油田采油采气虚拟仿真教学系统开发研究

倪 攀

(天津石油职业技术学院，天津 301607)

一、引言

石油天然气在国民经济中占有极其重要的战略地位。但是我国油田开采随着地域的不同、油气田成藏机理不同、油气田的地质状况的多样化及不可见性，造成各油气田开采的生产装置多样化、开采工艺复杂化，造成生产作业安全问题日益突出，井喷、跑油、机械伤害、燃烧等安全事故时有发生。石油工业生产中，对石油工程类专业的学生开展实践教学时，如果采用传统的教学模式就比较困难。为此，依托虚拟仿真、仿真装备、多媒体、人机交互、人工智能等新装备和新技术，构建与采油采气现场接近的生产环境，让师生在虚拟仿真石油生产现场环境中开展教学，提高教学的效果就显得非常必要。随着人工智能、大数据等更多科技在教育信息化及教学方式方法上的应用，智慧教育成为职业教育的发展方向，而虚拟仿真的真实体验无疑将给教育带来全新的变革，让教学变得更有趣、更高效，在智慧油田生产作业教学方面，虚拟仿真必将成为今后最主要的手段。

二、开发采油采气虚拟仿真教学系统的意义

油田现场大多是大型装置，教学操作风险大，往往无法直接动手操作，教学讲解不够直观形象，难以达到理想的实训教学效果。在采油采气相关实训课程中，我们通过引入虚拟仿真实训技术和翻转课堂教学新方式，使学生在实际实训前做好预习，充分了解实训过程和步骤，在课堂上通过模拟实训和提问检验预习效果，再通过细节以及难点的讲解帮助学生更好地完成相关实操。以抽油机检泵为例，学生在课前先通过虚拟仿真实训对抽油泵的组成、构造、内部结构、工作原理及工作过程有了清晰直观的认识，在实际实训过程中明显减少了对实物模型的误操作，节省了实训时间和对硬件设备的损害，提高了实训的质量和课堂学习效果。基于半实物的智慧油田生产作业虚拟仿真教学系统在教学中的应用将大大增加学习者的体验感和兴趣度，有利于培养学生更广阔的思维方式，在调动学习积极性的同时，这种身临其境的互动教学方式将迅速提升学习成果，一定程度上为现阶段石油行业提供了信息技术方面的人才支持。

三、采油采气虚拟仿真教学系统开发的技术演变

(一)计算机桌面模拟岗位教学系统

计算机桌面模拟岗位教学系统是采用虚拟现实技术对油田主要生产作业过程进行计算机模拟，用虚拟站场、虚拟设备、虚拟环境、虚拟人物来模拟油田现场真实的生产环境和生产操作，用虚拟人取代油田工作人员。其特点是利用动态数学模型实时模拟油田真实生产过程，通过对3D仿真装置的交互式操作，产生与油田真实生产一致的现象，用来提高学生的实际操作技能。计算机桌面模拟岗位教学系统主要是针对油田常见的、易发生操作错误的油田生产操作提供一套虚拟的、交互的计算机教学平台,使学生进入一个虚拟的油田进行生产操作实习,能激发学生学习兴趣，也能取得较好的教学效果。

(二)缩小型油田生产作业流程实训系统

缩小型油田生产作业流程实训系统根据油田真实的生产作业装置，采用金属和有机透明材料生产制作，采用水、空气、流水灯光代替真实的油气水，尽量按照油田现场工艺进行实训室的布局。缩小型油田生产作业流程实训系统外观和油田实际装置相同，该实训系统的优点是：能量消耗不大、设备的维护工作量比较简单，不会发生操作安全事故。这类教学装置能够展示油田真实生产作业环境，但却忽略了重要的、与其他装置整体配套应用的动态可操作性等模拟装置的主要技术指标，特别是在油井生产作业地下不可视部分的工艺应用。此种系统致命的弱点是当装置的比例较大时，有些石油机械设备只能看外观，不能动态演示工作原理。特别是，当上千米井深用半米的透明塑料井筒来代替模拟，装置中的仪表指示、事故现象不能够真实或全部仿真体现。也就是说，其教学装置或手段只是计算机桌面模拟岗位教学系统的部分升级改进，地面流程中设备运行过程、井下工艺部分或处理事故展示还没有得到彻底解决。

(三)半实物仿真实训教学系统

半实物仿真实训教学系统在吸收计算机桌面模拟岗位教学系统和缩小型油田生产作业流程实训系统实训装置优点的基础上，利用计算机动态仿真、测控技术和多媒体技术的优势，构建并形成了一种半实物仿真实训教学系统。该类系统主要包括采用油田实际规模的静设备、动设备和软件控制系统。油田开采作业中常见的载荷、液量、位移和压力，用相对应的数学仿真模型进行校正。实现多种物理现象、事故现象及多媒体动画演示井下不同油气开采作业工艺和地面流程中设备对原油的处理过程。半实物仿真实训教学系统采用的是部分实物与部分仿真模型及多媒体显示技术相结合的方法，解决了缩小型油田生产作业流程实训系统不能动态演示设备工作原理的难题。但是，这种半实物仿真实训教学系统的运行介质是采用水和低压空气替代原油和天然气，研发制造难度比较大，运行维护成本较高。目前，天津石油职业技术学院已联合中国石油大学(华东)开发了基于计算机监控软件控制，通过不同油气田生产作业工艺控制的数学模型，可进行多种油田生产作业工艺过程的实训项目，并且实现了无须介质、即开即停、节能安全环保等功能，实训教学内容可以按照油气田生产作业规模和工艺全面重组和变化。

四、采油采气虚拟仿真教学系统的组成与功能

智慧油田采油采气虚拟仿真教学系统与以往传统的教学系统的区别在于保留了油田生产作业实物模型讲解、拆装组合、多媒体动画及计算机显示器上的交互式基础教学方式，此外，它还具有教学手段多样化、装置规模大、生产作业设备、管路流程按照实际作业环境呈三维空间分布的特点。由于油田生产作业岗位不同并且比较分散，根据油气勘探开发及处理的工艺先后顺序，学院开发出了钻井、采油采气、油气集输、油气水处理实训等虚拟仿真教学模块。每种作业教学模块系统由生产作业流程装置、生产作业流程的工艺模拟监控系统仿真、生产作业工艺仿真软件等组成。

油气开采虚拟仿真实训教学系统能够实现油气井基础数据，生产数据，流体物性参数数据，油气井示功图数据，抽油机、抽油杆柱、抽油泵生产设备等油气井生产基础数据的维护与管理。通过仿真模拟，能够基于油田实时监控参数实现油气井工况的智能诊断与分析，实现油田油气井生产潜力的智能评价与实时优化管理。系统界面能够展示油气井的生产过程与状态，特别是对温度、压力、产量等相关关键参数，能够实现油井的产能评价与优化设计结果，最终体现出目前智慧油田管理模式的方式与效果。

系统可以实现对油水井的仿真操作，包括：常见机械采油的远程启停、视频监控、生产数据及运行参数的自动采集及自动化系统常见故障的判断、排除、注水井电子执勤，远程监控并录取资料数据，远程调配注水井注水量、油井的掺水量，安装压力变送器、载荷传感器、流量计、温度传感器等。可以实现对井站的智能管理，包括远程启、停离心泵，检查机、泵运转情况，检查液位、罐压，检查、调控炉火，调控外输流量，倒热洗流程，倒掺水流程，倒紧急外输流程，抽污油，录取集输生产数据，倒罐，检查配电盘三相电源、自控仪表，使用灭火器，启、停分离器，启、停加热炉等。可以实现开、关气井，录取气井设备操作参数，填写气井日报表，更换压力变送器、温度变送器、流量变送器，远程巡井操作，加注各种药剂，操作各类采气设备并对其进行维护、保养与更换，进行天然气管线清管操作等。

五、采油采气虚拟仿真教学系统的关键技术

采油采气虚拟仿真教学系统采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实训、结果自动批改和教学管理于一体，是具有良好自主性、交互性和可扩展性的虚拟仿真教学平台。

(一)硬件系统关键技术

仿真系统要求与油田真实生产系统的观测界面基本一致，确保系统的装置材质、外观结构、外形尺寸、设备功能等方面与油田具有一致性。因此，需要选取典型的油田生产作业工艺的全作业流程装置，紧紧围绕智慧油田进行硬件布局与搭建。考虑到为了加强采油采气实训环节建设、增强石油天然气工程类高职学生的实际动手能力、感受石油企业文化、扩展创新视野，解决目前实践教学过程中采油采气领域机械设备品种少、不系统以及石油机械实训场地局限，无法实现油气生产全过程流程展示等一系列问题，开发多功能的硬件系统尤为必要。硬件系统模拟智慧油田最先进的石油机械和油气生产工艺流程，使学生能学习到最先进、最前沿的石油装备和石油开发技术。更重要的是，模拟仿真系统为无介质流动，需要对阀门及仪表等关键部位进行改造，提供传感部件所需要的物性参数来还原油田生产操作现场的真实状况，实现对阀门信号无级感知，还要建立仿真数学模型，利用DCS反馈信号，使仪表数值显示与实际现场操作显示相匹配。

(二)软件系统关键技术

主要包括对油田地面设备、地下工具及地面辅助设施的3D模型制作，需要做好三维井场场景的搭建，全面展示油田生产设备及工艺，完成符合真实油田井场的搭建。对三维油田井场进行系统性的漫游功能研发，增强教学的趣味性和体验感，包括通过手柄、头盔、鼠标等多种控制方式的井场全场景漫游功能，以实现立体化、全视角、多方位观察油田场站生产环境。通过漫游，使学生充分了解智慧油田所具备的设施、布局及现代化石油机械，帮助学生提高掌握智慧油田设备的操作、生产工艺管理与维护等能力。由于采油虚拟仿真对于视角控制的要求较高，所以系统可切换2D/3D现实，在2D视图下，学生可选择只看物体的顶/侧/底/正面，便于学生考核时的精准定位；同样的，在实训过程中可使用鼠标键盘的配合操作，调整到一个较为合适的视角进行操作。

实现脚本漫游，能够进行大场景、预定路线和视角的自动漫游。对采油三维井场交互功能进行研发，包括鹰眼地图、设备快速定位、设备信息查询、设备知识学习(触发三维动画形式)、设备操作风险点提示等交互内容。

六、结论

采油采气虚拟仿真教学系统立足高素质技术技能人才的培养要求和石油企业办学的行业特色，以学生为中心，体现差异化、个性化的学习方式，实现了理论与实践、仿真与实操、院校与企业的“三结合”。系统以职业基础认知、虚拟仿真实训、生产现场操作三个训练层次为核心，作业装置和生产装置工艺参数动态变化规律与油气田不同生产作业工艺规范一致，形成了独具特色的石油工业虚拟仿真教学体系，成为提高高职石油工程类专业学生职业技能和实践创新能力的有效途径。建设智慧油田的目的是提升油田勘探开发、油气生产、经营管理、各方面的泛在化、可视化、智能化水平，并最终推动油田的绿色环保和可持续发展。石油天然气工程类专业坚持立德树人根本任务，面向石油行业生产一线和油田服务领域，培养德、智、体、美、劳全面发展，践行社会主义核心价值观，具备责任担当、爱岗敬业、安全意识、创新思维、自主学习和团结合作能力，具有国际视野，能够胜任智慧化、智能化形势下钻井施工、采油及采气生产、油气集输及管理、城市燃气等职业岗位群并具有较强信息化能力的高素质复合型技术技能人才。在数字中国建设大背景下，采油采气虚拟仿真教学系统与智慧油田先进技术下油田现场岗位群、职业标准、职业素养新变化相适配，教学内容根据油田岗位需求和工作过程进行了重新编排梳理，将石油企业采油工、集输工、注水工等工种标准化操作项目融入虚拟仿真教学。有效改变了以往单纯培养“工具人”和同质化人才培养目标的做法，培养的毕业生具备了“专业基础厚、石油文化素质高、信息科学素养高、就业竞争力强、社会适应力强、创新创业力强”的综合素质和能力。