油氣田開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李杰

摘要：針對石油工程專業(yè)復(fù)合型人才培養(yǎng)的需要，以加強(qiáng)學(xué)生的實踐能力為目標(biāo)，與油田生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合，研制以生產(chǎn)安全培訓(xùn)演示軟件和開發(fā)動態(tài)綜合仿真模型為核心的油氣田開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)，包括井仿真模型、開采仿真模型和注采系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)具有顯示直觀、綜合性強(qiáng)以及理論與實踐緊密結(jié)合等特點，既可使學(xué)生快速高效地回顧所學(xué)專業(yè)知識，也開拓了學(xué)生的視野，了解了石油工程崗位的任務(wù)和特點，為學(xué)生從事石油工程工作打下實踐基礎(chǔ)，促進(jìn)提升專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量。油氣田開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)對于拓寬專業(yè)實驗教學(xué)思路、完善專業(yè)實驗室教學(xué)模式有一定的示范作用。

關(guān)鍵詞：油氣田開發(fā)；仿真教學(xué)；仿真系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0145-02

石油工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)復(fù)合型人才，要求培養(yǎng)的學(xué)生具有工程性和實踐性，這就需要建立相關(guān)的課程和教學(xué)體系，即提高實踐環(huán)節(jié)比例，完善實踐教學(xué)體系，鼓勵實驗單獨設(shè)課，增加綜合性、設(shè)計性等創(chuàng)新性實驗比例，加強(qiáng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)。在實踐教學(xué)方面，中國石油大學(xué)（北京）安排去生產(chǎn)單位進(jìn)行生產(chǎn)實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，但由于學(xué)生數(shù)量較多，實習(xí)單位生產(chǎn)任務(wù)重，導(dǎo)致實際效果變差[1]。為了提高實踐教學(xué)質(zhì)量，中國石油大學(xué)（北京）開展研究，設(shè)立了石油工程開發(fā)仿真教學(xué)實驗課程。該課程主要針對大學(xué)三年級的學(xué)生，對石油專業(yè)知識有一定理論認(rèn)識，但對油田實際了解較少，有針對性的仿真實驗教學(xué)，可高效地培養(yǎng)學(xué)生動手能力，增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)的感性認(rèn)識，并充分了解石油工程的崗位特點。

一、油氣田開發(fā)仿真教學(xué)目標(biāo)

油氣田開發(fā)仿真實驗室每年面對石油工程的所有學(xué)生，肩負(fù)著石油工程專業(yè)學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)和實踐能力的培養(yǎng)的使命，通過油氣田開發(fā)仿真實習(xí)，可以不斷地強(qiáng)化學(xué)生的實驗?zāi)芰?、動手能力、觀察能力、分析和解決問題能力，使石油工程的學(xué)生能夠更好地和系統(tǒng)地理解和掌握油氣田開發(fā)方面的知識，為畢業(yè)后做一個合格的石油工程師打下堅實的基礎(chǔ)。

二、油氣田開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)的組成

針對石油工程油氣田開發(fā)專業(yè)，仿真教學(xué)系統(tǒng)由兩大部分組成：第一部分是生產(chǎn)安全培訓(xùn)系統(tǒng)，主要內(nèi)容是在生產(chǎn)實習(xí)過程中可能存在的各類安全問題；第二部分是動態(tài)仿真模型系統(tǒng)，包括鉆井工程仿真模型、開采仿真模型和注采系統(tǒng)仿真模型。

1.生產(chǎn)安全培訓(xùn)系統(tǒng)。生產(chǎn)安全培訓(xùn)包括勞保安全和現(xiàn)場安全兩部分。勞保安全培訓(xùn)是安全防護(hù)用品的穿戴實踐，目的是培育學(xué)生自我保護(hù)的基本防護(hù)知識?，F(xiàn)場安全培訓(xùn)是通過軟件或視頻動畫展示事故案例。

2.動態(tài)仿真模型系統(tǒng)。（1）井仿真模型。井仿真教學(xué)模型是由地層模型、井身結(jié)構(gòu)模型和燈光顯示系統(tǒng)組成。其中井身結(jié)構(gòu)模型有三種，分別是目前三種常見井型（水平井、直井和斜井），同時每種井型配有燈光照明顯示系統(tǒng)，可應(yīng)用于模擬油氣水在地層內(nèi)的滲流方式和鉆井過程中鉆井液的流動方式。（2）開采仿真模型。開采仿真模型包括了自噴井模型、有桿泵模型及潛油電泵模型。自噴井模型模擬了油藏地層能量充足時，井筒內(nèi)流體流動過程中氣、液兩相流的各種流態(tài)。有桿泵模型包括抽油機(jī)模型和螺桿泵模型兩種。抽油機(jī)模型由抽油機(jī)地面和井下部分組成[2]，可直觀展示地面上抽油機(jī)的部件組成及工作原理以及井下抽油泵的組成和工作原理。螺桿泵模型也由地面和地下兩個部分組成，可以展示螺桿泵的原理和泵體的工作過程。這兩個模型都能實現(xiàn)人工控制，通過改變相應(yīng)參數(shù)，模擬實際抽油機(jī)和螺桿泵工作制度改變帶來的影響，使學(xué)生直觀了解沖程和沖次等概念及影響、了解泵效的影響因素以及提高泵效的措施。潛油電泵是一種典型的無桿泵[3]，是油田開發(fā)后期強(qiáng)注強(qiáng)采最常用的采油機(jī)械，潛油電泵模型可直觀地演示潛油電泵采油工作原理、潛油電泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)出液壓力來觀察泵的流量變化。（3）注采系統(tǒng)仿真模型。注采系統(tǒng)仿真模型是對油田開發(fā)進(jìn)行模擬的宏觀模型。如果說前面的仿真實習(xí)是微觀的，那么注采系統(tǒng)動態(tài)仿真實習(xí)則是宏觀的，該模型包括地面與地下兩個部分。模型的主要功能由三個部分組成，其一是模擬整個油田的注水流程及原油從地面采出后的流向；其二是全面系統(tǒng)地模擬了一個完整油藏開發(fā)過程中需要的地面設(shè)備，包括注水管網(wǎng)等注水站地面設(shè)備、采油管網(wǎng)及油氣地面處理設(shè)備，如儲水罐、工作泵組、配水間、水井井口裝置和油井井口裝置等；其三是地下油水運(yùn)動顯示系統(tǒng)，包括油水井連通剖面圖和地層燈光模型，前者能夠直觀顯示采油泵的位置及其對泵效的影響，后者能夠直觀顯示油層非均質(zhì)性的影響以及分層注水、籠統(tǒng)注水工藝。

三、仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用與教學(xué)效果分析

1.仿真教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用。（1）教學(xué)的目標(biāo)。在進(jìn)行仿真實習(xí)教學(xué)時，采取知識點以點帶面的方法進(jìn)行，首先從某個知識點切入，先介紹理論知識，在學(xué)生明白理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真教具進(jìn)行這一知識點的深入學(xué)習(xí)，使理論和實際相結(jié)合，真正掌握這一部分知識；其次，進(jìn)行知識點相串聯(lián)，把單個知識點進(jìn)行整合，在整合的過程中讓學(xué)生了解整個油田的運(yùn)行過程，同時對自己以后在油田所從事的工作崗位有一定的了解。（2）教學(xué)過程的管理。油氣田開發(fā)仿真實習(xí)教學(xué)是由三個方面組成的，其一是教師就生產(chǎn)實踐過程及安全注意事項的講解；其二是學(xué)生對油氣田開發(fā)過程的仿真模擬的觀摩和實際操作；其三是學(xué)生對油氣開采過程中理論知識的全面回顧和總結(jié)。

2.教學(xué)過程中仿真系統(tǒng)的特點。通過近幾年的教學(xué)實踐，油氣田開發(fā)仿真系統(tǒng)不斷得以完善，總體來看，該系統(tǒng)具有如下幾個特點，能大大提高教學(xué)效果：（1）對油氣田開發(fā)知識的直觀顯示。在進(jìn)行油田生產(chǎn)安全培訓(xùn)時，主要通過結(jié)合油田近年來在現(xiàn)場所發(fā)生過的事故，運(yùn)用動畫展示來進(jìn)行教學(xué)。在看得到動畫展示危險事故時，同學(xué)們都會發(fā)出驚嘆，通過事故原因分析，學(xué)生們真正了解了實際生產(chǎn)作業(yè)時可能存在的危險以及應(yīng)對危機(jī)的方法，為學(xué)生今后走上工作崗位打下安全基礎(chǔ)。（2）油氣田開發(fā)知識的綜合理解。油氣田開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)中的幾個主要模型，模擬的是鉆井、地層流體滲流和采油工程三個領(lǐng)域的主要過程，因此能夠使學(xué)生建立起綜合的油藏開發(fā)的概念。鉆井工程仿真模型是鉆井知識和滲流知識的綜合，除了可以使學(xué)生直接觀察油井的井身結(jié)構(gòu)，了解井管柱的組成、結(jié)構(gòu)及管柱在井內(nèi)的作用之外，還能令學(xué)生了解井眼和地層連通的完井方法以及不同完井方法的適用條件和局限性；更重要的是，該模型通過燈光顯示系統(tǒng)巖石油氣水在地層中的滲流方式，令學(xué)生直觀地了解水平井、直井和斜井滲流的差異，從而全面掌握了流體滲流的相關(guān)知識。開采仿真模型是采油工藝知識的綜合，通過自己動手實驗，模擬完井后在不同開采方式下地下流體從地層中開采并在井筒中流動的過程，可以更深入地掌握油井自噴的條件及自噴時井筒內(nèi)流動形態(tài)的變化；另外還能掌握有桿泵的工作原理如沖程、沖次的概念以及氣體對泵效的影響，同時通過自己觀察，找出泵效低的原因，加深對抽油泵的工作原理的理解；還能掌握有桿泵和無桿泵不同的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，綜合了解如何優(yōu)選采油工藝的基本原理和方法。注采系統(tǒng)仿真模型是油田生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合，包括流體在注采管網(wǎng)和地層中綜合流動、注采裝備及技術(shù)與生產(chǎn)單位管理系統(tǒng)的綜合以及注采綜合調(diào)整技術(shù)。例如，系統(tǒng)可以選擇不同的注水增壓泵，直觀感受其對注水量的影響，還可以直觀了解注水的地層中的滲流過程，了解油層非均質(zhì)性所產(chǎn)生的問題及分層注水與籠統(tǒng)注水的區(qū)別、分層注水的工藝和優(yōu)點。通過學(xué)生動手模擬和教師的講解，學(xué)生可以明確整個油田的運(yùn)行方式、采油廠各單位的工作職能和需要掌握的重點知識。（3）理論知識和實踐能力的有機(jī)結(jié)合。仿真教學(xué)系統(tǒng)能夠給學(xué)生提供充分的動手實踐機(jī)會。例如抽油機(jī)模型，除了使學(xué)生直觀了解抽油泵的工作原理和抽油機(jī)部件組成之外，還能在學(xué)生自己操作過程中，控制氣量的大小，記錄有氣與無氣時的泵效，了解氣體對泵效的影響，同時通過自己觀察，找出泵效低的原因，加深對抽油泵的工作原理的理解。潛油電泵仿真模型可直觀地演示潛油電泵采油工作原理、潛油電泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生還能通過調(diào)節(jié)出液壓力來觀察泵的流量變化，通過記錄電流卡片學(xué)會進(jìn)一步分析電潛泵的工作狀態(tài)。

3.仿真教學(xué)效果分析。隨著開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)的不斷完善，目前已經(jīng)成功應(yīng)運(yùn)用石油工程專業(yè)，并在本科生培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用。此外，由于其可以將復(fù)雜的專業(yè)理論直觀呈現(xiàn)的特點，此仿真系統(tǒng)承擔(dān)全校石油工程科普教育的功能。特別是在本科教學(xué)中取得了顯著的功效。首先，實用化是仿真系統(tǒng)最大的功能之一，通過采用和現(xiàn)場實際相一致的仿真系統(tǒng)，讓學(xué)生在學(xué)校就能了解到現(xiàn)場的知識，體現(xiàn)了實用性強(qiáng)的優(yōu)點。其次，綜合性強(qiáng)，開發(fā)仿真系統(tǒng)不但以實物的形式展現(xiàn)了油田地面運(yùn)輸系統(tǒng)，而且以光電的形式展示了地下流體的流動狀態(tài)，同時也形象地讓學(xué)生看到油井井筒的構(gòu)造及組成部分，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生知識的綜合性，使學(xué)生對知識的理解更加系統(tǒng)。最后是對學(xué)生具有啟發(fā)性，通過仿真實習(xí)，學(xué)生初步知道自己是否喜歡從事油氣田開發(fā)的工作，如果以后從事油氣田的工作，自己在什么樣的工作崗位，為以后工作的選擇做初步的準(zhǔn)備，同時為生產(chǎn)實習(xí)打下基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

開發(fā)仿真教學(xué)系統(tǒng)自研制成功以來，在教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，該系統(tǒng)將課堂、實踐環(huán)節(jié)和生產(chǎn)單位環(huán)境有機(jī)結(jié)合在一起，以其實用性、直觀性、系統(tǒng)性和綜合性，受到了學(xué)生的一致好評。

參考文獻(xiàn)：

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