蔡言鋒 張慧 陳金陽(yáng) 于文強(qiáng) 盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1 引言

CDIO 工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果。CDIO 含義代表分別由構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四部分構(gòu)成，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中學(xué)習(xí)知識(shí)，分析問(wèn)題，增強(qiáng)課程內(nèi)容與職業(yè)崗位能力要求的相關(guān)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

遼河盆地是一個(gè)開(kāi)發(fā)對(duì)象十分復(fù)雜的復(fù)式油氣區(qū)。2014 年，“國(guó)家能源稠（重）油開(kāi)采研發(fā)中心”落戶遼河，以SAGD 雙水平井技術(shù)采油技術(shù)為核心。但是在進(jìn)行職業(yè)教學(xué)和企業(yè)宣傳時(shí)，都是通過(guò)二維圖片、文字進(jìn)行說(shuō)明，無(wú)法將井下采油復(fù)雜過(guò)程及效果的呈現(xiàn)，不能在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生互動(dòng)、強(qiáng)化感受和記憶。本文結(jié)合能源裝備制造類專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及CDIO 工程教育理念培養(yǎng)模式，開(kāi)發(fā)出一種基于石油、機(jī)械、電子三專業(yè)結(jié)合在一起SAGD 雙水平井采油教學(xué)模型，可以直觀而巧妙的方式進(jìn)行復(fù)雜技術(shù)的淺顯化剖析，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)增強(qiáng)記憶力。

2 教學(xué)設(shè)備總體設(shè)計(jì)

CDIO 工程教育理念人才培養(yǎng)的重點(diǎn)在于項(xiàng)目案例的學(xué)習(xí)，以研制SAGD 采油教學(xué)模型為載體，遵從“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作”四步完成項(xiàng)目的形式。提高學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，體現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人職業(yè)技能、團(tuán)隊(duì)合作能力和系統(tǒng)學(xué)習(xí)能力。稠油SAGD 采油教學(xué)模型將石油開(kāi)采、機(jī)械制造自動(dòng)化、電氣工程自動(dòng)化三個(gè)專業(yè)課程緊密結(jié)合起來(lái)。可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)石油開(kāi)采原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械繪圖、機(jī)械制造、PLC 程序控制、電路設(shè)計(jì)、電氣元件安裝等課程的學(xué)習(xí)。豐富課程建設(shè)的多樣性，使職業(yè)教育的方式方法更為靈活，另一方面深入研究崗位任務(wù)引導(dǎo)的職業(yè)課程建設(shè)，使職業(yè)教育與企業(yè)生產(chǎn)更無(wú)縫的對(duì)接。

3 教學(xué)模型硬件設(shè)計(jì)

3.1 石油開(kāi)采單元設(shè)計(jì)

SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）國(guó)際開(kāi)發(fā)超稠油的一項(xiàng)前沿技術(shù)，含義是蒸汽、輔助、重力、泄油，1978 年，R.M.Butler博士根據(jù)注水采鹽原理提出SAGD 技術(shù)。注入高干度蒸汽，與冷油區(qū)接觸，釋放汽化潛熱加熱原油。被加熱的原油降低粘度和蒸汽冷凝水在重力作用下向下流動(dòng)，從水平生產(chǎn)井中采出。蒸汽腔持續(xù)擴(kuò)展，占據(jù)原油的體積。

SAGD 雙水平井技術(shù)原理模型主體框架的材料選用木材、PVC塑料板、PVC 塑料管、LED 燈材料為主要材料。模型嚴(yán)格按照SAGD雙水平井技術(shù)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，SAGD 雙水平井模型能夠更直觀的展現(xiàn)出真實(shí)石油開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的直觀化裝飾。模型地下巖層結(jié)構(gòu)近于比例的設(shè)計(jì)汽作為熱源，由上部注汽井向油層中注入蒸汽，注入的蒸汽向上超覆形成蒸汽腔并不斷擴(kuò)展，與原油發(fā)生熱交換，加熱后的原油依靠重力作用流到下部生產(chǎn)井并被采出的生產(chǎn)過(guò)程，雙水平井SAGD 機(jī)理示意圖如圖1 所示。模型演示設(shè)計(jì)等近于完整的體現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)場(chǎng)景，使實(shí)訓(xùn)裝置更貼于生產(chǎn)，在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)和參觀過(guò)程中增強(qiáng)了職業(yè)意識(shí)。

3.2 機(jī)械單元設(shè)計(jì)

游梁式抽油機(jī)具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作維修方便等特點(diǎn)。游梁式抽油機(jī)是油田目前使用最多的抽油機(jī)類型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)減速器、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、游梁帶動(dòng)驢頭上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)驢頭帶動(dòng)井下抽油泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng)，柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將原油抽出，游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 游梁式抽油機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 雙水平井SAGD 機(jī)理示意圖

SAGD 采油教學(xué)模型從地上部分游梁式抽油機(jī)著手進(jìn)行機(jī)械制造單元方面的設(shè)計(jì)，游梁式抽油機(jī)模型結(jié)構(gòu)材料選用6061 鋁合金，材料具有加工性能極佳、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、氧化效果極好等優(yōu)良特點(diǎn)。游梁式抽油機(jī)模型外觀仿照真實(shí)游梁式抽油機(jī)縮小比例設(shè)計(jì)制作。模型制作的過(guò)程中可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各機(jī)械部件進(jìn)行手工和機(jī)械加工，制作過(guò)成中包括銼、磨削、螺紋切削、車削、銑削和連接技術(shù)，使學(xué)生了解金屬切削過(guò)程中的基本原理，掌握金屬切削加工方法及加工特點(diǎn)。了解加工的定位及安裝，掌握機(jī)械加工工藝規(guī)程的基礎(chǔ)知識(shí)及基本理論。具備合理選擇加工方法（機(jī)床、刀具、切削用量）的初步能力，具備編制機(jī)械加工工藝規(guī)程等技能。學(xué)習(xí)過(guò)程中涉及零件圖、裝配圖繪制、識(shí)讀，機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)，工具、刀具和量具的選擇等。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入機(jī)械專業(yè)課程學(xué)科的大門，采用啟發(fā)式教學(xué)，豐富教學(xué)內(nèi)容有效避免傳統(tǒng)理論教學(xué)的枯燥，引導(dǎo)學(xué)生多角度思考，結(jié)合工程實(shí)例有更直觀的理解。

3.3 電氣控制單元設(shè)計(jì)

3.3.1 游梁式抽油機(jī)電氣控制單元設(shè)計(jì)

游梁式抽油機(jī)控制方式采用工頻和變頻兩種方式，控制電路包括：主電路、控制電路和輔助電路三部分組成，電路中還包括短路、欠壓、過(guò)載等保護(hù)。工頻控制采用可編程序控制器（PLC）與交流接觸器控制模式；變頻控制選用可編程序控制器（PLC）與變頻器結(jié)合的變頻控制模式。驅(qū)動(dòng)裝置采用三相異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，操作單元采用按鈕盒與觸摸屏（HMI）兩種方式相結(jié)合，設(shè)備急停采用實(shí)際按鈕控制。游梁式抽油機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)觸摸屏與PLC 以太網(wǎng)通信監(jiān)控抽油機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)與相應(yīng)的工作數(shù)據(jù)，可以更加直觀的觀察設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況，可以通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析判斷抽油機(jī)工作狀態(tài)，系統(tǒng)的關(guān)系框圖如圖3 所示，電氣部分工作流程圖如圖4 所示。

圖3 系統(tǒng)的關(guān)系框圖

3.3.2 SAGD 采油過(guò)程電氣控制單元設(shè)計(jì)

SAGD 采油教學(xué)模型地下部分主要演示地下水、油、蒸氣的運(yùn)動(dòng)過(guò)程?；贑DIO 課程模式，設(shè)計(jì)地下部分通過(guò)電控LED 彩燈在管路中模擬油和熱蒸汽的流動(dòng)，將SAGD 采油過(guò)程中地面以下油、水、蒸汽的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)在模型的主視面真實(shí)的演示出來(lái)。在模型兩側(cè)橫斷面，分別用電控LED 彩燈體現(xiàn)SAGD 采油過(guò)程逐漸形成的地下“心型”腔體。

圖4 電氣部分工作流程圖

模型安裝調(diào)試過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)于電、（電）在低壓網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用、直流/交流/單項(xiàng)電供電/變壓器的基礎(chǔ)理論知識(shí)。學(xué)生能夠規(guī)劃并繪制控制器、配電裝置和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的簡(jiǎn)單回路。同時(shí)通過(guò)練習(xí)掌握微處理器、數(shù)字技術(shù)和電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)電氣和非電氣參數(shù)，對(duì)線纜、導(dǎo)線的選擇和連接及其超負(fù)荷防護(hù)也在學(xué)習(xí)范圍之內(nèi)，系統(tǒng)的關(guān)系框圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)的關(guān)系框圖

4 結(jié)論

綜上所述，以CDIO 理念為指導(dǎo)，遵從“咨詢—計(jì)劃—實(shí)施—運(yùn)行”模式，完成了SAGD 采油教學(xué)模型的研制。目前，該教學(xué)模型已經(jīng)運(yùn)用在石油開(kāi)采、機(jī)械制造、電氣控制單元相關(guān)專業(yè)教學(xué)獲得了滿意的應(yīng)用效果。教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)小組討論、收集資料，以團(tuán)隊(duì)合作形式制定小組工作計(jì)劃，完成工作任務(wù)，教學(xué)過(guò)程中更有效的提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提升學(xué)生個(gè)人能力和創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，結(jié)合SAGD 采油教學(xué)模型展示，解決了遼河油田SAGD 采油過(guò)程實(shí)現(xiàn)全方位、立體化的空間展示問(wèn)題，對(duì)企業(yè)人力資源培訓(xùn)和展示宣講起到重要的作用。