虚实结合的海洋油气工程实践教学平台的构建

徐加放, 王志远, 高永海, 倪玲英, 付 静, 李成华, 孙宝江, 刘 刚

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

虚拟仿真技术探索与实践

虚实结合的海洋油气工程实践教学平台的构建

徐加放, 王志远, 高永海, 倪玲英, 付 静, 李成华, 孙宝江, 刘 刚

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

分析了海洋油气工程的特点和实验室建设的难点,提出了“依托现有、建设特色、虚实结合、功能完善、本硕共享、注重实效”的海洋油气工程实践教学平台的建设思路,规划了建设内容,建设了海洋油气工程工艺实践仿真实验室和深水特色实验室——水合物形成与分解实验室和深水油气流动保障实验室,构筑了有利于提高学生培养质量的虚实结合的海洋油气工程实践教学平台。

海洋油气工程； 实践教学平台； 能源安全

我国经济快速发展,能源消耗量巨大。2014年,我国进口原油3.1亿t,我国的原油对外依存度达到59.6%[1]。然而,我国海洋面积广阔,海洋资源丰富。仅南海石油储量就超过240亿t、天然气储量超过16万亿m3,并储有大量天然气水合物[2-3],南海已成为我国当前最具潜力的油气接替产区和油气产能建设的重要组成部分。但南海油气大部分埋藏于水深超过1 000～1 500 m的深水海域,油气开发的难度极大。深水油气勘探开发对设备和技术的要求远高于陆地,开发的技术手段也与陆地存在很大差异。为培养我国高层次的海洋油气开发技术人才,加快我国海洋油气的勘探开发,加速我国海洋强国战略实施的进程,在教育部2012年9月颁布的《普通高等学校本科专业目录》(教高[2012]9号)中,将“海洋油气工程”列为154个特设专业之一[4]。中国石油大学(华东)是我国首批设立“海洋油气工程”专业的高校,该专业隶属于国家一级重点学科——石油与天然气工程。但海洋油气开发与陆地开发存在诸多不同,给海洋油气工程专业的实习、实践带来了很多困难[5]。

1 海洋油气工程的特点与实践教学的难点

海洋油气工程与陆地上传统的石油工程有巨大差别,而非简单地将陆地设备移到海上这么简单[6-8]。

1.1 我国海洋油气开发技术人员缺乏、经验不足

近年来,我国海洋油气钻探技术发展迅速,但与发达国家相比,由于起步较晚,特别是深水油气勘探开发技术、设备和人员数量等方面均落后于发达国家。早在20世纪70年代,国外海洋油气勘探已进入深水区域(国际公认水深超过500 m为深水,水深超过1 500 m为超深水)；2003年,雪佛隆-德士古公司在墨西哥湾水深超过3 000 m的海域完成了钻井作业。而我国一直到2006年才完成第一口超深水井LW3-1-1井,且其技术设备全部为租借；2012年,我国具有完全知识产权的第六代超深水钻井平台“海洋石油981”下水,标志着我国正式进入超深水勘探开发时期[9]。

目前,世界每年的海洋油气产量约为16亿t,其中5亿t来自深水油田。我国海洋油气产量约5 000万t/年,但在2013年之前深水区域油气产量几乎为零。世界上深水钻井平台有200多座,而我国只有1座(COSLPROSPECTOR正派往南海)。深水钻井的数量少,经验不足,特别是人力资源不足。该问题不仅体现在工程技术和现场施工,同时也体现在高层次工程技术人员的培养方面。2011年之前,我国还没有开设海洋油气工程本科专业,2015年以前,还没有招收海洋油气工程专业的研究生。技术与人才的缺乏是制约我国海洋油气工程技术走向深水的重要原因。

1.2 海洋油气平台技术要求更高,资金密集

海洋油气平台的建造成本非常高,例如我国自行研制的第一座深水半潜式钻井平台“海洋石油981”的总造价近60亿元。海洋油气开发的日常投入也非常巨大,2014年4月—7月,“海洋石油981”在我国西沙海域钻探时的费用约为500万元/天；如果租赁国外设备,则每天的费用至少需要100万美元。由于海洋油气开发高昂的设备建造成本和运行费用,对设备的质量和技术也就提出了更高的要求。通常,海洋油气开发设备的质量应最稳定、技术应最先进,设计工作年限为30年以上。因此,海洋油气勘探施工过程中不可能停下来接待学生实习,而高校也没有资金建造海洋油气平台以供学生实习。

1.3 海洋油气平台空间狭小,容纳能力有限

受建造成本、操作、运输等的限制,海洋油气平台建造面积尽可能地小。一座移动式海洋钻井平台的面积与一个标准足球场大小差不多,虽然看起来并不小,但由于设备数量多、体积大,也必须将其空间高效利用,一般需要进一步分成3～4层才能完成所有设备的安装和生活区、停机坪等的建造。因此,其有限的空间也不可能接纳很多学生进行实习。

1.4 海洋油气工程实践潜在风险大

陆地油气开发可以在地面直接进行,而海上油气开发则需要专门的设备——海洋油气平台。海洋油气平台又可以根据其功能分为钻井平台和生产平台。浅水海域可以使用固定式平台,如自升式平台、导管架平台等,而深水海域则必须使用移动式平台,如半潜式平台、Spar平台、FPSO等。

海洋油气开发具有高风险性,在英国北海油田、墨西哥湾中都曾发生过钻井平台的重大事故。不仅海洋油气开发的风险巨大,海洋油气开发设备的建造过程也存在很多不安全因素。因此,学生的实习实践不可能在海洋油气平台上进行,即使是在设备制造企业实习,安全也成为企业顾忌的最大问题,实习难免是走马观花而不能深入。

1.5 设备在水下的工作环境隐蔽,油气设备操作复杂

海洋油气工程施工过程中,大量设备需要安装在泥线附近的井口处,工作于几百米到几千米的水下,看不见、摸不到,再加上洋流的冲击,安装设备需要很长时间。为了节省作业时间,对水下设备的技术要求很高,操作也非常复杂,这也极大地增加了学生学习和实践的难度。

2 海洋油气工程实践教学平台建设的内容

针对海洋油气工程的特点,制定了海洋油气工程实践教学平台的建设思路,即:依托现有、建设特色、虚实结合、功能完善、本硕共享、注重实效。

建设的主要内容如图1所示。

3 海洋油气工程实践教学平台建设效果

3.1 海洋油气工程平台的认识

平台是海洋油气设备的载体,也是工程技术人员工作、生活的场所。熟悉平台的结构、功能和设备布置,对于学生快速进入工作状态、安全生产,以及遇险逃生等都有重要意义。我校通过“三步走”的方式,提高学生对海洋油气平台的认识和了解。

首先是建立海洋油气平台的概念。通过与中海油海洋石油工程(青岛)有限公司、烟台中集来福士海洋工程有限公司等建立战略合作机制,公司接收学生的认识实习,使学生初步建立海洋油气平台的印象和概念。

其次,与专业化公司合作,制作可操作的海洋油气平台模型。这些模型不仅可以演示深水油气作业的各种工艺,同时采用模块化设计,将其分割成多个模块,每个模块都可以独立运行,便于学生对海洋油气平台的结构和功能有进一步了解。

第三步是组织学生进行海洋油气平台设计大赛,每年举行一次,通过比赛,深化学生对平台的认识和认知。

图1 海洋油气工程实践教学平台的建设内容

3.2 建立深水特色实验室

在石油工程国家级实验教学示范中心等传统陆上石油工程实验室的基础上,建立具有深水特色的实验室,提高学生对深水油气钻探、开采、管道运输的基本原理和专业知识的理解。目前建设的实验室主要有水合物形成与分解实验室和深水油气流动保障模拟实验室。

水合物是天然气体与水在低温、高压条件下形成的笼型冰状固体,又称“可燃冰”。地球上储存有大量的天然气水合物,其天然气储量比石油和煤炭的总储量还多,其中绝大部分埋存于深水海域。水合物是一种宝贵的资源,但是也会对深水钻井、油气生产和管道运输造成极大危害,甚至危及到平台安全和工程技术人员的生命。了解天然气水合物形成和分解的基本原理,对于水合物的开发与灾害防治有着重要意义。水合物形成与分解模拟实验原理和实验装置如图2、图3所示。

由于深水油气田远离大陆,油气需要经过长距离的水下管道运输才能到达陆地。在水下的钻探、开采和管道运输过程中,可能会出现油、气、水、砂、水合物等其中两相或者多相共同流动的情况。在出现两相或多相流动时,则可能出现雾状流、泡沫流、段塞流,也可能造成管路堵塞。段塞流和管路堵塞不但严重影响油气生产和管道运输,且存在极大的安全隐患。而深水油气堵塞的排除和管路维护的技术难度大、工艺复杂、成本高。因此,了解油气流动状态、保障油气井正常生产和管道运输顺利,对深水油气田生产开发十分重要。深水油气流动保障模拟实验装置见图4。

3.3 海洋油气工程工艺实践仿真实验室

计算机仿真作为一种研究、实验和培训手段,具有很好的经济性和实用性,几乎可以应用于任何一种工程或非工程领域[10-11]。它是以计算机作为载体、应用先进的专业仿真软件,在虚拟条件下对实际物理过程进行仿真。目前虚拟仿真实验已经在各个领域广泛应用,包括教学和科研。

图3 水合物实验装置

图4 深水油气流动保障模拟实验装置

对于环境隐蔽的海洋油气开发的过程,可以利用计算机仿真来实现。计算机仿真不仅可以虚拟实现各种水下工艺流程,进行演示性实验,也可以进行实际操作训练和通过改变有关参数进行创新性设计实验,同时还可以作为全日制专业硕士研究生的实训平台。图5为海洋油气工程工艺仿真的部分截屏图。

4 结束语

加快海洋油气工程实践教学平台建设,有利于培养海洋油气工程创新型人才,为我国海洋油气开发输送优秀的高层次专业技术人才,加速实现我国海洋强国战略,保障我国能源安全。海洋油气工程实践教学平台投入使用后,还应调动教师参与实验教学改革的积极性,重视对实验教学的个性化指导,发挥学生主观能动性,全面提高学生的综合素质和创新实践能力。此外,还应加强校企的交流与合作,积极引进企业高级技术人才,集地方政府、企业和学校三方的资源优势,充分发挥实验教学平台培养学生创新精神和创新实践能力的作用。

图5 海洋油气工程工艺仿真部分截屏图

References)

[1] 中商情报网.2014年中国原油进出口情况统计分析[EB/OL].(2015-01-26)[2015-04-28]. http://www.askci.com/chanye/2015/01/26/15331n3lt.shtml.

[2] 林闻,周金应.世界深水油气勘探新进展与南海北部深水油气勘探[J].石油物探,2009,48(6):601-605,620.

[3] 金永明.中国海洋强国战略三步走[N].东方早报,2013-08-12(A13).

[4] 教育部.普通高等学校本科专业设置管理规定[EB/OL].(2013-05-23)[2015-04-28]. http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3881/201305/152287.html.

[5] 倪玲英,孙宝江,徐加放.海洋油气工程专业人才培养问题探索[J].中国石油大学学报:社会科学版,2013,29(5):173-176.

[6] 倪玲英.海洋油气工程新专业课程体系的探讨[J].石油教育,2013(2):92-94.

[7] 李志刚.海洋油气工程人才培养的探索与实践[J].石油教育,2011(2):89-91.

[8] 李志刚.海洋油气工程人才的专业素养与培育[J].中国石油大学胜利学院学报,2011,25(4):55-57.

[9] 百度百科.海洋石油981深水半潜式钻井平台[EB/OL].[2015-04-28]. http://baike.baidu.com/view/8616117.htm.

[10] 王莉丽.数字仿真实验室的管理与维护初探[J].实验室科学,2010,13(2):129-131.

[11] 管治华,郑伟.创新人才需求视角下的税务仿真实验室建设[J].实验室研究与探索,2012,31(4):421-425.

Construction of virtual-actual practical teaching platform of offshore oil & gas engineering

Xu Jiafang, Wang Zhiyuan, Gao Yonghai, Ni Lingying, Fu Jing, Li Chenghua, Sun Baojiang, Liu Gang

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

The distinguishing features and difficulties in laboratory building of offshore oil & gas engineering are pointed out, and the constructing thinking teaching platform is developed, which is based on “Existence, construction of the unique features, virtual-actual combination, perfect functions, under-and post-graduate students sharing, and improvement of the efficiency.” The offshore oil & gas engineering processing virtual laboratory and deepwater featured laboratory are built, which are the hydrate forming & decomposing laboratory the and deepwater oil & gas flowing assuring laboratory. So a virtual-actual practical teaching platform for offshore oil & gas engineering students was built at last.

offshore oil & gas engineering; practical teaching platform; energy safety

2015- 05- 05

“973”项目(2015CB251200)；中国石油大学(华东)重点教改项目(JY-A201414；YJ-A1403),山东省研究生教育创新计划项目(SDYY15135)

徐加放(1973—),男,山东阳信,博士,副教授,研究生导师,中国石油大学海洋油气工程系主任,主要从事深水钻井液技术、水合物开发与防治等实验与分子模拟研究.

E-mail：xjiafang@upc.edu.cn

F253.2

B

1002-4956(2015)12- 0112- 04