18型鉆塔、S-75型繩索取心鉆具及Φ75 mm鉆孔結構組成的三維動態環境進行建模仿真，模擬場景與實際場景一致，提高學生身臨其境的沉浸感。

實驗操作過程仿真設計。XY-4型鉆機的操作手柄、鉆機的換擋變速、提升與下降、卡盤松緊、正反向回轉和前后移動鉆機等虛擬仿真操作與實際鉆機相同。BW-1型泥漿泵的操作手柄、變速變量等虛擬仿真操作與真實泥漿泵相同。S-75型金剛石繩索取心鉆具的拆卸與組裝、間隙調節、投放內管和打撈巖心等動作均與實際鉆具的工況相同。鉆進參數的調節，鉆進過程與真實鉆進過程一致，操作的真實感強。

實驗結果仿真設計。通過數值模擬仿真軟件的分析，鉆探設備與鉆具的工作過程、孔底鉆進過程的實驗結果，與實際實驗結果一致。實驗結果真實可靠。

師生互動教學過程仿真設計。采用PBL實驗教學方法，教師在線答疑，虛擬仿真軟件分步驟引導提示，輔以教學激勵，加深學生對知識點的理解，實現邊學邊體驗的高效互動。

3）實驗內容、教學方法及考核方法設計。基于OBE教育理念的PBL的教學法，通過VR軟件，將整個虛擬仿真實驗教學內容設計成4部分，即：鉆機結構原理實驗、泥漿泵結構原理實驗、繩索取心鉆具結構原理實驗和金剛石繩索取心鉆進過程實驗。4部分實驗內容對應的課程知識點及能力培養目標，見表1。

根據實驗內容對應的知識點和能力培養目標，進行虛擬仿真實驗教學方法及考核評價方法的設計。

XY-4型鉆機結構原理虛擬仿真實驗設計。運用機械設計原理、液壓傳動及電子檢測技術原理，構建XY-4型立軸式鉆機總體結構及主要部件內部結構、鉆機工程過程三維虛擬實驗場景，采用HTC VIVE VR套裝設備觀察鉆機三維動態場景，按照鉆機結構組成和工作過程引導學生進行實驗操作和學習。采用觀察法觀察鉆機總體結構、部件內部三維結構，采用拆裝法將鉆機拆卸成9大部件，再將部件拆卸成零件-零件組裝成部件-部件組裝成鉆機。采用操作法，按照工作過程，操作鉆機各個部件工作。采用控制變量法，調節鉆機的工作參數（鉆壓、轉速、給進速度、提升速度和下降速度等），觀察鉆機的各種工況，使學生掌握鉆機的結構組成和工作原理，及鉆機使用方法。

BW-1型往復式泥漿泵虛擬仿真實驗設計。運用機械設計原理、流體力學原理，構建BW-1型往復式泥漿泵總體結構及主要部件內部結構的三維虛擬實驗場景，采用HTC VIVE VR套裝設備觀察泥漿泵總體及部件內部三維結構及工作過程。進行泥漿泵的拆裝實驗，即將泥漿泵拆卸成部件、零件，再將零件組裝成部件，部件組裝成整機。調節泥漿泵的工作參數（流量、往復次數、泵壓），觀察泥漿泵的各種工況及吸排水工作過程，使學生掌握泥漿泵的結構組成、工作原理及工作特性，掌握泥漿泵在鉆井工程中的作用。

S-75型繩索取心鉆具虛擬仿真實驗設計。運用機械設計原理、取心鉆進原理、流體力學原理，構建S-75型繩索取心鉆具總體結構的三維虛擬實驗，采用HTC VIVE VR套裝設備，通過頭盔顯示器觀察繩索取心鉆具內部三維結構，按照繩索取心鉆具結構組成和工作過程引導學生實驗。將繩索取心鉆具拆卸成4大部件，將部件拆卸成零件，再將零件組裝成部件，將部件組裝成鉆具。采用操作法，按照鉆具工作過程，操作繩索取心鉆具各個部件工作，調節繩索取心鉆具卡簧與鉆頭臺肩的間隙、調節卡簧與巖心的接觸間隙，觀察繩索取心鉆具的總體工作情況，使學生掌握繩索取心鉆具的結構組成、工作原理，繩索取心鉆具在取心過程中的重要作用。

金剛石繩索取心鉆進的虛擬仿真實驗設計。運用機械設計、鉆探工藝學、材料學、力學和巖石破碎學的基本原理，構建金剛石繩索取心鉆進的空中、地面、地下三維虛擬實驗場景，采用HTC VIVE PRO套裝觀察金剛石繩索取心鉆進的三維動態場景，按照金剛石繩索取心鉆進工作過程引導學生實驗操作和學習。觀察金剛石繩索取心鉆進系統組成，采用拆裝法將金剛石繩索取心鉆進系統拆解成4個子系統（鉆機、泥漿泵、繩索取心鉆具和孔內破碎巖石），觀察各個系統的結構組成及工作原理。按照鉆進工作流程，操作鉆機、泥漿泵、繩索取心鉆具各個部件工作。調節鉆進規程參數（鉆壓、轉速、泵量）進行鉆進，檢測鉆進速度，觀察繩索取心鉆進的總體工作情況，采用歸納法，分析鉆進規程參數對鉆進速度的影響規律，從而使學生掌握金剛石繩索取心鉆進的工作原理，繩索取心鉆具在取心鉆進中的優越性。

虛擬仿真實驗的綜合考核評價體系設計。以實驗教學目標為導向，全面考核學生的實驗問題預習情況、實驗準備情況、實驗步驟準確性、實驗參數設計合理性和實驗報告創新性。通過結果分析與實驗效果反饋，完善實驗內容、交互方式、考核方式，提升實驗效果。實驗成績來源及占比：實驗報告40%、實驗問題預習20%、網絡學習與討論20%、實驗步驟10%和實驗參數設計10%。

三? 實驗教學過程

根據鉆探設備結構原理及繩索取心金剛石鉆進虛擬仿真實驗系統的實驗教學內容，學生通過單機實驗，教師通過終端大屏幕顯示器觀察學生實驗全過程，該實驗系統的交互性實驗教學過程如下所述。

XY-4型立軸式巖心鉆機虛擬仿真實驗。首先進行鉆機結構原理實驗，觀察鉆機總體結構，拆卸、安裝鉆機的7個主要部件，認識鉆機結構原理，認識機械傳動系統和液壓傳動系統的工作原理。并正確操作鉆機，調節鉆機工作參數。鉆機的拆裝與操作有誤時，虛擬仿真實驗系統無法繼續模擬，需要重新規劃操作流程，或者返回上一界面重新學習相關實驗內容，再進行鉆機的虛擬仿真實驗，直至正確完成鉆探設備部件結構拆裝及鉆機操作實驗。

BW-1型往復式泥漿泵虛擬仿真實驗。進行往復式泥漿泵的結構原理實驗，觀察泥漿泵總體結構，拆卸、安裝往復泵的動力端與液壓端，認識泥漿泵結構與工作原理，往復泵主要部件的結構原理及往復泵的工作特性，并正確操作泥漿泵。泥漿泵的拆裝與操作有誤時，重新規劃操作流程，重新學習實驗內容，再進行洗泥漿泵的虛擬仿真實驗，直至正確完成泥漿泵部件結構拆裝及操作實驗。

S-75型繩索取心鉆具虛擬仿真實驗。觀察繩索取心鉆具總體結構，拆卸、安裝鉆具所有零部件，認識繩索取心鉆具總體結構，零部件結構及鉆具的工作原理，并正確操作和使用鉆具。鉆具的拆裝與操作有誤時，重新規劃操作流程，返回上一界面重新實驗，直至正確完成鉆具部件結構拆裝及操作實驗。

金剛石繩索取心鉆進虛擬仿真實驗。通過拖拽交互式的實驗操作，進行金剛石繩索取心鉆進實驗，并根據地層特性、鉆具類型調節鉆進規程參數（鉆壓、轉速、沖洗液流量），檢測鉆進規程參數及鉆進速度，并對鉆進結果進行歸納分析，得到鉆進參數對鉆進效率的影響規律。鉆進操作有誤時，需要重新規劃操作流程，返回上一界面重新學實驗，直至正確完成金剛石繩索取心鉆進虛擬仿真實驗。

根據實驗內容、實驗操作過程及鉆進實驗結果，撰寫并生成實驗報告。

四? 結束語

基于VR的鉆探設備結構原理及金剛石鉆進過程虛擬仿真實驗教學系統，完成了地質工程專業鉆探設備、鉆探設備課程設計和鉆探工藝學等專業核心課程難以完成的實驗教學。該虛擬仿真實驗系統結合鉆探設備、鉆探工藝方面最新科研成果和實際工程案例，通過模塊化設計了真實實驗做不到的實驗教學內容，以虛補實，虛實結合，使地質工程專業實踐教學不受時空、作業危險及經費等的限制，虛擬實驗構建了更完備的地質工程專業課程實驗教學體系。構建虛擬3D實驗場景，通過單機和VR頭盔顯示器，使學生沉浸于人機交互的3D作業環境，掌握實驗內容，提高實踐技能。鉆探設備結構原理及鉆進過程虛擬仿真實驗系統已在地質工程專業三屆本科生實驗教學中應用，實踐表明，虛擬仿真實驗系統使學生在實驗室可親身體驗鉆探設備整機及部件內部結構原理、繩索取心鉆具內部結構原理，體驗加接與擰卸鉆桿、調整鉆進參數、金剛石鉆頭井底碎巖鉆進和投放與打撈巖心管等鉆探施工全過程，體驗異常鉆探工況，實現課程的理論與實踐的有機結合，加深了對專業理論知識的理解，拓展了創新思維，提高了實踐創新能力。

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基金項目：吉林省教學改革重點課題暨吉林大學本科教學改革研究重點項目“鉆探設備課程PBL教學法研究”（2017XZD060）；吉林省高等教育教學改革研究課題暨吉林大學本科教學改革研究重點項目“基于OBE理念的鉆探設備金課建設”（2019XYB212）；吉林大學本科教學改革研究重點項目“鉆探設備系列課程研究性教學模式改革”（2021XZD043）；吉林大學本科教學改革研究項目“面向產出的地質工程專業課程質量評價體系研究與實踐”（2019XZD049）

第一作者簡介：趙大軍（1964-），男，漢族，山東蓬萊人，博士，教授，地質工程實驗教學中心主任，博士研究生導師。研究方向為復雜地層鉆探技術。