压裂井下工具现代教具的应用

战永平，王卫阳，陈德春，鲍丙生

(中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266555)

压裂施工是一项特别复杂的工程，包括压裂设备、施工管柱、下井原材料、施工设计、施工工艺、施工评价6个基本要素。施工管柱是由压裂油管和井下压裂工具组成，是施工压力传送通道。根据压裂井的状况和工艺技术的需求，需要在压裂油管上安装相应的压裂工具。如何让学生深入掌握压裂工具的结构与工作过程是一个亟待解决的问题。

教具教学在增强学习兴趣、直观学习方面有着不可替代的作用[1-2]。随着信息技术发展，以flash技术[3]为基础的现代电子教具[4-5]在教学中应用越来越广泛。为更直观、更形象、更逼真地掌握井下压裂工具的结构、作用及工作过程，研制一批基于flash技术的压裂工具现代教具。实践证明现代教具颇受学生欢迎，激发学生探究精神，提升学生实践能力，获得较好的教学效果。

1 传统压裂工具教具

压裂施工使用的管柱结构基本相同，主要采用Ф62 mm，N-80级外加厚油管配封隔器和喷砂器，再根据井况和工艺技术要求配工作筒、水力锚、丝堵等井下工具[6-10]。为方便学生对井下压裂工具的学习，各相关实验室采用机构简化方式仿真制作压裂工具的模型教具，如图1所示。

图1 压裂工具模型教具

该模型教具可让学生直观学习压裂工具，有助于培养学生观察力，启迪学生思维，但也存在着以下2个方面的问题。

1)携带不方便，学习不灵活。

压裂工具模型教具是仿照工具本身按照一定比例制作而成，体积较大，无法携带，只能将其固定于实验室工具架，学生只有在固定的实验室、固定的时间段内学习，无法进行自主学习，降低了使用效率。

2)动态演示功能不强。

大多数压裂工具是依靠液压进行工作的。压裂工具模型教具按照工具的结构形态仿真制作，无法仿真液压传递的过程。其静止、呆板的特点，导致学生只能抽象的学习其工作过程，无法高效发挥其辅助教学的功能。

2 现代压裂工具教具

传统压裂工具教具虽然在压裂教学中占据一席之位，继续发挥它的作用，但存在静止、单板、笨重、不可视的问题，已经无法满足现代教学的需求。随着计算机技术高速发展，教育部“关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”(教高司函[2013]94号文件)，拉开了虚拟仿真实验教学中心建设的序幕[11]，虚拟仿真技术在国内高校的科学研究与实验教学中越来越受到关注。

虚拟仿真技术是用一个基于计算机仿真技术建立的虚拟系统模拟另一个真实系统的技术。VRML、Lab-VIEW、3DMAX、Cult3D、MATLAB、JAVA、Authorware和Flash等[12-13]都可用于虚拟仿真实验的开发。Flash具有优秀的图形及动画功能，因此运用Flash技术开发压裂工具现代教具。

2.1 K341型封隔器现代教具

K341型封隔器是压裂施工经常使用的封隔器之一，属于密闭扩张式裸眼封隔器。其结构复杂，主要由密封胶筒、单流阀、上胶筒座，下胶筒座、硫化芯管以及销钉等组成。利用Flash较强的图形设计功能，严格按照比例或规范制作封隔器内部构件，开发出K341封隔器现代教具，如图2所示。

图2 K341型封隔器内部结构

K341封隔器分为坐封与解封两个作业过程。坐封：封隔器下至设计位置后，油管加液压，通过下接头上的单流阀作用于下胶筒座上，推动其上行，压缩密封胶筒使之径向张开，由于单流阀的作用，使得液压油不能回流，防止封隔器回弹，实现坐封。解封：上提管柱，剪断销钉，活塞在液压作用下上行，液压油通过上胶筒座的泄油孔被排出，下胶筒座室内压力降低，密封胶筒回缩，实现解封。利用Flash较强的动画功能，按照其工作过程开发出封隔器坐封、解封作业过程仿真，如图3和图4所示。

图3 K341封隔器坐封仿真

图4 K341封隔器解封仿真

2.2 喷砂器现代教具

图5 喷砂器内部结构

投球加压 滑套下行 喷嘴打开

压裂施工时喷砂器一般与封隔器配套使用，主要由上下接头、调节环、弹簧、阀座、中心管、滑套等构件组成。其作用是将施工管柱中压裂液喷向射孔孔眼。施工时油管投球后加压，剪断销钉，滑套下行，阀座压缩弹簧，喷嘴打开，施工开始。按照封隔器的电子教具制作方式，制作了喷砂器电子教具，如图5和图6所示。

3 应用实例

中国石油大学(华东)石油工程学院国家级实验教学示范中心压裂酸化仿真实训实验室是利用仿真装备和虚拟仿真实训软件混合体系架构的虚拟仿真技术而建立的，可进行压裂工艺、压裂施工工序仿真实训，但对于施工管柱组配方式的学习不够完善。因此，借助Flash技术开发的压裂工具现代教具完善压裂施工管柱组配方式的学习。

以滑套喷砂器分层压裂工艺的压裂管柱为例，首先学生通过理论学习，了解该工艺技术条件下封隔器、喷砂器等压裂工具的组配结构，如图7所示。然后，学生在Flash技术开发的K341封隔器和喷砂器等现代教具的辅助下，以及滑套喷砂器分层压裂工艺演示Flash辅助下，进一步掌握该工艺条件下施工管柱的动作过程，如图8所示，使不可视的井下工具工作过程的可视化，巩固和加深学生对该技术的理解和掌握，取得了良好的实验教学效果。

截至目前，利用压裂工具现代教具，已经成功地将压裂施工管柱的学习融入压裂酸化仿真实训中，并成功地为石油工程专业卓越班2010～2013级的学生展开了压裂管柱教学，通过对石工卓越2013级9～10班的学生问卷调查，融入施工管柱教学的压裂仿真实训，使学生在实训过程中形成清晰的压裂施工概念并锻炼学生的实践动手能力，取得了良好实训效果。

图7 滑套喷砂器分层压裂管柱

图8 滑套喷砂器分层压裂仿真过程

4 结束语

压裂工具现代教具具有学习灵活方便，形象、逼真、生动的特点，不仅弥补传统教具的不足，而且满足现代教学的需要；使不可视的井下工具的作业过程可视化，使复杂的、枯燥无味的工具学习变得栩栩如生，增强学生学习的兴趣，激发学生的探究精神。开发的现代教具在压裂酸化仿真实训中的应用，不仅获得良好的教学效果，也切实提升学生工程实践能力，受到学生一致好评。