袁士寶 蔣海巖 蔡文斌 任宗孝 周德勝

摘要：在工程設計教學過程中，以往的動畫或者實驗演示視頻教學，是既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。文章使用虛實并舉的可交互過程，根據(jù)所設定的地層和施工參數(shù)，通過軟件對壓裂模型進行選擇，并計算得到最優(yōu)壓裂幾何形狀，可以將“黑箱問題”轉化為“灰箱問題”，對參數(shù)進行直接修改。通過該虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，可以使學生直觀地看到參數(shù)變化對水力壓裂的影響。通過虛實結合的可交互過程，既可以展示設計內(nèi)容的直接效果，又得到了教學講授相關的計算原理及應用效果，使學生深入理解工程設計與應用過程。

關鍵詞：水力壓裂;可交互過程;虛擬仿真;實驗教學;石油工程

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）38-0170-02

工程設計教學需要師生共同完成一個工程設計類項目的工作，該教學過程以某工程設計任務為引領，做到教、學、做融為一體，這不僅能提高學生的興趣，還能提高學生解決實際問題的能力。這就要求教學方法轉變到以項目和任務目標為中心上來。

由于工程設計涉及大量復雜的計算，純理論講述使學生失去代入感，而專業(yè)軟件實操又將大部分理論黑箱化，因此二者都不適合在工程設計類教學中應用。為了解決這一問題，作者設計了虛實結合的教學方法，在實際教學過程中取得了較好的效果。

目前水力壓裂技術是油水井增產(chǎn)增注的主要措施，充分掌握水力壓裂技術在今后的學習和工作中將發(fā)揮重要作用。但是在實際教學過程中，石油工程專業(yè)的學生對于水力壓裂技術的理解只停留在書本的抽象描述中，對于真正壓裂過程中的各種參數(shù)，包括確定地下巖石泊松比的大小、巖石彈性模量、壓裂液粘度、壓裂排量、設計裂縫半長、地層壓裂車的多少、壓裂時間等一系列條件對壓裂效果有什么影響并沒有清楚的認知。因此，為了在實際教學中加強學生對于理論知識的學習和掌握，急需有一個可交互的虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)，促進教學工作的進一步完善以及學科建設的進一步發(fā)展。

一、可交互水力壓裂教學軟件設計

計算機的Visual Basic語言的可視化編程可以很好地滿足建立虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)的要求。在對裂縫二維模型的裂縫幾何形狀進行計算時，首先在窗體上設置各個參數(shù)的輸入對話框，當所有的必要參數(shù)全部編寫完成后，在計算方面，調用之前所編寫的參數(shù)對話框中的輸入值，通過計算公式與之對應，就可以快速地得到所需要的裂縫幾何形狀，從而擺脫了煩瑣的人工計算。同時其也在界面上展示了不同模型的示意圖和假設條件，并且在每個模型模擬壓裂過程中會根據(jù)他們的假設條件，給出壓裂過程中的裂縫長度和裂縫寬度的動畫演示圖，這樣教師在日后的二維模型教學過程中就可以更好地將程序展示給學生，使學生對于二維模型的認識更加深刻，對初期的壓裂有進一步的認識。

該交互式軟件為學生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，學生通過實踐能夠了解油層酸化、水力壓裂的基本概念，熟悉現(xiàn)場布局、設備操作。該模塊由模擬混砂車操作控制臺、壓裂車操作控制臺、多媒體教學系統(tǒng)三大部分構成。教師可以利用多媒體動畫課件模擬現(xiàn)場，通過多媒體教學投影系統(tǒng)講解演示壓裂酸化工具結構、原理以及壓裂酸化作業(yè)流程。利用仿真模擬預期水力壓裂的效果，讓學生能直觀地看出地層起裂過程，也可以改變部分參數(shù)并進行不同情況下（兩套以上）的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性。

在程序設計中，利用其高度的可視化特點可以在其界面設置一系列的操作區(qū)域，如輸入?yún)^(qū)域、計算區(qū)域和演示區(qū)域。其中在PKN模型的可視化窗體上顯示的模型假設條件可以很清楚地知道PKN模型的假設來源，方便學生了解其原理。模型的示意圖展示了PKN模型所計算的裂縫在地下的分布狀況，在輸入?yún)?shù)方面顯示了地層參數(shù)和施工參數(shù)的輸入框，可以輸入一系列的施工或者地層參數(shù);計算區(qū)域則根據(jù)輸入框的參數(shù)值，應用計算公式得到裂縫的幾何形狀;公式展示區(qū)域顯示了裂縫幾何形狀的計算公式，方便學生自己推導計算;最后的裂縫壓裂過程中的模擬動畫，則更加直觀地展現(xiàn)了地層裂縫從開始壓裂到結束的裂縫變化狀態(tài)。

這樣在程序的界面上就完全展示了PKN模型的所需要素。只要用戶輸入合適的參數(shù)，就會得到人們想要的裂縫幾何形狀（圖1）。

在其他壓裂計算模型的模塊中也采用相同的設計原理，通過簡單明了地輸入計算演示功能可以很好地使學生理解不同模型的適用性和區(qū)別。

二、可交互水力壓裂教學軟件的應用

根據(jù)虛擬現(xiàn)實視覺、聽覺和觸覺等優(yōu)勢，水力壓裂虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)有以下特色：

1.外部與內(nèi)部仿真相結合，原理與設計并舉。本軟件在操作演示的同時，還注重剖析內(nèi)部的本質變化，詳細還原了壓裂過程中的地層起裂等過程，使學生能夠更加深入地理解工程工藝原理的相關教學內(nèi)容。

2.直觀反映工程設計與效果之間的影響，變“黑箱問題”為“灰箱問題”。以往的動畫或者實驗演示視頻，既不能打開操作，又不能從外部直接觀察其內(nèi)部狀態(tài)的系統(tǒng)。該虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)首先從整理好的算例出發(fā)，預定兩套以上仿真方案，并能夠進行不同參數(shù)下的仿真模擬，在基本展示水力壓裂的直接效果的基礎上，又得到了教學講授相關的計算及原理應用效果，使學生深入理解水力壓裂的工藝工程設計與應用過程。

三、結論

在實際教學中，該虛擬仿真實驗教學系統(tǒng)同時實現(xiàn)了演示和交互的雙重目的，為學生提供了一個室內(nèi)現(xiàn)場模擬操作平臺，讓學生能直觀地看出地層起裂過程。此外，還可以改變部分參數(shù)并進行不同情況下的起裂時間與裂縫幾何參數(shù)等效果對比，讓學生能夠直觀評價地層水力壓裂方案的可行性，從而使學生深入掌握在教學過程中該部分的計算與設計原理，激發(fā)學生的科研興趣，加深對基礎知識的綜合理解，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

致謝：本文得到教育部國際交流與合作司來華留學英語授課品牌課程、西安石油大學教改課題（XGH17089）《虛實并舉的可交互工程設計類課程教學模式探索》、陜西省高等教育學會2017年度高等教育科學研究項目資助，在此表示感謝。

Research on the Application of the Interactive Process of Virtual Reality in Engineering Design Teaching

YUAN Shi-bao，JIANG Hai-yan，CAI Wen-bin，REN Zong-xiao，ZHOU De-sheng

（Xi'an Shiyou University，Xi'an，Shaanxi 710065，China）

Abstract：In the course of engineering design teaching，the previous animation or experimental demonstration video teaching can neither open the operation nor directly observe the internal state of the system from the outside.In this paper，according to the formation and operation parameters set，the fracturing model is selected by software，and the optimum fracturing geometry is obtained by using the interactive process of virtual reality.The "black box problem" can be transformed into "grey box problem".Directly modify the parameters.Through the virtual simulation experiment teaching system，students can see directly the influence of parameter change on hydraulic fracturing.Through the interactive process of the combination of real and virtual，we can display the The direct effect of calculating content has also obtained the calculation principle and application effect related to teaching and teaching，which makes the students understand the engineering design and application process deeply.

Key words：hydraulic fracturing;interactive process;virtual simulation;experimental teaching;petroleum engineering