閻鳳元, 劉 凱

(中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運工程學(xué)院, 北京 102249)

中國是世界能源生產(chǎn)及消費大國,開發(fā)利用非常規(guī)油氣資源已成為能源戰(zhàn)略的重要組成部分。非常規(guī)油氣要大規(guī)模工業(yè)化,需要新理論、新技術(shù)、新管理和創(chuàng)新型人才[1]。近年來,我校油氣儲運工程專業(yè)校內(nèi)實踐教學(xué)設(shè)施不斷完善,油氣儲運工程系也一直致力于實踐教學(xué)相關(guān)課題研究,針對非常規(guī)油氣由于其儲層特征、開發(fā)方式等不同造成地面集輸、儲運方式不同等問題,以國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心(以下簡稱“實驗中心”)為依托,與科研實驗室研究成果相結(jié)合,搭建了非常規(guī)油氣的集輸、儲運創(chuàng)新實驗教學(xué)平臺,拓展學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)方向,培養(yǎng)優(yōu)秀工程人才。

1 平臺建設(shè)的必要性

進(jìn)入21世紀(jì),致密油氣、頁巖氣、油砂油、重油等非常規(guī)油氣勘探開發(fā)技術(shù)取得了戰(zhàn)略性突破,非常規(guī)油氣產(chǎn)量急劇上升,成為全球油氣供應(yīng)的重要組成部分。中國從“十二五”開始,正式進(jìn)入常規(guī)與非常規(guī)油氣資源開發(fā)并舉的時期,頁巖氣、煤層氣已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)開采,重(稠)油開采也有重大進(jìn)展,許多方面達(dá)到世界先進(jìn)水平[2]。但非常規(guī)能源的開發(fā)仍存在很多技術(shù)難題,如：煤層氣集輸中,由于井口壓力低、井多、井間干擾、多相流動等特點,其地面集輸系統(tǒng)管網(wǎng)龐大、效率較低；頁巖氣藏儲層具有典型低孔、低滲的物性特征,氣流的阻力比常規(guī)天然氣大,使得頁巖氣開發(fā)面臨采收率不穩(wěn)定、壓力變化大等不利因素；重油輸送難度大、能耗過高等；開發(fā)技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)效益低[3-4]。

面對新技術(shù)帶來的新問題,生產(chǎn)現(xiàn)場亟需了解和掌握非常規(guī)能源開發(fā)特性的技術(shù)人員,并將新的理論和方法帶入工程實際來解決以往常規(guī)能源開發(fā)沒有遇到的問題,提高經(jīng)濟(jì)效益及安全性。

石油高校作為石油工業(yè)人才培養(yǎng)的重要基地,已經(jīng)逐步將非常規(guī)能源開發(fā)的理論及技術(shù)知識納入到培養(yǎng)方案中,更新專業(yè)技術(shù)知識,為學(xué)生構(gòu)建更為合理的知識體系,增強(qiáng)專業(yè)技能,但大多是理論知識課內(nèi)講解,相關(guān)課程中配套的實驗平臺建設(shè)較少,嚴(yán)重影響了學(xué)生對相關(guān)知識的理解和運用。因此,必須建設(shè)開放的非常規(guī)油氣儲運創(chuàng)新實驗平臺，并針對熱點問題或技術(shù)難題設(shè)計實驗項目、提供實驗工具。

2 平臺建設(shè)目標(biāo)

以“瞄準(zhǔn)前沿、重視需求、結(jié)合科研、強(qiáng)化特色”為實驗平臺建設(shè)目標(biāo),以專業(yè)教學(xué)實驗中心為基礎(chǔ),利用科研資源優(yōu)勢,將高水平的科研實驗設(shè)備、高水平的科研隊伍應(yīng)用到實驗教學(xué)中,建設(shè)低壓氣集輸管網(wǎng)模擬計算平臺、小型液化裝置模擬實驗平臺、LNG氣化模擬實驗臺、重(稠)油輸送技術(shù)實驗平臺和天然氣水合物模擬實驗平臺,并開發(fā)了相關(guān)教學(xué)及開放創(chuàng)新型實驗項目,建立考核機(jī)制,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識及在實踐過程中研究解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 平臺建設(shè)的主要內(nèi)容

3.1 低壓氣集輸管網(wǎng)模擬計算平臺

煤層氣、頁巖氣等低壓氣在地面集輸過程中,與常規(guī)氣田相比,有壓力變化大、流動復(fù)雜、集輸半徑小、開采周期短、產(chǎn)量波動大、產(chǎn)能效率低等問題[5],依托實驗中心的仿真模擬計算平臺服務(wù)器和計算機(jī),開展多點低壓氣集輸管網(wǎng)模擬計算及管網(wǎng)優(yōu)化實驗,實驗室提供了國內(nèi)外典型頁巖氣、煤層氣區(qū)塊開放數(shù)據(jù),也可自行設(shè)置氣田開發(fā)條件,學(xué)生可應(yīng)用商業(yè)軟件或?qū)嶒炇易孕虚_發(fā)的多相流管網(wǎng)計算軟件、管道模擬仿真計算軟件對集輸系統(tǒng)進(jìn)行模擬計算,并根據(jù)模擬計算結(jié)果做進(jìn)一步優(yōu)化。

平臺部分實驗內(nèi)容見表1,通過模擬計算實驗,學(xué)生經(jīng)歷了模型建立、參數(shù)選擇、仿真計算、優(yōu)化計算等過程,不僅理解了低壓氣集輸過程,還學(xué)習(xí)了各種專業(yè)軟件的應(yīng)用及優(yōu)化方法的適用性。平臺綜合了多相流動、自動控制、管道輸送、管網(wǎng)優(yōu)化等多學(xué)科知識,提供了一個安全、可靠、高效的計算環(huán)境。

表1 低壓氣集輸管網(wǎng)模擬計算平臺部分實驗項目

3.2 小型液化裝置模擬平臺

煤層氣、頁巖氣的開采過程中有些偏遠(yuǎn)區(qū)塊及低產(chǎn)量區(qū)塊采用儲氣包、低溫液化等方法儲存運輸,因此,依托LNG科研實驗室建設(shè)該子平臺,可以對小型液化裝置進(jìn)行設(shè)計、計算及實驗,培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計能力。部分平臺實驗內(nèi)容見表2。該平臺結(jié)果可與管網(wǎng)模擬計算平臺對接,實現(xiàn)對非常規(guī)氣田多種集輸方式的綜合優(yōu)化。

表2 小型液化裝置模擬平臺部分實驗項目

3.3 LNG氣化模擬實驗平臺

實驗中心建設(shè)了虛實結(jié)合的LNG接收站及氣化流程操作控制臺,可實現(xiàn)對主要設(shè)備的控制和工藝流程顯示。在已有設(shè)備的基礎(chǔ)上,開發(fā)了工藝模擬計算平臺,利用工藝模擬軟件進(jìn)行流程設(shè)計及計算,針對不同的設(shè)備及流程,根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行工藝流程優(yōu)化,在模擬計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,提出可靠的能源利用方式及節(jié)能降耗措施,加強(qiáng)學(xué)生軟件應(yīng)用能力及理論聯(lián)系實際的工程實踐能力。平臺部分實驗內(nèi)容見表3。

表3 LNG氣化置模擬平臺部分實驗項目

3.4 重油、超稠油輸送技術(shù)實驗臺

重油是非常規(guī)石油的統(tǒng)稱,包括重質(zhì)油、高粘油、油砂等,一般在常溫下不能流動,只有通過加熱或稀釋等方法減少管壁摩擦阻力,才能實現(xiàn)管道輸送。依托油品物性檢測實驗室和科研實驗室設(shè)備,對稠(重)油降粘輸送方法建設(shè)實驗平臺,針對各種方法,實驗室提供實驗設(shè)備、場所及指導(dǎo),引導(dǎo)學(xué)生思考解決方案并進(jìn)行實驗驗證和分析,鼓勵學(xué)生開展輸送工藝、方法的創(chuàng)新研究。平臺部分實驗內(nèi)容見表4。

表4 重油、超稠油輸送技術(shù)平臺部分實驗項目

3.5 天然氣水合物實驗平臺

隨著天然氣水合物基礎(chǔ)研究的不斷深入,天然氣水合物開采及利用研究空前活躍。結(jié)合科研實驗室儀器設(shè)備及科研成果開發(fā)研究性開放實驗,鼓勵學(xué)生利用天然氣水合物對非常規(guī)氣進(jìn)行儲存、運輸?shù)鹊南嚓P(guān)研究。平臺部分實驗內(nèi)容見表5。

表5 天然氣水合物實驗平臺部分實驗項目

4 平臺特色

(1) 增加了非常規(guī)油氣資源儲運的實踐教學(xué)項目,擴(kuò)展了學(xué)生的專業(yè)知識體系。我國從“十二五”開始大規(guī)模進(jìn)行非常規(guī)油氣開采,為了適應(yīng)行業(yè)需求,今年我校油氣儲運工程專業(yè)已將該部分內(nèi)容加入到理論課程中,使學(xué)生對相關(guān)知識有一定了解,但缺乏直觀認(rèn)識和系統(tǒng)的實踐應(yīng)用。實驗中心的教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合科研成果,在實驗中心已有的設(shè)備平臺上開發(fā)了一系列實驗項目,填補(bǔ)了專業(yè)實踐體系的空白,進(jìn)一步完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu),開闊學(xué)生的專業(yè)視野,提升學(xué)生的綜合素質(zhì),增加學(xué)生科研和就業(yè)的優(yōu)勢。

(2) 依托教學(xué)和科研團(tuán)隊,緊跟行業(yè)需求,及時更新實驗教學(xué)內(nèi)容,培養(yǎng)與時俱進(jìn)的卓越工程師。我校油氣儲運專業(yè)有非常優(yōu)秀的教學(xué)和科研團(tuán)隊,也非常注重科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化。經(jīng)過研討及時選擇一些科研成果填充實驗內(nèi)容,實時更新,使實驗及創(chuàng)新選題直接來源或接近生產(chǎn)實際,激發(fā)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)創(chuàng)新解決工程實際問題的能力[6]。2014年科研團(tuán)隊與實驗中心聯(lián)合成立了煤層氣管網(wǎng)模擬計算創(chuàng)新實驗室,利用實驗中心的大型計算設(shè)備,為科研提供計算環(huán)境,同時,“十二五”重大專項部分科研課題和成果直接轉(zhuǎn)化為學(xué)生的研究課題、科技創(chuàng)新項目及學(xué)生必修的實驗、實訓(xùn)項目,在人才培養(yǎng)方面取得了良好的效果。

(3) 分層次安排課內(nèi)課外實驗項目,遞進(jìn)式培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。專業(yè)實驗課程體系分為基礎(chǔ)應(yīng)用層、綜合設(shè)計層、研究創(chuàng)新層3個層次,有非常完備的油氣儲運實踐平臺,而非常規(guī)油氣儲運部分以此為基礎(chǔ),在實驗中心已有設(shè)備基礎(chǔ)上,大力開發(fā)設(shè)計型實驗、綜合型實驗及探索創(chuàng)新型實驗作為補(bǔ)充,完善實驗課程體系?；A(chǔ)和設(shè)計型實驗列入專業(yè)實訓(xùn)的必修課程,綜合型實驗作為限制選修和開放實驗進(jìn)行,探索創(chuàng)新型實驗鼓勵學(xué)生利用課余時間完成,為競賽、科研做準(zhǔn)備。做到專業(yè)必修實驗與選修實驗相結(jié)合、課程實驗與科研創(chuàng)新相結(jié)合,系統(tǒng)提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力[7-8]。

(4) 結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新及學(xué)科競賽平臺,培養(yǎng)學(xué)生綜合分析、創(chuàng)新解決工程實際問題的能力。非常規(guī)油氣儲運創(chuàng)新實驗平臺建成后,顯示了其強(qiáng)大的靈活性、擴(kuò)展性和先進(jìn)性。平臺定位為創(chuàng)新教學(xué)開放平臺,模塊化、開放性、易集成擴(kuò)展,可滿足學(xué)生在專業(yè)知識中的各種需要[9-10]。同時,師資力量雄厚、設(shè)備先進(jìn)，指導(dǎo)教師均參與相關(guān)科研任務(wù)。實驗中心強(qiáng)大的超級計算和基礎(chǔ)檢測設(shè)備為學(xué)生提供了良好的硬件基礎(chǔ),相關(guān)科研設(shè)備也可通過預(yù)約方式服務(wù)于學(xué)生創(chuàng)新研究,學(xué)生基于本平臺進(jìn)行的創(chuàng)新和競賽項目已獲得多個獎項。

5 平臺實施效果

通過建設(shè)非常規(guī)油氣儲運創(chuàng)新實驗平臺,補(bǔ)充了專業(yè)實踐課程體系、拓展了學(xué)生的專業(yè)方向、提高了學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。近3年培養(yǎng)了多個相關(guān)方向的研究生和本科生。煤層氣集輸方向培養(yǎng)了碩士研究生6人、博士研究生2人，稠油管道運輸方向培養(yǎng)碩士研究生3人，天然氣水合物漿液輸送方向培養(yǎng)碩士研究生4人、博士研究生2人，天然氣液化及LNG氣化方向培養(yǎng)碩士研究生7人。在本科生培養(yǎng)上,除必修及選修實踐課程外,每年均有部分學(xué)生參與相關(guān)創(chuàng)新課題研究,為就業(yè)和繼續(xù)深入科研打基礎(chǔ)。全國石油工程設(shè)計大賽的題目有2屆涉及非常規(guī)能源開采問題,學(xué)生依托平臺參加競賽,獲得了2個一等獎、4個二等獎和7個三等獎的佳績,實驗平臺為學(xué)生進(jìn)一步深入專業(yè)領(lǐng)域的研究和就業(yè)提供了堅實的支撐,獲得了良好的教學(xué)效果。

6 結(jié)語

油氣儲運行業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展使油氣儲運企業(yè)青睞基礎(chǔ)扎實、綜合素質(zhì)高、自我學(xué)習(xí)和工程實踐能力強(qiáng)的技術(shù)人才[11]。開展非常規(guī)油氣的儲運實驗實踐教學(xué)是其中十分重要的一個環(huán)節(jié),但目前這方面沒有成熟的經(jīng)驗和設(shè)備,需要從工程實際和科研成果轉(zhuǎn)化。通過開拓思路調(diào)整和完善教學(xué)方案,建設(shè)的非常規(guī)油氣儲運實踐教學(xué)創(chuàng)新平臺取得了良好的效果,完善了專業(yè)實踐教學(xué)體系,是進(jìn)一步提升專業(yè)工程教育質(zhì)量的有益嘗試,對工科專業(yè)實踐教學(xué)創(chuàng)新有很好的參考價值。

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