固井工藝仿真實訓對學生工程實踐能力培養(yǎng)的實現(xiàn)

李猛?蘇堪華 戶淑莉 萬立夫 齊成偉

摘 要：固井施工工藝具有復雜性、高成本、規(guī)模大、高危險性的問題，構建了固井仿真實訓平臺。該平臺可進行固井基礎知識教學、固井設備操作講解、固井工藝演示、操作及考核，能夠利用數(shù)字虛擬技術提供傳統(tǒng)實訓教學無法提供的實訓學習環(huán)境，可提高學生的固井實踐能力。該仿真實訓平臺的構建，使固井現(xiàn)場實習室內化，在補充課堂知識的同時，提高了學生的工程實踐能力，利于實現(xiàn)培養(yǎng)高素質、高技能應用型人才的目標。

關鍵詞：固井 仿真實訓平臺 應用型人才

中圖分類號：G42 文獻標識碼：A 文章編號：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

近年來，仿真技術已廣泛應用于航空航天、汽車制造、交通運輸、消防安全等多個領域，對教育領域的發(fā)展也起到了促進作用。仿真技術可以把實驗或實訓設備、實訓內容、教師指導和學生操作有機地融合為一體，可在短時間內根據(jù)需要建立模擬實驗室或實訓場地[1]。

對于固井工藝教學，由于固井現(xiàn)場實習過程中多數(shù)學生只能觀摩不可操作，導致學生對固井工藝流程理解不夠透徹，難以保證實習質量[2]。因此，為了培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的應用型人才，需要構建室內固井工藝仿真實訓平臺。該平臺可利用模擬設備和計算機仿真技術進行固井工藝流程操作模擬訓練，讓學生親身經(jīng)歷固井全過程，整個操作流程與現(xiàn)場工藝流程一致，可提高學生的工程實踐能力，利于培養(yǎng)應用型人才[3]。

1 仿真技術在固井實訓教學中的必要性

為了使高校培養(yǎng)的畢業(yè)生與石油企業(yè)的需求無縫對接，必須在加強理論基礎教育的同時，應加大現(xiàn)場實訓力度，且整個實訓過程要做到人人參與，并要求工藝流程與現(xiàn)場石油企業(yè)的實際操作一致。但目前石油高校的學生在現(xiàn)場實訓操作過程和操作參與度方面均未達到上述要求，主要原因有以下幾點：

（1）固井工程專業(yè)技術性強，直接現(xiàn)場實訓難度大。許多現(xiàn)場固井流程只可觀察外表，對于內部具體流程，學生只能在教師講解的基礎上想象，只可窺其一斑，理解有一定難度。

（2）固井操作技能多樣性，勞動強度大。固井包含多種固井工藝，每種工藝又包括不同的固井操作流程，并不是簡單的重復性操作，且由于固井設備全部為重型機械，即便在自動化程度較高的今天，現(xiàn)場固井操作勞動強度依然很大。

（3）固井現(xiàn)場各模塊環(huán)環(huán)相扣，學生參與連續(xù)性差。固井時間普遍較長，尤其是深井固井，但學生實踐教學時間較為緊湊，故學生從固井開始到固井結束介入固井過程的完整性較差。

（4）固井危險性大。在整個固井實踐過程中，安全問題不容忽視，由于現(xiàn)場實踐危險性高，學生人數(shù)眾多，人員流動隨機性大，加上安全意識薄弱，學生出現(xiàn)人身安全風險極大。

為有效地解決固井過程中存在的諸多問題，高校可以在固井實訓過程中，充分應用虛擬仿真技術提升固井實訓教學質量，將具體的固井工藝過程形象化，提高學生的動手操作能力，實現(xiàn)校內實訓技能與油田一線操作技術的零距離對接。

2 固井仿真實訓平臺的教學設計

針對以上述固井工程實訓教學中存在的問題，運用現(xiàn)代科學的思想、方法、技術、手段，結合系統(tǒng)論、信息論、控制論、協(xié)同論、突變論等科學方法及最新的計算機可視化信息技術的集成方法，固井仿真系統(tǒng)應運而生。

2.1 固井仿真平臺組成

以現(xiàn)場固井工藝流程及設備為依據(jù)，確定固井仿真實訓平臺結構。該平臺主要由固井車儀表控制臺、固井現(xiàn)場模擬平臺、仿真實訓軟件系統(tǒng)組成。按照現(xiàn)場固井工藝程序，模擬固井施工，固井仿真實訓平臺的工作原理是：固井車儀表控制臺、固井現(xiàn)場模擬控制臺中的手柄、閥和開關通過相應的傳感器產(chǎn)生模擬信號，數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)將采集到的信號傳至SCADA主控計算機，由SCADA主控計算機對傳來的數(shù)據(jù)與信號進行分析、處理，再由仿真軟件進行數(shù)據(jù)計算、編譯，然后通過多媒體輸出模擬結果，同時將相應的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)的D/A輸出端口傳至儀表控制臺的顯示屏

2.2 固井仿真實訓平臺功能

固井仿真實訓平臺功能結構如圖1所示。結合現(xiàn)場固井工藝，確定軟件與硬件相結合可以實現(xiàn)的功能包括三方面：

（1）教師可利用該平臺以真三維動畫演示的方式進行固井工藝基礎知識講解、固井設備操作講解、固井工藝演示講解。固井仿真實訓平臺可讓教師及學生能夠實時直觀地觀察并跟蹤固井作業(yè)過程，再現(xiàn)固井現(xiàn)場的真實場景。

（2）學生可以在固井車儀表控制臺上和固井現(xiàn)場模擬平臺進行任一種固井工藝進行分工藝步驟的操作實訓。使用固井虛擬仿真技術替代固井現(xiàn)場設施設備進行訓練，待練習到一定程度后再到固井現(xiàn)場生產(chǎn)進行操作訓練，可以最大限度地減少學生的固井實訓時間。借助于固井仿真軟件，不僅可以滿足教學中的個性化需求，而且能使學生高效地掌握固井操作技能，實現(xiàn)與油田現(xiàn)場的無縫接軌。

（3）教師可利用考核系統(tǒng)記錄學生實訓結果，可對學生進行分項目管理、評判和考核，能夠及時發(fā)現(xiàn)學生操作過程中出現(xiàn)的問題，予以糾正，提高學生對固井工藝的理解能力。固井仿真實訓平臺的構建，貼近一線固井施工，體現(xiàn)了固井工藝的真實操作流程，加強了學生對固井工藝的認識，加深了學生對各種固井操作方法和工藝流程的熟悉，是加快培養(yǎng)高素質、高技能應用型人才的保障。

2.3 固井仿真實訓平臺教學過程

在技能訓練和教學活動中廣泛應用虛擬軟件和仿真實訓設備，在一定程度上彌補了技能實訓設施設備不足的欠缺。

首先，教師利用該實訓平臺的仿真系統(tǒng)，選擇教學系統(tǒng)中的固井工藝演示并以常規(guī)固井技術套管為例進行教學，然后學生在仿真實驗設備上按照教師的講解進行操作：按照①“作業(yè)準備→開啟控制臺→下套管→灌鉆井液→下固井管柱→循環(huán)洗井”的順序在固井教學仿真平臺控制面板和固井車儀表控制臺上依次手動打開或關閉相應的按鈕進行套管作業(yè)。按照②“注前置液→固井車補水→供灰、混漿→注水泥漿→注隔離液→壓膠塞→替鉆井液→泵壓→放壓及候凝→套管試壓檢查”的步驟依次在固井車儀表控制臺上手動打開或關閉各個泵車按鈕及閥門進行固井作業(yè)。

操作過程若無報警聲音，固井現(xiàn)場模擬教學平臺管線會有不同顏色的流線顯示，同時，學生和教師都可以在投影屏幕上看到三維動畫操作步驟及結果。

3 固井仿真實訓平臺提高學生實踐能力的途徑

固井仿真實訓平臺具備沉浸性、交互性和構想性等特征，能夠利用數(shù)字虛擬技術提供傳統(tǒng)固井實訓教學無法提供的實訓學習環(huán)境，可通過以下方法提高學生的固井實踐能力。

3.1 固井仿真實訓平臺的開放性

一是固井工藝技術資源開放。固井仿真系統(tǒng)軟件中存儲了大量的虛擬固井環(huán)節(jié)、固井設備、固井場景、固井突發(fā)情況及固井工藝操作指導，學生可根據(jù)學習內容需要及對各個工藝操作所掌握的熟練程度自由選擇使用。

二是固井模擬結果及時可視化。學生在操作固井仿真系統(tǒng)過程中，除了可以觀察各個固井設備的工作情況以外，也可直接進入仿真設備或子系統(tǒng)內部觀察設備或流體等的運行情況，亦能夠及時得到傳統(tǒng)實訓工藝需要一天甚至幾天才能得到的固井工藝結果。

3.2 固井仿真實訓平臺的交互性

固井仿真實訓與固井現(xiàn)場實訓的不同之處在于，固井現(xiàn)場實訓過程中，學生是被動的、單向的接受知識，雖然直觀但不具備交互性；而固井仿真實訓系統(tǒng)設計了豐富的人機交互模式，強化了學生的參與性與自主性，可以激發(fā)學生的學習興趣。學生可根據(jù)自己的學習情況進行查缺補漏，按照仿真系統(tǒng)內部嵌入的操作說明，自行設計虛擬固井操作流程，增加學生對固井操作感性及理性的認識，讓學生有身臨其境的感覺。在加深學生對固井工藝流程熟悉的同時，也利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

3.3 固井仿真實訓平臺的安全性

傳統(tǒng)的固井實訓教學受制于設備、儀表、元件等條件的制約，學生所能進行的具體實訓操作訓練項目有限，尤其是一些危險性高的實訓項目。而虛擬仿真固井實訓系統(tǒng)，不會因學生的操作不當造成設備損壞，且仿真系統(tǒng)的警報聲和操作提示會指導學生糾錯，以此加深記憶，對學生掌握固井工藝大有裨益。

3.4 固井仿真實訓平臺的節(jié)約性

傳統(tǒng)的固井實訓操作，需要消耗柴油、電力、水、水泥等原材料，各種設備會出現(xiàn)磨損等耗損情況，而且若操作失誤，可能會損壞設備、儀表等。而虛擬仿真固井實訓系統(tǒng)采用數(shù)字程序將柴油等原材料虛擬可視化，省去了購買原材料或損害設備的成本，無消耗、無污染，且形象逼真。

4 結語

構建固井工藝仿真實訓平臺，開展固井工藝實驗教學，對促進石油鉆井學科建設，提高石油工程專業(yè)實驗教學效果具有積極作用。該實訓平臺的建立，將復雜、高成本、高危險性的固井現(xiàn)場操作室內化，克服了固井課程課堂教學抽象、現(xiàn)場實習危險、現(xiàn)場操作“走馬觀花”等問題，把固井工具模型和固井施工現(xiàn)場搬到實驗室內，將理論基礎教學與固井實際操作密切聯(lián)系，使得學生在學習課程基礎知識的同時，又能在“施工現(xiàn)場”操作固井工具及固井程序，消除了現(xiàn)場實習的不確定性因素，可提高學生的實踐操作能力，利于培養(yǎng)應用型人才。

參考文獻

[1] 郭辛陽，史玉才，劉瑞文，等.鉆井及井控綜合性仿真實訓平臺建設[J].實驗室研究與探索，2015，35（10）：122-124.

[2] 徐建飛，高棟梁，劉振東.石油鉆井裝備實訓體系建設與實踐[J].科教文匯，2016，357：55-58.

[3] 時鳳霞，吳明銀.獨立學院石油工程專業(yè)實習實訓教學改革初探[J].中國石油大學勝利學院學報，2017，31（1）：69-71.