戰(zhàn)永平，王衛(wèi)陽，陳德春，鮑丙生

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

壓裂施工是一項(xiàng)特別復(fù)雜的工程，包括壓裂設(shè)備、施工管柱、下井原材料、施工設(shè)計(jì)、施工工藝、施工評價6個基本要素。施工管柱是由壓裂油管和井下壓裂工具組成，是施工壓力傳送通道。根據(jù)壓裂井的狀況和工藝技術(shù)的需求，需要在壓裂油管上安裝相應(yīng)的壓裂工具。如何讓學(xué)生深入掌握壓裂工具的結(jié)構(gòu)與工作過程是一個亟待解決的問題。

教具教學(xué)在增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、直觀學(xué)習(xí)方面有著不可替代的作用[1-2]。隨著信息技術(shù)發(fā)展，以flash技術(shù)[3]為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電子教具[4-5]在教學(xué)中應(yīng)用越來越廣泛。為更直觀、更形象、更逼真地掌握井下壓裂工具的結(jié)構(gòu)、作用及工作過程，研制一批基于flash技術(shù)的壓裂工具現(xiàn)代教具。實(shí)踐證明現(xiàn)代教具頗受學(xué)生歡迎，激發(fā)學(xué)生探究精神，提升學(xué)生實(shí)踐能力，獲得較好的教學(xué)效果。

1 傳統(tǒng)壓裂工具教具

壓裂施工使用的管柱結(jié)構(gòu)基本相同，主要采用Ф62 mm，N-80級外加厚油管配封隔器和噴砂器，再根據(jù)井況和工藝技術(shù)要求配工作筒、水力錨、絲堵等井下工具[6-10]。為方便學(xué)生對井下壓裂工具的學(xué)習(xí)，各相關(guān)實(shí)驗(yàn)室采用機(jī)構(gòu)簡化方式仿真制作壓裂工具的模型教具，如圖1所示。

圖1 壓裂工具模型教具

該模型教具可讓學(xué)生直觀學(xué)習(xí)壓裂工具，有助于培養(yǎng)學(xué)生觀察力，啟迪學(xué)生思維，但也存在著以下2個方面的問題。

1)攜帶不方便，學(xué)習(xí)不靈活。

壓裂工具模型教具是仿照工具本身按照一定比例制作而成，體積較大，無法攜帶，只能將其固定于實(shí)驗(yàn)室工具架，學(xué)生只有在固定的實(shí)驗(yàn)室、固定的時間段內(nèi)學(xué)習(xí)，無法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，降低了使用效率。

2)動態(tài)演示功能不強(qiáng)。

大多數(shù)壓裂工具是依靠液壓進(jìn)行工作的。壓裂工具模型教具按照工具的結(jié)構(gòu)形態(tài)仿真制作，無法仿真液壓傳遞的過程。其靜止、呆板的特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生只能抽象的學(xué)習(xí)其工作過程，無法高效發(fā)揮其輔助教學(xué)的功能。

2 現(xiàn)代壓裂工具教具

傳統(tǒng)壓裂工具教具雖然在壓裂教學(xué)中占據(jù)一席之位，繼續(xù)發(fā)揮它的作用，但存在靜止、單板、笨重、不可視的問題，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代教學(xué)的需求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，教育部“關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”(教高司函[2013]94號文件)，拉開了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的序幕[11]，虛擬仿真技術(shù)在國內(nèi)高校的科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中越來越受到關(guān)注。

虛擬仿真技術(shù)是用一個基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)建立的虛擬系統(tǒng)模擬另一個真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。VRML、Lab-VIEW、3DMAX、Cult3D、MATLAB、JAVA、Authorware和Flash等[12-13]都可用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。Flash具有優(yōu)秀的圖形及動畫功能，因此運(yùn)用Flash技術(shù)開發(fā)壓裂工具現(xiàn)代教具。

2.1 K341型封隔器現(xiàn)代教具

K341型封隔器是壓裂施工經(jīng)常使用的封隔器之一，屬于密閉擴(kuò)張式裸眼封隔器。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由密封膠筒、單流閥、上膠筒座，下膠筒座、硫化芯管以及銷釘?shù)冉M成。利用Flash較強(qiáng)的圖形設(shè)計(jì)功能，嚴(yán)格按照比例或規(guī)范制作封隔器內(nèi)部構(gòu)件，開發(fā)出K341封隔器現(xiàn)代教具，如圖2所示。

圖2 K341型封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

K341封隔器分為坐封與解封兩個作業(yè)過程。坐封：封隔器下至設(shè)計(jì)位置后，油管加液壓，通過下接頭上的單流閥作用于下膠筒座上，推動其上行，壓縮密封膠筒使之徑向張開，由于單流閥的作用，使得液壓油不能回流，防止封隔器回彈，實(shí)現(xiàn)坐封。解封：上提管柱，剪斷銷釘，活塞在液壓作用下上行，液壓油通過上膠筒座的泄油孔被排出，下膠筒座室內(nèi)壓力降低，密封膠筒回縮，實(shí)現(xiàn)解封。利用Flash較強(qiáng)的動畫功能，按照其工作過程開發(fā)出封隔器坐封、解封作業(yè)過程仿真，如圖3和圖4所示。

圖3 K341封隔器坐封仿真

圖4 K341封隔器解封仿真

2.2 噴砂器現(xiàn)代教具

圖5 噴砂器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

投球加壓 滑套下行 噴嘴打開

壓裂施工時噴砂器一般與封隔器配套使用，主要由上下接頭、調(diào)節(jié)環(huán)、彈簧、閥座、中心管、滑套等構(gòu)件組成。其作用是將施工管柱中壓裂液噴向射孔孔眼。施工時油管投球后加壓，剪斷銷釘，滑套下行，閥座壓縮彈簧，噴嘴打開，施工開始。按照封隔器的電子教具制作方式，制作了噴砂器電子教具，如圖5和圖6所示。

3 應(yīng)用實(shí)例

中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心壓裂酸化仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室是利用仿真裝備和虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件混合體系架構(gòu)的虛擬仿真技術(shù)而建立的，可進(jìn)行壓裂工藝、壓裂施工工序仿真實(shí)訓(xùn)，但對于施工管柱組配方式的學(xué)習(xí)不夠完善。因此，借助Flash技術(shù)開發(fā)的壓裂工具現(xiàn)代教具完善壓裂施工管柱組配方式的學(xué)習(xí)。

以滑套噴砂器分層壓裂工藝的壓裂管柱為例，首先學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)，了解該工藝技術(shù)條件下封隔器、噴砂器等壓裂工具的組配結(jié)構(gòu)，如圖7所示。然后，學(xué)生在Flash技術(shù)開發(fā)的K341封隔器和噴砂器等現(xiàn)代教具的輔助下，以及滑套噴砂器分層壓裂工藝演示Flash輔助下，進(jìn)一步掌握該工藝條件下施工管柱的動作過程，如圖8所示，使不可視的井下工具工作過程的可視化，鞏固和加深學(xué)生對該技術(shù)的理解和掌握，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

截至目前，利用壓裂工具現(xiàn)代教具，已經(jīng)成功地將壓裂施工管柱的學(xué)習(xí)融入壓裂酸化仿真實(shí)訓(xùn)中，并成功地為石油工程專業(yè)卓越班2010～2013級的學(xué)生展開了壓裂管柱教學(xué)，通過對石工卓越2013級9～10班的學(xué)生問卷調(diào)查，融入施工管柱教學(xué)的壓裂仿真實(shí)訓(xùn)，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中形成清晰的壓裂施工概念并鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力，取得了良好實(shí)訓(xùn)效果。

圖7 滑套噴砂器分層壓裂管柱

圖8 滑套噴砂器分層壓裂仿真過程

4 結(jié)束語

壓裂工具現(xiàn)代教具具有學(xué)習(xí)靈活方便，形象、逼真、生動的特點(diǎn)，不僅彌補(bǔ)傳統(tǒng)教具的不足，而且滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要；使不可視的井下工具的作業(yè)過程可視化，使復(fù)雜的、枯燥無味的工具學(xué)習(xí)變得栩栩如生，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激發(fā)學(xué)生的探究精神。開發(fā)的現(xiàn)代教具在壓裂酸化仿真實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用，不僅獲得良好的教學(xué)效果，也切實(shí)提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，受到學(xué)生一致好評。