倪 攀

(天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 301607)

一、引言

石油天然氣在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的戰(zhàn)略地位。但是我國(guó)油田開采隨著地域的不同、油氣田成藏機(jī)理不同、油氣田的地質(zhì)狀況的多樣化及不可見性，造成各油氣田開采的生產(chǎn)裝置多樣化、開采工藝復(fù)雜化，造成生產(chǎn)作業(yè)安全問(wèn)題日益突出，井噴、跑油、機(jī)械傷害、燃燒等安全事故時(shí)有發(fā)生。石油工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)石油工程類專業(yè)的學(xué)生開展實(shí)踐教學(xué)時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式就比較困難。為此，依托虛擬仿真、仿真裝備、多媒體、人機(jī)交互、人工智能等新裝備和新技術(shù)，構(gòu)建與采油采氣現(xiàn)場(chǎng)接近的生產(chǎn)環(huán)境，讓師生在虛擬仿真石油生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中開展教學(xué)，提高教學(xué)的效果就顯得非常必要。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等更多科技在教育信息化及教學(xué)方式方法上的應(yīng)用，智慧教育成為職業(yè)教育的發(fā)展方向，而虛擬仿真的真實(shí)體驗(yàn)無(wú)疑將給教育帶來(lái)全新的變革，讓教學(xué)變得更有趣、更高效，在智慧油田生產(chǎn)作業(yè)教學(xué)方面，虛擬仿真必將成為今后最主要的手段。

二、開發(fā)采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的意義

油田現(xiàn)場(chǎng)大多是大型裝置，教學(xué)操作風(fēng)險(xiǎn)大，往往無(wú)法直接動(dòng)手操作，教學(xué)講解不夠直觀形象，難以達(dá)到理想的實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。在采油采氣相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程中，我們通過(guò)引入虛擬仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)新方式，使學(xué)生在實(shí)際實(shí)訓(xùn)前做好預(yù)習(xí)，充分了解實(shí)訓(xùn)過(guò)程和步驟，在課堂上通過(guò)模擬實(shí)訓(xùn)和提問(wèn)檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，再通過(guò)細(xì)節(jié)以及難點(diǎn)的講解幫助學(xué)生更好地完成相關(guān)實(shí)操。以抽油機(jī)檢泵為例，學(xué)生在課前先通過(guò)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)對(duì)抽油泵的組成、構(gòu)造、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過(guò)程有了清晰直觀的認(rèn)識(shí)，在實(shí)際實(shí)訓(xùn)過(guò)程中明顯減少了對(duì)實(shí)物模型的誤操作，節(jié)省了實(shí)訓(xùn)時(shí)間和對(duì)硬件設(shè)備的損害，提高了實(shí)訓(xùn)的質(zhì)量和課堂學(xué)習(xí)效果。基于半實(shí)物的智慧油田生產(chǎn)作業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用將大大增加學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)感和興趣度，有利于培養(yǎng)學(xué)生更廣闊的思維方式，在調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性的同時(shí)，這種身臨其境的互動(dòng)教學(xué)方式將迅速提升學(xué)習(xí)成果，一定程度上為現(xiàn)階段石油行業(yè)提供了信息技術(shù)方面的人才支持。

三、采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)演變

(一)計(jì)算機(jī)桌面模擬崗位教學(xué)系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)桌面模擬崗位教學(xué)系統(tǒng)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)油田主要生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，用虛擬站場(chǎng)、虛擬設(shè)備、虛擬環(huán)境、虛擬人物來(lái)模擬油田現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)操作，用虛擬人取代油田工作人員。其特點(diǎn)是利用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)模擬油田真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)對(duì)3D仿真裝置的交互式操作，產(chǎn)生與油田真實(shí)生產(chǎn)一致的現(xiàn)象，用來(lái)提高學(xué)生的實(shí)際操作技能。計(jì)算機(jī)桌面模擬崗位教學(xué)系統(tǒng)主要是針對(duì)油田常見的、易發(fā)生操作錯(cuò)誤的油田生產(chǎn)操作提供一套虛擬的、交互的計(jì)算機(jī)教學(xué)平臺(tái),使學(xué)生進(jìn)入一個(gè)虛擬的油田進(jìn)行生產(chǎn)操作實(shí)習(xí),能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也能取得較好的教學(xué)效果。

(二)縮小型油田生產(chǎn)作業(yè)流程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

縮小型油田生產(chǎn)作業(yè)流程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)根據(jù)油田真實(shí)的生產(chǎn)作業(yè)裝置，采用金屬和有機(jī)透明材料生產(chǎn)制作，采用水、空氣、流水燈光代替真實(shí)的油氣水，盡量按照油田現(xiàn)場(chǎng)工藝進(jìn)行實(shí)訓(xùn)室的布局?？s小型油田生產(chǎn)作業(yè)流程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)外觀和油田實(shí)際裝置相同，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：能量消耗不大、設(shè)備的維護(hù)工作量比較簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生操作安全事故。這類教學(xué)裝置能夠展示油田真實(shí)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，但卻忽略了重要的、與其他裝置整體配套應(yīng)用的動(dòng)態(tài)可操作性等模擬裝置的主要技術(shù)指標(biāo)，特別是在油井生產(chǎn)作業(yè)地下不可視部分的工藝應(yīng)用。此種系統(tǒng)致命的弱點(diǎn)是當(dāng)裝置的比例較大時(shí)，有些石油機(jī)械設(shè)備只能看外觀，不能動(dòng)態(tài)演示工作原理。特別是，當(dāng)上千米井深用半米的透明塑料井筒來(lái)代替模擬，裝置中的儀表指示、事故現(xiàn)象不能夠真實(shí)或全部仿真體現(xiàn)。也就是說(shuō)，其教學(xué)裝置或手段只是計(jì)算機(jī)桌面模擬崗位教學(xué)系統(tǒng)的部分升級(jí)改進(jìn)，地面流程中設(shè)備運(yùn)行過(guò)程、井下工藝部分或處理事故展示還沒(méi)有得到徹底解決。

(三)半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)

半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)在吸收計(jì)算機(jī)桌面模擬崗位教學(xué)系統(tǒng)和縮小型油田生產(chǎn)作業(yè)流程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真、測(cè)控技術(shù)和多媒體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建并形成了一種半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要包括采用油田實(shí)際規(guī)模的靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備和軟件控制系統(tǒng)。油田開采作業(yè)中常見的載荷、液量、位移和壓力，用相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型進(jìn)行校正。實(shí)現(xiàn)多種物理現(xiàn)象、事故現(xiàn)象及多媒體動(dòng)畫演示井下不同油氣開采作業(yè)工藝和地面流程中設(shè)備對(duì)原油的處理過(guò)程。半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)采用的是部分實(shí)物與部分仿真模型及多媒體顯示技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了縮小型油田生產(chǎn)作業(yè)流程實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)不能動(dòng)態(tài)演示設(shè)備工作原理的難題。但是，這種半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行介質(zhì)是采用水和低壓空氣替代原油和天然氣，研發(fā)制造難度比較大，運(yùn)行維護(hù)成本較高。目前，天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院已聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)(華東)開發(fā)了基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件控制，通過(guò)不同油氣田生產(chǎn)作業(yè)工藝控制的數(shù)學(xué)模型，可進(jìn)行多種油田生產(chǎn)作業(yè)工藝過(guò)程的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并且實(shí)現(xiàn)了無(wú)須介質(zhì)、即開即停、節(jié)能安全環(huán)保等功能，實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容可以按照油氣田生產(chǎn)作業(yè)規(guī)模和工藝全面重組和變化。

四、采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的組成與功能

智慧油田采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)與以往傳統(tǒng)的教學(xué)系統(tǒng)的區(qū)別在于保留了油田生產(chǎn)作業(yè)實(shí)物模型講解、拆裝組合、多媒體動(dòng)畫及計(jì)算機(jī)顯示器上的交互式基礎(chǔ)教學(xué)方式，此外，它還具有教學(xué)手段多樣化、裝置規(guī)模大、生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備、管路流程按照實(shí)際作業(yè)環(huán)境呈三維空間分布的特點(diǎn)。由于油田生產(chǎn)作業(yè)崗位不同并且比較分散，根據(jù)油氣勘探開發(fā)及處理的工藝先后順序，學(xué)院開發(fā)出了鉆井、采油采氣、油氣集輸、油氣水處理實(shí)訓(xùn)等虛擬仿真教學(xué)模塊。每種作業(yè)教學(xué)模塊系統(tǒng)由生產(chǎn)作業(yè)流程裝置、生產(chǎn)作業(yè)流程的工藝模擬監(jiān)控系統(tǒng)仿真、生產(chǎn)作業(yè)工藝仿真軟件等組成。

油氣開采虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)油氣井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)，流體物性參數(shù)數(shù)據(jù)，油氣井示功圖數(shù)據(jù)，抽油機(jī)、抽油桿柱、抽油泵生產(chǎn)設(shè)備等油氣井生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的維護(hù)與管理。通過(guò)仿真模擬，能夠基于油田實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)實(shí)現(xiàn)油氣井工況的智能診斷與分析，實(shí)現(xiàn)油田油氣井生產(chǎn)潛力的智能評(píng)價(jià)與實(shí)時(shí)優(yōu)化管理。系統(tǒng)界面能夠展示油氣井的生產(chǎn)過(guò)程與狀態(tài)，特別是對(duì)溫度、壓力、產(chǎn)量等相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)油井的產(chǎn)能評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，最終體現(xiàn)出目前智慧油田管理模式的方式與效果。

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油水井的仿真操作，包括：常見機(jī)械采油的遠(yuǎn)程啟停、視頻監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)采集及自動(dòng)化系統(tǒng)常見故障的判斷、排除、注水井電子執(zhí)勤，遠(yuǎn)程監(jiān)控并錄取資料數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程調(diào)配注水井注水量、油井的摻水量，安裝壓力變送器、載荷傳感器、流量計(jì)、溫度傳感器等?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)井站的智能管理，包括遠(yuǎn)程啟、停離心泵，檢查機(jī)、泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況，檢查液位、罐壓，檢查、調(diào)控爐火，調(diào)控外輸流量，倒熱洗流程，倒摻水流程，倒緊急外輸流程，抽污油，錄取集輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，倒罐，檢查配電盤三相電源、自控儀表，使用滅火器，啟、停分離器，啟、停加熱爐等。可以實(shí)現(xiàn)開、關(guān)氣井，錄取氣井設(shè)備操作參數(shù)，填寫氣井日?qǐng)?bào)表，更換壓力變送器、溫度變送器、流量變送器，遠(yuǎn)程巡井操作，加注各種藥劑，操作各類采氣設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)與更換，進(jìn)行天然氣管線清管操作等。

五、采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)，集實(shí)物仿真、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能指導(dǎo)、虛擬實(shí)訓(xùn)、結(jié)果自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體，是具有良好自主性、交互性和可擴(kuò)展性的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)。

(一)硬件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

仿真系統(tǒng)要求與油田真實(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的觀測(cè)界面基本一致，確保系統(tǒng)的裝置材質(zhì)、外觀結(jié)構(gòu)、外形尺寸、設(shè)備功能等方面與油田具有一致性。因此，需要選取典型的油田生產(chǎn)作業(yè)工藝的全作業(yè)流程裝置，緊緊圍繞智慧油田進(jìn)行硬件布局與搭建?？紤]到為了加強(qiáng)采油采氣實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)建設(shè)、增強(qiáng)石油天然氣工程類高職學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、感受石油企業(yè)文化、擴(kuò)展創(chuàng)新視野，解決目前實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中采油采氣領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備品種少、不系統(tǒng)以及石油機(jī)械實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)全過(guò)程流程展示等一系列問(wèn)題，開發(fā)多功能的硬件系統(tǒng)尤為必要。硬件系統(tǒng)模擬智慧油田最先進(jìn)的石油機(jī)械和油氣生產(chǎn)工藝流程，使學(xué)生能學(xué)習(xí)到最先進(jìn)、最前沿的石油裝備和石油開發(fā)技術(shù)。更重要的是，模擬仿真系統(tǒng)為無(wú)介質(zhì)流動(dòng)，需要對(duì)閥門及儀表等關(guān)鍵部位進(jìn)行改造，提供傳感部件所需要的物性參數(shù)來(lái)還原油田生產(chǎn)操作現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門信號(hào)無(wú)級(jí)感知，還要建立仿真數(shù)學(xué)模型，利用DCS反饋信號(hào)，使儀表數(shù)值顯示與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作顯示相匹配。

(二)軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

主要包括對(duì)油田地面設(shè)備、地下工具及地面輔助設(shè)施的3D模型制作，需要做好三維井場(chǎng)場(chǎng)景的搭建，全面展示油田生產(chǎn)設(shè)備及工藝，完成符合真實(shí)油田井場(chǎng)的搭建。對(duì)三維油田井場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性的漫游功能研發(fā)，增強(qiáng)教學(xué)的趣味性和體驗(yàn)感，包括通過(guò)手柄、頭盔、鼠標(biāo)等多種控制方式的井場(chǎng)全場(chǎng)景漫游功能，以實(shí)現(xiàn)立體化、全視角、多方位觀察油田場(chǎng)站生產(chǎn)環(huán)境。通過(guò)漫游，使學(xué)生充分了解智慧油田所具備的設(shè)施、布局及現(xiàn)代化石油機(jī)械，幫助學(xué)生提高掌握智慧油田設(shè)備的操作、生產(chǎn)工藝管理與維護(hù)等能力。由于采油虛擬仿真對(duì)于視角控制的要求較高，所以系統(tǒng)可切換2D/3D現(xiàn)實(shí)，在2D視圖下，學(xué)生可選擇只看物體的頂/側(cè)/底/正面，便于學(xué)生考核時(shí)的精準(zhǔn)定位；同樣的，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中可使用鼠標(biāo)鍵盤的配合操作，調(diào)整到一個(gè)較為合適的視角進(jìn)行操作。

實(shí)現(xiàn)腳本漫游，能夠進(jìn)行大場(chǎng)景、預(yù)定路線和視角的自動(dòng)漫游。對(duì)采油三維井場(chǎng)交互功能進(jìn)行研發(fā)，包括鷹眼地圖、設(shè)備快速定位、設(shè)備信息查詢、設(shè)備知識(shí)學(xué)習(xí)(觸發(fā)三維動(dòng)畫形式)、設(shè)備操作風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提示等交互內(nèi)容。

六、結(jié)論

采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)立足高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)要求和石油企業(yè)辦學(xué)的行業(yè)特色，以學(xué)生為中心，體現(xiàn)差異化、個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐、仿真與實(shí)操、院校與企業(yè)的“三結(jié)合”。系統(tǒng)以職業(yè)基礎(chǔ)認(rèn)知、虛擬仿真實(shí)訓(xùn)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作三個(gè)訓(xùn)練層次為核心，作業(yè)裝置和生產(chǎn)裝置工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與油氣田不同生產(chǎn)作業(yè)工藝規(guī)范一致，形成了獨(dú)具特色的石油工業(yè)虛擬仿真教學(xué)體系，成為提高高職石油工程類專業(yè)學(xué)生職業(yè)技能和實(shí)踐創(chuàng)新能力的有效途徑。建設(shè)智慧油田的目的是提升油田勘探開發(fā)、油氣生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)管理、各方面的泛在化、可視化、智能化水平，并最終推動(dòng)油田的綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。石油天然氣工程類專業(yè)堅(jiān)持立德樹人根本任務(wù)，面向石油行業(yè)生產(chǎn)一線和油田服務(wù)領(lǐng)域，培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展，踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀，具備責(zé)任擔(dān)當(dāng)、愛崗敬業(yè)、安全意識(shí)、創(chuàng)新思維、自主學(xué)習(xí)和團(tuán)結(jié)合作能力，具有國(guó)際視野，能夠勝任智慧化、智能化形勢(shì)下鉆井施工、采油及采氣生產(chǎn)、油氣集輸及管理、城市燃?xì)獾嚷殬I(yè)崗位群并具有較強(qiáng)信息化能力的高素質(zhì)復(fù)合型技術(shù)技能人才。在數(shù)字中國(guó)建設(shè)大背景下，采油采氣虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)與智慧油田先進(jìn)技術(shù)下油田現(xiàn)場(chǎng)崗位群、職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、職業(yè)素養(yǎng)新變化相適配，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)油田崗位需求和工作過(guò)程進(jìn)行了重新編排梳理，將石油企業(yè)采油工、集輸工、注水工等工種標(biāo)準(zhǔn)化操作項(xiàng)目融入虛擬仿真教學(xué)。有效改變了以往單純培養(yǎng)“工具人”和同質(zhì)化人才培養(yǎng)目標(biāo)的做法，培養(yǎng)的畢業(yè)生具備了“專業(yè)基礎(chǔ)厚、石油文化素質(zhì)高、信息科學(xué)素養(yǎng)高、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)力強(qiáng)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)力強(qiáng)”的綜合素質(zhì)和能力。