交互式毛管力虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

付帥師，李愛芬，王建忠，張儼彬，張 磊，劉冬冬

（1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中國石油大學(xué)（華東）非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；3. 中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，山東 青島 266580）

實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識自然科學(xué)規(guī)律的基本手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在21世紀(jì)人才培養(yǎng)中占有重要的戰(zhàn)略地位[1]。在我國新工科建設(shè)和高等工程教育發(fā)展的道路上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和應(yīng)用，為學(xué)生探索學(xué)習(xí)和教師傳授知識提供了新的手段，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和教學(xué)改革增添了新的活力和動力。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，從虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提出到在世界各地的發(fā)展應(yīng)用，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為很多高新技術(shù)研究和課程教學(xué)的重要手段，并顯示出了相較于常規(guī)教學(xué)方法的突出優(yōu)勢。發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的實(shí)際意義[2-6]。針對行業(yè)科技前沿教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的需要及特殊性，建設(shè)具有行業(yè)特色并符合新工科教育背景的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]，將助力于開創(chuàng)人類社會更加智慧、更加美好的未來。

低滲、致密油氣藏已成為當(dāng)今重要的油氣資源和中國油氣田開發(fā)建設(shè)的主戰(zhàn)場。毛管力曲線是低滲、致密油氣藏開發(fā)設(shè)計的重要基礎(chǔ)資料，尤其對上百米過渡帶中的油氣儲量計算有很大影響。毛管力曲線的測試方法以及曲線應(yīng)用是石油工程專業(yè)“油層物理”和“滲流物理實(shí)驗(yàn)”課程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，但是對學(xué)生掌握石油工程專業(yè)知識具有重要的意義[8-10]。常規(guī)毛管力曲線的測試方法有半滲隔板法、壓汞法和離心法。由于儀器昂貴、測試時間過長且操作過程繁瑣，半滲隔板法和離心法并不適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；常規(guī)壓汞法雖然能夠在課堂實(shí)驗(yàn)過程中完成驅(qū)替和吸吮毛管力曲線的測試，然而汞是具有一定毒性的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作存在一定的危險性[11]。此外，壓汞法測試毛管力曲線會對實(shí)驗(yàn)巖心造成不可逆的損害，并且汞會滯留在巖心不能回收，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。基于多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)中積累的大量不同滲透率孔隙度巖心的壓汞和退汞毛管力曲線，建設(shè)一種交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不失為一種很好的壓汞毛管力曲線測試教學(xué)方法的替代途徑。

通過建設(shè)交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)，并設(shè)計基于此系統(tǒng)的毛管力曲線測試及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，在無汞、無毒條件下進(jìn)行常規(guī)壓汞和退汞毛管力曲線模擬測試，達(dá)到了比使用常規(guī)壓汞儀更好的實(shí)驗(yàn)效果。此外，在虛擬仿真測試系統(tǒng)中增加了基于學(xué)科前沿知識的高壓壓汞毛管力曲線模擬測試和恒速壓汞毛管力曲線測試，解決了常規(guī)壓汞儀在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的毒害性危險，并且彌補(bǔ)了常規(guī)方法的不足以及以往教學(xué)中部分知識點(diǎn)的空缺，拓展了毛管力曲線測試及應(yīng)用教學(xué)的寬度和廣度[12-13]。

1 交互式毛管力虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

“壓汞毛管力曲線測試”是“滲流物理實(shí)驗(yàn)”課程的必修實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，主要在課上講授壓汞毛管力曲線測試的原理、儀器操作步驟和數(shù)據(jù)處理分析等，學(xué)生使用壓汞儀分組完成毛管力曲線的測試。“壓汞毛管力曲線測試”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)具有比較完整的教學(xué)內(nèi)容，并且經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，積累了足夠的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 虛擬仿真測試系統(tǒng)建設(shè)思路

交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試系統(tǒng)是在無汞的實(shí)驗(yàn)室條件下，完成石油工程專業(yè)領(lǐng)域的常規(guī)壓汞毛管力曲線測試教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作，并拓展出高壓壓汞毛管力曲線測試和恒速壓汞毛管力曲線測試的交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

該虛擬仿真測試系統(tǒng)的建設(shè)思路是：基于現(xiàn)有的壓汞毛管力曲線實(shí)驗(yàn)儀器和測試流程，應(yīng)用10年來積累的巖心孔滲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和壓汞毛管力曲線數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，將已知孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)的巖心放入巖心室，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中輸入巖心孔滲和尺寸數(shù)據(jù)，用真空泵對巖心進(jìn)行抽真空處理，準(zhǔn)備模擬汞杯和模擬汞體積計量器，使用機(jī)械泵逐級加壓，在不同驅(qū)替壓力下自動識別壓力和響應(yīng)汞體積，由此計算對應(yīng)驅(qū)替壓力的非潤濕相飽和度，直至達(dá)到最大非潤濕相飽和度，從而得到的進(jìn)汞毛管力曲線。當(dāng)壓力達(dá)到最大值（常規(guī)教學(xué)用壓汞曲線測試最大壓力為15 MPa）后，由機(jī)械泵逐級減壓，由虛擬仿真系統(tǒng)自動計算得出退汞毛管力數(shù)據(jù)，并處理得到退汞毛管力曲線。

利用交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)測試高壓壓汞毛管力曲線的基本思路是：基于交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立高壓壓汞毛管力曲線與巖心孔滲基本參數(shù)數(shù)據(jù)體和高壓壓汞模擬器，將巖心放在巖心室并在虛擬仿真系統(tǒng)中錄入巖心參數(shù)，啟動高壓壓汞模擬器，由系統(tǒng)自動控制流程中巖心室抽空、高壓機(jī)械泵模擬升壓和降壓、不同壓力下非潤濕相體積計量以及高壓進(jìn)汞和退汞毛管力曲線的計算和繪制。對比常規(guī)壓汞曲線與高壓壓汞曲線的特征、區(qū)別和聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對比實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

利用交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)測試恒速壓汞毛管力曲線的基本思路是：基于交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立恒速壓汞毛管力曲線與巖心孔滲基本參數(shù)數(shù)據(jù)體和恒速壓汞模擬器，將巖心放在巖心室并在虛擬仿真系統(tǒng)中錄入巖心參數(shù)，啟動恒速壓汞模擬器，由計算機(jī)自動控制恒速壓汞模擬器進(jìn)行恒速壓汞模擬實(shí)驗(yàn)，最終得出已知孔滲參數(shù)巖心的恒速壓汞毛管力曲線。

1.2 虛擬仿真測試系統(tǒng)流程設(shè)計

交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)的基本流程，遵循與常規(guī)壓汞毛管力曲線測試儀流程一致的原則，利用模擬器和模擬配件代替有毒的汞、實(shí)際汞杯，汞體積劑量計等，使用與壓汞儀測試步驟一致的交互式實(shí)驗(yàn)操作方法，實(shí)現(xiàn)測試流程的無汞化壓汞毛管力曲線仿真測試操作；在常規(guī)壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試實(shí)驗(yàn)流程基礎(chǔ)之上，增加高壓壓汞模擬器和恒速壓汞模擬器的自動控制和模擬系統(tǒng)。

交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.3 虛擬仿真測試系統(tǒng)外觀和交互模塊設(shè)計

根據(jù)常規(guī)壓汞毛管力曲線測試儀實(shí)際特征，設(shè)計交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)的外形，并與制作廠家商定選取合適和交互式模擬測試配件，設(shè)計出最終可行的方案。

交互式毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)外觀如圖2所示。測試系統(tǒng)主視圖面板上包含了與常規(guī)壓汞毛管力曲線測試一致的測試流程，有巖心室、模擬汞杯、機(jī)械泵、壓汞模擬器等部件和閥門等。其中，主視圖面板設(shè)計有模擬器選擇開關(guān)，可以在實(shí)驗(yàn)開始時選擇不同的測試方案，即常規(guī)壓汞毛管力曲線仿真測試、高壓壓汞毛管力曲線仿真測試和恒速壓汞毛管力曲線仿真測試。

圖1 交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試系統(tǒng)原理圖

圖2 毛管力虛擬仿真測試系統(tǒng)

系統(tǒng)右側(cè)面板設(shè)計有可以交互操作的機(jī)械泵，測試時通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械泵手柄，帶動內(nèi)部傳感器從而模擬改變進(jìn)汞高度和進(jìn)汞壓力，高度和壓力顯示在系統(tǒng)正面和側(cè)面的數(shù)顯表中，進(jìn)而完成常規(guī)壓汞毛管力曲線測試時在不同壓力條件下的加壓和讀數(shù)測試過程。本系統(tǒng)左側(cè)面板上安裝有可觸控操作計算機(jī)，作為模擬器運(yùn)行的載體。

1.4 虛擬仿真測試系統(tǒng)模擬器開發(fā)

模擬器采用Visual Studio編程實(shí)現(xiàn)，算法先進(jìn)、計算速度快、精度高。系統(tǒng)借助計算機(jī)、信號轉(zhuǎn)換器、虛擬仿真技術(shù)、智能模擬器技術(shù)等，模擬常規(guī)、高壓和恒速壓汞法測定毛管壓力曲線過程中的各類數(shù)據(jù)變化和現(xiàn)象，達(dá)到交互式模擬操作和高精度高水平仿真效果。

2 交互式毛管力曲線虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用

2.1 綠色環(huán)保，安全實(shí)驗(yàn)

交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于我校石油工程專業(yè)本科“滲流物理實(shí)驗(yàn)”的課程教學(xué)中，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備和基于仿真系統(tǒng)的全新教學(xué)方法，完全避免了實(shí)驗(yàn)中與介質(zhì)汞的接觸，不再有汞泄漏的安全風(fēng)險，也不存在汞對測試巖心不可逆的損害以及在巖心中的殘留，構(gòu)建了以環(huán)保理念、專業(yè)知識能力培養(yǎng)以及安全科學(xué)研究為一體的綠色工程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2 仿真測試，拓展前沿

應(yīng)用交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)，取得了比常規(guī)壓汞實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好的知識傳授和實(shí)踐探索的效果，突破了傳統(tǒng)常規(guī)壓汞曲線測試教學(xué)的局限性，拓展了基于專業(yè)知識點(diǎn)的高壓壓汞毛管力曲線和恒速壓汞毛管力曲線測試與曲線應(yīng)用的學(xué)科前沿知識，讓學(xué)生通過常規(guī)、高壓和恒速測試之間的區(qū)別和聯(lián)系，更好地掌握壓汞毛管力曲線的不同測試方法、曲線特點(diǎn)和應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)過程中的不足和短板，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)，激發(fā)探索

通過交互式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測試，拓寬了學(xué)生對于石油工程專業(yè)知識和行業(yè)發(fā)展的認(rèn)知。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)測試，鍛煉了實(shí)踐操作水平，學(xué)會了毛管力曲線專業(yè)知識的相關(guān)科研方法。在石油工程學(xué)院國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和石油工程測試平臺的先進(jìn)設(shè)備（包括真實(shí)的高壓壓汞毛管力曲線測試儀和恒速壓汞毛管力曲線測試儀，兩種儀器都是進(jìn)口的高級精密儀器）和豐富的科研課題支撐下，通過相關(guān)科研工作者的指導(dǎo)和幫助，給學(xué)生提供了探索未知以及進(jìn)行科研實(shí)踐和工程鍛煉的機(jī)會，培養(yǎng)了學(xué)生自主探索式的學(xué)習(xí)觀念和能力，為石油工程專業(yè)在新工科背景下的高等教育發(fā)展注入了新的活力和能量。

3 結(jié)語

交互式壓汞毛管力曲線虛擬仿真測試教學(xué)系統(tǒng)是基于真實(shí)壓汞毛管力曲線測試實(shí)驗(yàn)原理和操作步驟設(shè)計的交互式虛擬仿真模擬測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在無汞無毒的安全環(huán)境下進(jìn)行毛管力曲線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與測試，并在常規(guī)測試的基礎(chǔ)上引入高壓壓汞曲線和恒速壓汞曲線模擬測試和教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了必修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的綠色環(huán)保化課堂教學(xué)，提升了毛管力曲線測試實(shí)驗(yàn)的總體教學(xué)效果，拓展了知識學(xué)習(xí)的前沿性，激發(fā)了學(xué)生對科技探索的興趣。