虛擬仿真技術在鉆井工程實踐教學中的應用*

張 碩，張君濤，陳子恒，張 磊

(西安石油大學實驗室管理處，陜西 西安 710065)

隨著我國信息化水平的不斷提高，信息技術正逐步的進入各類教育領域。虛擬仿真技術是我國信息化戰略在教育領域的重要體現，目前虛擬仿真技術已經應用在高校的各類課程教學中，有效的補充了一般實驗教學無法完成的教學內容。石油與天然氣領域相關的實驗實踐環節往往具有高消耗，高危險，高成本的特點，因此對石油工程相關專業采用虛擬仿真技術模擬實驗和實踐教學是非常有效且有必要的。

1 鉆井工程教學現狀

鉆井工程是石油工廠相關專業中的核心課程，通過鉆井工程的學習，學生可以了解鉆井機械、鉆井液、鉆井地質等相關內容，目前，鉆井工程課程主要存在以下問題：(1)課程定位不清晰，重視程度不夠；(2)實踐環節較少，具體實例操作演示不足；(3)只有以PPT形式授課，教學方式單調，難以激發學生的學習興趣。[1]針對鉆井工程，并沒有一門適合的實驗課程，且相關的生產實習也往往只能走馬觀花，甚至沒有辦法靠近鉆井平臺，無法讓學生親身體驗到鉆井工程的設備、工藝等。因此，有必要通過虛擬仿真技術，把計算機軟件與鉆井工程有效的結合起來，使學生可以切身體會井場的現場狀況和鉆井的工藝、設備以及事故的處理等，從而提高鉆井工程課程的教學質量。

2 鉆井井控虛擬仿真實踐教學平臺建設

虛擬仿真技術是在多媒體、虛擬現實、人機交互、網絡、通信等技術不斷發展的基礎上，將仿真技術與虛擬現實等技術相結合而產生的更高層次的仿真技術，具有4個基本特性(1)沉浸性。使用者可以產生身臨其境的感受；(2)交互性。虛擬仿真系統可以實現對人的操作給與實時反應；(3)虛幻性。環境是虛擬仿真系統構建的；(4)逼真性。虛擬環境給人的感覺與所模擬的客觀世界非常相像，當人以自然行為作用于虛擬環境時，所產生的反應也符合客觀世界的有關規律[2]。

虛擬仿真實驗教學中心以現代化石油企業對石油工程專業人才的創新能力和解決現場復雜工程問題能力的需求為導向，適應石油工程技術數字化、智能化、多學科技術交叉的特點。樹立“以學生為本”的理念，注重理論教學與實踐相結合，在實踐中運用理論解決實際問題[3]。

2.1 虛擬仿真平臺的教學目的

鉆井虛擬仿真平臺系統設計從教學出發，以學生為本，使學生在虛擬仿真的環境下切實體會到在鉆井平臺上的真實感受，提高學生的探索性，使學生在虛擬仿真的環境中會主動完成相應的實踐項目，從而提升教學質量。鉆井實踐教學包括司鉆臺、壓井管匯、立管管匯、防噴器控制器等設備的使用，鉆井井場各類設備的認識，鉆井工藝的認識等。鉆井實踐教學作為一門實訓教學課程[4]，與理論課的授課方式是不同的，在實訓過程中老師簡單介紹操作流程，主要是以學生自己動手操作為主，在此過程中，學生可以對所學內容加深理解，真實感受鉆井過程，為以后走向工作崗位打下扎實的基礎。

2.2 鉆井虛擬仿真平臺建設

本實踐教學內容的建立基于陜西省石油石化虛擬仿真實驗中心，通過實物模型和模擬仿真系統讓學生感受與現場平臺操作場景，不僅可以掌握了實際操作過程、了解鉆井井控工藝設備的作用，還可以避免因實物操作帶來的不安全因素。本系統以SD-JKFZ-7型鉆井模擬裝置為基礎，開發的虛擬仿真實踐項目包括鉆前準備、轉盤鉆井井控、頂驅鉆井井控、非常規井控和井下事故處理子系統等五部分。

2.3 虛擬仿真平臺的應用案例

以西安石油大學虛擬仿真實驗室為例。本系統以SD-JKFZ-7型鉆井模擬裝置為基礎，進行整個模擬操作系統的開發。模擬系統結構圖如圖1所示。

圖1 模擬系統結構圖Fig.1 Structure diagram of simulation system

系統的工作原理是：司鉆控制臺、防噴器控制臺、遙控節流箱及管匯中的剎把、手柄、閥和開關按鈕通過相應的傳感器產生模擬操作信號，OPTO控制系統將采集到的信號送入計算機，由計算機對OPTO送來的信號進行識別、處理，再由仿真軟件進行數據計算和處理后，進行模擬動畫和數據的同步顯示，并把相應的信號通過OPTO控制系統的D/A輸出端口進行儀表顯示[5]。

下面舉頂驅正常鉆進接立根訓練實例來說明本項目采用的教學方法。

接立根鉆進是頂驅裝置常用的鉆井方式。將系統設置初始狀態：1.發電機打開；2.總離合掛合；3.各個防噴器都打開，“壓井管線”閥和“節流管線”閥關閉，遙控節流閥開度為50%；4.其他手柄都保持在“脫開”位置，開關旋到“OFF”位置，旋鈕都左旋到底；5.立管管路為通路。

學生操作接立根鉆進程序如下：

圖2 頂驅正常鉆進畫面Fig.2 Normal drilling picture of top drive

開泵后，頂驅開始旋轉，在參數顯示屏上看到頂驅轉速逐漸變化，調到合適的轉速時，現場可以聽到頂驅旋轉的聲音。然后將剎把抬起，使剎把保持自然狀態，鉆壓逐漸加大，鉆速逐漸增大，鉆頭進尺逐漸增加，當鉆壓達到一定值時，穩定鉆壓，進行鉆進，直到立根完全進入井筒。當立根完全進入井筒后，此時鉆壓為0，鉆速為0，操作制動手柄剎車。然后左旋頂驅鉆井轉速調節旋鈕，直到頂驅轉速為0，此時頂驅停止旋轉。操作氣動卡瓦卡緊立根后停泵，頂驅“背鉗”卸扣后上提頂驅，然后操作剎把剎車，停止上提頂驅，吊環前伸抓取立根盒內的立根。當背鉗和液壓大鉗上扣后，脫開氣動卡瓦。最后，開泵、頂驅開轉，抬起剎把，繼續鉆進。頂驅正常鉆進畫面如圖2～圖4所示。

圖3 吊環前傾抓立根畫面Fig.3 Picture of the lifting ring leaning forward to grasp the stand

圖4 頂驅接立根畫面Fig.4 Stand-up picture of top drive

2.4 鉆井工程虛擬仿真實驗項目的建成使用

2019年以來，我校石油工程學院將本項目列入“石油工業概論”課程教學大綱，并在相關專業教學工作中進行了實施，取得了良好的教學效果。2020年春季學期，受新冠肺炎疫情影響，部分專業無法到企業實習，虛擬仿真實驗教學中心直接面向相關專業開放，學生模擬企業現場，直觀感受操作流程，親自動手操作，學生參與度高，教學成果顯著，受到師生的一致好評。

3 結 語

根據我校石油工程專業鉆井工程課程實際教學效果，在鉆井工程課程教學環節中增加鉆井虛擬仿真平臺系統的實訓，增加傳統鉆井工程課程教學內容，更能激發學生的設計興趣，增強學生的主觀能動性，有利于加深學生對鉆井過程的理解，在一定程度上改善教學效果，提升鉆井工程課程設計教學質量，有利于我校石油類專業應用型人才培養目標的實現。