虛實(shí)結(jié)合的海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的構(gòu)建

徐加放, 王志遠(yuǎn), 高永海, 倪玲英, 付 靜, 李成華, 孫寶江, 劉 剛

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

虛實(shí)結(jié)合的海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的構(gòu)建

徐加放, 王志遠(yuǎn), 高永海, 倪玲英, 付 靜, 李成華, 孫寶江, 劉 剛

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

分析了海洋油氣工程的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的難點(diǎn),提出了“依托現(xiàn)有、建設(shè)特色、虛實(shí)結(jié)合、功能完善、本碩共享、注重實(shí)效”的海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)思路,規(guī)劃了建設(shè)內(nèi)容,建設(shè)了海洋油氣工程工藝實(shí)踐仿真實(shí)驗(yàn)室和深水特色實(shí)驗(yàn)室——水合物形成與分解實(shí)驗(yàn)室和深水油氣流動保障實(shí)驗(yàn)室,構(gòu)筑了有利于提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的虛實(shí)結(jié)合的海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺。

海洋油氣工程； 實(shí)踐教學(xué)平臺； 能源安全

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源消耗量巨大。2014年,我國進(jìn)口原油3.1億t,我國的原油對外依存度達(dá)到59.6%[1]。然而,我國海洋面積廣闊,海洋資源豐富。僅南海石油儲量就超過240億t、天然氣儲量超過16萬億m3,并儲有大量天然氣水合物[2-3],南海已成為我國當(dāng)前最具潛力的油氣接替產(chǎn)區(qū)和油氣產(chǎn)能建設(shè)的重要組成部分。但南海油氣大部分埋藏于水深超過1 000～1 500 m的深水海域,油氣開發(fā)的難度極大。深水油氣勘探開發(fā)對設(shè)備和技術(shù)的要求遠(yuǎn)高于陸地,開發(fā)的技術(shù)手段也與陸地存在很大差異。為培養(yǎng)我國高層次的海洋油氣開發(fā)技術(shù)人才,加快我國海洋油氣的勘探開發(fā),加速我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施的進(jìn)程,在教育部2012年9月頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》(教高[2012]9號)中,將“海洋油氣工程”列為154個特設(shè)專業(yè)之一[4]。中國石油大學(xué)(華東)是我國首批設(shè)立“海洋油氣工程”專業(yè)的高校,該專業(yè)隸屬于國家一級重點(diǎn)學(xué)科——石油與天然氣工程。但海洋油氣開發(fā)與陸地開發(fā)存在諸多不同,給海洋油氣工程專業(yè)的實(shí)習(xí)、實(shí)踐帶來了很多困難[5]。

1 海洋油氣工程的特點(diǎn)與實(shí)踐教學(xué)的難點(diǎn)

海洋油氣工程與陸地上傳統(tǒng)的石油工程有巨大差別,而非簡單地將陸地設(shè)備移到海上這么簡單[6-8]。

1.1 我國海洋油氣開發(fā)技術(shù)人員缺乏、經(jīng)驗(yàn)不足

近年來,我國海洋油氣鉆探技術(shù)發(fā)展迅速,但與發(fā)達(dá)國家相比,由于起步較晚,特別是深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)、設(shè)備和人員數(shù)量等方面均落后于發(fā)達(dá)國家。早在20世紀(jì)70年代,國外海洋油氣勘探已進(jìn)入深水區(qū)域(國際公認(rèn)水深超過500 m為深水,水深超過1 500 m為超深水)；2003年,雪佛隆-德士古公司在墨西哥灣水深超過3 000 m的海域完成了鉆井作業(yè)。而我國一直到2006年才完成第一口超深水井LW3-1-1井,且其技術(shù)設(shè)備全部為租借；2012年,我國具有完全知識產(chǎn)權(quán)的第六代超深水鉆井平臺“海洋石油981”下水,標(biāo)志著我國正式進(jìn)入超深水勘探開發(fā)時期[9]。

目前,世界每年的海洋油氣產(chǎn)量約為16億t,其中5億t來自深水油田。我國海洋油氣產(chǎn)量約5 000萬t/年,但在2013年之前深水區(qū)域油氣產(chǎn)量幾乎為零。世界上深水鉆井平臺有200多座,而我國只有1座(COSLPROSPECTOR正派往南海)。深水鉆井的數(shù)量少,經(jīng)驗(yàn)不足,特別是人力資源不足。該問題不僅體現(xiàn)在工程技術(shù)和現(xiàn)場施工,同時也體現(xiàn)在高層次工程技術(shù)人員的培養(yǎng)方面。2011年之前,我國還沒有開設(shè)海洋油氣工程本科專業(yè),2015年以前,還沒有招收海洋油氣工程專業(yè)的研究生。技術(shù)與人才的缺乏是制約我國海洋油氣工程技術(shù)走向深水的重要原因。

1.2 海洋油氣平臺技術(shù)要求更高,資金密集

海洋油氣平臺的建造成本非常高,例如我國自行研制的第一座深水半潛式鉆井平臺“海洋石油981”的總造價近60億元。海洋油氣開發(fā)的日常投入也非常巨大,2014年4月—7月,“海洋石油981”在我國西沙海域鉆探時的費(fèi)用約為500萬元/天；如果租賃國外設(shè)備,則每天的費(fèi)用至少需要100萬美元。由于海洋油氣開發(fā)高昂的設(shè)備建造成本和運(yùn)行費(fèi)用,對設(shè)備的質(zhì)量和技術(shù)也就提出了更高的要求。通常,海洋油氣開發(fā)設(shè)備的質(zhì)量應(yīng)最穩(wěn)定、技術(shù)應(yīng)最先進(jìn),設(shè)計工作年限為30年以上。因此,海洋油氣勘探施工過程中不可能停下來接待學(xué)生實(shí)習(xí),而高校也沒有資金建造海洋油氣平臺以供學(xué)生實(shí)習(xí)。

1.3 海洋油氣平臺空間狹小,容納能力有限

受建造成本、操作、運(yùn)輸?shù)鹊南拗?海洋油氣平臺建造面積盡可能地小。一座移動式海洋鉆井平臺的面積與一個標(biāo)準(zhǔn)足球場大小差不多,雖然看起來并不小,但由于設(shè)備數(shù)量多、體積大,也必須將其空間高效利用,一般需要進(jìn)一步分成3～4層才能完成所有設(shè)備的安裝和生活區(qū)、停機(jī)坪等的建造。因此,其有限的空間也不可能接納很多學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)。

1.4 海洋油氣工程實(shí)踐潛在風(fēng)險大

陸地油氣開發(fā)可以在地面直接進(jìn)行,而海上油氣開發(fā)則需要專門的設(shè)備——海洋油氣平臺。海洋油氣平臺又可以根據(jù)其功能分為鉆井平臺和生產(chǎn)平臺。淺水海域可以使用固定式平臺,如自升式平臺、導(dǎo)管架平臺等,而深水海域則必須使用移動式平臺,如半潛式平臺、Spar平臺、FPSO等。

海洋油氣開發(fā)具有高風(fēng)險性,在英國北海油田、墨西哥灣中都曾發(fā)生過鉆井平臺的重大事故。不僅海洋油氣開發(fā)的風(fēng)險巨大,海洋油氣開發(fā)設(shè)備的建造過程也存在很多不安全因素。因此,學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)踐不可能在海洋油氣平臺上進(jìn)行,即使是在設(shè)備制造企業(yè)實(shí)習(xí),安全也成為企業(yè)顧忌的最大問題,實(shí)習(xí)難免是走馬觀花而不能深入。

1.5 設(shè)備在水下的工作環(huán)境隱蔽,油氣設(shè)備操作復(fù)雜

海洋油氣工程施工過程中,大量設(shè)備需要安裝在泥線附近的井口處,工作于幾百米到幾千米的水下,看不見、摸不到,再加上洋流的沖擊,安裝設(shè)備需要很長時間。為了節(jié)省作業(yè)時間,對水下設(shè)備的技術(shù)要求很高,操作也非常復(fù)雜,這也極大地增加了學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的難度。

2 海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)的內(nèi)容

針對海洋油氣工程的特點(diǎn),制定了海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)思路,即:依托現(xiàn)有、建設(shè)特色、虛實(shí)結(jié)合、功能完善、本碩共享、注重實(shí)效。

建設(shè)的主要內(nèi)容如圖1所示。

3 海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)效果

3.1 海洋油氣工程平臺的認(rèn)識

平臺是海洋油氣設(shè)備的載體,也是工程技術(shù)人員工作、生活的場所。熟悉平臺的結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)備布置,對于學(xué)生快速進(jìn)入工作狀態(tài)、安全生產(chǎn),以及遇險逃生等都有重要意義。我校通過“三步走”的方式,提高學(xué)生對海洋油氣平臺的認(rèn)識和了解。

首先是建立海洋油氣平臺的概念。通過與中海油海洋石油工程(青島)有限公司、煙臺中集來福士海洋工程有限公司等建立戰(zhàn)略合作機(jī)制,公司接收學(xué)生的認(rèn)識實(shí)習(xí),使學(xué)生初步建立海洋油氣平臺的印象和概念。

其次,與專業(yè)化公司合作,制作可操作的海洋油氣平臺模型。這些模型不僅可以演示深水油氣作業(yè)的各種工藝,同時采用模塊化設(shè)計,將其分割成多個模塊,每個模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行,便于學(xué)生對海洋油氣平臺的結(jié)構(gòu)和功能有進(jìn)一步了解。

第三步是組織學(xué)生進(jìn)行海洋油氣平臺設(shè)計大賽,每年舉行一次,通過比賽,深化學(xué)生對平臺的認(rèn)識和認(rèn)知。

圖1 海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)內(nèi)容

3.2 建立深水特色實(shí)驗(yàn)室

在石油工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等傳統(tǒng)陸上石油工程實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上,建立具有深水特色的實(shí)驗(yàn)室,提高學(xué)生對深水油氣鉆探、開采、管道運(yùn)輸?shù)幕驹砗蛯I(yè)知識的理解。目前建設(shè)的實(shí)驗(yàn)室主要有水合物形成與分解實(shí)驗(yàn)室和深水油氣流動保障模擬實(shí)驗(yàn)室。

水合物是天然氣體與水在低溫、高壓條件下形成的籠型冰狀固體,又稱“可燃冰”。地球上儲存有大量的天然氣水合物,其天然氣儲量比石油和煤炭的總儲量還多,其中絕大部分埋存于深水海域。水合物是一種寶貴的資源,但是也會對深水鉆井、油氣生產(chǎn)和管道運(yùn)輸造成極大危害,甚至危及到平臺安全和工程技術(shù)人員的生命。了解天然氣水合物形成和分解的基本原理,對于水合物的開發(fā)與災(zāi)害防治有著重要意義。水合物形成與分解模擬實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置如圖2、圖3所示。

由于深水油氣田遠(yuǎn)離大陸,油氣需要經(jīng)過長距離的水下管道運(yùn)輸才能到達(dá)陸地。在水下的鉆探、開采和管道運(yùn)輸過程中,可能會出現(xiàn)油、氣、水、砂、水合物等其中兩相或者多相共同流動的情況。在出現(xiàn)兩相或多相流動時,則可能出現(xiàn)霧狀流、泡沫流、段塞流,也可能造成管路堵塞。段塞流和管路堵塞不但嚴(yán)重影響油氣生產(chǎn)和管道運(yùn)輸,且存在極大的安全隱患。而深水油氣堵塞的排除和管路維護(hù)的技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜、成本高。因此,了解油氣流動狀態(tài)、保障油氣井正常生產(chǎn)和管道運(yùn)輸順利,對深水油氣田生產(chǎn)開發(fā)十分重要。深水油氣流動保障模擬實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

3.3 海洋油氣工程工藝實(shí)踐仿真實(shí)驗(yàn)室

計算機(jī)仿真作為一種研究、實(shí)驗(yàn)和培訓(xùn)手段,具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,幾乎可以應(yīng)用于任何一種工程或非工程領(lǐng)域[10-11]。它是以計算機(jī)作為載體、應(yīng)用先進(jìn)的專業(yè)仿真軟件,在虛擬條件下對實(shí)際物理過程進(jìn)行仿真。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,包括教學(xué)和科研。

圖3 水合物實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 深水油氣流動保障模擬實(shí)驗(yàn)裝置

對于環(huán)境隱蔽的海洋油氣開發(fā)的過程,可以利用計算機(jī)仿真來實(shí)現(xiàn)。計算機(jī)仿真不僅可以虛擬實(shí)現(xiàn)各種水下工藝流程,進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn),也可以進(jìn)行實(shí)際操作訓(xùn)練和通過改變有關(guān)參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計實(shí)驗(yàn),同時還可以作為全日制專業(yè)碩士研究生的實(shí)訓(xùn)平臺。圖5為海洋油氣工程工藝仿真的部分截屏圖。

4 結(jié)束語

加快海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè),有利于培養(yǎng)海洋油氣工程創(chuàng)新型人才,為我國海洋油氣開發(fā)輸送優(yōu)秀的高層次專業(yè)技術(shù)人才,加速實(shí)現(xiàn)我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略,保障我國能源安全。海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺投入使用后,還應(yīng)調(diào)動教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的積極性,重視對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的個性化指導(dǎo),發(fā)揮學(xué)生主觀能動性,全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。此外,還應(yīng)加強(qiáng)校企的交流與合作,積極引進(jìn)企業(yè)高級技術(shù)人才,集地方政府、企業(yè)和學(xué)校三方的資源優(yōu)勢,充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新實(shí)踐能力的作用。

圖5 海洋油氣工程工藝仿真部分截屏圖

References)

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Construction of virtual-actual practical teaching platform of offshore oil & gas engineering

Xu Jiafang, Wang Zhiyuan, Gao Yonghai, Ni Lingying, Fu Jing, Li Chenghua, Sun Baojiang, Liu Gang

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The distinguishing features and difficulties in laboratory building of offshore oil & gas engineering are pointed out, and the constructing thinking teaching platform is developed, which is based on “Existence, construction of the unique features, virtual-actual combination, perfect functions, under-and post-graduate students sharing, and improvement of the efficiency.” The offshore oil & gas engineering processing virtual laboratory and deepwater featured laboratory are built, which are the hydrate forming & decomposing laboratory the and deepwater oil & gas flowing assuring laboratory. So a virtual-actual practical teaching platform for offshore oil & gas engineering students was built at last.

offshore oil & gas engineering; practical teaching platform; energy safety

2015- 05- 05

“973”項(xiàng)目(2015CB251200)；中國石油大學(xué)(華東)重點(diǎn)教改項(xiàng)目(JY-A201414；YJ-A1403),山東省研究生教育創(chuàng)新計劃項(xiàng)目(SDYY15135)

徐加放(1973—),男,山東陽信,博士,副教授,研究生導(dǎo)師,中國石油大學(xué)海洋油氣工程系主任,主要從事深水鉆井液技術(shù)、水合物開發(fā)與防治等實(shí)驗(yàn)與分子模擬研究.

E-mail：xjiafang@upc.edu.cn

F253.2

B

1002-4956(2015)12- 0112- 04