李猛?蘇堪華 戶淑莉 萬立夫 齊成偉

摘 要：固井施工工藝具有復(fù)雜性、高成本、規(guī)模大、高危險(xiǎn)性的問題，構(gòu)建了固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺可進(jìn)行固井基礎(chǔ)知識教學(xué)、固井設(shè)備操作講解、固井工藝演示、操作及考核，能夠利用數(shù)字虛擬技術(shù)提供傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法提供的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境，可提高學(xué)生的固井實(shí)踐能力。該仿真實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建，使固井現(xiàn)場實(shí)習(xí)室內(nèi)化，在補(bǔ)充課堂知識的同時(shí)，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，利于實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：固井 仿真實(shí)訓(xùn)平臺 應(yīng)用型人才

中圖分類號：G42 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

Abstract：To solve the problems of the complexity， high cost， large scale and high risk of cementing construction technology， a simulation training platform for cementing has been developed. The function of this platform are the basic knowledge teaching of cementing， cementing equipment operation explanation， cementing process demonstration ， operation and assessment. Using digital virtual technology， the simulation platform can provide the practical learning environment which can not be provided by traditional training teaching method. The simulation platform can improve students' cementing practice ability. The simulation training platform was built to make the cementation practice site internalize. The advantage of this platform is that it can improve the engineering practice ability of local undergraduate college students while supplementing the professional knowledge. The establishment of this platform is conducive to realizing the goal of training high-quality and highly skilled application-oriented talents.

Key words： cementing； simulation training platform； practical personnel

近年來，仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、交通運(yùn)輸、消防安全等多個(gè)領(lǐng)域，對教育領(lǐng)域的發(fā)展也起到了促進(jìn)作用。仿真技術(shù)可以把實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生操作有機(jī)地融合為一體，可在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)需要建立模擬實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵱?xùn)場地[1]。

對于固井工藝教學(xué)，由于固井現(xiàn)場實(shí)習(xí)過程中多數(shù)學(xué)生只能觀摩不可操作，導(dǎo)致學(xué)生對固井工藝流程理解不夠透徹，難以保證實(shí)習(xí)質(zhì)量[2]。因此，為了培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用型人才，需要構(gòu)建室內(nèi)固井工藝仿真實(shí)訓(xùn)平臺。該平臺可利用模擬設(shè)備和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行固井工藝流程操作模擬訓(xùn)練，讓學(xué)生親身經(jīng)歷固井全過程，整個(gè)操作流程與現(xiàn)場工藝流程一致，可提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，利于培養(yǎng)應(yīng)用型人才[3]。

1 仿真技術(shù)在固井實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的必要性

為了使高校培養(yǎng)的畢業(yè)生與石油企業(yè)的需求無縫對接，必須在加強(qiáng)理論基礎(chǔ)教育的同時(shí)，應(yīng)加大現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)力度，且整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程要做到人人參與，并要求工藝流程與現(xiàn)場石油企業(yè)的實(shí)際操作一致。但目前石油高校的學(xué)生在現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)操作過程和操作參與度方面均未達(dá)到上述要求，主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）固井工程專業(yè)技術(shù)性強(qiáng)，直接現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)難度大。許多現(xiàn)場固井流程只可觀察外表，對于內(nèi)部具體流程，學(xué)生只能在教師講解的基礎(chǔ)上想象，只可窺其一斑，理解有一定難度。

（2）固井操作技能多樣性，勞動強(qiáng)度大。固井包含多種固井工藝，每種工藝又包括不同的固井操作流程，并不是簡單的重復(fù)性操作，且由于固井設(shè)備全部為重型機(jī)械，即便在自動化程度較高的今天，現(xiàn)場固井操作勞動強(qiáng)度依然很大。

（3）固井現(xiàn)場各模塊環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生參與連續(xù)性差。固井時(shí)間普遍較長，尤其是深井固井，但學(xué)生實(shí)踐教學(xué)時(shí)間較為緊湊，故學(xué)生從固井開始到固井結(jié)束介入固井過程的完整性較差。

（4）固井危險(xiǎn)性大。在整個(gè)固井實(shí)踐過程中，安全問題不容忽視，由于現(xiàn)場實(shí)踐危險(xiǎn)性高，學(xué)生人數(shù)眾多，人員流動隨機(jī)性大，加上安全意識薄弱，學(xué)生出現(xiàn)人身安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

為有效地解決固井過程中存在的諸多問題，高校可以在固井實(shí)訓(xùn)過程中，充分應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)提升固井實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量，將具體的固井工藝過程形象化，提高學(xué)生的動手操作能力，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)技能與油田一線操作技術(shù)的零距離對接。

2 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的教學(xué)設(shè)計(jì)

針對以上述固井工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)的思想、方法、技術(shù)、手段，結(jié)合系統(tǒng)論、信息論、控制論、協(xié)同論、突變論等科學(xué)方法及最新的計(jì)算機(jī)可視化信息技術(shù)的集成方法，固井仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

2.1 固井仿真平臺組成

以現(xiàn)場固井工藝流程及設(shè)備為依據(jù)，確定固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)。該平臺主要由固井車儀表控制臺、固井現(xiàn)場模擬平臺、仿真實(shí)訓(xùn)軟件系統(tǒng)組成。按照現(xiàn)場固井工藝程序，模擬固井施工，固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的工作原理是：固井車儀表控制臺、固井現(xiàn)場模擬控制臺中的手柄、閥和開關(guān)通過相應(yīng)的傳感器產(chǎn)生模擬信號，數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)將采集到的信號傳至SCADA主控計(jì)算機(jī)，由SCADA主控計(jì)算機(jī)對傳來的數(shù)據(jù)與信號進(jìn)行分析、處理，再由仿真軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、編譯，然后通過多媒體輸出模擬結(jié)果，同時(shí)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)的D/A輸出端口傳至儀表控制臺的顯示屏

2.2 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺功能

固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)合現(xiàn)場固井工藝，確定軟件與硬件相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)的功能包括三方面：

（1）教師可利用該平臺以真三維動畫演示的方式進(jìn)行固井工藝基礎(chǔ)知識講解、固井設(shè)備操作講解、固井工藝演示講解。固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺可讓教師及學(xué)生能夠?qū)崟r(shí)直觀地觀察并跟蹤固井作業(yè)過程，再現(xiàn)固井現(xiàn)場的真實(shí)場景。

（2）學(xué)生可以在固井車儀表控制臺上和固井現(xiàn)場模擬平臺進(jìn)行任一種固井工藝進(jìn)行分工藝步驟的操作實(shí)訓(xùn)。使用固井虛擬仿真技術(shù)替代固井現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，待練習(xí)到一定程度后再到固井現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)行操作訓(xùn)練，可以最大限度地減少學(xué)生的固井實(shí)訓(xùn)時(shí)間。借助于固井仿真軟件，不僅可以滿足教學(xué)中的個(gè)性化需求，而且能使學(xué)生高效地掌握固井操作技能，實(shí)現(xiàn)與油田現(xiàn)場的無縫接軌。

（3）教師可利用考核系統(tǒng)記錄學(xué)生實(shí)訓(xùn)結(jié)果，可對學(xué)生進(jìn)行分項(xiàng)目管理、評判和考核，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作過程中出現(xiàn)的問題，予以糾正，提高學(xué)生對固井工藝的理解能力。固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的構(gòu)建，貼近一線固井施工，體現(xiàn)了固井工藝的真實(shí)操作流程，加強(qiáng)了學(xué)生對固井工藝的認(rèn)識，加深了學(xué)生對各種固井操作方法和工藝流程的熟悉，是加快培養(yǎng)高素質(zhì)、高技能應(yīng)用型人才的保障。

2.3 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺教學(xué)過程

在技能訓(xùn)練和教學(xué)活動中廣泛應(yīng)用虛擬軟件和仿真實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在一定程度上彌補(bǔ)了技能實(shí)訓(xùn)設(shè)施設(shè)備不足的欠缺。

首先，教師利用該實(shí)訓(xùn)平臺的仿真系統(tǒng)，選擇教學(xué)系統(tǒng)中的固井工藝演示并以常規(guī)固井技術(shù)套管為例進(jìn)行教學(xué)，然后學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備上按照教師的講解進(jìn)行操作：按照①“作業(yè)準(zhǔn)備→開啟控制臺→下套管→灌鉆井液→下固井管柱→循環(huán)洗井”的順序在固井教學(xué)仿真平臺控制面板和固井車儀表控制臺上依次手動打開或關(guān)閉相應(yīng)的按鈕進(jìn)行套管作業(yè)。按照②“注前置液→固井車補(bǔ)水→供灰、混漿→注水泥漿→注隔離液→壓膠塞→替鉆井液→泵壓→放壓及候凝→套管試壓檢查”的步驟依次在固井車儀表控制臺上手動打開或關(guān)閉各個(gè)泵車按鈕及閥門進(jìn)行固井作業(yè)。

操作過程若無報(bào)警聲音，固井現(xiàn)場模擬教學(xué)平臺管線會有不同顏色的流線顯示，同時(shí)，學(xué)生和教師都可以在投影屏幕上看到三維動畫操作步驟及結(jié)果。

3 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺提高學(xué)生實(shí)踐能力的途徑

固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺具備沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征，能夠利用數(shù)字虛擬技術(shù)提供傳統(tǒng)固井實(shí)訓(xùn)教學(xué)無法提供的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境，可通過以下方法提高學(xué)生的固井實(shí)踐能力。

3.1 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的開放性

一是固井工藝技術(shù)資源開放。固井仿真系統(tǒng)軟件中存儲了大量的虛擬固井環(huán)節(jié)、固井設(shè)備、固井場景、固井突發(fā)情況及固井工藝操作指導(dǎo)，學(xué)生可根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容需要及對各個(gè)工藝操作所掌握的熟練程度自由選擇使用。

二是固井模擬結(jié)果及時(shí)可視化。學(xué)生在操作固井仿真系統(tǒng)過程中，除了可以觀察各個(gè)固井設(shè)備的工作情況以外，也可直接進(jìn)入仿真設(shè)備或子系統(tǒng)內(nèi)部觀察設(shè)備或流體等的運(yùn)行情況，亦能夠及時(shí)得到傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)工藝需要一天甚至幾天才能得到的固井工藝結(jié)果。

3.2 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的交互性

固井仿真實(shí)訓(xùn)與固井現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)的不同之處在于，固井現(xiàn)場實(shí)訓(xùn)過程中，學(xué)生是被動的、單向的接受知識，雖然直觀但不具備交互性；而固井仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了豐富的人機(jī)交互模式，強(qiáng)化了學(xué)生的參與性與自主性，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行查缺補(bǔ)漏，按照仿真系統(tǒng)內(nèi)部嵌入的操作說明，自行設(shè)計(jì)虛擬固井操作流程，增加學(xué)生對固井操作感性及理性的認(rèn)識，讓學(xué)生有身臨其境的感覺。在加深學(xué)生對固井工藝流程熟悉的同時(shí)，也利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.3 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的安全性

傳統(tǒng)的固井實(shí)訓(xùn)教學(xué)受制于設(shè)備、儀表、元件等條件的制約，學(xué)生所能進(jìn)行的具體實(shí)訓(xùn)操作訓(xùn)練項(xiàng)目有限，尤其是一些危險(xiǎn)性高的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。而虛擬仿真固井實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，不會因?qū)W生的操作不當(dāng)造成設(shè)備損壞，且仿真系統(tǒng)的警報(bào)聲和操作提示會指導(dǎo)學(xué)生糾錯(cuò)，以此加深記憶，對學(xué)生掌握固井工藝大有裨益。

3.4 固井仿真實(shí)訓(xùn)平臺的節(jié)約性

傳統(tǒng)的固井實(shí)訓(xùn)操作，需要消耗柴油、電力、水、水泥等原材料，各種設(shè)備會出現(xiàn)磨損等耗損情況，而且若操作失誤，可能會損壞設(shè)備、儀表等。而虛擬仿真固井實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用數(shù)字程序?qū)⒉裼偷仍牧咸摂M可視化，省去了購買原材料或損害設(shè)備的成本，無消耗、無污染，且形象逼真。

4 結(jié)語

構(gòu)建固井工藝仿真實(shí)訓(xùn)平臺，開展固井工藝實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對促進(jìn)石油鉆井學(xué)科建設(shè)，提高石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果具有積極作用。該實(shí)訓(xùn)平臺的建立，將復(fù)雜、高成本、高危險(xiǎn)性的固井現(xiàn)場操作室內(nèi)化，克服了固井課程課堂教學(xué)抽象、現(xiàn)場實(shí)習(xí)危險(xiǎn)、現(xiàn)場操作“走馬觀花”等問題，把固井工具模型和固井施工現(xiàn)場搬到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將理論基礎(chǔ)教學(xué)與固井實(shí)際操作密切聯(lián)系，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)課程基礎(chǔ)知識的同時(shí)，又能在“施工現(xiàn)場”操作固井工具及固井程序，消除了現(xiàn)場實(shí)習(xí)的不確定性因素，可提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力，利于培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

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