勘查技術(shù)與工程專業(yè)測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)初探

賴富強(qiáng) 譚先鋒 黃兆輝 何加成 朱章雄 汪佳蓓

摘 要 為切實(shí)提高勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和教學(xué)實(shí)施越來(lái)越受重視。本文以勘查技術(shù)與工程專業(yè)測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)為例，探索和闡述了生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)的意義、需要具備的基礎(chǔ)、建設(shè)方案構(gòu)思以及擬取得的實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)期效果，為同類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真實(shí)驗(yàn) 生產(chǎn)實(shí)習(xí) 測(cè)井 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 ??????????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2019.07.032

Construction?of?Virtual?Simulation?Experiment?Project?for?Logging

Production?Practice?of?Exploration?Technology?and?Engineering?Specialty

LAI?Fuqiang，?TAN?Xianfeng，?HUANG?Zhaohui，?HE?Jiacheng，?ZHU?Zhangxiong，?WANG?Jiabei

（School?of?Petroleum?and?Engineering，?Chongqing?University?of?Science?and?Technology，?Chongqing?401331）

Abstract In?order?to?improve?the?practical?and?innovative?ability?of?students?majoring?in?exploration?technology?and?engineering，?more?and?more?attention?has?been?paid?to?the?construction?and?teaching?of?virtual?simulation?experiment?projects.?Taking?the?construction?of?virtual?simulation?project?for?logging?production?practice?of?exploration?technology?and?engineering?specialty?as?an?example，?this?paper?explores?and?expounds?the?significance，?foundation，?construction?scheme?and?expected?results?of?experimental?teaching?of?virtual?simulation?project?for?production?practice?of?the?same?specialty，?and?provides?reference?and?reference?for?the?construction?of?virtual?simulation?experiment?project?for?production?practice?of?the?same?specialty.

Keywords virtual?simulation?experiment;?production?practice;?logging;?practice?teaching

重慶科技學(xué)院勘查技術(shù)與工程專業(yè)是在學(xué)校定位建設(shè)特色應(yīng)用科技大學(xué)背景下開(kāi)展建設(shè)，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)顯得尤為重要。測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生理論學(xué)習(xí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的重要橋梁。[1-3]但由于目前勘查技術(shù)與工程專業(yè)測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)中“校外實(shí)訓(xùn)難、校內(nèi)難實(shí)習(xí)、學(xué)生多資源少、重復(fù)實(shí)訓(xùn)難”的問(wèn)題仍然十分突出，因此本文開(kāi)展測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的探索。

1?測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)必要性

油氣地球物理測(cè)井是探測(cè)地下油氣資源的重要間接手段，測(cè)井過(guò)程中將特殊的測(cè)井儀器放入井中，通過(guò)各種物理參數(shù)測(cè)量來(lái)判別地下是否有油氣以及油氣層的位置。由于測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、探測(cè)儀器裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作難度較大，有的儀器還具有一定危險(xiǎn)性（譬如：核放射測(cè)井），同時(shí)油氣地質(zhì)資源賦存在地下幾千米深處，看不見(jiàn)摸不著，實(shí)驗(yàn)環(huán)境難以再現(xiàn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法實(shí)驗(yàn)做不了、實(shí)訓(xùn)沒(méi)法做，嚴(yán)重影響教學(xué)效果，制約學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。[4-5]

因此，有必要采用3D虛擬仿真技術(shù)模擬真實(shí)的測(cè)井過(guò)程，重點(diǎn)模擬測(cè)井儀器在不同地層環(huán)境、不同井眼條件下測(cè)井曲線的響應(yīng)特征，還原測(cè)井儀器在地下幾千米深處真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和參數(shù)變化規(guī)律，融合測(cè)井儀器、原理、曲線特征、影響因素和地質(zhì)應(yīng)用于一體，使學(xué)生通過(guò)利用電腦、收集、平板電腦等設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以輕松遨游于測(cè)井井場(chǎng)和地下井眼之中，熟悉測(cè)井儀器裝置、了解測(cè)井工藝流程、掌握測(cè)井原理曲線圖像響應(yīng)特征，切實(shí)提高實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力。

2?測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)基礎(chǔ)

（1）我校在石油行業(yè)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)資源，至今已有30多年的歷史。石油與天然氣國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心擁有教學(xué)場(chǎng)地8000平方米，教學(xué)設(shè)備336臺(tái)套，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器四大系列20余種，總資產(chǎn)價(jià)值4000多萬(wàn)元。建有4個(gè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室、1個(gè)虛擬實(shí)訓(xùn)演示廳、3個(gè)虛擬仿真微機(jī)分室、1個(gè)創(chuàng)新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室、石油工業(yè)科技館、1個(gè)陸上鉆-采-輸仿真實(shí)訓(xùn)基地;石油工程實(shí)訓(xùn)仿真教學(xué)裝備20多臺(tái)套，建成數(shù)字化虛擬油藏、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)等10個(gè)模塊，時(shí)長(zhǎng)100多個(gè)小時(shí)、軟件300余個(gè);獲得重慶市高校多媒體教學(xué)成果8項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。

（2）堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研一體化開(kāi)發(fā)、建設(shè)與共享，促進(jìn)虛擬仿真教學(xué)資源的不斷升級(jí)。立足石油行業(yè)，依托行業(yè)辦學(xué)，為石油工業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)急需的應(yīng)用型人才，是我校60多年一直堅(jiān)持的辦學(xué)理念。以企業(yè)需求為導(dǎo)向，校企協(xié)同開(kāi)發(fā)符合企業(yè)人才培訓(xùn)急需的虛擬仿真教學(xué)資源，并不斷更新和提高，也保障了企業(yè)的廣泛應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)與同行石油院校合作開(kāi)發(fā)了更高系統(tǒng)化的包括“鉆井模擬器、井下作業(yè)模擬器”等一批現(xiàn)代化的虛擬仿真設(shè)備及課件。產(chǎn)學(xué)研一體化開(kāi)發(fā)成熟模式為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了很好的借鑒。

（3）測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的軟硬件條件已經(jīng)具備。軟件條件方面，我?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)的測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地設(shè)在學(xué)校附近的中石油測(cè)井公司西南分公司，積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。硬件方面，學(xué)校將結(jié)合“石油與天然氣工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”的建設(shè)，建設(shè)了兩套測(cè)井仿真測(cè)量系統(tǒng)，為后期“虛實(shí)結(jié)合”開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了條件，同時(shí)地球物理計(jì)算中心高性能的集群工作站和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)放共享提供了保障。

3?測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)方案設(shè)計(jì)

充分利用我校背靠石油行業(yè)辦學(xué)的優(yōu)勢(shì)，校企深度協(xié)同開(kāi)展項(xiàng)目?jī)?nèi)容建設(shè)，選用成熟的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)技術(shù)，建設(shè)符合互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要的油氣勘查類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，重構(gòu)實(shí)習(xí)教學(xué)內(nèi)容，拉進(jìn)產(chǎn)學(xué)距離，提升育人質(zhì)量。測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目擬通過(guò)虛擬仿真技術(shù)3D模擬測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景和儀器工作流程，建設(shè)任務(wù)內(nèi)容主要分為系統(tǒng)架構(gòu)和虛擬仿真功能設(shè)計(jì)兩大模塊，具體如下：

3.1?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)研究

擬依托現(xiàn)有的開(kāi)放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，以網(wǎng)絡(luò)為載體，集實(shí)物虛擬仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)預(yù)約、操作和考核于一體，實(shí)現(xiàn)學(xué)生線上學(xué)習(xí)與交流互動(dòng)，將高危、高成本、不可及、大型綜合的專業(yè)訓(xùn)練高效地呈現(xiàn)，真正提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力。

3.2?測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)功能設(shè)計(jì)

（1）井場(chǎng)環(huán)境及設(shè)備模擬。由于測(cè)井發(fā)生在鉆井井場(chǎng)，因此首先對(duì)井場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行真實(shí)模擬，主要包括鉆井井架、鉆井平臺(tái)及設(shè)備、井控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、起升系統(tǒng)和泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

（2）測(cè)井設(shè)備及操作流程模擬。測(cè)井設(shè)備主要包括測(cè)井地面儀器和井下儀器兩部分，其中地面儀器主要包括測(cè)井工程車、測(cè)井絞車、測(cè)井電纜、井口滑輪;井下儀器主要包括探測(cè)器和電子線路，主要設(shè)計(jì)常規(guī)測(cè)井（電阻率、聲波時(shí)差、自然伽馬測(cè)井）和特殊測(cè)井（電成像、陣列聲波、核磁共振測(cè)井）。測(cè)井操作流程包括儀器設(shè)備連接、安裝和卸載，重點(diǎn)是絞車、天、地滑輪、電纜、馬龍頭的連接和井下儀器下放控制操作。

（3）不同地層模型下測(cè)井響應(yīng)模擬。地層模型模擬主要考慮典型的砂泥巖、碳酸鹽巖、火山巖、膏鹽剖面和非常規(guī)致密砂巖、頁(yè)巖油氣、煤層氣、天然氣水合物儲(chǔ)層剖面，設(shè)計(jì)從地層巖性、地層構(gòu)造（裂縫、溶洞等）、流體性質(zhì)、地層厚度等方面進(jìn)行自由組合，考察測(cè)井曲線和圖像的響應(yīng)規(guī)律，旨在提高學(xué)生的測(cè)井原理理解和測(cè)井解釋創(chuàng)新能力。

（4）不同井眼條件下測(cè)井響應(yīng)模擬。井眼條件模擬主要考慮井眼大小、泥漿類型、侵入剖面、井眼垮塌等井況下對(duì)儀器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集的影響，以至于對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和測(cè)井圖像響應(yīng)的影響，旨在考察學(xué)生對(duì)各種測(cè)井方法影響因素的理解，提高測(cè)井解釋水平。

（5）實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料的編寫(xiě)和完善。主要包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的編寫(xiě)和完善，同時(shí)開(kāi)發(fā)測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)的考核試題和答案，實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)的自主操作和考核。

4?測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)期效果

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建成后，擬依托石油與天然氣國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，按照現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井實(shí)際生產(chǎn)流程（儀器設(shè)備操作、數(shù)據(jù)采集、測(cè)井資料處理和解釋），構(gòu)建了“虛實(shí)結(jié)合”的全流程、高仿真的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不受場(chǎng)地、時(shí)間、空間的制約，最大化利用教學(xué)資源，具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)期效果如下：

（1）在教學(xué)模式上，面向高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的測(cè)井行業(yè)，采用“理、虛、實(shí)”一體化的教學(xué)模式，降低大型貴重設(shè)備的實(shí)訓(xùn)機(jī)時(shí)，有效避免測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

（2）在教學(xué)內(nèi)容上，利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，既真實(shí)還原測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備，又兼顧設(shè)備操作流程演練，同時(shí)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)也無(wú)法透視的地下地層模型和井眼環(huán)境，從測(cè)井的基本原理到儀器操作、數(shù)據(jù)采集和資料處理解釋形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系，并以“企業(yè)真實(shí)案例”貫穿其中，大大豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

（3）在教學(xué)方式方法上，集“教、練、考”于一體，采用“全媒體課堂”方法，教師端（PC）與學(xué)生端（工作站）同步教學(xué)，通過(guò)“教”中項(xiàng)目化教學(xué)講解，“練”中的實(shí)例操作演練，“考”中的智能考核環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生的每一步操作的正確性、規(guī)范性、安全性進(jìn)行自動(dòng)記錄、評(píng)估、計(jì)分，并輸出和提交詳細(xì)的考核記錄單。

（4）在開(kāi)放運(yùn)行上，充分利用學(xué)校校企產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)與中石油、中石化和中海油等知名企業(yè)合作，進(jìn)一步完善共享機(jī)制，著力面向全國(guó)高校、行業(yè)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)測(cè)井生產(chǎn)實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)資源開(kāi)放共享。

（5）在評(píng)價(jià)體系上，建立了教師、企業(yè)、學(xué)生等多主體“共同參與、交互作用的多元化”評(píng)價(jià)體系，并運(yùn)用調(diào)查、測(cè)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)方法對(duì)分析過(guò)程和結(jié)果做出評(píng)判，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行反思和修訂，不斷完善本虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)量。

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