楊 慶，楊 鋼，孔綱強，王瑞雪，王忠濤，于 龍

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024；3.慕樂網(wǎng)絡科技（大連）有限公司，遼寧大連 116024）

0 引言

可燃冰學名天然氣水合物，主要成分是甲烷和水；在低溫、高壓條件下，甲烷分子被包在水分子組成的“籠子”，形成的白色或淺灰色的固態(tài)物質(zhì)，如果遇火，它可以像固體酒精一樣燃燒?？扇急鶡嶂蹈摺⑽廴拘?、儲量巨大，被譽為21 世紀最理想的潛在替代能源。僅我國南海地區(qū)的遠景資源量相當于整個波斯灣探明油氣儲量的1.4 倍，可滿足近200 年的能源需求，這對我國擺脫國外能源依賴、實現(xiàn)“藍天白云”的中國夢至關重要［1-2］。掌握可燃冰沉積物開采前、后物理力學性質(zhì)是實現(xiàn)商業(yè)化開采的前提，三軸試驗是研究其物理力學性質(zhì)的主要手段與方法［3-5］。

虛擬仿真是傳統(tǒng)實驗教學或?qū)嵺`教學的重要補充，也是新時代教育教學的拓展與提升。圍繞虛擬仿真教學中心建設［6-7］、教學資源開放共享模式［8］以及虛擬仿真教學項目實踐［9-12］，展開了系統(tǒng)研究；初步分析國外高校在虛擬仿真教學與實踐上的進展［13］，探討新工科背景下實踐教學模式的改革與構(gòu)建［14］。2019年《教育部關于一流本科課程建設實施意見》中提出，2019～2021 年期間將完成約1500 門國家虛擬仿真實驗教學類別的一流本科課程建設認定［15］。

構(gòu)建可燃冰試采及其沉積物三軸試驗虛擬仿真項目，應用于海洋工程地質(zhì)實踐教學。幫助學生全面了解可燃冰基本原理、試采模式及力學性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，運用工程地質(zhì)知識服務于國家戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和實踐能力。解決可燃冰試采方法與過程不易實踐、可燃冰沉積物三軸試驗實踐教學成本高等問題；革新教學模式，拓展學生知識面，滿足高等教育新工科建設中相關培養(yǎng)要求。提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為高校海洋工程地質(zhì)虛擬仿真教學提供范例。

1 虛擬仿真項目的必要性和可行性

可燃冰是國家未來新型能源戰(zhàn)略中的重要部分，試采技術的發(fā)展和機理研究對我國未來能源結(jié)構(gòu)具有重要意義，相關技術尚處于探索階段，未形成可燃冰知識的系統(tǒng)性認知體系。2020 年2～3 月，我國在水深1 225 m的南海神狐海域?qū)崿F(xiàn)第2 輪試采（見圖1），是繼2017 年5 月我國首次實現(xiàn)海域可燃冰試采成功基礎上的再一次技術突破；日均產(chǎn)氣量2.87 ×104m3、產(chǎn)氣總量86.14 ×104m3，攻克了水平井鉆采關鍵技術，為世界可燃冰試采向生產(chǎn)性及商業(yè)化開采邁進一步提供了技術支撐?？扇急嚥勺鳛橐豁椣到y(tǒng)工程，具有投資大、技術難度高、風險高等特點，學生很難到現(xiàn)場實地參觀、實驗室模擬試采工藝與過程也很難實現(xiàn)；開發(fā)虛擬仿真教學項目顯得尤為重要。

圖1 我國南海神狐海域可燃冰試采（摘自網(wǎng)絡）

“巖土體高溫差、高壓差靜／動三軸測試系統(tǒng)”（見圖2）?？蓱糜诳扇急练e物、硬巖、軟巖、凍土以及相應固體混合物等多個研究領域，為可燃冰形成條件、可燃冰沉積物力學性質(zhì)等方面研究提供有力條件。該裝備實驗過程十分復雜、三軸試驗中單個試樣從準備到獲得結(jié)果至少需3 天，根據(jù)不同的要求，一組完整試驗數(shù)據(jù)則需數(shù)周乃至數(shù)月的時間，實驗成本高、實驗操作過程復雜且誤操作可能導致的危害大，難以直接用于教學；擁有該裝備的高校相對較少，尚無專門針對可燃冰沉積物三軸試驗方面的課程。通過虛擬仿真項目將可燃冰沉積物制樣、分解及其沉積物力學性質(zhì)測試技術推廣到高校本科及研究生教育教學，顯得尤為迫切。

圖2 巖土體高溫差、高壓差靜／動三軸測試系統(tǒng)

基于可燃冰形成機理、已有試采技術的工藝流程以及基于“巖土體高溫差、高壓差靜、動三軸測試系統(tǒng)”的可燃冰沉積物三軸試驗的實驗流程，進行3D虛擬仿真模擬（見圖3）。

圖3 可燃冰鉆采平臺虛擬仿真截圖

通過虛擬技術和知識點仿真動畫，讓學生深入了解可燃冰的形成環(huán)境、形成條件以及分布范圍，明確當前可燃冰試采技術的優(yōu)缺點、使用條件以及工藝等，掌握可燃冰降壓法沉積物的工業(yè)試采流程，熟練操作室內(nèi)三軸試驗中的氣水合物制備、三軸試樣成型、環(huán)境參數(shù)設置、加載模式選擇與自動控制程序編制?；谔摂M仿真技術，將理論教學、實驗教學和工業(yè)應用融為一體，結(jié)合線上平臺優(yōu)勢，建立全過程考察、分析和評價體系，進一步結(jié)合工程地質(zhì)、土力學、基礎工程等課程的有關內(nèi)容，激發(fā)學生創(chuàng)新思維，提高學生實踐能力。

2 虛擬仿真項目的構(gòu)建

2.1 基本架構(gòu)

通過客戶端三維虛擬仿真技術，實現(xiàn)全方位高度沉浸感的實驗室場景設計、身臨其境的操作環(huán)境及人機交互環(huán)節(jié)，移動端滿足學生隨時隨地學習體驗的需求，打破傳統(tǒng)教學對教學資源和“時、空”的限制。整個教學過程以“理論學習＋仿真操作＋考核練習＋平臺互動與管理”的模式展開，引導學生深入思考與探究。虛擬仿真項目包括以下2 部分。

（1）可燃冰試采技術的虛擬仿真。包括可燃冰的賦存環(huán)境、試采技術分析、試采平臺應用、降壓法技術流程等，在試采技術流程中引入近年來我國兩次成功試采的相關成果，將雙鉆井技術、井口穩(wěn)定性增強和井中測試系統(tǒng)集成技術等內(nèi)容融入其中，深入挖掘試采過程各個環(huán)節(jié)的關鍵控制因素和相關核心裝備的教學元素。

（2）可燃冰沉積物力學性質(zhì)測試的虛擬仿真。包括可燃冰試樣的制樣、氣水合物制備、傳感器安裝、可燃冰低溫高壓賦存環(huán)境室內(nèi)模擬、降壓法室內(nèi)模擬、靜態(tài)和動態(tài)加載實驗模擬、力學參數(shù)綜合測定以及大型設備巖土體高溫差、高壓差靜動三軸儀的模擬操作，還包括實驗數(shù)據(jù)整理計算、實驗曲線繪制分析和實驗報告編寫等內(nèi)容。

2.2 主要功能模塊

（1）基本原理的教學仿真。包括可燃冰基本概念與賦存環(huán)境、降壓法原理、二氧化碳置換法原理和注熱法原理介紹以及水平井技術動畫展示等內(nèi)容（見圖4（a）、（b））。

圖4 實驗基本原理虛擬仿真截圖

（2）半潛式鉆井平臺虛擬仿真。包括3 種鉆頭和3 種套管的選用介紹，防噴器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與作用介紹以及雙鉆塔系統(tǒng)的作用（見圖5）。

圖5 潛式鉆井平臺及鉆頭虛擬仿真截圖

（3）可燃冰試采全過程虛擬仿真。包括3 種鉆頭與套管在不同工作環(huán)境下的選擇、安裝以及鉆探流程的認知與操作，防噴器與井口和防水管的連接，吸收管的選擇和安裝等（見圖6）。

圖6 水平井開采技術虛擬仿真截圖

（4）低溫、高壓靜、動三軸測試系統(tǒng)的虛擬仿真。包括液壓動力系統(tǒng)、SCON-3000 自動控制系統(tǒng)、氣水混合裝置、圍壓與孔壓控制系統(tǒng)、氣體循環(huán)控制系統(tǒng)以及靜動力加載系統(tǒng)（見圖7）。

圖7 低溫、高壓靜／動三軸測試系統(tǒng)虛擬仿真截圖

主要儀器設備有：加載架、壓力室、CCR制冷和加熱單元、氣體監(jiān)測及聲光報警單元油源泵、空壓機、循環(huán)水冷機、混合罐、孔壓增壓器、圍壓增壓器、GCS-20氣體循環(huán)單元、三軸剪切儀、CH4／CO2氣柜說明、承膜筒、擊實錘以及GCTSCATS軟件等。

（5）可燃冰沉積物力學特性試驗的全過程仿真。包括氣體循環(huán)控制系統(tǒng)使用、氣水合物制備、三軸試樣成型、試樣飽和、試樣固結(jié)、環(huán)境參數(shù)設置、加載模式選擇與自動控制程序編制、加載系統(tǒng)還原、控制系統(tǒng)關閉、實驗數(shù)據(jù)整理和撰寫實驗報告等（見圖8）。

圖8 測試過程虛擬仿真截圖

2.3 實驗操作步驟及能力培養(yǎng)

虛擬仿真項目主要包括可燃冰基本組成及形成原理、可燃冰試采以及可燃冰沉積物三軸試驗等3 大模塊，學生交互性操作步驟如下：

步驟1認識鉆頭和套管。通過動畫和文字對知識點進行介紹，讓學生掌握3 種鉆頭和套管，為后續(xù)步驟的選擇打下基礎。這里將采用選擇式的考察方式，了解學生對知識點的熟悉程度。

步驟2鉆頭和套管選擇。試采第1 步選擇鉆頭和套管，將鉆頭插入套管中，鉆頭深入海床，開始鉆探，當深度超過套管時，撤出鉆頭，更換新的鉆頭。這里將考察學生對各種鉆頭的認知能力。

步驟3防噴器選擇。學生需選擇防噴器，將防噴器與防水管連接，將防噴器與井口對接。這里考察學生對防噴器的認識以及防噴器與放水管和井口的正確連接方式。

步驟4氣水合物制備。將操作保護裝置開啟、甲烷氣體流量控制操作以及與混合罐的連接方法方式。這里重點考察學生對該步驟的熟練程度以及遇到緊急情況的處理方法，作為整個實驗對安全性要求最高的地方，將以順序式進行考察。

步驟5三軸試樣安裝。將操作壓力室頂升、套橡皮膜，用特制承膜筒進行砂土填裝，降下加載頭，與試樣表面接觸，橡皮膜上翻套橡皮圈完成試樣制作。這里重點考察學生的認真程度，這個環(huán)節(jié)涉及大量細節(jié)，包括橡皮圈先后順序，需預先放置濾紙、承膜筒必須抽真空等，任何細節(jié)的缺失都有可能對實驗造成影響。

步驟6試樣飽和。將試樣頂部抽氣，保持試樣穩(wěn)定、將制備好后的氣水合物，通過特定的通道注入試樣底部，實現(xiàn)試樣飽和。這里重點考察后續(xù)氣水合物的處理，需要采用特定方式將多余的氣水合物收集排出實驗室。

步驟7試樣固結(jié)。將壓力室降下，注入硅油，當硅油注滿后打開圍壓作動器，施加預定的圍壓，打開頂部排水閥，進行固結(jié)。這里考察壓力室下降后封閉狀態(tài)的確定，硅油注入的程度的觀察，頂部排出的氣水合物的收集處理方式等。

步驟8環(huán)境溫度控制。將溫控裝置打開，設置預定的溫度，進行溫度的施加。這里注意在壓力室外選擇合適的保溫層進行安裝，同時注意冷卻液輸送管道的閥門是否開啟。

步驟9靜力加載。將軸向作動器設置為偏應力控制，在軟件中編制程序，對加載速率和破壞標準進行選擇，執(zhí)行程序，完成實驗。這里主要對加載速率和破壞標準進行選擇式考察，幫助學生了解不同條件下試樣剪切實驗的相關參數(shù)如何選取。

步驟10設備還原。將軸壓、圍壓和孔壓歸零，將硅油收回貯存罐，打開壓力室，取出試樣，清理殘留油液，關閉壓力室，關閉各個作動器，關閉系統(tǒng)，整個實驗完成。這里重點強調(diào)殘留在各個管路中的氣水合物需要通過二氧化碳氣體將其置換排出收集，保證實驗室安全，同時嚴格保證各個作動器關閉時要切換位移控制。

3 虛擬仿真項目的考核與應用

3.1 考核標準與要求

從實驗原理、實驗操作、實驗報告等方面考察學生是否熟練掌握實驗，達到實驗目的與要求，由具體考核方法對學生進行評價。

（1）實驗操作技能（占65%）。以是否能正確使用仿真系統(tǒng)并掌握仿真步驟為主要考核目標。其中，可燃冰試采技術選擇與分項操作20%、可燃冰三軸試驗制備10%、可燃冰力學特性實驗操作20%和數(shù)據(jù)采集等設置15%。

（2）理論知識水平（占35%）。以可燃冰試采及其沉積物物理力學特性實驗方案的認識程度、實驗報告是否完整、數(shù)據(jù)分析處理是否正確、實驗結(jié)果分析、討論及思考題解答等為考核目標。其中，實驗方案問題解答5%、實驗報告15%、實驗數(shù)據(jù)分析10%和思考與討論5%。

3.2 項目開放共享

可燃冰試采及其沉積物三軸試驗虛擬仿真項目，面向全國土木、水利、海洋類專業(yè)本科生或研究生，并獲批2020 年遼寧省一流本科課程（虛擬仿真實驗教學類別）；目前已線上免費共享應用（www.mools.net／newwebgl／E2601／index.html），實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享、共贏。

3.3 虛擬仿真項目的特色與創(chuàng)新

3.3.1 項目特色

（1）項目實現(xiàn)了可燃冰基本原理、工業(yè)試采及其沉積物三軸試驗虛擬仿真的有機結(jié)合，將理論、實驗與實踐融為一體，增強學生的學習興趣和工程實踐能力。

（2）項目凸顯虛擬與現(xiàn)實的配合，利用現(xiàn)代仿真技術將復雜昂貴、表征困難的可燃冰試采模擬及其沉積物三軸試驗集中、高效地展現(xiàn)在虛擬仿真中，服務教學。

（3）項目突出科研成果與生產(chǎn)實踐的相輔相成，將工業(yè)試采成果反饋到教學中，闡明科研與實踐的相關性，提升學生科技報國的熱情。

3.3.2 項目創(chuàng)新

（1）教學方法創(chuàng)新。本虛擬仿真項目，將理論教學、實驗教學和工業(yè)應用相結(jié)合，基于深刻的理論認識和虛擬仿真的重復性操作，采用案例式、討論式和啟發(fā)式的教學方法，結(jié)合線上線下操作與交流，讓學生從原理上掌握可燃冰試采技術及其相關實驗，通過多次的重復操作加以鞏固、修正錯誤。既可以身臨其境一般讓學生生動而有趣地掌握知識，又避免了實驗成本高，難以重復，是對傳統(tǒng)教學的延伸與拓展。通過各個環(huán)節(jié)虛擬仿真，增強學生實踐動手能力；在各個知識點設置選擇式、順序式和問答式等考核環(huán)節(jié)，提升趣味性、增強互動性和啟發(fā)性，激發(fā)學生探究試驗原理，掌握試驗過程的興趣，促使學生主動學習，查閱和分析資料，自我深化，鍛煉了學生的思維能力。

（2）學習模式創(chuàng)新。本項虛擬仿真實驗課程的建設，實現(xiàn)多人同時在線訪問和學習，保證學生在任何地點、任何時間靈活的開展學習。在系統(tǒng)使用和建設過程中，根據(jù)學生、教師等使用群體和教學內(nèi)容的要求隨時進行調(diào)整和更新。通過基本知識點、可燃冰試采過程以及可燃冰沉積物三軸試驗的虛擬仿真，使學生全方面了解可燃冰的構(gòu)成、室內(nèi)實驗方法以及工業(yè)應用方法等重要內(nèi)容，明確可燃冰對我國能源安全及經(jīng)濟發(fā)展的重要性。

（3）評價體系創(chuàng)新。采用全過程各個知識點單獨考察和撰寫最終實驗報告的組合考核模式，實現(xiàn)實驗全過程監(jiān)督，學生全方位評價；在仿真結(jié)束時，提供整個仿真的分析報告，讓學生了解整個環(huán)節(jié)中的不足之處，加強反饋式教學。具有交互功能的系統(tǒng)評價體系，會自動記錄學生實驗操作過程，對學生學習及糾錯能力進行評價，并提供學習記錄查看功能，幫助學生提升對實驗流程的熟練程度。學生在線操作的過程以報告形成提交，供老師批閱學生有關實驗過程、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果等處理情況，以此為基礎評價學生的學習情況。

4 結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)＋、5G 技術的快速發(fā)展，虛擬仿真實驗作為實驗或?qū)嵺`教學的重要環(huán)節(jié)之一，必將為培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才提供重要支撐?？扇急嚥杉捌涑练e物三軸試驗虛擬仿真項目，面向國家能源戰(zhàn)略需求，具有良好的科學前瞻性和教學實踐性；既面向高校人才培養(yǎng)、又服務于行業(yè)技術人員培訓，同時部分內(nèi)容可作為科普教材，向大眾推廣，特別是適齡中小學生，提升他們對新型能源的認識。未來將進一步完善系統(tǒng)、拓展實驗模塊，增加虛擬模擬的能力與AI 服務，進一步提升學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。