交互式毛管力虚拟仿真教学系统建设与应用

付帅师，李爱芬，王建忠，张俨彬，张 磊，刘冬冬

（1. 中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2. 中国石油大学（华东）非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580；3. 中国石油大学（华东）石油工业训练中心，山东 青岛 266580）

实验是认识自然科学规律的基本手段，实验教学在21世纪人才培养中占有重要的战略地位[1]。在我国新工科建设和高等工程教育发展的道路上，虚拟仿真实验的建设和应用，为学生探索学习和教师传授知识提供了新的手段，为实验教学和教学改革增添了新的活力和动力。随着信息技术的高速发展，从虚拟仿真实验技术的提出到在世界各地的发展应用，虚拟仿真技术已经成为很多高新技术研究和课程教学的重要手段，并显示出了相较于常规教学方法的突出优势。发展虚拟仿真实验教学具有重要的实际意义[2-6]。针对行业科技前沿教学内容和实验室建设的需要及特殊性，建设具有行业特色并符合新工科教育背景的虚拟仿真实验项目[7]，将助力于开创人类社会更加智慧、更加美好的未来。

低渗、致密油气藏已成为当今重要的油气资源和中国油气田开发建设的主战场。毛管力曲线是低渗、致密油气藏开发设计的重要基础资料，尤其对上百米过渡带中的油气储量计算有很大影响。毛管力曲线的测试方法以及曲线应用是石油工程专业“油层物理”和“渗流物理实验”课程中的重点和难点，但是对学生掌握石油工程专业知识具有重要的意义[8-10]。常规毛管力曲线的测试方法有半渗隔板法、压汞法和离心法。由于仪器昂贵、测试时间过长且操作过程繁琐，半渗隔板法和离心法并不适用于实验教学；常规压汞法虽然能够在课堂实验过程中完成驱替和吸吮毛管力曲线的测试，然而汞是具有一定毒性的实验介质，学生进行实验操作存在一定的危险性[11]。此外，压汞法测试毛管力曲线会对实验岩心造成不可逆的损害，并且汞会滞留在岩心不能回收，造成资源浪费和环境污染。基于多年实验教学中积累的大量不同渗透率孔隙度岩心的压汞和退汞毛管力曲线，建设一种交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真实验系统，不失为一种很好的压汞毛管力曲线测试教学方法的替代途径。

通过建设交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统，并设计基于此系统的毛管力曲线测试及应用实验教学项目，在无汞、无毒条件下进行常规压汞和退汞毛管力曲线模拟测试，达到了比使用常规压汞仪更好的实验效果。此外，在虚拟仿真测试系统中增加了基于学科前沿知识的高压压汞毛管力曲线模拟测试和恒速压汞毛管力曲线测试，解决了常规压汞仪在实验教学中的毒害性危险，并且弥补了常规方法的不足以及以往教学中部分知识点的空缺，拓展了毛管力曲线测试及应用教学的宽度和广度[12-13]。

1 交互式毛管力虚拟仿真教学系统建设

“压汞毛管力曲线测试”是“渗流物理实验”课程的必修实验环节。在以往的实验教学实践中，主要在课上讲授压汞毛管力曲线测试的原理、仪器操作步骤和数据处理分析等，学生使用压汞仪分组完成毛管力曲线的测试。“压汞毛管力曲线测试”实验项目已经具有比较完整的教学内容，并且经过多年的教学实践，积累了足够的教学经验和数据基础。

1.1 虚拟仿真测试系统建设思路

交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试系统是在无汞的实验室条件下，完成石油工程专业领域的常规压汞毛管力曲线测试教学和实验操作，并拓展出高压压汞毛管力曲线测试和恒速压汞毛管力曲线测试的交互式虚拟仿真实验。

该虚拟仿真测试系统的建设思路是：基于现有的压汞毛管力曲线实验仪器和测试流程，应用10年来积累的岩心孔渗基础数据和压汞毛管力曲线数据建立数据库，将已知孔隙度和渗透率数据的岩心放入岩心室，在实验系统中输入岩心孔渗和尺寸数据，用真空泵对岩心进行抽真空处理，准备模拟汞杯和模拟汞体积计量器，使用机械泵逐级加压，在不同驱替压力下自动识别压力和响应汞体积，由此计算对应驱替压力的非润湿相饱和度，直至达到最大非润湿相饱和度，从而得到的进汞毛管力曲线。当压力达到最大值（常规教学用压汞曲线测试最大压力为15 MPa）后，由机械泵逐级减压，由虚拟仿真系统自动计算得出退汞毛管力数据，并处理得到退汞毛管力曲线。

利用交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统测试高压压汞毛管力曲线的基本思路是：基于交互式虚拟仿真实验系统，建立高压压汞毛管力曲线与岩心孔渗基本参数数据体和高压压汞模拟器，将岩心放在岩心室并在虚拟仿真系统中录入岩心参数，启动高压压汞模拟器，由系统自动控制流程中岩心室抽空、高压机械泵模拟升压和降压、不同压力下非润湿相体积计量以及高压进汞和退汞毛管力曲线的计算和绘制。对比常规压汞曲线与高压压汞曲线的特征、区别和联系，实现对比实验教学。

利用交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统测试恒速压汞毛管力曲线的基本思路是：基于交互式虚拟仿真实验系统，建立恒速压汞毛管力曲线与岩心孔渗基本参数数据体和恒速压汞模拟器，将岩心放在岩心室并在虚拟仿真系统中录入岩心参数，启动恒速压汞模拟器，由计算机自动控制恒速压汞模拟器进行恒速压汞模拟实验，最终得出已知孔渗参数岩心的恒速压汞毛管力曲线。

1.2 虚拟仿真测试系统流程设计

交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统的基本流程，遵循与常规压汞毛管力曲线测试仪流程一致的原则，利用模拟器和模拟配件代替有毒的汞、实际汞杯，汞体积剂量计等，使用与压汞仪测试步骤一致的交互式实验操作方法，实现测试流程的无汞化压汞毛管力曲线仿真测试操作；在常规压汞毛管力曲线虚拟仿真测试实验流程基础之上，增加高压压汞模拟器和恒速压汞模拟器的自动控制和模拟系统。

交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试系统原理如图1所示。

1.3 虚拟仿真测试系统外观和交互模块设计

根据常规压汞毛管力曲线测试仪实际特征，设计交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统的外形，并与制作厂家商定选取合适和交互式模拟测试配件，设计出最终可行的方案。

交互式毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统外观如图2所示。测试系统主视图面板上包含了与常规压汞毛管力曲线测试一致的测试流程，有岩心室、模拟汞杯、机械泵、压汞模拟器等部件和阀门等。其中，主视图面板设计有模拟器选择开关，可以在实验开始时选择不同的测试方案，即常规压汞毛管力曲线仿真测试、高压压汞毛管力曲线仿真测试和恒速压汞毛管力曲线仿真测试。

图1 交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试系统原理图

图2 毛管力虚拟仿真测试系统

系统右侧面板设计有可以交互操作的机械泵，测试时通过旋转机械泵手柄，带动内部传感器从而模拟改变进汞高度和进汞压力，高度和压力显示在系统正面和侧面的数显表中，进而完成常规压汞毛管力曲线测试时在不同压力条件下的加压和读数测试过程。本系统左侧面板上安装有可触控操作计算机，作为模拟器运行的载体。

1.4 虚拟仿真测试系统模拟器开发

模拟器采用Visual Studio编程实现，算法先进、计算速度快、精度高。系统借助计算机、信号转换器、虚拟仿真技术、智能模拟器技术等，模拟常规、高压和恒速压汞法测定毛管压力曲线过程中的各类数据变化和现象，达到交互式模拟操作和高精度高水平仿真效果。

2 交互式毛管力曲线虚拟仿真系统教学应用

2.1 绿色环保，安全实验

交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统应用于我校石油工程专业本科“渗流物理实验”的课程教学中，通过虚拟仿真实验设备和基于仿真系统的全新教学方法，完全避免了实验中与介质汞的接触，不再有汞泄漏的安全风险，也不存在汞对测试岩心不可逆的损害以及在岩心中的残留，构建了以环保理念、专业知识能力培养以及安全科学研究为一体的绿色工程实验项目。

2.2 仿真测试，拓展前沿

应用交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统，取得了比常规压汞实验教学更好的知识传授和实践探索的效果，突破了传统常规压汞曲线测试教学的局限性，拓展了基于专业知识点的高压压汞毛管力曲线和恒速压汞毛管力曲线测试与曲线应用的学科前沿知识，让学生通过常规、高压和恒速测试之间的区别和联系，更好地掌握压汞毛管力曲线的不同测试方法、曲线特点和应用，弥补了传统教学过程中的不足和短板，提升了实验教学效果。

2.3 虚拟现实，激发探索

通过交互式虚拟仿真实验测试，拓宽了学生对于石油工程专业知识和行业发展的认知。学生通过虚拟仿真实验测试，锻炼了实践操作水平，学会了毛管力曲线专业知识的相关科研方法。在石油工程学院国家级实验教学示范中心和石油工程测试平台的先进设备（包括真实的高压压汞毛管力曲线测试仪和恒速压汞毛管力曲线测试仪，两种仪器都是进口的高级精密仪器）和丰富的科研课题支撑下，通过相关科研工作者的指导和帮助，给学生提供了探索未知以及进行科研实践和工程锻炼的机会，培养了学生自主探索式的学习观念和能力，为石油工程专业在新工科背景下的高等教育发展注入了新的活力和能量。

3 结语

交互式压汞毛管力曲线虚拟仿真测试教学系统是基于真实压汞毛管力曲线测试实验原理和操作步骤设计的交互式虚拟仿真模拟测试系统，实现了在无汞无毒的安全环境下进行毛管力曲线的实验教学与测试，并在常规测试的基础上引入高压压汞曲线和恒速压汞曲线模拟测试和教学，实现了必修重点实验教学项目的绿色环保化课堂教学，提升了毛管力曲线测试实验的总体教学效果，拓展了知识学习的前沿性，激发了学生对科技探索的兴趣。