石油钻采与储运虚拟仿真实验中心建设探索

何岩峰, 窦祥骥

(常州大学 石油工程学院，江苏 常州 213164)

0 引 言

石油钻采和储运是密切联系的两个石油生产环节，彼此之间相互影响，如果任何一个环节的潜力没有得到充分发挥，则整个石油生产链的产量都会下降，对我国的能源安全造成不利影响[1-2]。因此，通过实践教学环节，帮助学生了解石油钻采和储运之间的关联性，培养具有跨领域创新意识和工程实践能力的石油钻采与储运技术人才，对于保障我国国民经济健康稳定发展具有十分重要的意义[3]。

然而，目前国内的钻采与储运实践教学仍存在一定的问题，主要表现在两个方面：①各高校相关实践教学中心的钻采与储运教学往往相互割裂，专业实践教学存在着“孤岛”现象，培养的人才知识结构较为单一。②石油与天然气工程所涉及的生产及运输环节，通常发生在数千米的地下或密闭的管道中，且具有高温、高压、高腐蚀等复杂环境，从而导致石油与天然气工程领域人才培养面临着传统实践教学“不可视、不可达、不可及、不可逆、高危险和高成本”等困难，对高层次工程应用人才的培养造成了较大的挑战。

针对以上问题，学校开展了一系列的教学研究工作[4-6]，建立了国家级石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心(以下简称仿真中心)，以培养兼通双专业知识石油人才的实践教学体系为依托，采用虚实结合的实践教学方法[7-9]，解决了石油钻采及储运领域传统实践教学“不可视、不可达、不可及、不可逆、高危险和高成本”的难题，并实现了油气钻采与储运等上下游完整产业链一体化教学，为石油钻采与储运高层次应用型人才培养提供了平台基础。

1 仿真中心建设内容

仿真中心与中国石化、新奥燃气、港华燃气等用人企业进行了多次深入交流，针对我校石油工程专业与油气储运工程专业毕业生就业去向存在交叉的现象，校企共同制定了人才的培养方案，设置并持续改进实践课程体系和教学内容，重点增加了部分兼顾石油与油气储运工程知识点和操作规范的实践项目。

改革教学手段，仿真中心综合使用实体装备及虚拟仿真软件，进行“虚实结合”的实践教学[10-12]。其中，为解决传统实践教学手段“不可视、不可达、不可及、不可逆、高危险和高成本”的难题，仿真中心开发了一系列沉浸式、桌面式及亲历式虚拟仿真软件，可实现全井场覆盖，能够安全地模拟地层和密闭管道中复杂环境下的油气流动与设备工况，并通过人机交互将操作结果及时反馈给操作者。截至目前，仿真中心共计开发了122套虚拟仿真实验教学软件，并按照油气钻采储运行业的生产岗位，归类为6个主要的模块，分别进行油气井工程、油气田开发工程、油气集输、原油处理与管道输送、天然气处理与管道输送和油气安全与应急处理等方面的实践教学(见图1)。

在实际教学过程中，以上6个模块并非是割裂，而是相互联系的，可实现统一的集中管理与信息共享，有效打破了传统独立实验的教学“孤岛”。例如，在实践教学时，学生在油气田开发工程模块所选择的设备或所执行的操作，会进一步对油气集输模块的结果产生影响，从而帮助学生理解钻采、储运之间的相互联系；同时，各软件的评分系统实现了数据的共享，在考核过程中要求学生能够综合考虑钻采及储运相关设计要求，并根据其在所有模块中的综合表现评定总成绩，从而有助于培养兼通双专业知识和跨领域实践能力的油气生产人才。

(a) 油气井工程模块

(b) 油气田开发工程模块

(c) 油气集输模块

(e) 天然气处理与管道输送

仿真中心通过在实体设备的基础上联合开发石油钻采与储运一体化虚拟环境仿真软件，可在兼顾石油工程与油气储运工程知识点和操作规范的基础上，安全地模拟地层和密闭管道中“不可视”环境下的油气流动与设备工况，并通过人机交互将操作结果及时反馈给操作者，从而让操作者得以“视微”而了解地下油层内的微观油气渗流规律；得以“知著”而了解到生产工艺流程的各环节之间的相互影响和协调性；得以“习迩”而能够根据计算机的模拟仿真结果，学习诊断和解决复杂故障的方法；得以“及远”而掌握使用自动化装置远程操作的能力。同时，相对于大型实体实验设备，虚拟仿真设备的建设难度、运行成本均较低，升级改造也更加方便[13-16]。

2 仿真中心的主要特色

与国内同类虚拟仿真中心相比，我校石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心的特色主要体现在：

(1) 构建培养兼通双专业知识的实践教学体系。油气的生产链上，油气钻采的上游环节到油气储运的中下游环节是密切联系的整体，这两个环节的生产参数相互影响，因此必须从完整的石油与天然气生产链的宏观视野出发进行思考，使两个环节协调生产，以便提高油气生产的经济效益。为此，石油工程与油气储运工程专业的毕业生必须了解彼此专业的知识，才能更为协调地设计与管理。针对这一问题，我校成功申报了江苏省重点建设专业，将石油工程专业和油气储运工程组建成专业类统筹建设，结合与企业交流的结果，打破两个专业之间的知识壁垒。仿真中心近年加强了涉及两专业交叉知识的实践教学项目建设，开设了油气集输、注水站管理、污水处理、三相分离器操作、注水泵操作、联合站操作等实践项目，引导学生从石油与天然气开采巨系统的角度进行油气生产链的管理与设计，培养更符合新时代油田公司需要的高层次工程应用人才。改革后的教学内容与培养方案、课程设置、实践教学手段和实践教学质量评价标准相结合，创新地形成了培养兼通石油工程与油气储运工程专业知识的高层次工程应用人才的实践教学体系。

(2) 油气工程安全环保教育贯穿实践教学内容。油气钻采储运行业作为高温高压环境下生产易燃易爆油气的高危行业，有必要着力培养相关专业学生的安全环保意识。因此，中心在进行实践教学内容和虚拟仿真软件设计时，始终将安全环保的实践教学内容和事故应急处理方法作为重点开发的软件和重点考核的内容。例如，仿真中心在所有虚拟仿真模块中设置了可能出现的突发情况，要求学生从环保及安全的角度做出及时处理，并根据学生的处理情况实时反馈事故进展，同时对学生的选择和操作进行成绩评定，从而实现将油气工程安全环保教育贯穿实践教学内容。

(3) 强调学生创新能力的培养。为培养学生进行自主探索及创新的能力，仿真中心充分强调学生在实践教学过程中的自主性。学生可根据实验目的，自主选择实验设备/软件及实验方法，自行设计实验步骤、制定实验方案。例如，在有杆抽油泵泵效分析实验中，为确定实验目的所要求的泵效，学生既可以利用实体设备进行测定，也可以利用虚拟仿真软件获得相应结果，具体的实验方案均由学生自行进行编制。在此基础上，仿真中心进一步鼓励学生利用多种方法完成实验内容，并对比各种方法的优缺点，加深对于实践教学内容的理解，并提升自身的创新实践能力。

3 仿真中心的建设成效

学校充分利用油气钻采及储运虚拟仿真实验教学资源开展实践教学。通过不断丰富仿真中心的教学资源，实现了教学环境立体化、直观化、形象化的显著提高，可满足学生实验预习、操作及复习的全方位需求，巩固了学生所学理论知识，锻炼了学生的实践动手能力，从而大幅度提升了实践教学的质量。在此基础上，仿真中心的软硬件设备等教学资源实现了对外开放，多次服务于国内其它高校及企事业单位的实践教学，已成为油气钻采及储运领域高层次工程应用型人才培养的重要平台。

近年来，依托于仿真中心，石油工程及油气储运工程专业学生共计发表论文60余篇，申报专利26项，在中国石油工程设计大赛等全国性比赛中获奖102人次，对钻井、采油、油气集输、油气安全与应急处理等专业领域的理解与认识得到了显著提升，初步具备了兼顾石油钻采及储运的创新实践能力。2016年，我校“石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心”获批为国家级虚拟仿真实验教学中心。

4 仿真中心的建设方向

仿真中心将借助实践教学及虚拟仿真领域的新理念、新技术，进一步优化教学方法、革新教学手段、丰富教学资源，加强仿真中心建设。①进一步加强钻采与储运环节的深度融合，增加交叉领域实践项目的数量，完善双专业知识及跨领域实践能力考核体系。②进一步优化实验的操作步骤，使其更加接近于现场实际操作流程，并符合相应行业规范。③通过引入虚拟现实(VR)技术，开发石油钻采及储运领域的虚拟现实实践教学软件，增强教学过程中的立体性、交互性及多感知性，进一步提升实践教学的效果。目前，仿真中心已经完成了虚拟现实软件的研发，并在实践教学中进行了初步应用。

5 结 语

石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心在兼顾石油工程与油气储运工程知识点和操作规范的基础上，完成传统教学方法所不具备或难以完成的教学功能，实现了较高质量的钻采、储运一体化实践教学。其中，在涉及“不可视、不可达、不可及、不可逆、高危险和高成本”的情况下，仿真中心所开发的虚拟仿真软件可安全地模拟地层和密闭管道中复杂环境下的油气流动与设备工况，并通过人机交互将操作结果及时反馈给操作者，从而让操作者在实践学习过程中得以实现“视微”“知著”“习迩”“及远”的目标。仿真中心以培养兼通双专业知识油气生产人才的实践教学体系为特色，始终坚持将油气工程安全环保教育贯穿实践教学内容，充分强调学生创新能力的培养，从而取得了较为丰硕的阶段性成果，为石油与天然气工程及相关学科的虚拟仿真教学实践提供一定的参考。