石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心建设与实践

白金美 张少辉 何岩峰

[摘要]石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心利用信息化技术，结合石油行业的特点和高等工程教育的发展需求，以培养学生的工程实践能力和创新能力为目标，深入开展了虚拟仿真实验教学探索和研究，凝练出“递归跟进式”实践教学理念，形成了“五目标、三层次、三模式”特色鲜明的培养体系。经过多年发展，中心在实验教学体系建设、教学模块设计开发、教学模式实施、开放共享等方面取得了显著成效。

[关键词]石油钻采;储运工程;虚拟仿真;实验教学

[中图分类号]G642.423 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2020）07-0060-03

信息技术对高等教育发展具有革命性影响，推动信息技术与教育的双向融合创新是促进高等教育改革创新、提高高等教育质量的有效途径。信息技术在教育教学领域和管理过程中的应用正在逐步深入，虚拟仿真实验教学中心的建设顺应了教育信息化的发展趋势和现实需要，是学科专业与信息技术深度融合的产物。其有力地促进了教育模式、教学方法和学习方式的深刻变革，激发了学生的学习积极性，拓展了学生学习的时空，促进了学生实践创新能力的全面提升。

石油钻采与储运行业安全生产责任大、生产任务重，在企业进行实践教学的难度大;钻采与储运机械价格高昂、耗电惊人，实践培训成本高;钻采与储运现场工作环境复杂、事故隐患多、安全风险大，很多实验难以采用传统的方式实现，无法保证教学效果。钻采和储运是密切联系的两个石油生产环节，国内高校分别侧重于培养为石油钻采服务的工程师和为石油储运服务的工程师。经调研，国内已建成的虚拟仿真实验中心，面向的教学对象分别为石油工程专业或油气储运工程专业的学生，这样培养出的人才知识结构较为单一。为此，常州大学基于自身在石油工程、油气储运工程、油田化学、油气安全工程等方面的综合优势，针对石油行业特点和高等教育内涵式发展对实验教学和人才培养提出的新要求，在与中国石化共建的国家级工程实践教育中心和两个省级实验教学中心的支撑下，组建了服务于石油与天然气工程领域人才培养的石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心。经过10多年的建设和发展，现已成为特色鲜明、多学科融合、具有示范和共享作用的教学科研基地。其建立了6个虚拟仿真实验教学模块，探索实施了3种虚拟仿真教学模式，产学研深度融合，自主研发了大量工业化的仿真训练教学装备及软件，为学生提供了系统化、高水平的石油工业虚拟仿真实践教学平台。

一、构建系统化虚拟仿真实验教学体系

石油钻采与储运工程虛拟仿真实验教学中心在江苏省重点建设矿业类专业（石油工程与油气储运工程专业）、教育部综合改革试点专业（安全工程）等优势明显和特色鲜明的教学科研平台支持下，凝练出了保障人才培养质量的“递归跟进式”教学理念，构建了独具特色的“五目标、三层次、三模式”的虚拟仿真实验教学体系。学生通过在高度仿真的虚拟环境中完成实验，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，达到了教学大纲培养目标的要求。虚拟仿真实验教学体系如图1所示。

经过多年的教学实践和完善，以“教学情景化、课程模块化、实训平台化、能力工程化、素质综合化、监控常态化”的“五目标”为基础，建立了“专业基础实验”“培养工程实践能力的专业实践教学”“培养创新能力的科研与实训教学”的“三层次”的训练教学核心环节，安全环保教育贯穿全部环节的油气钻采储运工程实践教学体系。在教学过程中，利用油气井工程（钻井）、油气田开发工程（采油）、油气集输、石油处理与管输、天然气处理与管输和油气安全应急处理等6大虚拟仿真实验模块的100余套仿真软件，可安全地模拟地层和密闭管道中“不可视”环境下的油气流动与设备工况，并通过人机交互将操作结果及时反馈给操作者，从而让操作者得以“视微”而了解地下油层内的微观油气渗流规律;得以“知著”而了解到生产工艺流程的各环节之间的相互影响和协调性;得以“习迩”而能够根据计算机的模拟仿真结果，学习诊断和解决复杂故障的方法;得以“及远”而掌握使用自动化装置远程操作的能力。这加强了学生对石油钻采与储运工程的基本认知，强化了基本实践操作技能，实现了与生产现场的零距离接触，可以有效培养学生的实践能力与创新精神。

二、“递归跟进式”教学理念

“需求一目标一实施一评价一反馈一改进”闭式循环改进的跟进式教学理念对于持续改进教学质量非常有效，可以将其引入实践教学环节。仿真中心先将此闭式循环引入培养方案的设计与改进，根据企业的需求确定实践课程;然后将此闭式循环引人实践课程中对实践项目进行设计与改进，确保实践项目的内容和数量满足培养方案中对应用型工程技术人才工程实践能力的培养要求;最后，将此闭式循环引入每个实践项目中，对该次课的教学内容进行设计与改进，确保知识目标和能力目标的达成。总体上看，为培养出企业需要的人才，需要将教学质量持续改进的闭式循环从宏观的调整培养方案，向设置实践项目，以及更为微观化的规划实践课程的教学内容方向逐步深入，是同一个闭式循环逐步深入地自身调用，这就是“递归跟进式”实践教学理念，具体如图2所示。

三、虚拟仿真实验教学模块建设

石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心结合教学需求和专业特点，不断丰富教学资源，建立了油气井工程（钻井）、油气田开发工程（采油）、油气集输、石油处理与管输、天然气处理与管输和油气安全应急处理6个虚拟仿真实验实训教学模块和100余套仿真软件，使不可视、不可及的作业场景可视化，使不可控、不可逆的场景重复再现化，使高风险、高污染的作业安全环保化。本文介绍其中3个模块的功能和特点。

（一）钻井工程虚拟仿真实验教学软件模块

钻井工程虚拟仿真实验教学软件模块共开设17个实验实训教学项目，主要适用于本科3年级以上、专业核心课和专业选修课阶段的教学。本模块实体主要由计算机数据仿真控制系统、3D钻井作业场景动画系统、实体教学设备（钻机模型、井控设备模型、泥浆循环系统模型、钻井管柱模型等）、多媒体显示器、模拟音效系统等五大系统组成，完整地再现石油钻井工艺操作流程，展现工作现场场景和工作气氛，提高学生对钻井作业现场的感性认识，具体如图3所示。

（二）油气集输虚拟仿真实验教学软件模块

实体设备主要由油气集输设备仿真模型、天然气长输管道虚拟仿真实训装置、原油长输管道虚拟仿真实训装置、油气水三相流虛拟仿真实训装置等组成。该平台能够真实展现油气集输的地下、地上相关整个工艺流程并实现互动操作。通过本教学模块的项目训练，学生可以学习油气集输中五站（采油站、计量站、转油站、注水站、联合站）设备的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常见的油气集输工艺，实现油气集输设备仿真实训、天然气及原油长输管道工艺虚拟实训、油气水三相流虚拟实训等教学功能，具体如图4所示。

（三）天然气处理及管输实验教学软件模块

本模块主要针对天然气处理控制设备进行模拟仿真，具备完整的控制功能和操作画面。可实现天然气生产过程中参数、设备的控制;流程和趋势的显示;故障设置、报警和处理;图表的产生和绘制等功能。最终实现：可模拟再现天然气处理生产情景，满足天然气处理生产过程所有项目的操作训练和考核的需求。

通过本教学模块的项目训练，学生可以学习天然气处理的关键设备的工作原理、分布、功能和使用方法，掌握常见的天然气处理工艺，实现天然气处理工艺操作、故障处理仿真实训等功能，具体如图5所示。

四、探索多元化虚拟仿真教学手段

为了保障虚拟仿真教学内容的顺利开展，石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心不断加强研究与实践，开发了桌面式虚拟实验、沉浸式仿真训练、亲历式互动实训3种虚拟仿真教学模式，根据教学目的，因地制宜，合理实施，相互补充，促进了实验教学效果显著提升。

（一）桌面式虚拟实验

根据特色化的石油钻采和储运工程实践教学项目，进行了实体实验设备和桌面式虚拟仿真教学软件的研发。桌面式虚拟仿真教学软件指采用虚拟现实技术模拟钻采井场、储运场站、设备等，将井下和生产设备内不可视的场景展现为安全可视的三维虚拟场景，是人机互动相对较少的软件。仿真中心重点对实体装置无法模拟的高温高压、易燃易爆和高成本实验进行了“桌面式”仿真教学软件的开发，共形成软件50余套，显著提高了学习效率。

（二）沉浸式仿真训练

根据各个层次实践内容的特点，开发沉浸式虚拟仿真软件，即具有视、听等多种感知的逼真虚拟环境，可在计算机上模拟钻进、开采、储运、事故处理等活动，进行交互式视景仿真和信息交流的软件。同时，针对多人在线的情况，学生还可以进行模型化、角色化、事件化的训练模拟，使其训练更接近真实情景。

（三）亲历式互动实训

基于工程实践教育中心的实体实验设备资源，开发“虚实结合”的亲历式虚拟仿真软件，即将石油勘探开发相关实验设备、油气田现场生产作业装备制作成模型，具备真实装备所具有的相关结构、功能，将其与虚拟仿真软件相对接，使操作者实现仿真装备与虚拟环境的有效互动。此类软件的单次操作人员少，但更为接近真实工况。

五、结束语

石油钻采与储运工程虚拟仿真实验教学中心经过长期的教学实践与文化积累，在教学理念、教学体系、教学平台、评价机制等方面都取得了新发展。已经建设成为全面落实工程素质教育，培养兼通油气储运和石油工程知识的高层次工程应用型人才的重要基地。目前，仿真中心开设的实验实训教学科目类型齐全，满足了全校不同专业对石油与天然气工程训练教学的需要，提高了大学生的实践动手能力。仿真中心的实践教学体系完善，师资工程经验丰富，创新能力强，实验教学效果好，本科生受训后的创新精神、工程能力和团队合作精神明显提高。中心将继续夯实基础，突出特色，坚持产学研结合可持续发展的道路，不断加强自身内涵建设，促进实验教学改革与创新。