石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践

王永友，王 琨，郭昭学，王其军，吕栋梁

石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践

王永友，王 琨，郭昭学，王其军，吕栋梁

（西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

由于受工况条件的约束和限制，与石油及天然气工程技术相关的实验和工程实践技能训练，无法在常规实验室完成，此外由于油田现场因高危、高风险等极端工作环境，也无法接纳学生开展实验或实训，因此虚拟仿真是开展石油与天然气工程技术实验教学和工程实践技能训练的有效途径。以西南石油大学油气开发国家级虚拟仿真实验教学中心建设为例，介绍其教学资源应用案例、教学体系、教学实践与认识。

石油与天然气工程；虚拟仿真；教学体系；实验教学

目前，随着国际油气资源竞争日趋激烈，以及油气勘探开发难度的不断加大，为了提高勘探开发进度，降低开采成本，石油与天然气工程领域不断采用及推广新技术、新设备、新工艺。这种工业需求形势对高校培养石油与天然气工程相关专业的技术人才提出了新的要求[1-2]，即高校在人才培养的过程中，除应让学生掌握扎实的专业理论知识，还应使学生受到系统规范的工程技能训练，熟悉未来复杂的工作环境和要求；毕业生到企业的相关岗位后，在工作中能理论联系生产实际，发挥创造性，提高生产效率[3-4]。实践证明，全面系统的课堂理论教学与专业实验和工程实践技能训练的有机结合，是提高人才培养质量的有效方式，而虚拟仿真是开展石油与天然气工程技术实验教学和工程实践技能训练的有效途径。

1 石油与天然气工程虚拟仿真实验教学系统

1.1 虚拟仿真实验教学系统研发的必要性

石油与天然气工程技术是解决如何将几千甚至近万米深的地下油气资源经一条人工建立的通道采到地面，并经地面管道和集输站场分配和处理的相关技术，涉及油气钻井工程、油气开采工程、油藏工程、油气储运工程、流体力学等专业领域。由于工程作业往往涉及沙漠、戈壁、海洋等恶劣工作环境，以及具有高温高压（如有时温度高达200 °C，压强超过100 MPa）的深部地层、小尺寸井眼等地下不可及环境，同时油气勘探开发不仅涉及大型的工程施工，还涉及微观的多孔介质特性以及流体的渗流规律研究和分析，由于油气勘探作业和生产事故具有典型的不可逆性，加之油气产品具有易燃、易爆、易扩散，甚至具有有毒成分（如含H2S、SO2）等特殊性，便形成了油气钻、采、输作业的高投入、高风险、工艺复杂、要求理论与实践经验紧密结合的工程技术特点。

在人才培养过程中，与石油和天然气工程技术相关的部分实验和工程实践技能训练由于各种工况条件的约束和限制，无法在常规实验室完成，而生产现场由于高危、高风险环境，现代化的大重型机械设备密集，对于没有任何工作经验的学生而言，受到意外伤害的可能性较大，如果操作失误，可能引起巨额的经济损失和严重的社会公共安全事故，因此也无法接纳学生实验或实训[5]。为了弥补石油与天然气工程相关专业实践教学所存在的不足，利用虚拟现实技术、仿真技术、多媒体技术、人机交互技术、数据库技术和网络技术等与油气工业勘探开发工程实际相结合，开展虚拟仿真实验实践教学[6]，是开展石油与天然气工程相关专业的实验实践教学并避免环境恶劣、规模大、投资大、风险高的有效途径。

1.2 虚拟仿真实验教学系统研发

20世纪90年代，为了适应新的专业理论教学和工程实践能力培养的需要，我校成立研发团队，自主研发功能更完备的钻井工程模拟器，成为钻井工程及相关专业重要的实践教学装备。2000年以来，学校依托油气藏地质及开发工程国家重点实验室、石油与天然气工程国家一级重点学科、石油工程和油气储运等国家级特色专业、石油与天然气工程国家级教学团队、石油与天然气工程国家级实验教学示范中心以及四川省石油工程计算机模拟技术重点实验室的建设以及在国家“863”项目支持下，顺应我国石油工业的发展和油田继续教育的需要，着重致力于石油工程与石油装备的模拟与仿真系统研发，开发了一系列油气虚拟仿真教学资源，建成了集油气钻、采、输一体化的油气开发虚拟仿真实验教学平台，取得了如下典型应用 成果。

1.2.1 油气钻井虚拟仿真系统

油气钻井工程是投资大、风险高、技术密集的地下工程，要安全、高效地建立一条优质的油气流动通道，涉及多工种协同作业。与此相关的实验项目、实践技能训练因规模大、设备多、消耗高、风险大无法在常规实验室完成，也无法在生产现场重复或再现[7]，如井喷的理论与现场处理技能、井下复杂事故处理的理论和实践技能等。

通过对油气钻井虚拟仿真系统的交互操作和对仪器仪表显示数据，虚拟作业环境中出现的异常现象及相关设备工作状况的观察，使学生理解并掌握钻井基本工艺过程、井筒及地层流体流动原理和溢流过程、井筒岩屑清除原理以及常规钻井、关井压井原理和井下事故处理流程、欠平衡钻井及控压钻井等特殊工艺钻井井底压力控制原理、地面特殊装备等知识。

1.2.2 油气开采虚拟仿真系统

油气开采工程担负着使地层中的油气稳定、高效、持久地从地层流到井底，并从几千米深的井底有控制地举升到地面的重任。涉及酸化、压裂等大型的地层改造工程、不同埋藏深度的复杂流体的渗流规律以及流体被举升至地面的配套技术及维持井筒生产寿命与安全修井等技术。许多与生产密切相关的实验及实训项目由于规模大、高温、高压、腐蚀、毒性等无法在常规教学实验室进行。通过油气开采虚拟仿真系统对模拟设备的交互操作、仪器仪表显示数据、虚拟作业环境中出现的异常现象及相关设备工作状况的观察，使学生理解油气井井筒出现的多相管流流动形态、对比多相流动计算模型的准确性、模拟与诊断人工举升方式（气举、电潜泵、有杆泵、射流泵等）工作状态、模拟排水采气过程与注水工程等知识点。

1.2.3 油气储运虚拟仿真系统

油气储运工程是连接油气开采和终端用户的纽带，涉及油气的收集、站场处理和储存等技术。油田内的油气管网长度高达数千公里甚至上万公里，还有大量不同规模和类型的油气处理站场和油库等。与此相关的实验及实训项目，如压缩机和泵的启停、油气管道的泄漏应急处理、复杂管网系统的运行操作、油库的收发油作业、油气管道和设备的腐蚀过程、油气净化处理等因规模大、风险高无法在常规实验室开展，受企业生产制度和安全方面的限制，也无法在企业现场实际操作。通过油气储运虚拟仿真系统对模拟设备的交互操作、仪器仪表显示数据、虚拟作业环境中出现的异常现象及相关设备工作状况的观察，可使学 生理解油气集输管道系统、油气集输站场工艺、油气长输管道工艺、LNG接收终端工艺、油库工艺等知识，掌握油气集输设备布局、设备内部结构及原理、设备操作、维护、相关工艺操作技能和常见事故处理等 知识。

2 石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体系构建

2.1 油气开发虚拟仿真实验教学中心的建设情况

我校石油与天然气工程实验教学中心依托石油与天然气工程国家一级重点学科于2007年批准建设，2013年成功申报为国家级实验教学示范中心，该示范中心下设油气开发虚拟仿真实验教学中心，并于2014年成功申报为首批国家级虚拟仿真实验教学中心（以下简称“中心”）。中心由学校与示范中心二级管理，学校负责总体规划与建设，示范中心负责日常管理和实验教学工作。目前，中心拥有4个实体平台，8个实验分室，实验室面积达1000 m2以上，中心组织机构如图1所示。

图1 油气开发虚拟仿真实验教学中心组织机构

2.2 石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体系建设

随着油气勘探开发难度的不断加大，油气工程领域要求学生具备扎实的专业理论知识、系统规范的工程技能和在复杂工作环境下的实践动手能力和创新能力。为满足人才能力培养需求，油气开发虚拟仿真实验教学中心贯彻“以学生为本”和“厚基础、强实践、重创新”的人才培养理念，以及“知识传授、能力培养、素质提高协调发展”的教育理念和“以能力培养为核心”的实验教学观念[8-9]，始终坚持循序渐进、逐步提高、分层培养、注重个性的实验教学方法，不断调整和优化实验教学内容和方法。经过多年的建设，逐渐形成了分层次、模块化、重基础、强能力的人才培养模式[10-12]，建立起了一套布局合理、教学效果优良、开放共享有效，并与石油与天然气工程一级国家重点学科以及行业特点相适应的、能支撑对学生实践能力和创新能力培养的实验教学体系（见图2）。

图2 油气开发虚拟仿真实验教学中心教学体系

基于半实物仿真的系列仿真模拟操作平台主要承担钻井工艺仿真模拟训练、油气开采仿真模拟训练和油气集输仿真模拟训练，与相关课程匹配，属于基础教学，重点培养学生对基本理论和技能的掌握。基于三维严肃游戏理论的虚拟仿真操作平台属于综合提高平台，主要用于案例教学，对油气钻采输过程中遇到的典型事故开展交互和漫游式井控虚拟训练、油气开采安全事故以及应急预案仿真训练，重点培养学生的动手能力和安全意识。基于虚拟现实和工程实际的仿真操作及开发平台属于创新平台，用于开展对学生实践动手能力和探索创新能力综合培养，具有实战化特点，教学内容与油田生产实际结合紧密，并允许学生利用该平台开展具有个性化的创新实验和设计研究。该平台主要承担钻井工程设计及分析虚拟教学训练、海洋油气开发工艺虚拟教学训练、地下工程及井筒作业虚拟教学训练。虚拟或仿真实验教学平台的合理利用可以有效地弥补常规实验教学存在的不足，从而实现理论教学与实验教学的有机统一。

3 虚拟仿真实验教学实践与体会

油气开发虚拟仿真实验教学中心坚持传授知识、培养能力、提高素质协调发展，注重对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养。中心坚持以学生为本，将实验教学与理论教学有机结合，采用先进实验教学手段，改进实验教学方法。从人才培养体系整体出发，建立以能力培养为主线，分层次、多模块、相互衔接的科学系统的实验教学体系，与理论教学既有机结合又相对独立。

3.1 石油与天然气工程虚拟仿真实验教学实践

油气开发虚拟仿真实验教学中心遵循虚实结合、能实不虚的原则，依托钻井与完井工程、采油工程、气藏工程、油藏工程、油气集输工程等专业核心课程，用集油气钻、采、输为一体的虚拟仿真实验教学系统设计实验，对钻完井、油气开发、开采、集输等实践中的复杂工程问题开展虚拟仿真教学，学生通过实践操作、现象观察、数据分析处理及信息综合归纳，得到合理有效的结论，从而提升学生理论研究水平、工程实践能力和创新能力。

中心为石油工程专业、油气储运工程专业、海洋油气工程专业等5个专业开设了实验课程，涉及11门课程，每年受益的学生达 1200 余人，人时数达到21 000学时，实验开出率高，教学效果良好，在人才培养中发挥了重要的作用。同时，面对石油与天然气行业发展形势，根据油气开发领域人才能力培养需求，中心积极开展实验教学改革，不断丰富完善教学平台资源，根据现有教学资源及建设规划，不断修订、完善实验教学大纲和实验教材，并精心设计相关课程的实验项目、典型的油气钻、采、输方向课程的实验项目等（见表1）。

表1 实验项目列表

中心开设的虚拟仿真实验分为基础性、综合性、创新性3个层次，基础性实验主要为课内实验项目，与相关课程配套，重在验证理论知识，掌握实验基本技能；综合性实验主要为生产实习、课程设计、毕业设计等课程的实训及实践项目，重在强调各学科间知识和技能的综合运用；创新性实验主要为石油工程设计大赛、SPE实验技能大赛、创新创业设计大赛等提供支持，重在培养学生的创新思维。基础性实验与对应理论教学同步进行，综合性、创新性实验独立开课，不以产生原创性实验结果为目标，采用教师命题和学生自由设计两种模式。

近年来，中心搭建创新创业平台，以“项目导向、竞赛为先、促学带练、产出成果”为思路，精心营造浓厚科创氛围，吸引大量学生参与到创新创业活动中来，在各类活动中帮助学生砥砺思想、交流展示、锻炼能力，在学科基础、实践动手能力、创新能力等方面均得到了很大的提高。近三年，中心平台服务的学生课外开放实验、创新性项目、获得各类省部级以上奖励、申请并授权专利、发表学术论文等成果逐年增长，成绩喜人（见图3），如学生在历届全国石油工程设计大赛中均囊括半数以上的一等奖。

图3 油气开发虚拟仿真实验教学中心学生成果

中心面向全校学生开放，平均每年近千人参与。用人单位评价“毕业生综合素质好，基础扎实，动手能力强，具有很强的工程实践能力和创新能力”。

3.2 石油与天然气工程虚拟仿真实验教学体会

中心将现代信息技术、现代工程教育理论与石油工程相关理论教学、现场操作工艺和技能要求进行有机结合，建设集油气钻、采、输一体化的虚拟仿真实验教学平台，形成信息容量大、多向演示、模拟生动、身临其境、人机互动的实验和实践技能训练平台，使学生能够在有限的空间和时间内，在安全的实验实训过程中，快速、全面掌握油气开发工程技术领域涉及的理论知识及实践操作技能。

根据中心建设思路和整体规划，今后将持续加强硬件建设，如中心环境的升级改造、先进仪器设备的引进与开发等，同时不断丰富软件内容，如教学资源开发、实验教学改革、实验信息化平台完善、师资队伍培养、建设成果及经验交流等。为充分发挥虚拟实验教学平台的作用及受益面，还将进一步扩大共享范围和完善共享方式，加大科研成果向实验教学资源转化力度，不断扩充和丰富虚拟仿真实验教学资源并扩大资源的产品化程度，进一步完善实验室信息化、网络化管理运行平台，开发面向社会开放的远程虚拟实验教学资源，逐步开展移动实验平台建设，在现有的IOS和Android等主流移动平台上开发部分典型的虚拟仿真实验教学资源[13-14]。

通过上述措施，使得油气开发虚拟仿真实验教学中心的内涵建设不断得以加强，人才培养质量稳步提升，形成融“工程背景认识”“专业理论实验”“单项或综合操作技能训练”为一体的工科理论与实践有效结合的分段式、立体化、同时满足石油工程通识教育与专业技能人才需求的人才培养体系、教学质量保障体系以及评价体系，形成油气开发领域虚拟仿真实验教学公共教育平台。

4 结语

在高校实验教学改革新形势下，面对石油与天然气行业发展形势，我校油气开发虚拟仿真实验教学中心在建设中积极探索虚拟仿真实验教学的内容和形式，理解和把握“虚实结合、相互补充、能实不虚”建设的基本原则，坚持以学生为本，采用先进信息技术手段，不断丰富完善实验教学资源，改进实验教学方法，推动实践创新[15]，以满足油气开发相关专业人才基本技能和实践动手能力培养、考核及安全教育的需要。

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Construction and practice of virtual simulation experiment teaching system for petroleum and natural gas engineering

WANG Yongyou, WANG Kun, GUO Zhaoxue, WANG Qijun, LÜ Dongliang

(School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Due to the constraints and limitations of working conditions, some experiments and practical training related to petroleum and natural gas engineering technology can’t be carried out in conventional laboratories. In addition, because of the high-risk and extreme working environment, students can’t be admitted for the experiment or training in the oilfield. Therefore, virtual simulation is an effective way to carry out the experimental teaching and engineering training for petroleum and natural gas engineering technology. Taking the construction of the national virtual simulation experimental teaching center for oil and gas development in Southwest Petroleum University as an example, this paper introduces its application case for teaching resource, teaching system, teaching practice and understanding.

oil and gas engineering; virtual simulation; teaching system; experimental teaching

G642.0

A

1002-4956(2019)12-0023-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.006

2019-04-16

王永友（1979—），男，贵州湄潭，硕士，实验师，主要从事虚拟仿真实验教学工作。E-mail: 9462517@qq.com