虛實(shí)并舉的可交互過程在工程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用研究

袁士寶 蔣海巖 蔡文斌 任宗孝 周德勝

摘要：在工程設(shè)計教學(xué)過程中，以往的動畫或者實(shí)驗(yàn)演示視頻教學(xué)，是既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。文章使用虛實(shí)并舉的可交互過程，根據(jù)所設(shè)定的地層和施工參數(shù)，通過軟件對壓裂模型進(jìn)行選擇，并計算得到最優(yōu)壓裂幾何形狀，可以將“黑箱問題”轉(zhuǎn)化為“灰箱問題”，對參數(shù)進(jìn)行直接修改。通過該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以使學(xué)生直觀地看到參數(shù)變化對水力壓裂的影響。通過虛實(shí)結(jié)合的可交互過程，既可以展示設(shè)計內(nèi)容的直接效果，又得到了教學(xué)講授相關(guān)的計算原理及應(yīng)用效果，使學(xué)生深入理解工程設(shè)計與應(yīng)用過程。

關(guān)鍵詞：水力壓裂;可交互過程;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);石油工程

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0170-02

工程設(shè)計教學(xué)需要師生共同完成一個工程設(shè)計類項(xiàng)目的工作，該教學(xué)過程以某工程設(shè)計任務(wù)為引領(lǐng)，做到教、學(xué)、做融為一體，這不僅能提高學(xué)生的興趣，還能提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。這就要求教學(xué)方法轉(zhuǎn)變到以項(xiàng)目和任務(wù)目標(biāo)為中心上來。

由于工程設(shè)計涉及大量復(fù)雜的計算，純理論講述使學(xué)生失去代入感，而專業(yè)軟件實(shí)操又將大部分理論黑箱化，因此二者都不適合在工程設(shè)計類教學(xué)中應(yīng)用。為了解決這一問題，作者設(shè)計了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法，在實(shí)際教學(xué)過程中取得了較好的效果。

目前水力壓裂技術(shù)是油水井增產(chǎn)增注的主要措施，充分掌握水力壓裂技術(shù)在今后的學(xué)習(xí)和工作中將發(fā)揮重要作用。但是在實(shí)際教學(xué)過程中，石油工程專業(yè)的學(xué)生對于水力壓裂技術(shù)的理解只停留在書本的抽象描述中，對于真正壓裂過程中的各種參數(shù)，包括確定地下巖石泊松比的大小、巖石彈性模量、壓裂液粘度、壓裂排量、設(shè)計裂縫半長、地層壓裂車的多少、壓裂時間等一系列條件對壓裂效果有什么影響并沒有清楚的認(rèn)知。因此，為了在實(shí)際教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生對于理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，急需有一個可交互的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，促進(jìn)教學(xué)工作的進(jìn)一步完善以及學(xué)科建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。

一、可交互水力壓裂教學(xué)軟件設(shè)計

計算機(jī)的Visual Basic語言的可視化編程可以很好地滿足建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的要求。在對裂縫二維模型的裂縫幾何形狀進(jìn)行計算時，首先在窗體上設(shè)置各個參數(shù)的輸入對話框，當(dāng)所有的必要參數(shù)全部編寫完成后，在計算方面，調(diào)用之前所編寫的參數(shù)對話框中的輸入值，通過計算公式與之對應(yīng)，就可以快速地得到所需要的裂縫幾何形狀，從而擺脫了煩瑣的人工計算。同時其也在界面上展示了不同模型的示意圖和假設(shè)條件，并且在每個模型模擬壓裂過程中會根據(jù)他們的假設(shè)條件，給出壓裂過程中的裂縫長度和裂縫寬度的動畫演示圖，這樣教師在日后的二維模型教學(xué)過程中就可以更好地將程序展示給學(xué)生，使學(xué)生對于二維模型的認(rèn)識更加深刻，對初期的壓裂有進(jìn)一步的認(rèn)識。

該交互式軟件為學(xué)生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，學(xué)生通過實(shí)踐能夠了解油層酸化、水力壓裂的基本概念，熟悉現(xiàn)場布局、設(shè)備操作。該模塊由模擬混砂車操作控制臺、壓裂車操作控制臺、多媒體教學(xué)系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。教師可以利用多媒體動畫課件模擬現(xiàn)場，通過多媒體教學(xué)投影系統(tǒng)講解演示壓裂酸化工具結(jié)構(gòu)、原理以及壓裂酸化作業(yè)流程。利用仿真模擬預(yù)期水力壓裂的效果，讓學(xué)生能直觀地看出地層起裂過程，也可以改變部分參數(shù)并進(jìn)行不同情況下（兩套以上）的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學(xué)生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性。

在程序設(shè)計中，利用其高度的可視化特點(diǎn)可以在其界面設(shè)置一系列的操作區(qū)域，如輸入?yún)^(qū)域、計算區(qū)域和演示區(qū)域。其中在PKN模型的可視化窗體上顯示的模型假設(shè)條件可以很清楚地知道PKN模型的假設(shè)來源，方便學(xué)生了解其原理。模型的示意圖展示了PKN模型所計算的裂縫在地下的分布狀況，在輸入?yún)?shù)方面顯示了地層參數(shù)和施工參數(shù)的輸入框，可以輸入一系列的施工或者地層參數(shù);計算區(qū)域則根據(jù)輸入框的參數(shù)值，應(yīng)用計算公式得到裂縫的幾何形狀;公式展示區(qū)域顯示了裂縫幾何形狀的計算公式，方便學(xué)生自己推導(dǎo)計算;最后的裂縫壓裂過程中的模擬動畫，則更加直觀地展現(xiàn)了地層裂縫從開始壓裂到結(jié)束的裂縫變化狀態(tài)。

這樣在程序的界面上就完全展示了PKN模型的所需要素。只要用戶輸入合適的參數(shù)，就會得到人們想要的裂縫幾何形狀（圖1）。

在其他壓裂計算模型的模塊中也采用相同的設(shè)計原理，通過簡單明了地輸入計算演示功能可以很好地使學(xué)生理解不同模型的適用性和區(qū)別。

二、可交互水力壓裂教學(xué)軟件的應(yīng)用

根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)視覺、聽覺和觸覺等優(yōu)勢，水力壓裂虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有以下特色：

1.外部與內(nèi)部仿真相結(jié)合，原理與設(shè)計并舉。本軟件在操作演示的同時，還注重剖析內(nèi)部的本質(zhì)變化，詳細(xì)還原了壓裂過程中的地層起裂等過程，使學(xué)生能夠更加深入地理解工程工藝原理的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

2.直觀反映工程設(shè)計與效果之間的影響，變“黑箱問題”為“灰箱問題”。以往的動畫或者實(shí)驗(yàn)演示視頻，既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)首先從整理好的算例出發(fā)，預(yù)定兩套以上仿真方案，并能夠進(jìn)行不同參數(shù)下的仿真模擬，在基本展示水力壓裂的直接效果的基礎(chǔ)上，又得到了教學(xué)講授相關(guān)的計算及原理應(yīng)用效果，使學(xué)生深入理解水力壓裂的工藝工程設(shè)計與應(yīng)用過程。

三、結(jié)論

在實(shí)際教學(xué)中，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)同時實(shí)現(xiàn)了演示和交互的雙重目的，為學(xué)生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，讓學(xué)生能直觀地看出地層起裂過程。此外，還可以改變部分參數(shù)并進(jìn)行不同情況下的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學(xué)生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性，從而使學(xué)生深入掌握在教學(xué)過程中該部分的計算與設(shè)計原理，激發(fā)學(xué)生的科研興趣，加深對基礎(chǔ)知識的綜合理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

致謝：本文得到教育部國際交流與合作司來華留學(xué)英語授課品牌課程、西安石油大學(xué)教改課題（XGH17089）《虛實(shí)并舉的可交互工程設(shè)計類課程教學(xué)模式探索》、陜西省高等教育學(xué)會2017年度高等教育科學(xué)研究項(xiàng)目資助，在此表示感謝。

Research on the Application of the Interactive Process of Virtual Reality in Engineering Design Teaching

YUAN Shi-bao，JIANG Hai-yan，CAI Wen-bin，REN Zong-xiao，ZHOU De-sheng

（Xi'an Shiyou University，Xi'an，Shaanxi 710065，China）

Abstract：In the course of engineering design teaching，the previous animation or experimental demonstration video teaching can neither open the operation nor directly observe the internal state of the system from the outside.In this paper，according to the formation and operation parameters set，the fracturing model is selected by software，and the optimum fracturing geometry is obtained by using the interactive process of virtual reality.The "black box problem" can be transformed into "grey box problem".Directly modify the parameters.Through the virtual simulation experiment teaching system，students can see directly the influence of parameter change on hydraulic fracturing.Through the interactive process of the combination of real and virtual，we can display the The direct effect of calculating content has also obtained the calculation principle and application effect related to teaching and teaching，which makes the students understand the engineering design and application process deeply.

Key words：hydraulic fracturing;interactive process;virtual simulation;experimental teaching;petroleum engineering