基于虚实结合的综合录井实践教学探索

［摘 要］ 石油工业生产现场大多具备不可视、不可及、不可逆、高温、高压、高危等行业特点，造成实践教学与理论学习脱节，限制了实践创新型工程人才的培养。通过以油气生产中的录井实践教学为例，在分析现场实践教学存在问题的基础上，从实物装备、仿真装备、虚拟软件三个方面系统介绍了“虚实结合实践教学系统”的建设方法，并提出“M+S+V”实践教学新模式，使学生在校内获得亲临一线的切身感受，有效提升了学生的工程实践及综合创新能力。

［关键词］ 综合录井；实践教学；虚实结合

［基金项目］ 2020年度中国石油大学（华东）本科教改项目（SJ-202041）

［作者简介］ 郭卫萍（1990—），女，山东东营人，硕士，中国石油大学（华东）石油工业训练中心讲师，主要从事油气田开发地质及工程实践研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）10-0089-04 ［收稿日期］ 2022-05-20

引言

随着我国经济发展进入新常态，以实践创新为核心的国家发展需要对高等工科人才培养提出了更高的要求。教育部先后实施了卓越计划、专业认证、创新创业教育等人才培养工程，大力推进新工科背景下高校实践创新型工程人才的培养［1］。高层次石油工程人才对中国石油国际化发展战略具有重要意义，作为石油工业开发中的重要环节，录井作业技术是油气地质勘探与开发工作中的重要随钻监测技术，也是发现与评估油气藏最及时、最直接的手段，对相关专业创新型实践人才的培养显得尤为重要［2］。

鉴于大部分石油工业生产具备不可视、不可及、不可逆、高温、高压、高危等特点，面对实践教学与理论学习脱节现象，中国石油大学（华东）石油工业训练中心，作为“国家级虚拟仿真实验教学中心”和“国家级实验教学示范中心”，近年来致力于虚拟仿真技术在石油工业实践教学中的应用研究，依托仿真装备、虚拟现实及多媒体技术，融合多种互动硬件与数据库，对石油勘探开发工业生产工艺流程的各个真实环节进行仿真模拟，已取得良好的教学效果，并在国内外几十个油田的培训中心和石油类院校的工训中心得到广泛应用［3-5］。本文将以油气生产中的录井环节实践教学为例，阐述虚拟仿真技术在我校实践教学中的应用方法及实施效果。

一、现阶段录井实践教学存在的问题

录井作业是一种在油气钻井现场进行的、伴随整个钻井过程的监测作业。学生在录井实习实训过程中，需充分了解录井设备及工具的结构和工作原理，熟悉录井作业工艺流程，掌握数据采集、数据分析的基本方法。然而，现场实习实训往往受到生产任务、安全、成本等多方面因素制约，导致学生教学效果不佳［6］。具体表现在以下几个方面。

（一）作业现场布局认识不清

录井作业真实发生在钻井作业现场，而钻井作业现场往往受到生产任务及安全因素的制约，不允许师生开展大规模实习实训活动，学生只能在井场外围的安全区域远观作业现场，难以认清设备种类及布局情况。即便借助报废停运的钻井装备能够开展近距离学习，但仍然存在录井设备缺失、监测对象无数据等问题，不便于学生了解录井设备在现场的安装及使用方法。

（二）设备内部结构难以观察

录井作业设备即综合录井仪，主要包括仪器房、传感器系统、信号接口系统、气体分析系统、计算机系统及地质设备等。由于传感器、电气控制箱等绝大部分仪器设备均有金属外罩包裹，难以观察其内部结构，学生在现场实习过程中只能通过老师讲述，想象其内部结构，并抽象理解其工作原理，与理论课堂学习并无实质区别。

（三）工艺流程操作缺乏实战

受到生产任务制约，现场实习实训多以参观为主要学习形式，学生只能从老师或现场专家口中了解实际的工作内容及方法流程，而自主操作训练的机会并不多，真正参与生产工作的实践需求更加难以实现，无法达到理想的实践教学效果。此外，现场生产实习实训又面临着耗费资金大、外出时间长、组织协调困难、安全隐患多等问题，导致实践教学环节出现不同程度的缺失，与理论课堂学习存在脱节现象，难以满足新工科背景下高校实践创新型工程人才的培养需求。

二、虚实结合教学系统建设

（一）建设原则

在录井实训教学中，秉承“能实不虚、以虚助实、虚实结合”的基本原则，即：对录井仪器房、传感器、色谱仪、录井软件等易配置实物或已经具备实物装备的教学内容，主要采用实物教学；对石油钻机等无法获取实物的大型设备，主要采用等比例缩放仿真装备教学；对涉及流动介质、生产参数或操作方法等工艺教学模块，主要采用信号模拟器及虚拟软件教学。在整个教学过程中注重虚实互补，构建了一套集“实物装备+仿真装备+虚拟软件”于一体的虚实结合教学系统。

（二）基础设施

该教学系统包括室内、室外两部分，总占地面积约200 m2，具体包括以下设施。

1.实物装备。EXPLORER-ZH-2综合录井仪（录井车）1台，内部布局如图1所示，主要包括仪器房、传感器系统、信号接口系统、气体分析系统、计算机系统五个部分，各类软硬件设备均按照生产现场标准配备齐全，功能正常、性能良好；各类岩心、岩屑样品若干，均来自生产现场，数据真实，特征明显。

2.仿真装备。主要包括陆地石油钻机和录井传感器仿真装备各1套，室内布局如图2所示。该套仿真装备严格按照真实钻机等比例缩放12倍制作而成，包括起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、井控系统和控制系统，能够模拟演示起钻、下钻、钻进等主要钻井工艺过程；钻机内部配置录井传感器仿真模型一套，根据生产现场实际情况，通过系统仿真数学模型计算，利用DCS反馈信号作为数据来源进行仪表改造，分别安装在仿真钻机的相应位置，并通过信号接口系统接入仪器房内部，改造后的传感器仪表实现与实际现场操作相匹配的数值显示，模拟录井工程参数的采集、传输、处理及显示过程［7］。

3.虚拟软件。以三维建模、数据模拟等技术为基础，研制开发录井仿真实训软件1套，内涵30个动画视频、15个操作训练项目及200道考核试题，如图3所示［8］。利用三维动画视频，学生可针对复杂、抽象的理论知识开展自主学习；通过虚拟场景再现，学生可借助人机交互的方式在引导模式或考核模式下完成多项录井工艺实践操作，包括传感器的安装及维护保养训练，岩心、岩屑、荧光录井等常用地质录井方法的工艺操作训练，钻井液参数及工程参数等录井数据采集与分析训练等。该套虚拟软件与实物装备、仿真装备相补充，构建出“学—练—测—用—评”的实践训练新模式。

三、“M+S+V”虚实结合教学模式设计

借助上述虚实结合教学系统，在录井实践教学过程中，将实践环节分为“实物训练”“仿真训练”和“虚拟训练”三部分，相辅相成，互为补充，探索试行了“M（实物）+S（仿真）+V（虚拟）”实践教学新模式，并取得了良好的教学效果，如图4所示。下面从基础认知、地质录井、工程录井3个教学模块阐述“M+S+V”教学模式的具体做法。

（一）基础知识认知

基础知识学习主要包括录井（钻井）作业现场设备布局、设备结构组成及录井工艺方法等。首先，学生可借助钻机仿真模型了解钻井作业，熟悉录井作业的工作环境，对录井作业的内容、方法、目的建立宏观认识；其次，借助综合录井仪实物装备，对录井设备的系统组成、功能实现等开展系统化的深入学习；最后，借助三维动画对设备内部结构、工艺方法等不可视、不可及的抽象知识点开展三维立体化学习，形成“综合录井仪+仿真钻机+三维动画”的虚实结合教学模式。

（二）地质录井实践训练

地质录井是在钻井过程中获取反映地下地质情况和施工情况的各项资料、数据的工作，主要学习内容包括岩心录井、岩屑录井、荧光录井、气测录井等［9］。首先，学生可借助三维虚拟交互操作，模拟训练油气生产过程中岩心、岩屑、气体等各类地下信息的采集、处理工艺流程；借助气体分析系统实物及信号模拟器，开展仿真气测录井实践训练；然后，利用从生产现场获取的岩心、岩屑实物及模拟气测数据，真实开展资料整理、描述工作，形成“实物岩样+仿真气测+虚拟工艺”的虚实结合教学模式［10］。

（三）工程录井实践训练

工程录井是通过传感器实时采集钻井设备及工艺的施工参数、为钻井施工提供监测预报和工程辅助服务的一项综合应用技术，内容包括系统单元组成、数据采集方法及异常工况监测等［2］。首先，学生可借助仪器房及各类传感器实物，学习仪器设备的结构及工作原理，掌握系统单元组成；然后，借助仿真钻机、仿真传感器及数据模拟器，完成传感器安装维护仿真训练及数据采集仿真训练；最后，利用仿真训练中采集的虚拟数据，开展数据分析与异常工况监测训练。形成“实物装备+仿真操作+虚拟数据”的虚实结合教学模式。

四、虚实结合实习模式应用成效

虚拟仿真技术的应用能有效降低对企业甚至生产现场的依赖性，解决现场实习高危险、不可视、不可及等弊端问题。运用虚拟仿真技术辅助教学，既可演示复杂系统的运行过程，又可改变系统参数，演示系统随参数变化的变化结果或变化趋势，在校内即可获得亲临生产一线的切身感受，甚至完成一些在现场都无法实现的实践训练，这有助于学生加深对抽象理论的理解，提高教学效果，更有利于学生创新能力的培养及提高［11］。具体成效如下。

1.通过由钻机仿真装备及仿真录井仪器构建的录井作业仿真平台，使学生身临其境般体验钻录井作业现场场景，熟悉井场布局及录井作业设备的安装摆放位置。

2.借助三维动画、视频等多种形式，直观、形象地学习录井作业的基本知识。

3.通过虚拟仿真软件进行模拟录井作业，将地下不可视、工程不可及之处转化为真实有效的操作训练，使学生直观学习岩心录井、岩屑录井等主要录井作业的方法步骤。

4.在无流体介质循环的条件下，真实再现工程录井参数的监测和采集工艺，帮助学生直观、感性认识工程录井作业的基本原理及井场信息监测采集流程。

5.理解数据采集的过程和数据分析的工程意义，更科学、理性地应用录井资料解决钻井过程中的实际问题，发挥好工程录井的重要意义。

参考文献

［1］教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知：教高厅函〔2017〕33号［A/OL］.（2017-06-16）［2022-04-22］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

［2］刘强国，李应忠，刘岩.录井方法与技术［M］.北京：石油工业出版社，2017：2-3.

［3］孙树强.井下作业［M］.北京：石油工业出版社，2006：2.

［4］冯其红，李晓东，马建民，等.石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中心建设［J］.实验技术与管理，2014，31（9）：1-4.

［5］刘振东，李晓东，马建民，等.虚拟仿真技术在工程训练中的应用［J］.实验室研究与探索，2017，36（3）：160-163.

［6］赵栋，张君涛，时保宏，等.全产业链视野下石油石化虚拟仿真实训教学的实践与创新［J］.实验科学与技术，2022，20（2）：105-111.

［7］李晓东，曲本全，陈晖，等.虚拟仿真软硬件技术在实践教学的应用与探索［J］.实验技术与管理，2017，34（3）：130-137.

［8］王海兵，樊硕，朱建民，等.计算机技术在实验勘探开发中的应用［J］.电子技术与软件工程，2013（12）：117.

［9］申振强，张亚旭，何小曲，等.综合地质录井实训指导书［M］.西安：西北工业大学出版社，2016：1.

［10］刘兵，刘怀山，姜绍辉.虚拟现实技术在石油勘探开发中的应用［J］.西北地质，2004，37（4）：150-152.