固井工艺仿真实训对学生工程实践能力培养的实现

李猛?苏堪华 户淑莉 万立夫 齐成伟

摘 要：固井施工工艺具有复杂性、高成本、规模大、高危险性的问题，构建了固井仿真实训平台。该平台可进行固井基础知识教学、固井设备操作讲解、固井工艺演示、操作及考核，能够利用数字虚拟技术提供传统实训教学无法提供的实训学习环境，可提高学生的固井实践能力。该仿真实训平台的构建，使固井现场实习室内化，在补充课堂知识的同时，提高了学生的工程实践能力，利于实现培养高素质、高技能应用型人才的目标。

关键词：固井 仿真实训平台 应用型人才

中图分类号：G42 文献标识码：A 文章编号：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

近年来，仿真技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、交通运输、消防安全等多个领域，对教育领域的发展也起到了促进作用。仿真技术可以把实验或实训设备、实训内容、教师指导和学生操作有机地融合为一体，可在短时间内根据需要建立模拟实验室或实训场地[1]。

对于固井工艺教学，由于固井现场实习过程中多数学生只能观摩不可操作，导致学生对固井工艺流程理解不够透彻，难以保证实习质量[2]。因此，为了培养理论联系实际的应用型人才，需要构建室内固井工艺仿真实训平台。该平台可利用模拟设备和计算机仿真技术进行固井工艺流程操作模拟训练，让学生亲身经历固井全过程，整个操作流程与现场工艺流程一致，可提高学生的工程实践能力，利于培养应用型人才[3]。

1 仿真技術在固井实训教学中的必要性

为了使高校培养的毕业生与石油企业的需求无缝对接，必须在加强理论基础教育的同时，应加大现场实训力度，且整个实训过程要做到人人参与，并要求工艺流程与现场石油企业的实际操作一致。但目前石油高校的学生在现场实训操作过程和操作参与度方面均未达到上述要求，主要原因有以下几点：

（1）固井工程专业技术性强，直接现场实训难度大。许多现场固井流程只可观察外表，对于内部具体流程，学生只能在教师讲解的基础上想象，只可窥其一斑，理解有一定难度。

（2）固井操作技能多样性，劳动强度大。固井包含多种固井工艺，每种工艺又包括不同的固井操作流程，并不是简单的重复性操作，且由于固井设备全部为重型机械，即便在自动化程度较高的今天，现场固井操作劳动强度依然很大。

（3）固井现场各模块环环相扣，学生参与连续性差。固井时间普遍较长，尤其是深井固井，但学生实践教学时间较为紧凑，故学生从固井开始到固井结束介入固井过程的完整性较差。

（4）固井危险性大。在整个固井实践过程中，安全问题不容忽视，由于现场实践危险性高，学生人数众多，人员流动随机性大，加上安全意识薄弱，学生出现人身安全风险极大。

为有效地解决固井过程中存在的诸多问题，高校可以在固井实训过程中，充分应用虚拟仿真技术提升固井实训教学质量，将具体的固井工艺过程形象化，提高学生的动手操作能力，实现校内实训技能与油田一线操作技术的零距离对接。

2 固井仿真实训平台的教学设计

针对以上述固井工程实训教学中存在的问题，运用现代科学的思想、方法、技术、手段，结合系统论、信息论、控制论、协同论、突变论等科学方法及最新的计算机可视化信息技术的集成方法，固井仿真系统应运而生。

2.1 固井仿真平台组成

以现场固井工艺流程及设备为依据，确定固井仿真实训平台结构。该平台主要由固井车仪表控制台、固井现场模拟平台、仿真实训软件系统组成。按照现场固井工艺程序，模拟固井施工，固井仿真实训平台的工作原理是：固井车仪表控制台、固井现场模拟控制台中的手柄、阀和开关通过相应的传感器产生模拟信号，数据采集与信号处理系统将采集到的信号传至SCADA主控计算机，由SCADA主控计算机对传来的数据与信号进行分析、处理，再由仿真软件进行数据计算、编译，然后通过多媒体输出模拟结果，同时将相应的数据通过数据采集与信号处理系统的D/A输出端口传至仪表控制台的显示屏

2.2 固井仿真实训平台功能

固井仿真实训平台功能结构如图1所示。结合现场固井工艺，确定软件与硬件相结合可以实现的功能包括三方面：

（1）教师可利用该平台以真三维动画演示的方式进行固井工艺基础知识讲解、固井设备操作讲解、固井工艺演示讲解。固井仿真实训平台可让教师及学生能够实时直观地观察并跟踪固井作业过程，再现固井现场的真实场景。

（2）学生可以在固井车仪表控制台上和固井现场模拟平台进行任一种固井工艺进行分工艺步骤的操作实训。使用固井虚拟仿真技术替代固井现场设施设备进行训练，待练习到一定程度后再到固井现场生产进行操作训练，可以最大限度地减少学生的固井实训时间。借助于固井仿真软件，不仅可以满足教学中的个性化需求，而且能使学生高效地掌握固井操作技能，实现与油田现场的无缝接轨。

（3）教师可利用考核系统记录学生实训结果，可对学生进行分项目管理、评判和考核，能够及时发现学生操作过程中出现的问题，予以纠正，提高学生对固井工艺的理解能力。固井仿真实训平台的构建，贴近一线固井施工，体现了固井工艺的真实操作流程，加强了学生对固井工艺的认识，加深了学生对各种固井操作方法和工艺流程的熟悉，是加快培养高素质、高技能应用型人才的保障。

2.3 固井仿真实训平台教学过程

在技能训练和教学活动中广泛应用虚拟软件和仿真实训设备，在一定程度上弥补了技能实训设施设备不足的欠缺。

首先，教师利用该实训平台的仿真系统，选择教学系统中的固井工艺演示并以常规固井技术套管为例进行教学，然后学生在仿真实验设备上按照教师的讲解进行操作：按照①“作业准备→开启控制台→下套管→灌钻井液→下固井管柱→循环洗井”的顺序在固井教学仿真平台控制面板和固井车仪表控制台上依次手动打开或关闭相应的按钮进行套管作业。按照②“注前置液→固井车补水→供灰、混浆→注水泥浆→注隔离液→压胶塞→替钻井液→泵压→放压及候凝→套管试压检查”的步骤依次在固井车仪表控制台上手动打开或关闭各个泵车按钮及阀门进行固井作业。

操作过程若无报警声音，固井现场模拟教学平台管线会有不同颜色的流线显示，同时，学生和教师都可以在投影屏幕上看到三维动画操作步骤及结果。

3 固井仿真实训平台提高学生实践能力的途径

固井仿真实训平台具备沉浸性、交互性和构想性等特征，能够利用数字虚拟技术提供传统固井实训教学无法提供的实训学习环境，可通过以下方法提高学生的固井实践能力。

3.1 固井仿真实训平台的开放性

一是固井工藝技术资源开放。固井仿真系统软件中存储了大量的虚拟固井环节、固井设备、固井场景、固井突发情况及固井工艺操作指导，学生可根据学习内容需要及对各个工艺操作所掌握的熟练程度自由选择使用。

二是固井模拟结果及时可视化。学生在操作固井仿真系统过程中，除了可以观察各个固井设备的工作情况以外，也可直接进入仿真设备或子系统内部观察设备或流体等的运行情况，亦能够及时得到传统实训工艺需要一天甚至几天才能得到的固井工艺结果。

3.2 固井仿真实训平台的交互性

固井仿真实训与固井现场实训的不同之处在于，固井现场实训过程中，学生是被动的、单向的接受知识，虽然直观但不具备交互性；而固井仿真实训系统设计了丰富的人机交互模式，强化了学生的参与性与自主性，可以激发学生的学习兴趣。学生可根据自己的学习情况进行查缺补漏，按照仿真系统内部嵌入的操作说明，自行设计虚拟固井操作流程，增加学生对固井操作感性及理性的认识，让学生有身临其境的感觉。在加深学生对固井工艺流程熟悉的同时，也利于培养学生的创新能力。

3.3 固井仿真实训平台的安全性

传统的固井实训教学受制于设备、仪表、元件等条件的制约，学生所能进行的具体实训操作训练项目有限，尤其是一些危险性高的实训项目。而虚拟仿真固井实训系统，不会因学生的操作不当造成设备损坏，且仿真系统的警报声和操作提示会指导学生纠错，以此加深记忆，对学生掌握固井工艺大有裨益。

3.4 固井仿真实训平台的节约性

传统的固井实训操作，需要消耗柴油、电力、水、水泥等原材料，各种设备会出现磨损等耗损情况，而且若操作失误，可能会损坏设备、仪表等。而虚拟仿真固井实训系统采用数字程序将柴油等原材料虚拟可视化，省去了购买原材料或损害设备的成本，无消耗、无污染，且形象逼真。

4 结语

构建固井工艺仿真实训平台，开展固井工艺实验教学，对促进石油钻井学科建设，提高石油工程专业实验教学效果具有积极作用。该实训平台的建立，将复杂、高成本、高危险性的固井现场操作室内化，克服了固井课程课堂教学抽象、现场实习危险、现场操作“走马观花”等问题，把固井工具模型和固井施工现场搬到实验室内，将理论基础教学与固井实际操作密切联系，使得学生在学习课程基础知识的同时，又能在“施工现场”操作固井工具及固井程序，消除了现场实习的不确定性因素，可提高学生的实践操作能力，利于培养应用型人才。

参考文献

[1] 郭辛阳，史玉才，刘瑞文，等.钻井及井控综合性仿真实训平台建设[J].实验室研究与探索，2015，35（10）：122-124.

[2] 徐建飞，高栋梁，刘振东.石油钻井装备实训体系建设与实践[J].科教文汇，2016，357：55-58.

[3] 时凤霞，吴明银.独立学院石油工程专业实习实训教学改革初探[J].中国石油大学胜利学院学报，2017，31（1）：69-71.