钻井虚拟仿真软件在油气钻井工程教学中的应用

＊许争鸣 由庆 郭建平

（中国地质大学（北京）北京 100083）

1.引言

石油和天然气是国家重要的战略能源和物资，影响国计民生和国防安全。2020年我国石油和天然气对外依存度分别攀升至73%和43%，加大勘探开发国内油气资源势在必行[1]。钻井是石油勘探和开发中的核心工程技术[2]，石油钻井的大部分工作都是在地层下进行的，具有不可视、不可逆、高风险和高成本等特点，采用传统手段进行钻井工程实验实训较为困难[3-5]。

传统手段主要通过油田现场或实训中心有限时间和有限经费、设备条件下进行教学，本项目解决了长期以来因不可视、现场安全性、成本等因素导致重要的地面流程和地下工作流程不易看到、不易重复等问题[6-8]。为学生提供了一个无限次再现虚拟资源的学习环境，让所有学生实现有现场感的体验式学习，开拓了学生的学习视野，构架更完整的石油工程知识体系，为提高学生的学习兴趣、自主学习、互动学习、创新学习提供了一流的资源和平台[9-11]。

为更好地发挥钻井工程虚拟仿真软件的作用，需合理设计钻井工程虚拟仿真的交互过程，让学生在软件中的互动感、参与感更强。通过校企合作开发，对钻井工程虚拟仿真软件设计了以下四大内容。包括钻井设备的实际场景漫游认知、钻井过程的操作、固井过程的操作和井控过程的操作。钻井虚拟仿真软件实现的功能及涉及的理论知识点如表1所示。

表1 钻井虚拟仿真软件模块及所包含知识点

2.钻井虚拟仿真软件内容及交互性操作说明

图1所示为钻井虚拟仿真软件的主界面，点击左上角的“学习简介及学习目标”按钮，可以了解该软件的学习简介和学习目标。点击左上角的“钻井与完井工程试题”按钮，可以进入考试，总共设置20道试题，每题5分，全部做完之后软件会自动给出考试分数。点击右上角的“退出程序”按钮可以退出该软件。点击中间的四个按钮“设备介绍”“钻井过程”“固井过程”和“井控过程”，可以分别进行井场设备虚拟漫游认知、钻井过程虚拟仿真操作、固井过程虚拟仿真操作和井控过程虚拟仿真操作。针对这四部分内容，分节进行介绍。

图1 钻井虚拟仿真软件主界面

(1)井场设备虚拟漫游认知

进入井场前，会让学生学习井场安全知识，包括现场文明注意事项、常用劳保用品（工帽、工服、工鞋、手套）、特殊劳保用品及现场相关安全措施和现场主要危险源。

进入井场后，学生可以通过键盘和鼠标操作，控制虚拟人物在三维井场中漫游，可以看到整个井场的设备布置、连接情况，对于一些重要设备可以走到设备前面并通过点击鼠标进行学习设备的名称和详细功用，如图2所示。

图2 虚拟人物通过点击井场中设备进行学习

此外，还可以通过点击右上角的“设备详细介绍”按钮，进入到设备详细介绍页面，如图3所示。在该页面中，左上部分用于旋转展示设备的结构及形状，右上部分用于展示设备的详细功用。页面下部分用于展示井场中的24种常用设备，可通过鼠标拖动进行选择。

图3 设备详细介绍页面

(2)钻井过程虚拟仿真操作

对于钻井过程，主要包括钻前准备过程、钻进过程和完井过程。第二部分的虚拟仿真内容可以虚拟仿真钻前准备过程中的布置井场（如图4所示），学生通过点击右边的井场设备，并拖动放置到左侧的实际井场中，当设备摆放位置正确且全部布置完毕后，即可进入钻井过程。

图4 井场布置虚拟仿真操作过程

进入实际钻井场地，点击右上角的“操作提示及目标”按钮，软件会提示学生需要走到钻井平台的司钻房开启钻井任务，并且给出了目的地的方位，如图5所示。

图5 钻井过程操作说明和操作提示

开启钻井任务后，在图6所示的界面中，通过开启右下角的“泵排量”“钻速”“下钻”“起钻”按钮，可以进行钻进作业（图6a）、更换钻头作业（图6b）、接单根作业（图6c）以及利用动画学习四个重要钻进过程（图6d）。

图6 钻井过程的四种虚拟仿真操作

(3)固井过程虚拟仿真操作

在固井过程中，通过虚拟仿真软件可以学习固井的目的、固井的意义以及固井的主要操作步骤。基于这些知识的学习，学生可以进入到固井操作页面，如图7所示。正确的固井操作顺序为“起钻→下套管→安装水泥头→注入前置液→下入下胶塞→注入水泥→下入上胶塞→注入钻井液→关井侯凝→继续钻进”，如果学生在操作的时候没有按照正确顺序操作，软件会提示错误，让学生去重新学习理论知识，并且在下一次的操作中重新打乱这10个操作步骤的顺序。

图7 固井虚拟仿真操作页面

(4)井控过程虚拟仿真操作

在钻遇异常高压地层的时候，软件会提示学生是进行继续钻进还是进行井控操作，如果学生点击“继续”按钮，就会出现井喷爆炸事故，如图8所示。如果学生点击“处理”按钮，就会出现井控流程虚拟仿真操作，如图9所示。正确的井控操作顺序为“关闭防喷器→注入原钻井液→注入加重钻井液”，未能正确操作井控顺序会重新学习井控知识，并且在下一次操作的时候打乱按钮顺序。

图8 不及时进行井控时发生的井喷爆炸事故

图9 井控操作页面

3.钻井工程虚拟仿真软件应用

(1)虚拟仿真软件应用措施

①专门设置虚拟仿真软件教学课，安排了2个课时来介绍软件的主要功能和操作方法。将真实场景实际操作融入到课程中，促使学生可以对虚拟仿真软件应用有初步的感知。同时在课程中，还可以增加初步认识钻井工程场景、相关钻井操作（如接单根、起下钻、操作液压大钳等等）。图10为学生在虚拟仿真教学实验室里进行钻井工程虚拟仿真软件的学习。

图10 学生在虚拟仿真教学实验室中学习软件

②将软件安装在学生电脑中，学生在整个学期的学习过程中，都可以自主学习和操作虚拟仿真软件。

③通过收集学生的反馈和建议，找出虚拟仿真软件存在的不足，接受学生提出的疑问和建议，对软件进行二次开发，从而更好地去服务下一届学生。

(2)钻井虚拟仿真软件与教学内容的结合

①实验方案设计思路与先进性

本实验精心设计准备了石油钻井这一主题作为实验内容，是因为：

A.解决了石油行业地层下大部分工作流程的不可视、不可逆、高风险和高成本等难题。综合利用3D建实地模和多媒体技术，实现了石油工程领域的一个完整的虚拟流程。石油和天然气开采时大部分工作流程都是发生在地下，在高温高压地层环境下发生的石油钻采过程，具有不可视、不可逆、高风险和高成本等特点，需要进行虚拟化模型实验教学来让更多人体验钻井、采油和压裂过程中地面和地下场景。我们选择这一内容有其综合性和复杂性，是在实际工作中需要开展的研究活动，并且这是一个连续的操作过程，贯穿了本科教学的各个环节，有效串联起了多门课程中具有相互关联的知识点。

B.实现了教学研的深度融合。学生参与工艺流程设计和设备实训操作的建设模式，突破了一般石油工程教学内容的简单模式，解决了石油工程内容的空间不可及、施工操作单向性、现场实训安全限制和部分内容抽象难懂等问题。同时，在项目中留有内嵌编程和数值模拟软件的接口，未来可使学生借助虚拟仿真实验平台进行科研工作。

②教学方法创新

以学生学习和实践能力的培养为导向、以学生自主学习为中心、教师引导与自主学习相结合的教学模式，更能激发学生的能动性和创新实践能力。本实验是石油工程专业实习的支撑，也是对学生实践操作的测试过程，而撰写实验报告则是对学生综合能力的评价过程。此外，本实验还是石油工程专业实习的重要支撑。

③评价体系创新

建立了课前预习、在线练习、模块考核、综合能力考核、报告撰写等多元化的评价体系，全方位考核学生学习效果。本实验教学评价体系线上、线下相结合，个人实验操作与团队讨论总结相结合，既增强了学生自主学习的积极性，也可以客观公正地对学生的实验结果做出评判。

(3)钻井虚拟仿真应用效果

①在开展虚拟仿真实验项目以前，学生在课堂上对于石油工程钻井过程只有理论和概念上的认识，既不直观，也不深刻。而且，课堂教学和实地专业实习是在不同学期中开展的。在实地专业实习时，指导教师不可能对每个学生进行结合理论的深度指导，学生难以将实践和理论联系起来，使学习效果打了折扣。虚拟仿真实验很好地衔接了课堂教学和实地专业实习之间的空隙。石油钻井过程是石油工程专业在教学过程中比较综合与复杂的内容，它涉及多门课程中的知识点，并且对学生的动手实践能力和综合分析能力都有一定要求，可以提升实践活动的学习效果，增强学生理论联系实际的能力。

②虚拟仿真实验与实地实习相比较，其实验结果是实时取得的，反馈周期短，容易让学生将精力集中在实验过程中，吸引学生注意力，提高学生学习的积极性。同时，虚拟仿真实验大大提升了实验效率，将实地专业实习的冗长过程浓缩到4个学时的实验室学习过程中，可以让学生关注实验内容中的重点与难点，并加以反复练习。

③本实验所取得的实验结果还可以进一步拓展。例如，学生可以以实验结果为基础，进一步分析得到的数据，或者在已有的施工工艺流程上进行安全性评价与分析，得到不同环境下的施工工艺矩阵图。

本软件构建了石油钻井的三维虚拟空间，重现石油工程的钻井作业场景，让学生突破空间和时间局限，获得身临其境的浸入感。课程为训练学生实地考察技能、学习石油工程相关知识、提升科研实践能力提供了优良的教学实验平台。该虚拟仿真实验不仅可以满足石油工程专业人员的教学与交流需求，同时可为大众普及石油钻井知识，实现信息知识的传递与共享，切实提高石油工程人才的创新能力和质量，为国家培养杰出人才和高水平建设者。

4.结语

综上所述，在石油工程专业中的钻井工程教学中，应用钻井工程虚拟仿真软件可以获得良好的效果，可以在很大程度上增强学生的学习兴趣，并且能够让学生在虚拟仿真联系中提高自身的实践技能，能够让学生做到理论与实践的良好结合，这对于学生综合发展有极大帮助。因此，在钻井工程课堂教学中，教师要结合学生发展需求，灵活地应用钻井工程虚拟仿真软件开展课堂教学活动，让钻井工程虚拟仿真软件始终贯穿整个钻井工程教学活动，以此促进学生的良好发展。