鉆井虛擬仿真軟件在油氣鉆井工程教學(xué)中的應(yīng)用

＊許爭鳴 由慶 郭建平

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）北京 100083）

1.引言

石油和天然氣是國家重要的戰(zhàn)略能源和物資，影響國計(jì)民生和國防安全。2020年我國石油和天然氣對(duì)外依存度分別攀升至73%和43%，加大勘探開發(fā)國內(nèi)油氣資源勢在必行[1]。鉆井是石油勘探和開發(fā)中的核心工程技術(shù)[2]，石油鉆井的大部分工作都是在地層下進(jìn)行的，具有不可視、不可逆、高風(fēng)險(xiǎn)和高成本等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)手段進(jìn)行鉆井工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)較為困難[3-5]。

傳統(tǒng)手段主要通過油田現(xiàn)場或?qū)嵱?xùn)中心有限時(shí)間和有限經(jīng)費(fèi)、設(shè)備條件下進(jìn)行教學(xué)，本項(xiàng)目解決了長期以來因不可視、現(xiàn)場安全性、成本等因素導(dǎo)致重要的地面流程和地下工作流程不易看到、不易重復(fù)等問題[6-8]。為學(xué)生提供了一個(gè)無限次再現(xiàn)虛擬資源的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓所有學(xué)生實(shí)現(xiàn)有現(xiàn)場感的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，開拓了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，構(gòu)架更完整的石油工程知識(shí)體系，為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自主學(xué)習(xí)、互動(dòng)學(xué)習(xí)、創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供了一流的資源和平臺(tái)[9-11]。

為更好地發(fā)揮鉆井工程虛擬仿真軟件的作用，需合理設(shè)計(jì)鉆井工程虛擬仿真的交互過程，讓學(xué)生在軟件中的互動(dòng)感、參與感更強(qiáng)。通過校企合作開發(fā)，對(duì)鉆井工程虛擬仿真軟件設(shè)計(jì)了以下四大內(nèi)容。包括鉆井設(shè)備的實(shí)際場景漫游認(rèn)知、鉆井過程的操作、固井過程的操作和井控過程的操作。鉆井虛擬仿真軟件實(shí)現(xiàn)的功能及涉及的理論知識(shí)點(diǎn)如表1所示。

表1 鉆井虛擬仿真軟件模塊及所包含知識(shí)點(diǎn)

2.鉆井虛擬仿真軟件內(nèi)容及交互性操作說明

圖1所示為鉆井虛擬仿真軟件的主界面，點(diǎn)擊左上角的“學(xué)習(xí)簡介及學(xué)習(xí)目標(biāo)”按鈕，可以了解該軟件的學(xué)習(xí)簡介和學(xué)習(xí)目標(biāo)。點(diǎn)擊左上角的“鉆井與完井工程試題”按鈕，可以進(jìn)入考試，總共設(shè)置20道試題，每題5分，全部做完之后軟件會(huì)自動(dòng)給出考試分?jǐn)?shù)。點(diǎn)擊右上角的“退出程序”按鈕可以退出該軟件。點(diǎn)擊中間的四個(gè)按鈕“設(shè)備介紹”“鉆井過程”“固井過程”和“井控過程”，可以分別進(jìn)行井場設(shè)備虛擬漫游認(rèn)知、鉆井過程虛擬仿真操作、固井過程虛擬仿真操作和井控過程虛擬仿真操作。針對(duì)這四部分內(nèi)容，分節(jié)進(jìn)行介紹。

圖1 鉆井虛擬仿真軟件主界面

(1)井場設(shè)備虛擬漫游認(rèn)知

進(jìn)入井場前，會(huì)讓學(xué)生學(xué)習(xí)井場安全知識(shí)，包括現(xiàn)場文明注意事項(xiàng)、常用勞保用品（工帽、工服、工鞋、手套）、特殊勞保用品及現(xiàn)場相關(guān)安全措施和現(xiàn)場主要危險(xiǎn)源。

進(jìn)入井場后，學(xué)生可以通過鍵盤和鼠標(biāo)操作，控制虛擬人物在三維井場中漫游，可以看到整個(gè)井場的設(shè)備布置、連接情況，對(duì)于一些重要設(shè)備可以走到設(shè)備前面并通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)備的名稱和詳細(xì)功用，如圖2所示。

圖2 虛擬人物通過點(diǎn)擊井場中設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)

此外，還可以通過點(diǎn)擊右上角的“設(shè)備詳細(xì)介紹”按鈕，進(jìn)入到設(shè)備詳細(xì)介紹頁面，如圖3所示。在該頁面中，左上部分用于旋轉(zhuǎn)展示設(shè)備的結(jié)構(gòu)及形狀，右上部分用于展示設(shè)備的詳細(xì)功用。頁面下部分用于展示井場中的24種常用設(shè)備，可通過鼠標(biāo)拖動(dòng)進(jìn)行選擇。

圖3 設(shè)備詳細(xì)介紹頁面

(2)鉆井過程虛擬仿真操作

對(duì)于鉆井過程，主要包括鉆前準(zhǔn)備過程、鉆進(jìn)過程和完井過程。第二部分的虛擬仿真內(nèi)容可以虛擬仿真鉆前準(zhǔn)備過程中的布置井場（如圖4所示），學(xué)生通過點(diǎn)擊右邊的井場設(shè)備，并拖動(dòng)放置到左側(cè)的實(shí)際井場中，當(dāng)設(shè)備擺放位置正確且全部布置完畢后，即可進(jìn)入鉆井過程。

圖4 井場布置虛擬仿真操作過程

進(jìn)入實(shí)際鉆井場地，點(diǎn)擊右上角的“操作提示及目標(biāo)”按鈕，軟件會(huì)提示學(xué)生需要走到鉆井平臺(tái)的司鉆房開啟鉆井任務(wù)，并且給出了目的地的方位，如圖5所示。

圖5 鉆井過程操作說明和操作提示

開啟鉆井任務(wù)后，在圖6所示的界面中，通過開啟右下角的“泵排量”“鉆速”“下鉆”“起鉆”按鈕，可以進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)（圖6a）、更換鉆頭作業(yè)（圖6b）、接單根作業(yè)（圖6c）以及利用動(dòng)畫學(xué)習(xí)四個(gè)重要鉆進(jìn)過程（圖6d）。

圖6 鉆井過程的四種虛擬仿真操作

(3)固井過程虛擬仿真操作

在固井過程中，通過虛擬仿真軟件可以學(xué)習(xí)固井的目的、固井的意義以及固井的主要操作步驟?；谶@些知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以進(jìn)入到固井操作頁面，如圖7所示。正確的固井操作順序?yàn)椤捌疸@→下套管→安裝水泥頭→注入前置液→下入下膠塞→注入水泥→下入上膠塞→注入鉆井液→關(guān)井侯凝→繼續(xù)鉆進(jìn)”，如果學(xué)生在操作的時(shí)候沒有按照正確順序操作，軟件會(huì)提示錯(cuò)誤，讓學(xué)生去重新學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并且在下一次的操作中重新打亂這10個(gè)操作步驟的順序。

圖7 固井虛擬仿真操作頁面

(4)井控過程虛擬仿真操作

在鉆遇異常高壓地層的時(shí)候，軟件會(huì)提示學(xué)生是進(jìn)行繼續(xù)鉆進(jìn)還是進(jìn)行井控操作，如果學(xué)生點(diǎn)擊“繼續(xù)”按鈕，就會(huì)出現(xiàn)井噴爆炸事故，如圖8所示。如果學(xué)生點(diǎn)擊“處理”按鈕，就會(huì)出現(xiàn)井控流程虛擬仿真操作，如圖9所示。正確的井控操作順序?yàn)椤瓣P(guān)閉防噴器→注入原鉆井液→注入加重鉆井液”，未能正確操作井控順序會(huì)重新學(xué)習(xí)井控知識(shí)，并且在下一次操作的時(shí)候打亂按鈕順序。

圖8 不及時(shí)進(jìn)行井控時(shí)發(fā)生的井噴爆炸事故

圖9 井控操作頁面

3.鉆井工程虛擬仿真軟件應(yīng)用

(1)虛擬仿真軟件應(yīng)用措施

①專門設(shè)置虛擬仿真軟件教學(xué)課，安排了2個(gè)課時(shí)來介紹軟件的主要功能和操作方法。將真實(shí)場景實(shí)際操作融入到課程中，促使學(xué)生可以對(duì)虛擬仿真軟件應(yīng)用有初步的感知。同時(shí)在課程中，還可以增加初步認(rèn)識(shí)鉆井工程場景、相關(guān)鉆井操作（如接單根、起下鉆、操作液壓大鉗等等）。圖10為學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行鉆井工程虛擬仿真軟件的學(xué)習(xí)。

圖10 學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)軟件

②將軟件安裝在學(xué)生電腦中，學(xué)生在整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)過程中，都可以自主學(xué)習(xí)和操作虛擬仿真軟件。

③通過收集學(xué)生的反饋和建議，找出虛擬仿真軟件存在的不足，接受學(xué)生提出的疑問和建議，對(duì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，從而更好地去服務(wù)下一屆學(xué)生。

(2)鉆井虛擬仿真軟件與教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合

①實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路與先進(jìn)性

本實(shí)驗(yàn)精心設(shè)計(jì)準(zhǔn)備了石油鉆井這一主題作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是因?yàn)椋?/p>

A.解決了石油行業(yè)地層下大部分工作流程的不可視、不可逆、高風(fēng)險(xiǎn)和高成本等難題。綜合利用3D建實(shí)地模和多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石油工程領(lǐng)域的一個(gè)完整的虛擬流程。石油和天然氣開采時(shí)大部分工作流程都是發(fā)生在地下，在高溫高壓地層環(huán)境下發(fā)生的石油鉆采過程，具有不可視、不可逆、高風(fēng)險(xiǎn)和高成本等特點(diǎn)，需要進(jìn)行虛擬化模型實(shí)驗(yàn)教學(xué)來讓更多人體驗(yàn)鉆井、采油和壓裂過程中地面和地下場景。我們選擇這一內(nèi)容有其綜合性和復(fù)雜性，是在實(shí)際工作中需要開展的研究活動(dòng)，并且這是一個(gè)連續(xù)的操作過程，貫穿了本科教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，有效串聯(lián)起了多門課程中具有相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)。

B.實(shí)現(xiàn)了教學(xué)研的深度融合。學(xué)生參與工藝流程設(shè)計(jì)和設(shè)備實(shí)訓(xùn)操作的建設(shè)模式，突破了一般石油工程教學(xué)內(nèi)容的簡單模式，解決了石油工程內(nèi)容的空間不可及、施工操作單向性、現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)安全限制和部分內(nèi)容抽象難懂等問題。同時(shí)，在項(xiàng)目中留有內(nèi)嵌編程和數(shù)值模擬軟件的接口，未來可使學(xué)生借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行科研工作。

②教學(xué)方法創(chuàng)新

以學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)為導(dǎo)向、以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心、教師引導(dǎo)與自主學(xué)習(xí)相結(jié)合的教學(xué)模式，更能激發(fā)學(xué)生的能動(dòng)性和創(chuàng)新實(shí)踐能力。本實(shí)驗(yàn)是石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)的支撐，也是對(duì)學(xué)生實(shí)踐操作的測試過程，而撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告則是對(duì)學(xué)生綜合能力的評(píng)價(jià)過程。此外，本實(shí)驗(yàn)還是石油工程專業(yè)實(shí)習(xí)的重要支撐。

③評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

建立了課前預(yù)習(xí)、在線練習(xí)、模塊考核、綜合能力考核、報(bào)告撰寫等多元化的評(píng)價(jià)體系，全方位考核學(xué)生學(xué)習(xí)效果。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)體系線上、線下相結(jié)合，個(gè)人實(shí)驗(yàn)操作與團(tuán)隊(duì)討論總結(jié)相結(jié)合，既增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，也可以客觀公正地對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出評(píng)判。

(3)鉆井虛擬仿真應(yīng)用效果

①在開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以前，學(xué)生在課堂上對(duì)于石油工程鉆井過程只有理論和概念上的認(rèn)識(shí)，既不直觀，也不深刻。而且，課堂教學(xué)和實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)是在不同學(xué)期中開展的。在實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)，指導(dǎo)教師不可能對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行結(jié)合理論的深度指導(dǎo)，學(xué)生難以將實(shí)踐和理論聯(lián)系起來，使學(xué)習(xí)效果打了折扣。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)很好地銜接了課堂教學(xué)和實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)之間的空隙。石油鉆井過程是石油工程專業(yè)在教學(xué)過程中比較綜合與復(fù)雜的內(nèi)容，它涉及多門課程中的知識(shí)點(diǎn)，并且對(duì)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合分析能力都有一定要求，可以提升實(shí)踐活動(dòng)的學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)地實(shí)習(xí)相比較，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果是實(shí)時(shí)取得的，反饋周期短，容易讓學(xué)生將精力集中在實(shí)驗(yàn)過程中，吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大大提升了實(shí)驗(yàn)效率，將實(shí)地專業(yè)實(shí)習(xí)的冗長過程濃縮到4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)過程中，可以讓學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，并加以反復(fù)練習(xí)。

③本實(shí)驗(yàn)所取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以進(jìn)一步拓展。例如，學(xué)生可以以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析得到的數(shù)據(jù)，或者在已有的施工工藝流程上進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)與分析，得到不同環(huán)境下的施工工藝矩陣圖。

本軟件構(gòu)建了石油鉆井的三維虛擬空間，重現(xiàn)石油工程的鉆井作業(yè)場景，讓學(xué)生突破空間和時(shí)間局限，獲得身臨其境的浸入感。課程為訓(xùn)練學(xué)生實(shí)地考察技能、學(xué)習(xí)石油工程相關(guān)知識(shí)、提升科研實(shí)踐能力提供了優(yōu)良的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以滿足石油工程專業(yè)人員的教學(xué)與交流需求，同時(shí)可為大眾普及石油鉆井知識(shí)，實(shí)現(xiàn)信息知識(shí)的傳遞與共享，切實(shí)提高石油工程人才的創(chuàng)新能力和質(zhì)量，為國家培養(yǎng)杰出人才和高水平建設(shè)者。

4.結(jié)語

綜上所述，在石油工程專業(yè)中的鉆井工程教學(xué)中，應(yīng)用鉆井工程虛擬仿真軟件可以獲得良好的效果，可以在很大程度上增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且能夠讓學(xué)生在虛擬仿真聯(lián)系中提高自身的實(shí)踐技能，能夠讓學(xué)生做到理論與實(shí)踐的良好結(jié)合，這對(duì)于學(xué)生綜合發(fā)展有極大幫助。因此，在鉆井工程課堂教學(xué)中，教師要結(jié)合學(xué)生發(fā)展需求，靈活地應(yīng)用鉆井工程虛擬仿真軟件開展課堂教學(xué)活動(dòng)，讓鉆井工程虛擬仿真軟件始終貫穿整個(gè)鉆井工程教學(xué)活動(dòng)，以此促進(jìn)學(xué)生的良好發(fā)展。