油气田开发仿真教学系统研究与应用

李杰

摘要：针对石油工程专业复合型人才培养的需要，以加强学生的实践能力为目标，与油田生产实习相结合，研制以生产安全培训演示软件和开发动态综合仿真模型为核心的油气田开发仿真教学系统，包括井仿真模型、开采仿真模型和注采系统仿真模型。该系统具有显示直观、综合性强以及理论与实践紧密结合等特点，既可使学生快速高效地回顾所学专业知识，也开拓了学生的视野，了解了石油工程岗位的任务和特点，为学生从事石油工程工作打下实践基础，促进提升专业人才培养的质量。油气田开发仿真教学系统对于拓宽专业实验教学思路、完善专业实验室教学模式有一定的示范作用。

关键词：油气田开发；仿真教学；仿真系统

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）10-0145-02

石油工程专业的目标是培养复合型人才，要求培养的学生具有工程性和实践性，这就需要建立相关的课程和教学体系，即提高实践环节比例，完善实践教学体系，鼓励实验单独设课，增加综合性、设计性等创新性实验比例，加强学生实践创新能力培养。在实践教学方面，中国石油大学（北京）安排去生产单位进行生产实习教学环节，但由于学生数量较多，实习单位生产任务重，导致实际效果变差[1]。为了提高实践教学质量，中国石油大学（北京）开展研究，设立了石油工程开发仿真教学实验课程。该课程主要针对大学三年级的学生，对石油专业知识有一定理论认识，但对油田实际了解较少，有针对性的仿真实验教学，可高效地培养学生动手能力，增强学生对专业的感性认识，并充分了解石油工程的岗位特点。

一、油气田开发仿真教学目标

油气田开发仿真实验室每年面对石油工程的所有学生，肩负着石油工程专业学生专业培养和实践能力的培养的使命，通过油气田开发仿真实习，可以不断地强化学生的实验能力、动手能力、观察能力、分析和解决问题能力，使石油工程的学生能够更好地和系统地理解和掌握油气田开发方面的知识，为毕业后做一个合格的石油工程师打下坚实的基础。

二、油气田开发仿真教学系统的组成

针对石油工程油气田开发专业，仿真教学系统由两大部分组成：第一部分是生产安全培训系统，主要内容是在生产实习过程中可能存在的各类安全问题；第二部分是动态仿真模型系统，包括钻井工程仿真模型、开采仿真模型和注采系统仿真模型。

1.生产安全培训系统。生产安全培训包括劳保安全和现场安全两部分。劳保安全培训是安全防护用品的穿戴实践，目的是培育学生自我保护的基本防护知识。现场安全培训是通过软件或视频动画展示事故案例。

2.动态仿真模型系统。（1）井仿真模型。井仿真教学模型是由地层模型、井身结构模型和灯光显示系统组成。其中井身结构模型有三种，分别是目前三种常见井型（水平井、直井和斜井），同时每种井型配有灯光照明显示系统，可应用于模拟油气水在地层内的渗流方式和钻井过程中钻井液的流动方式。（2）开采仿真模型。开采仿真模型包括了自喷井模型、有杆泵模型及潜油电泵模型。自喷井模型模拟了油藏地层能量充足时，井筒内流体流动过程中气、液两相流的各种流态。有杆泵模型包括抽油机模型和螺杆泵模型两种。抽油机模型由抽油机地面和井下部分组成[2]，可直观展示地面上抽油机的部件组成及工作原理以及井下抽油泵的组成和工作原理。螺杆泵模型也由地面和地下两个部分组成，可以展示螺杆泵的原理和泵体的工作过程。这两个模型都能实现人工控制，通过改变相应参数，模拟实际抽油机和螺杆泵工作制度改变带来的影响，使学生直观了解冲程和冲次等概念及影响、了解泵效的影响因素以及提高泵效的措施。潜油电泵是一种典型的无杆泵[3]，是油田开发后期强注强采最常用的采油机械，潜油电泵模型可直观地演示潜油电泵采油工作原理、潜油电泵内部结构，通过调节出液压力来观察泵的流量变化。（3）注采系统仿真模型。注采系统仿真模型是对油田开发进行模拟的宏观模型。如果说前面的仿真实习是微观的，那么注采系统动态仿真实习则是宏观的，该模型包括地面与地下两个部分。模型的主要功能由三个部分组成，其一是模拟整个油田的注水流程及原油从地面采出后的流向；其二是全面系统地模拟了一个完整油藏开发过程中需要的地面设备，包括注水管网等注水站地面设备、采油管网及油气地面处理设备，如储水罐、工作泵组、配水间、水井井口装置和油井井口装置等；其三是地下油水运动显示系统，包括油水井连通剖面图和地层灯光模型，前者能够直观显示采油泵的位置及其对泵效的影响，后者能够直观显示油层非均质性的影响以及分层注水、笼统注水工艺。

三、仿真教学系统的应用与教学效果分析

1.仿真教学系统的应用。（1）教学的目标。在进行仿真实习教学时，采取知识点以点带面的方法进行，首先从某个知识点切入，先介绍理论知识，在学生明白理论知识的基础上，结合仿真教具进行这一知识点的深入学习，使理论和实际相结合，真正掌握这一部分知识；其次，进行知识点相串联，把单个知识点进行整合，在整合的过程中让学生了解整个油田的运行过程，同时对自己以后在油田所从事的工作岗位有一定的了解。（2）教学过程的管理。油气田开发仿真实习教学是由三个方面组成的，其一是教师就生产实践过程及安全注意事项的讲解；其二是学生对油气田开发过程的仿真模拟的观摩和实际操作；其三是学生对油气开采过程中理论知识的全面回顾和总结。

2.教学过程中仿真系统的特点。通过近几年的教学实践，油气田开发仿真系统不断得以完善，总体来看，该系统具有如下几个特点，能大大提高教学效果：（1）对油气田开发知识的直观显示。在进行油田生产安全培训时，主要通过结合油田近年来在现场所发生过的事故，运用动画展示来进行教学。在看得到动画展示危险事故时，同学们都会发出惊叹，通过事故原因分析，学生们真正了解了实际生产作业时可能存在的危险以及应对危机的方法，为学生今后走上工作岗位打下安全基础。（2）油气田开发知识的综合理解。油气田开发仿真教学系统中的几个主要模型，模拟的是钻井、地层流体渗流和采油工程三个领域的主要过程，因此能够使学生建立起综合的油藏开发的概念。钻井工程仿真模型是钻井知识和渗流知识的综合，除了可以使学生直接观察油井的井身结构，了解井管柱的组成、结构及管柱在井内的作用之外，还能令学生了解井眼和地层连通的完井方法以及不同完井方法的适用条件和局限性；更重要的是，该模型通过灯光显示系统岩石油气水在地层中的渗流方式，令学生直观地了解水平井、直井和斜井渗流的差异，从而全面掌握了流体渗流的相关知识。开采仿真模型是采油工艺知识的综合，通过自己动手实验，模拟完井后在不同开采方式下地下流体从地层中开采并在井筒中流动的过程，可以更深入地掌握油井自喷的条件及自喷时井筒内流动形态的变化；另外还能掌握有杆泵的工作原理如冲程、冲次的概念以及气体对泵效的影响，同时通过自己观察，找出泵效低的原因，加深对抽油泵的工作原理的理解；还能掌握有杆泵和无杆泵不同的内部构造和工作原理，综合了解如何优选采油工艺的基本原理和方法。注采系统仿真模型是油田生产系统的综合，包括流体在注采管网和地层中综合流动、注采装备及技术与生产单位管理系统的综合以及注采综合调整技术。例如，系统可以选择不同的注水增压泵，直观感受其对注水量的影响，还可以直观了解注水的地层中的渗流过程，了解油层非均质性所产生的问题及分层注水与笼统注水的区别、分层注水的工艺和优点。通过学生动手模拟和教师的讲解，学生可以明确整个油田的运行方式、采油厂各单位的工作职能和需要掌握的重点知识。（3）理论知识和实践能力的有机结合。仿真教学系统能够给学生提供充分的动手实践机会。例如抽油机模型，除了使学生直观了解抽油泵的工作原理和抽油机部件组成之外，还能在学生自己操作过程中，控制气量的大小，记录有气与无气时的泵效，了解气体对泵效的影响，同时通过自己观察，找出泵效低的原因，加深对抽油泵的工作原理的理解。潜油电泵仿真模型可直观地演示潜油电泵采油工作原理、潜油电泵内部结构，学生还能通过调节出液压力来观察泵的流量变化，通过记录电流卡片学会进一步分析电潜泵的工作状态。

3.仿真教学效果分析。随着开发仿真教学系统的不断完善，目前已经成功应运用石油工程专业，并在本科生培养中发挥着重要的作用。此外，由于其可以将复杂的专业理论直观呈现的特点，此仿真系统承担全校石油工程科普教育的功能。特别是在本科教学中取得了显著的功效。首先，实用化是仿真系统最大的功能之一，通过采用和现场实际相一致的仿真系统，让学生在学校就能了解到现场的知识，体现了实用性强的优点。其次，综合性强，开发仿真系统不但以实物的形式展现了油田地面运输系统，而且以光电的形式展示了地下流体的流动状态，同时也形象地让学生看到油井井筒的构造及组成部分，进一步加强学生知识的综合性，使学生对知识的理解更加系统。最后是对学生具有启发性，通过仿真实习，学生初步知道自己是否喜欢从事油气田开发的工作，如果以后从事油气田的工作，自己在什么样的工作岗位，为以后工作的选择做初步的准备，同时为生产实习打下基础。

四、结束语

开发仿真教学系统自研制成功以来，在教学领域应用越来越多，该系统将课堂、实践环节和生产单位环境有机结合在一起，以其实用性、直观性、系统性和综合性，受到了学生的一致好评。

参考文献：

[1]檀朝东，刘慧卿，等.采油工程校内生产实习基地建设方案研究[J].中国石油和化工，2011，（7）：59-61.

[2]邢明明，董世民，崔阳，陈培毅，等.游梁式抽油机皮带传动效率的仿真模型[J].工程力学，2013，（7）：242-246.

[3]孙艾茵，刘蜀知，刘绘新.石油工程概论[J].北京石油工业出版社，2008：156-157.