固井虚拟仿真平台的设计与实现_郭辛阳.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 024固井虚拟仿真平台的设计与实现郭辛阳，黄维安，步玉环，刘志慧，孙铭勤，张俨彬(中国石油大学(华东)石油工程学院 非常规油气开发教育部重点实验室，山东 青岛 266580)摘要:针对难以深入工程现场开展固井实践教学的难题，设计和实现了一套固井虚拟仿真平台。该平台包括固井理论、固井设备与工具、固井工艺仿真训练、固井工程设计与模拟 4 个主功能模块、12 个子功能模块。模块内容紧密结合工程实践且共享、更新方便。依托该平台设计了固井虚拟仿真教学过程，该过程突出学生的主体地位，以学生的自主学习、自主训练和自主设计为主，教师在过程中起引导作用，培养学生的学习能力、操作实践能力和自主设计及创新能力。该平台的应用将提高固井实践教学效果和教学质量，助推石油工程高素质专业人才培养。关键词:固井;虚拟仿真;平台;教学中图分类号:TE 256文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0115 05Design and Implementation of Cementing Virtual Simulation PlatformGUO Xinyang，HUANG Weian，BU Yuhuan，LIU Zhihui，SUN Mingqin，ZHANG Yanbin(Key Laboratory of Unconventional Oil and Gas Development of Ministry of Education，School ofPetroleum Engineering，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，Shandong，China)Abstract:Aiming at the difficulty of cementing practice teaching in engineering site，anadvanced cementing virtualsimulation platform was designed and implemented The platform mainly includes four main function modules，includingcementing theory knowledge，cementing equipment and tools，cementing process simulation training，cementingengineering design and simulation，and twelve sub-function modules The function modules are comprehensive，and themodule content is closely combined with engineering practice and easy to share and update Based on this platform，thevirtual simulation teaching process of cementing is designed，ithighlights the principal role of students and focuses onstudentsindependent learning，independent training and independent design Teachers mainly play a guiding role in theprocess to cultivate studentslearning ability，operation and practice ability，independent design and innovation abilityThe application of the platform can improve the effect and quality of cementing practice teaching and boost the training ofhigh-quality professional personnel in petroleum engineeringKey words:cementing;virtual simulation;platform;teaching收稿日期:2022-06-10基金项目:山东省本科教学改革重点项目(Z2021015);山东省本科教学改革面上项目(M2021305);中国石油大学(华东)教学改革项目(SJ-202005，SJ-202008);中国石油大学(华东)探究性实验项目(TJ-202103)作者简介:郭辛阳(1983 )，男，山东五莲人，博士，高级实验师，研究方向为油气井工程教学与科研。Tel:15266231375;E-mail:gdayang163 com0引言固井是油气井建井过程中一个至关重要的作业环节，固井质量的好坏直接关系到井的寿命和油气田开发的经济效益1-2。在专业教学中，将固井知识列为专业核心课程的重要内容，倍加重视3。对于固井知识教学，如何开展与工程实践紧密结合的实践教学一直是个难题，体现在固井作业具有规模宏大、高复杂性和高危险性的特点，学生难以深入现场开展学习和第 42 卷实践。随着虚拟仿真技术的发展，为固井实践教学难题的解决提供了一条新的途径4-8。目前，国内外已经开发了一些固井虚拟仿真系统，这些系统功能较少且偏重于作业程序，在培养学生工程设计和创新能力方面存在不足，这些系统普遍共享困难或共享成本较高9-13。部分学者开发了固井工程设计和仿真软件，这些软件主要面向科研，很难直接用于固井实践教学，且都不同程度地存在共享困难问题14-16。鉴于此，设计和实现一套新的固井虚拟仿真平台，该平台功能全面、专业内容紧密结合工程实践、共享和更新方便，既可让学生学习相关理论知识和现场工具设备，又可让学生身临其境地学习固井工艺流程，还可让学生开展固井工程设计及模拟实现，培养学生的工程设计和创新能力。1平台设计要求固井虚拟仿真平台是一种面向固井实践教学、功能全面、专业内容与工程实践紧密结合的虚拟仿真平台。(1)平台设计原则。以石油工程专业人才培养目标为 导 向，基 于 产 出 导 向 教 育(Outcome basededucation，OBE)的理念，以专业培养方案和专业核心课程教学大纲为依据，紧密结合行业发展、技术进步和现场工程实践。(2)平台功能模块全面丰富。一是平台要包含各种学习功能模块，满足学生理论知识学习、工具设备学习、工艺流程训练和自主设计与创新等方面的要求;二是平台要包含考核模块和模拟实现模块，便于教师检验学生学习效果和学生模拟实现自主设计的工程方案。(3)平台内容与工程实践紧密结合。涉及的专业知识和技术都是当前现场主流的知识和技术，涉及的工具和设备都是当前现场使用的主要先进工具设备，涉及的工艺流程是当前现场普遍使用的工艺流程。(4)平台共享方便和共享成本低。在平台实现时，采用利于共享的先进技术，使得平台方便共享;尽可能减少平台硬件系统，降低共享成本。(5)平台专业内容更新方便。针对不同的功能模块，分别保留各自的更新接口，方便后期更新。2平台功能模块设计2.1平台功能模块组成结合平台设计要求，固井虚拟仿真平台，如图 1 所示，包括固井的理论知识、设备与工具、工艺仿真训练、工程设计与模拟等主功能模块，每个主功能模块下面又分若干个子功能模块，共计 12 个子功能模块。图 1固井虚拟仿真平台功能模块2.2平台功能模块内容以石油工程专业培养方案为指导，结合专业核心课程教学大纲，参考固井专业和现场固井工程师培训及考核资料，引入固井方向的一些科研成果，整合和确定了固井虚拟仿真平台各功能模块的专业内容。(1)固井理论知识模块。在理论课已讲授理论知识的基础上，进一步将理论知识范围向固井工程实践延伸，包括各种固井工艺技术、特种水泥浆体系、气窜理论等方面的知识。在理论知识考核模块中，除自主设计考核题目外，还从现场高级固井工考核题目中选取部分题目纳入该模块，使得理论知识考核与现场工程实践接轨。(2)固井设备与工具模块。固井设备主要包括注水泥设备、水泥混浆设备、下灰设备、水泥输送设备、供水设备、水泥运输设备、压塞设备、管汇车和水泥干混设备等常用设备。固井工具主要包括水泥头、引鞋、浮箍、浮鞋、扶正器、胶塞和泥饼刷等常用工具。(3)固井工艺仿真训练模块。选用常规固井工艺和尾管固井工艺等当前最常用的工艺开展虚拟仿真训练。常规固井工艺流程为注前置液压隔离塞(下胶塞)注水泥浆压碰压塞(上胶塞)替顶替液碰压候凝;尾管固井工艺流程为下入尾管，送入钻杆到设计位置开泵循环钻井液注前置液注水泥浆释放钻杆胶塞替钻井液钻杆塞与空心耦合碰压放回压，检查浮箍是否倒流上提中心管，循环出多余水泥浆起钻候凝。(4)固井工程设计与模拟模块。井身结构设计方法包括自下而上和自上而下的设计方法、由必封点向上和向下的分别设计方法以及其他设计方法等。其中，前两种设计方法是目前应用较多的设计方法，所以本模块主要采用这两种设计方法，具体参考了石油与天然气行业标准井身结构设计方法17。目前扶正器安放间距计算方法主要有谭树人等18 提出的设计方法，该方法计算简单，更适合于水平井段扶正器安放611第 2 期郭辛阳，等:固井虚拟仿真平台的设计与实现位置设计;石油与天然气行业标准套管扶正器安装间距计算方法19，该方法要经过多次迭代计算，需要一定的计算资源，但适用范围较广。考虑到现在普通计算机的计算能力就可以完成第 2 种方法迭代计算，且第 2 种方法适用范围广，所以本模块使用第 2 种方法。注水泥作业设计包括浆体设计和施工参数设计。浆体设计包括水泥浆、前置液、压塞液和作业量等。水泥浆设计包括密度、稠化时间、抗压强度、沉降稳定性、滤失量、游离液、静胶凝强度和流体相容性等参数。前置液设计包括流变性、冲洗液性能指标和隔离液性能指标等参数。压塞液设计主要包括压塞液用量和性能等。作业量设计包括水泥返深、水泥浆量和顶替液量等。施工参数设计包括施工压力和注替排量等。本模块主 要 参 考 石 油 天 然 气 行 业 标 准固 井 设 计 规范20，这也是目前现场固井作业使用的主流设计方法。固井施工作业模块中引入了部分科研成果21-22，并根据固井技术发展和现场工程实践，对部分内容进行了重新设计和更新。该模块可模拟整个固井施工作业过程，得到作业过程中流量、井口压力、井底压力、浆体位置和环空动态压力等关键参数的动态变化数据，利用这些数据可分析工程设计方案的合理性。3平台实现3.1平台主界面及目录界面平台主界面及目录界面如图 2 所示。图 2(a)为平台主界面，点击图中的“仿真学习”按钮可进入图 2(b)的目录界面。点击图 2(b)目录界面中的各子目录可进入对应的主功能模块及子模块。(a)平台主界面(b)目录界面图 2平台主界面及目录界面3.2固井理论知识模块固井理论知识模块中的 2 个子模块分别如图 3(a)、(b)所示。理论知识学习子模块采用分级目录形式，方便学生分类学习不同理论知识。理论知识考核子模块采用单选题、多选题、判断题和简答题等形式。理论知识内容和考核内容都置于内嵌的 Excel 表格，方便教师更新理论知识和考核题目。(a)理论知识学习子模块(b)理论知识考核子模块图 3固井理论知识模块3.3固井设备与工具模块固井设备与工具模块中的 3 个子模块分别如图 46 所示。所有工具设备都建立了对应的三维立体模型(现场工具设备实物照片)，便于学生形象地学习这些工具设备。考核子模块以选