基于虛實結(jié)合的綜合錄井實踐教學(xué)探索

郭衛(wèi)萍 馬建民 靳紀軍

［摘 要］ 石油工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場大多具備不可視、不可及、不可逆、高溫、高壓、高危等行業(yè)特點，造成實踐教學(xué)與理論學(xué)習(xí)脫節(jié)，限制了實踐創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)。通過以油氣生產(chǎn)中的錄井實踐教學(xué)為例，在分析現(xiàn)場實踐教學(xué)存在問題的基礎(chǔ)上，從實物裝備、仿真裝備、虛擬軟件三個方面系統(tǒng)介紹了“虛實結(jié)合實踐教學(xué)系統(tǒng)”的建設(shè)方法，并提出“M+S+V”實踐教學(xué)新模式，使學(xué)生在校內(nèi)獲得親臨一線的切身感受，有效提升了學(xué)生的工程實踐及綜合創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］ 綜合錄井；實踐教學(xué)；虛實結(jié)合

［基金項目］ 2020年度中國石油大學(xué)（華東）本科教改項目（SJ-202041）

［作者簡介］ 郭衛(wèi)萍（1990—），女，山東東營人，碩士，中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心講師，主要從事油氣田開發(fā)地質(zhì)及工程實踐研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）10-0089-04［收稿日期］ 2022-05-20

引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，以實踐創(chuàng)新為核心的國家發(fā)展需要對高等工科人才培養(yǎng)提出了更高的要求。教育部先后實施了卓越計劃、專業(yè)認證、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育等人才培養(yǎng)工程，大力推進新工科背景下高校實踐創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)［1］。高層次石油工程人才對中國石油國際化發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義，作為石油工業(yè)開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，錄井作業(yè)技術(shù)是油氣地質(zhì)勘探與開發(fā)工作中的重要隨鉆監(jiān)測技術(shù)，也是發(fā)現(xiàn)與評估油氣藏最及時、最直接的手段，對相關(guān)專業(yè)創(chuàng)新型實踐人才的培養(yǎng)顯得尤為重要［2］。

鑒于大部分石油工業(yè)生產(chǎn)具備不可視、不可及、不可逆、高溫、高壓、高危等特點，面對實踐教學(xué)與理論學(xué)習(xí)脫節(jié)現(xiàn)象，中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心，作為“國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心”和“國家級實驗教學(xué)示范中心”，近年來致力于虛擬仿真技術(shù)在石油工業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用研究，依托仿真裝備、虛擬現(xiàn)實及多媒體技術(shù)，融合多種互動硬件與數(shù)據(jù)庫，對石油勘探開發(fā)工業(yè)生產(chǎn)工藝流程的各個真實環(huán)節(jié)進行仿真模擬，已取得良好的教學(xué)效果，并在國內(nèi)外幾十個油田的培訓(xùn)中心和石油類院校的工訓(xùn)中心得到廣泛應(yīng)用［3-5］。本文將以油氣生產(chǎn)中的錄井環(huán)節(jié)實踐教學(xué)為例，闡述虛擬仿真技術(shù)在我校實踐教學(xué)中的應(yīng)用方法及實施效果。

一、現(xiàn)階段錄井實踐教學(xué)存在的問題

錄井作業(yè)是一種在油氣鉆井現(xiàn)場進行的、伴隨整個鉆井過程的監(jiān)測作業(yè)。學(xué)生在錄井實習(xí)實訓(xùn)過程中，需充分了解錄井設(shè)備及工具的結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉錄井作業(yè)工藝流程，掌握數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的基本方法。然而，現(xiàn)場實習(xí)實訓(xùn)往往受到生產(chǎn)任務(wù)、安全、成本等多方面因素制約，導(dǎo)致學(xué)生教學(xué)效果不佳［6］。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）作業(yè)現(xiàn)場布局認識不清

錄井作業(yè)真實發(fā)生在鉆井作業(yè)現(xiàn)場，而鉆井作業(yè)現(xiàn)場往往受到生產(chǎn)任務(wù)及安全因素的制約，不允許師生開展大規(guī)模實習(xí)實訓(xùn)活動，學(xué)生只能在井場外圍的安全區(qū)域遠觀作業(yè)現(xiàn)場，難以認清設(shè)備種類及布局情況。即便借助報廢停運的鉆井裝備能夠開展近距離學(xué)習(xí)，但仍然存在錄井設(shè)備缺失、監(jiān)測對象無數(shù)據(jù)等問題，不便于學(xué)生了解錄井設(shè)備在現(xiàn)場的安裝及使用方法。

（二）設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以觀察

錄井作業(yè)設(shè)備即綜合錄井儀，主要包括儀器房、傳感器系統(tǒng)、信號接口系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)及地質(zhì)設(shè)備等。由于傳感器、電氣控制箱等絕大部分儀器設(shè)備均有金屬外罩包裹，難以觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，學(xué)生在現(xiàn)場實習(xí)過程中只能通過老師講述，想象其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并抽象理解其工作原理，與理論課堂學(xué)習(xí)并無實質(zhì)區(qū)別。

（三）工藝流程操作缺乏實戰(zhàn)

受到生產(chǎn)任務(wù)制約，現(xiàn)場實習(xí)實訓(xùn)多以參觀為主要學(xué)習(xí)形式，學(xué)生只能從老師或現(xiàn)場專家口中了解實際的工作內(nèi)容及方法流程，而自主操作訓(xùn)練的機會并不多，真正參與生產(chǎn)工作的實踐需求更加難以實現(xiàn)，無法達到理想的實踐教學(xué)效果。此外，現(xiàn)場生產(chǎn)實習(xí)實訓(xùn)又面臨著耗費資金大、外出時間長、組織協(xié)調(diào)困難、安全隱患多等問題，導(dǎo)致實踐教學(xué)環(huán)節(jié)出現(xiàn)不同程度的缺失，與理論課堂學(xué)習(xí)存在脫節(jié)現(xiàn)象，難以滿足新工科背景下高校實踐創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)需求。

二、虛實結(jié)合教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)

（一）建設(shè)原則

在錄井實訓(xùn)教學(xué)中，秉承“能實不虛、以虛助實、虛實結(jié)合”的基本原則，即：對錄井儀器房、傳感器、色譜儀、錄井軟件等易配置實物或已經(jīng)具備實物裝備的教學(xué)內(nèi)容，主要采用實物教學(xué)；對石油鉆機等無法獲取實物的大型設(shè)備，主要采用等比例縮放仿真裝備教學(xué)；對涉及流動介質(zhì)、生產(chǎn)參數(shù)或操作方法等工藝教學(xué)模塊，主要采用信號模擬器及虛擬軟件教學(xué)。在整個教學(xué)過程中注重虛實互補，構(gòu)建了一套集“實物裝備+仿真裝備+虛擬軟件”于一體的虛實結(jié)合教學(xué)系統(tǒng)。

（二）基礎(chǔ)設(shè)施

該教學(xué)系統(tǒng)包括室內(nèi)、室外兩部分，總占地面積約200 m2，具體包括以下設(shè)施。

1.實物裝備。EXPLORER-ZH-2綜合錄井儀（錄井車）1臺，內(nèi)部布局如圖1所示，主要包括儀器房、傳感器系統(tǒng)、信號接口系統(tǒng)、氣體分析系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)五個部分，各類軟硬件設(shè)備均按照生產(chǎn)現(xiàn)場標(biāo)準配備齊全，功能正常、性能良好；各類巖心、巖屑樣品若干，均來自生產(chǎn)現(xiàn)場，數(shù)據(jù)真實，特征明顯。

2.仿真裝備。主要包括陸地石油鉆機和錄井傳感器仿真裝備各1套，室內(nèi)布局如圖2所示。該套仿真裝備嚴格按照真實鉆機等比例縮放12倍制作而成，包括起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、井控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，能夠模擬演示起鉆、下鉆、鉆進等主要鉆井工藝過程；鉆機內(nèi)部配置錄井傳感器仿真模型一套，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，通過系統(tǒng)仿真數(shù)學(xué)模型計算，利用DCS反饋信號作為數(shù)據(jù)來源進行儀表改造，分別安裝在仿真鉆機的相應(yīng)位置，并通過信號接口系統(tǒng)接入儀器房內(nèi)部，改造后的傳感器儀表實現(xiàn)與實際現(xiàn)場操作相匹配的數(shù)值顯示，模擬錄井工程參數(shù)的采集、傳輸、處理及顯示過程［7］。

3.虛擬軟件。以三維建模、數(shù)據(jù)模擬等技術(shù)為基礎(chǔ)，研制開發(fā)錄井仿真實訓(xùn)軟件1套，內(nèi)涵30個動畫視頻、15個操作訓(xùn)練項目及200道考核試題，如圖3所示［8］。利用三維動畫視頻，學(xué)生可針對復(fù)雜、抽象的理論知識開展自主學(xué)習(xí)；通過虛擬場景再現(xiàn)，學(xué)生可借助人機交互的方式在引導(dǎo)模式或考核模式下完成多項錄井工藝實踐操作，包括傳感器的安裝及維護保養(yǎng)訓(xùn)練，巖心、巖屑、熒光錄井等常用地質(zhì)錄井方法的工藝操作訓(xùn)練，鉆井液參數(shù)及工程參數(shù)等錄井?dāng)?shù)據(jù)采集與分析訓(xùn)練等。該套虛擬軟件與實物裝備、仿真裝備相補充，構(gòu)建出“學(xué)—練—測—用—評”的實踐訓(xùn)練新模式。

三、“M+S+V”虛實結(jié)合教學(xué)模式設(shè)計

借助上述虛實結(jié)合教學(xué)系統(tǒng)，在錄井實踐教學(xué)過程中，將實踐環(huán)節(jié)分為“實物訓(xùn)練”“仿真訓(xùn)練”和“虛擬訓(xùn)練”三部分，相輔相成，互為補充，探索試行了“M（實物）+S（仿真）+V（虛擬）”實踐教學(xué)新模式，并取得了良好的教學(xué)效果，如圖4所示。下面從基礎(chǔ)認知、地質(zhì)錄井、工程錄井3個教學(xué)模塊闡述“M+S+V”教學(xué)模式的具體做法。

（一）基礎(chǔ)知識認知

基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)主要包括錄井（鉆井）作業(yè)現(xiàn)場設(shè)備布局、設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及錄井工藝方法等。首先，學(xué)生可借助鉆機仿真模型了解鉆井作業(yè)，熟悉錄井作業(yè)的工作環(huán)境，對錄井作業(yè)的內(nèi)容、方法、目的建立宏觀認識；其次，借助綜合錄井儀實物裝備，對錄井設(shè)備的系統(tǒng)組成、功能實現(xiàn)等開展系統(tǒng)化的深入學(xué)習(xí)；最后，借助三維動畫對設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝方法等不可視、不可及的抽象知識點開展三維立體化學(xué)習(xí)，形成“綜合錄井儀+仿真鉆機+三維動畫”的虛實結(jié)合教學(xué)模式。

（二）地質(zhì)錄井實踐訓(xùn)練

地質(zhì)錄井是在鉆井過程中獲取反映地下地質(zhì)情況和施工情況的各項資料、數(shù)據(jù)的工作，主要學(xué)習(xí)內(nèi)容包括巖心錄井、巖屑錄井、熒光錄井、氣測錄井等［9］。首先，學(xué)生可借助三維虛擬交互操作，模擬訓(xùn)練油氣生產(chǎn)過程中巖心、巖屑、氣體等各類地下信息的采集、處理工藝流程；借助氣體分析系統(tǒng)實物及信號模擬器，開展仿真氣測錄井實踐訓(xùn)練；然后，利用從生產(chǎn)現(xiàn)場獲取的巖心、巖屑實物及模擬氣測數(shù)據(jù)，真實開展資料整理、描述工作，形成“實物巖樣+仿真氣測+虛擬工藝”的虛實結(jié)合教學(xué)模式［10］。

（三）工程錄井實踐訓(xùn)練

工程錄井是通過傳感器實時采集鉆井設(shè)備及工藝的施工參數(shù)、為鉆井施工提供監(jiān)測預(yù)報和工程輔助服務(wù)的一項綜合應(yīng)用技術(shù)，內(nèi)容包括系統(tǒng)單元組成、數(shù)據(jù)采集方法及異常工況監(jiān)測等［2］。首先，學(xué)生可借助儀器房及各類傳感器實物，學(xué)習(xí)儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理，掌握系統(tǒng)單元組成；然后，借助仿真鉆機、仿真?zhèn)鞲衅骷皵?shù)據(jù)模擬器，完成傳感器安裝維護仿真訓(xùn)練及數(shù)據(jù)采集仿真訓(xùn)練；最后，利用仿真訓(xùn)練中采集的虛擬數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)分析與異常工況監(jiān)測訓(xùn)練。形成“實物裝備+仿真操作+虛擬數(shù)據(jù)”的虛實結(jié)合教學(xué)模式。

四、虛實結(jié)合實習(xí)模式應(yīng)用成效

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能有效降低對企業(yè)甚至生產(chǎn)現(xiàn)場的依賴性，解決現(xiàn)場實習(xí)高危險、不可視、不可及等弊端問題。運用虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)，既可演示復(fù)雜系統(tǒng)的運行過程，又可改變系統(tǒng)參數(shù)，演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的變化結(jié)果或變化趨勢，在校內(nèi)即可獲得親臨生產(chǎn)一線的切身感受，甚至完成一些在現(xiàn)場都無法實現(xiàn)的實踐訓(xùn)練，這有助于學(xué)生加深對抽象理論的理解，提高教學(xué)效果，更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及提高［11］。具體成效如下。

1.通過由鉆機仿真裝備及仿真錄井儀器構(gòu)建的錄井作業(yè)仿真平臺，使學(xué)生身臨其境般體驗鉆錄井作業(yè)現(xiàn)場場景，熟悉井場布局及錄井作業(yè)設(shè)備的安裝擺放位置。

2.借助三維動畫、視頻等多種形式，直觀、形象地學(xué)習(xí)錄井作業(yè)的基本知識。

3.通過虛擬仿真軟件進行模擬錄井作業(yè)，將地下不可視、工程不可及之處轉(zhuǎn)化為真實有效的操作訓(xùn)練，使學(xué)生直觀學(xué)習(xí)巖心錄井、巖屑錄井等主要錄井作業(yè)的方法步驟。

4.在無流體介質(zhì)循環(huán)的條件下，真實再現(xiàn)工程錄井參數(shù)的監(jiān)測和采集工藝，幫助學(xué)生直觀、感性認識工程錄井作業(yè)的基本原理及井場信息監(jiān)測采集流程。

5.理解數(shù)據(jù)采集的過程和數(shù)據(jù)分析的工程意義，更科學(xué)、理性地應(yīng)用錄井資料解決鉆井過程中的實際問題，發(fā)揮好工程錄井的重要意義。

參考文獻

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Exploration of Comprehensive Logging Practice Teaching Based on Virtual and Real Combination

GUO Wei-ping， MA Jian-min， JIN Ji-jun

（Petroleum Industry Training Center， China University of Petroleum（Huadong）， Qingdao，

Shandong 266580， China）

Abstract： Most of the production sites of the oil industry have the characteristics of invisibility， inaccessibility， irreversibility， high temperature， high pressure， and high risk， resulting in the disconnection between practical teaching and theoretical learning， which restricts the cultivation of practical and innovative engineering talents. Taking the comprehensive logging practice teaching as an example， on the basis of analyzing the problems existing in field practice teaching， this paper systematically introduces the construction method of “the virtual and real combination teaching system” from the aspects of physical equipment， simulation equipment and virtual software， and proposes the “M+S+V” practice teaching model. It enables students to get the feelings of production field on campus， and their engineering practice and comprehensive innovation ability have been effectively improved.

Key words： comprehensive logging; practice teaching; the virtual and real combination