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我校联合合作企业开发了基于半实物仿真的系列仿真模拟器系统,该系统具有“虚实结合”的显著特点,是将电子技术、计算机图形技术、网络技术、 多媒体技术、油气开发工程数学模型、严格的工艺操作规范和逼真的现场音效、对实验者的操作过程和操作情况进行分析评价等融为一体的大型综合模拟 操作系统,这些系统将油气钻、采、输作业现场“搬”到室内,通过对作业现场的高度仿真模拟,克服了搭建大型实验台架和购买真实设备及现场实验投资大、 安全风险大、以及实验能源和材料耗费大的局限,也避开了现场可能的高温、高压、腐蚀和有毒环境,为学生和企业职工提供了经济、安全、 内容全面的实验实训环境和装备。这些装备为石油工程、油气储运、海洋油气工程等专业学生提供了实验教学和专业实践技能训练平台,也可作为石油地质、 石油机械、石油化工、计算机和电子类专业学生了解石油工程应用背景的工具。具体资源包括:

(1)钻井工艺仿真模拟系统

包括钻井井控模拟操作系统、欠平衡钻井模拟操作系统、控压钻井模拟操作系统。

功能和效果:

学生通过对模拟设备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, 使其理解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。钻井井控模拟器如图1、图2所示。

学生通过可视化仿真实验可对欠平衡、控压以及气体钻井不同作业工况条件下的复杂介质多相流动特征参数演变规律形成感性认识。 同时,通过测定相关参数可对所建立的物理和数学模型进行验证和修正。可视化仿真实验装置如图3所示。

图1 钻井井控仿真操作系统
图2 钻井井控仿真系统实时虚拟工艺过程和零部件折装
图3 总高36米任意角度大型多相流“虚实结合”模拟实验台架

对应课程及实验项目:

课程包括:钻井与完井工程、工程流体力学、石油钻采设备、钻井新技术等课程的相关理论实验和操作技能实验,可开设的实验项目包括:

A.专业理论型实验:

钻井水力学计算原理、钻井岩屑携带原理、机械钻速影响因素及提高钻速原理、环空压力剖面及井底压差控制原理、 井壁稳定机理、定向井轨迹、水平井控制原理。F

B.常规操作类实验:

正常下钻操作、下钻遇阻操作、控制波动压力的下钻操作;正常起钻操作、起钻遇卡操作、控制抽吸压力的起钻操作; 正常钻进及接立柱操作、不同地层可钻性条件下钻进操作、正常钻进及蹩跳下的钻进操作、高压地层钻进操作、低压地层钻进操作; 粘附卡钻的判断及处理、沉砂卡钻的判断及处理、泥包卡钻的判断及处理、公锥打捞、井下落物磨铣、钻进过程中发生溢流的关井操作、 起下钻杆过程中发生溢流的关井操作、起下钻铤时发生溢流的关井操作、空井发生溢流的关井操作;司钻法压井、工程师法压井、超重司钻法压井。

C.特殊钻井工艺类实验:定向井造斜纠斜原理实验、欠平衡井底压差控制原理实验、控压钻井井筒工况识别及环空压力剖面控制实验。

D.气固/气液固多相流动仿真实验:与校内全尺寸工程实训基地大型物理实验架结合,开展任意角度(0~90°)气液固多相流动仿真实验; 不同井口回压条件下气液固多相流动仿真实验;钻杆转动与静止条件下气液固多相流动仿真实验。

(2)油气开采仿真模拟系统

功能及效果:

学生通过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, 使其理解油气井井筒出现的多相管流流动型态、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。部分仿真设备如图4、图5所示。

图4油气开采“虚实”结合仿真模拟实验室
图5 总高36米任意角度大型多相流“虚实结合”模拟实验台架

对应课程及实验项目:

主要课程包括:采油工程、天然气工程、井下工具与作业等,可开设的实验项目包括:

A.专业理论型实验 :

①采油工艺类实验:采油井井筒多相流流动形态与压力计算,各种人工举升方式(抽油机井、电泵井、水力泵井、气举等)中的井筒流动规律与工况诊断, 油水井井口故障判别与诊断分析,注水流程与注水工况判别与诊断。

②采气工艺类实验:采气井井筒多相流流动形态与压力计算,气井携液原理,各种排水采气工艺模拟与工况诊断,气井井口故障判别与诊断分析。

B.常规操作型实验 :

①油水井类:自喷井开、关井,抽油机井开井、关井与洗井,电潜泵井开井、关井与洗井,螺杆泵井开井、关井与洗井及憋压检查泵况; 注水井正注与反注以及注水流程。

②气井类:自喷井开、关井,各种排水采气工艺(抽油机排水采气、气举排水采气、电泵等排水采气)开井与关井。

C.特殊结构井开采工艺实验 :

任意斜井、水平井中油气井井筒多相流流动规律,各种人工举升方式(抽油机井、电泵井、水力泵井、气举等)中的井筒流动规律与工况诊断, 油水井井口故障判别与诊断分析,注水流程与注水工况判别与诊断。

(3)油气集输仿真模拟系统

功能及效果:

学生通过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,可使其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、油库工艺等知识点。可使学生得到油气集输设备布局、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技能等方面的实训。如图6、图7所示。

图6 油气集输仿真模拟系统硬件布局
图7 油气集输虚拟仿真系统模拟软件操作界面截图

对应课程及实验项目:

主要包括:油气矿场集输、油库设计与管理、油气管道输送、油气储运设备、油气储运安全技术、LNG技术等课程,可开设的实验项目包括:

A.专业基础理论实验 :

原油、成品油及天然气性能测试,原油、天然气及油气水多相流输送阻力特性实验,管道减阻输送原理实验,油品蒸发损耗实验,分离器分离原理, 分子筛和三甘醇脱水原理,干法和湿法脱硫原理,泵和压缩机的工作原理等

B.基本操作类实验 :

(1)站场设备(阀门、分离器、塔器、泵、压缩机等)及仪表巡检、开关、启停及维护保养操作。

(2)油气集输站场(单井站、计量站、集油(气)站、联合站)的各种工艺运行模拟操作。

(3)原油长输管道系统仿真:首站正输,首站反输,首站来油到罐,首站站内循环,首站倒罐流程,中间站密闭输送正输,中间站密闭输送反输, 中间站密闭输送全越站,中间站密闭输送热力越站,中间站密闭输送压力越站,中间站密闭输送站内循环,中间站旁接油罐正输,中间站旁接油罐反输 ,中间站旁接油罐全越站,中间站旁接油罐压力越站,中间站旁接油罐热力越站,中间站旁接油罐站内循环,中间站旁接油罐反输压力越站,末站正输, 末站倒罐,末站收油。

(4)天然气长输管道系统仿真:分输流程,增压流程(1号压缩机增压流程,2号压缩机增压流程,压缩机并联增压流程,增压旁通流程),越站流程, 收发清管器(清管器接收流程,清管器发送流程)。

(5)成品油油库仿真:油库铁路收发油操作,油库公路收发油操作,油库水路收发油操作,油库倒罐工艺流程。

(6)LNG接收终端仿真:卸船(LNG卸船到1号储罐,LNG卸船到2号储罐),LNG气化/外输(1号储罐LNG开架式气化器气化外输, 2号储罐LNG开架式气化器气化外输,1号储罐LNG浸没燃烧式气化器气化外输,1号储罐LNG浸没燃烧式气化器气化外输), LNG闪蒸气处理(1号储罐LNG闪蒸气输出,2号储罐LNG闪蒸气输出,1号储罐LNG闪蒸气燃烧,2号储罐LNG闪蒸气燃烧),罐内循环(1号储蓄罐内循环, 2号储蓄罐内循环)。

C.特殊油气的储运技术(建设中) :天然气水合物存储实验,矿浆输送实验等

D.油气地面系统的管理 :SCADA系统运行模拟,设备的检测与故障诊断实验,管线的泄漏监测等。