石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐

王永友，王 琨，郭昭學，王其軍，呂棟梁

石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體系建設與實踐

王永友，王 琨，郭昭學，王其軍，呂棟梁

（西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

由于受工況條件的約束和限制，與石油及天然氣工程技術相關的實驗和工程實踐技能訓練，無法在常規實驗室完成，此外由于油田現場因高危、高風險等極端工作環境，也無法接納學生開展實驗或實訓，因此虛擬仿真是開展石油與天然氣工程技術實驗教學和工程實踐技能訓練的有效途徑。以西南石油大學油氣開發國家級虛擬仿真實驗教學中心建設為例，介紹其教學資源應用案例、教學體系、教學實踐與認識。

石油與天然氣工程；虛擬仿真；教學體系；實驗教學

目前，隨著國際油氣資源競爭日趨激烈，以及油氣勘探開發難度的不斷加大，為了提高勘探開發進度，降低開采成本，石油與天然氣工程領域不斷采用及推廣新技術、新設備、新工藝。這種工業需求形勢對高校培養石油與天然氣工程相關專業的技術人才提出了新的要求[1-2]，即高校在人才培養的過程中，除應讓學生掌握扎實的專業理論知識，還應使學生受到系統規范的工程技能訓練，熟悉未來復雜的工作環境和要求；畢業生到企業的相關崗位后，在工作中能理論聯系生產實際，發揮創造性，提高生產效率[3-4]。實踐證明，全面系統的課堂理論教學與專業實驗和工程實踐技能訓練的有機結合，是提高人才培養質量的有效方式，而虛擬仿真是開展石油與天然氣工程技術實驗教學和工程實踐技能訓練的有效途徑。

1 石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學系統

1.1 虛擬仿真實驗教學系統研發的必要性

石油與天然氣工程技術是解決如何將幾千甚至近萬米深的地下油氣資源經一條人工建立的通道采到地面，并經地面管道和集輸站場分配和處理的相關技術，涉及油氣鉆井工程、油氣開采工程、油藏工程、油氣儲運工程、流體力學等專業領域。由于工程作業往往涉及沙漠、戈壁、海洋等惡劣工作環境，以及具有高溫高壓（如有時溫度高達200 °C，壓強超過100 MPa）的深部地層、小尺寸井眼等地下不可及環境，同時油氣勘探開發不僅涉及大型的工程施工，還涉及微觀的多孔介質特性以及流體的滲流規律研究和分析，由于油氣勘探作業和生產事故具有典型的不可逆性，加之油氣產品具有易燃、易爆、易擴散，甚至具有有毒成分（如含H2S、SO2）等特殊性，便形成了油氣鉆、采、輸作業的高投入、高風險、工藝復雜、要求理論與實踐經驗緊密結合的工程技術特點。

在人才培養過程中，與石油和天然氣工程技術相關的部分實驗和工程實踐技能訓練由于各種工況條件的約束和限制，無法在常規實驗室完成，而生產現場由于高危、高風險環境，現代化的大重型機械設備密集，對于沒有任何工作經驗的學生而言，受到意外傷害的可能性較大，如果操作失誤，可能引起巨額的經濟損失和嚴重的社會公共安全事故，因此也無法接納學生實驗或實訓[5]。為了彌補石油與天然氣工程相關專業實踐教學所存在的不足，利用虛擬現實技術、仿真技術、多媒體技術、人機交互技術、數據庫技術和網絡技術等與油氣工業勘探開發工程實際相結合，開展虛擬仿真實驗實踐教學[6]，是開展石油與天然氣工程相關專業的實驗實踐教學并避免環境惡劣、規模大、投資大、風險高的有效途徑。

1.2 虛擬仿真實驗教學系統研發

20世紀90年代，為了適應新的專業理論教學和工程實踐能力培養的需要，我校成立研發團隊，自主研發功能更完備的鉆井工程模擬器，成為鉆井工程及相關專業重要的實踐教學裝備。2000年以來，學校依托油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室、石油與天然氣工程國家一級重點學科、石油工程和油氣儲運等國家級特色專業、石油與天然氣工程國家級教學團隊、石油與天然氣工程國家級實驗教學示范中心以及四川省石油工程計算機模擬技術重點實驗室的建設以及在國家“863”項目支持下，順應我國石油工業的發展和油田繼續教育的需要，著重致力于石油工程與石油裝備的模擬與仿真系統研發，開發了一系列油氣虛擬仿真教學資源，建成了集油氣鉆、采、輸一體化的油氣開發虛擬仿真實驗教學平臺，取得了如下典型應用 成果。

1.2.1 油氣鉆井虛擬仿真系統

油氣鉆井工程是投資大、風險高、技術密集的地下工程，要安全、高效地建立一條優質的油氣流動通道，涉及多工種協同作業。與此相關的實驗項目、實踐技能訓練因規模大、設備多、消耗高、風險大無法在常規實驗室完成，也無法在生產現場重復或再現[7]，如井噴的理論與現場處理技能、井下復雜事故處理的理論和實踐技能等。

通過對油氣鉆井虛擬仿真系統的交互操作和對儀器儀表顯示數據，虛擬作業環境中出現的異常現象及相關設備工作狀況的觀察，使學生理解并掌握鉆井基本工藝過程、井筒及地層流體流動原理和溢流過程、井筒巖屑清除原理以及常規鉆井、關井壓井原理和井下事故處理流程、欠平衡鉆井及控壓鉆井等特殊工藝鉆井井底壓力控制原理、地面特殊裝備等知識。

1.2.2 油氣開采虛擬仿真系統

油氣開采工程擔負著使地層中的油氣穩定、高效、持久地從地層流到井底，并從幾千米深的井底有控制地舉升到地面的重任。涉及酸化、壓裂等大型的地層改造工程、不同埋藏深度的復雜流體的滲流規律以及流體被舉升至地面的配套技術及維持井筒生產壽命與安全修井等技術。許多與生產密切相關的實驗及實訓項目由于規模大、高溫、高壓、腐蝕、毒性等無法在常規教學實驗室進行。通過油氣開采虛擬仿真系統對模擬設備的交互操作、儀器儀表顯示數據、虛擬作業環境中出現的異常現象及相關設備工作狀況的觀察，使學生理解油氣井井筒出現的多相管流流動形態、對比多相流動計算模型的準確性、模擬與診斷人工舉升方式（氣舉、電潛泵、有桿泵、射流泵等）工作狀態、模擬排水采氣過程與注水工程等知識點。

1.2.3 油氣儲運虛擬仿真系統

油氣儲運工程是連接油氣開采和終端用戶的紐帶，涉及油氣的收集、站場處理和儲存等技術。油田內的油氣管網長度高達數千公里甚至上萬公里，還有大量不同規模和類型的油氣處理站場和油庫等。與此相關的實驗及實訓項目，如壓縮機和泵的啟停、油氣管道的泄漏應急處理、復雜管網系統的運行操作、油庫的收發油作業、油氣管道和設備的腐蝕過程、油氣凈化處理等因規模大、風險高無法在常規實驗室開展，受企業生產制度和安全方面的限制，也無法在企業現場實際操作。通過油氣儲運虛擬仿真系統對模擬設備的交互操作、儀器儀表顯示數據、虛擬作業環境中出現的異常現象及相關設備工作狀況的觀察，可使學 生理解油氣集輸管道系統、油氣集輸站場工藝、油氣長輸管道工藝、LNG接收終端工藝、油庫工藝等知識，掌握油氣集輸設備布局、設備內部結構及原理、設備操作、維護、相關工藝操作技能和常見事故處理等 知識。

2 石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體系構建

2.1 油氣開發虛擬仿真實驗教學中心的建設情況

我校石油與天然氣工程實驗教學中心依托石油與天然氣工程國家一級重點學科于2007年批準建設，2013年成功申報為國家級實驗教學示范中心，該示范中心下設油氣開發虛擬仿真實驗教學中心，并于2014年成功申報為首批國家級虛擬仿真實驗教學中心（以下簡稱“中心”）。中心由學校與示范中心二級管理，學校負責總體規劃與建設，示范中心負責日常管理和實驗教學工作。目前，中心擁有4個實體平臺，8個實驗分室，實驗室面積達1000 m2以上，中心組織機構如圖1所示。

圖1 油氣開發虛擬仿真實驗教學中心組織機構

2.2 石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體系建設

隨著油氣勘探開發難度的不斷加大，油氣工程領域要求學生具備扎實的專業理論知識、系統規范的工程技能和在復雜工作環境下的實踐動手能力和創新能力。為滿足人才能力培養需求，油氣開發虛擬仿真實驗教學中心貫徹“以學生為本”和“厚基礎、強實踐、重創新”的人才培養理念，以及“知識傳授、能力培養、素質提高協調發展”的教育理念和“以能力培養為核心”的實驗教學觀念[8-9]，始終堅持循序漸進、逐步提高、分層培養、注重個性的實驗教學方法，不斷調整和優化實驗教學內容和方法。經過多年的建設，逐漸形成了分層次、模塊化、重基礎、強能力的人才培養模式[10-12]，建立起了一套布局合理、教學效果優良、開放共享有效，并與石油與天然氣工程一級國家重點學科以及行業特點相適應的、能支撐對學生實踐能力和創新能力培養的實驗教學體系（見圖2）。

圖2 油氣開發虛擬仿真實驗教學中心教學體系

基于半實物仿真的系列仿真模擬操作平臺主要承擔鉆井工藝仿真模擬訓練、油氣開采仿真模擬訓練和油氣集輸仿真模擬訓練，與相關課程匹配，屬于基礎教學，重點培養學生對基本理論和技能的掌握。基于三維嚴肅游戲理論的虛擬仿真操作平臺屬于綜合提高平臺，主要用于案例教學，對油氣鉆采輸過程中遇到的典型事故開展交互和漫游式井控虛擬訓練、油氣開采安全事故以及應急預案仿真訓練，重點培養學生的動手能力和安全意識。基于虛擬現實和工程實際的仿真操作及開發平臺屬于創新平臺，用于開展對學生實踐動手能力和探索創新能力綜合培養，具有實戰化特點，教學內容與油田生產實際結合緊密，并允許學生利用該平臺開展具有個性化的創新實驗和設計研究。該平臺主要承擔鉆井工程設計及分析虛擬教學訓練、海洋油氣開發工藝虛擬教學訓練、地下工程及井筒作業虛擬教學訓練。虛擬或仿真實驗教學平臺的合理利用可以有效地彌補常規實驗教學存在的不足，從而實現理論教學與實驗教學的有機統一。

3 虛擬仿真實驗教學實踐與體會

油氣開發虛擬仿真實驗教學中心堅持傳授知識、培養能力、提高素質協調發展，注重對學生探索精神、科學思維、實踐能力、創新能力的培養。中心堅持以學生為本，將實驗教學與理論教學有機結合，采用先進實驗教學手段，改進實驗教學方法。從人才培養體系整體出發，建立以能力培養為主線，分層次、多模塊、相互銜接的科學系統的實驗教學體系，與理論教學既有機結合又相對獨立。

3.1 石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學實踐

油氣開發虛擬仿真實驗教學中心遵循虛實結合、能實不虛的原則，依托鉆井與完井工程、采油工程、氣藏工程、油藏工程、油氣集輸工程等專業核心課程，用集油氣鉆、采、輸為一體的虛擬仿真實驗教學系統設計實驗，對鉆完井、油氣開發、開采、集輸等實踐中的復雜工程問題開展虛擬仿真教學，學生通過實踐操作、現象觀察、數據分析處理及信息綜合歸納，得到合理有效的結論，從而提升學生理論研究水平、工程實踐能力和創新能力。

中心為石油工程專業、油氣儲運工程專業、海洋油氣工程專業等5個專業開設了實驗課程，涉及11門課程，每年受益的學生達 1200 余人，人時數達到21 000學時，實驗開出率高，教學效果良好，在人才培養中發揮了重要的作用。同時，面對石油與天然氣行業發展形勢，根據油氣開發領域人才能力培養需求，中心積極開展實驗教學改革，不斷豐富完善教學平臺資源，根據現有教學資源及建設規劃，不斷修訂、完善實驗教學大綱和實驗教材，并精心設計相關課程的實驗項目、典型的油氣鉆、采、輸方向課程的實驗項目等（見表1）。

表1 實驗項目列表

中心開設的虛擬仿真實驗分為基礎性、綜合性、創新性3個層次，基礎性實驗主要為課內實驗項目，與相關課程配套，重在驗證理論知識，掌握實驗基本技能；綜合性實驗主要為生產實習、課程設計、畢業設計等課程的實訓及實踐項目，重在強調各學科間知識和技能的綜合運用；創新性實驗主要為石油工程設計大賽、SPE實驗技能大賽、創新創業設計大賽等提供支持，重在培養學生的創新思維。基礎性實驗與對應理論教學同步進行，綜合性、創新性實驗獨立開課，不以產生原創性實驗結果為目標，采用教師命題和學生自由設計兩種模式。

近年來，中心搭建創新創業平臺，以“項目導向、競賽為先、促學帶練、產出成果”為思路，精心營造濃厚科創氛圍，吸引大量學生參與到創新創業活動中來，在各類活動中幫助學生砥礪思想、交流展示、鍛煉能力，在學科基礎、實踐動手能力、創新能力等方面均得到了很大的提高。近三年，中心平臺服務的學生課外開放實驗、創新性項目、獲得各類省部級以上獎勵、申請并授權專利、發表學術論文等成果逐年增長，成績喜人（見圖3），如學生在歷屆全國石油工程設計大賽中均囊括半數以上的一等獎。

圖3 油氣開發虛擬仿真實驗教學中心學生成果

中心面向全校學生開放，平均每年近千人參與。用人單位評價“畢業生綜合素質好，基礎扎實，動手能力強，具有很強的工程實踐能力和創新能力”。

3.2 石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學體會

中心將現代信息技術、現代工程教育理論與石油工程相關理論教學、現場操作工藝和技能要求進行有機結合，建設集油氣鉆、采、輸一體化的虛擬仿真實驗教學平臺，形成信息容量大、多向演示、模擬生動、身臨其境、人機互動的實驗和實踐技能訓練平臺，使學生能夠在有限的空間和時間內，在安全的實驗實訓過程中，快速、全面掌握油氣開發工程技術領域涉及的理論知識及實踐操作技能。

根據中心建設思路和整體規劃，今后將持續加強硬件建設，如中心環境的升級改造、先進儀器設備的引進與開發等，同時不斷豐富軟件內容，如教學資源開發、實驗教學改革、實驗信息化平臺完善、師資隊伍培養、建設成果及經驗交流等。為充分發揮虛擬實驗教學平臺的作用及受益面，還將進一步擴大共享范圍和完善共享方式，加大科研成果向實驗教學資源轉化力度，不斷擴充和豐富虛擬仿真實驗教學資源并擴大資源的產品化程度，進一步完善實驗室信息化、網絡化管理運行平臺，開發面向社會開放的遠程虛擬實驗教學資源，逐步開展移動實驗平臺建設，在現有的IOS和Android等主流移動平臺上開發部分典型的虛擬仿真實驗教學資源[13-14]。

通過上述措施，使得油氣開發虛擬仿真實驗教學中心的內涵建設不斷得以加強，人才培養質量穩步提升，形成融“工程背景認識”“專業理論實驗”“單項或綜合操作技能訓練”為一體的工科理論與實踐有效結合的分段式、立體化、同時滿足石油工程通識教育與專業技能人才需求的人才培養體系、教學質量保障體系以及評價體系，形成油氣開發領域虛擬仿真實驗教學公共教育平臺。

4 結語

在高校實驗教學改革新形勢下，面對石油與天然氣行業發展形勢，我校油氣開發虛擬仿真實驗教學中心在建設中積極探索虛擬仿真實驗教學的內容和形式，理解和把握“虛實結合、相互補充、能實不虛”建設的基本原則，堅持以學生為本，采用先進信息技術手段，不斷豐富完善實驗教學資源，改進實驗教學方法，推動實踐創新[15]，以滿足油氣開發相關專業人才基本技能和實踐動手能力培養、考核及安全教育的需要。

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[13] 教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知: 教高司函[2013]94號[Z]. 2013.

[14] 國家中長期教育改革和發展規劃綱要工作領導小組辦公室.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020 年) [EB/ OL]. [2010-07-10]. http://baike.so.com/doc/5284635-5621050. html.

[15] 劉澤良.發揮虛擬實驗室建設對實驗教學的促進作用[J].實驗技術與管理，2011, 28(7): 193–194, 197.

Construction and practice of virtual simulation experiment teaching system for petroleum and natural gas engineering

WANG Yongyou, WANG Kun, GUO Zhaoxue, WANG Qijun, Lü Dongliang

(School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Due to the constraints and limitations of working conditions, some experiments and practical training related to petroleum and natural gas engineering technology can’t be carried out in conventional laboratories. In addition, because of the high-risk and extreme working environment, students can’t be admitted for the experiment or training in the oilfield. Therefore, virtual simulation is an effective way to carry out the experimental teaching and engineering training for petroleum and natural gas engineering technology. Taking the construction of the national virtual simulation experimental teaching center for oil and gas development in Southwest Petroleum University as an example, this paper introduces its application case for teaching resource, teaching system, teaching practice and understanding.

oil and gas engineering; virtual simulation; teaching system; experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0023-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.006

2019-04-16

王永友（1979—），男，貴州湄潭，碩士，實驗師，主要從事虛擬仿真實驗教學工作。E-mail: 9462517@qq.com