赵大军　赵研　王戈　范晓鹏　韩君鹏　郭威

摘  要：为解决地质工程专业课程实验教学设备结构庞大复杂、难以真实体现、实验费用高和安全风险大的实验教学难题，基于计算机虚拟仿真技术构建钻探设备结构原理及金刚石钻进虚拟仿真实验系统，开发地质工程专业课程的虚拟仿真实验教学项目，包括钻探设备与钻具结构原理和拆装实验、绳索取心金刚石钻进的交互操作实验。实践表明，虚拟仿真实验系统的交互性好，可解决地质工程专业课程真实实验教学的难题，提高大学生的实践能力和创新能力，为地质工程专业创新型人才的培养提供实验教学的新模式。

关键词：钻探设备；结构原理；金刚石钻进；虚拟仿真；实验系统

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）18-0001-05

Abstract： In order to solve the problems of large and complex structure of experimental teaching equipment for geological engineering major， which is difficult to be truly demonstrated， high experiment cost and high safety risk， the structure principle of drilling equipment and virtual simulation experiment system of diamond drilling are constructed based on computer virtual simulation technology， and the virtual simulation experiment teaching project of geological engineering major is developed. It includes the structure principle and disassembly experiment of drilling equipment and drilling tool， and the interactive operation experiment of coring diamond drilling. The practice shows that the virtual simulation experiment system has good interactivity， solves the problem of real experiment teaching of geological engineering major course， improves the practical ability and innovation ability of college students， and provides a new model of experimental teaching for the cultivation of innovative talents in geological engineering major.

Keywords： drilling equipment; structural principle; diamond drilling; virtual simulation; experimental system

钻探设备、钻探设备课程设计、钻探工艺学等课程是地质工程专业的主干专业课，该类课程是研究钻进过程中钻机、泥浆泵、钻塔、动力机的结构、工作原理、特点及适用条件；金刚石绳索取心钻进等各种钻进技术方法的钻进原理、取心原理及钻具的结构原理。课程的理论基础涉及机械设计、金属工艺学、流体力学、液压传动和岩石破碎学等。课程与工程实际结合紧密，实践教学要求高，实验学时接近课程总学时的30%。

但地质工程专业课程实验教学存在一些亟待解决的问题[1-2]：①真实实验系统复杂。钻进实验设备及工具包括钻机、泥浆泵、钻塔、动力机、绳索取心钻具、钻头和拧卸工具等。钻探设备涉及机械系统、液压系统及电子检测与控制系统；钻进过程涉及地面及空中设备、井下钻杆、钻头，涉及井底破碎岩石、钻杆运动与受力、泥浆循环和钻孔护壁等内容。实验系统结构庞大、系统复杂，难以在实验室真实体现。②真实设备结构原理、钻进原理理解困难[3]。钻探设备内部结构不易观察，零件装配关系难以理解，异常工况不易再现，实验教学效果难以保证。仅通过线下真实实验，学生难以很好理解钻探设备及钻具的整体及部件结构原理，难以很好理解井下碎岩、排粉、护壁等工作原理。③真实实验成本高、安全风险大。钻探设备属大型设备，体积大、重量大、功率大，设备搬运、安装、维护费用高，油料消耗大、运行费用高。钻进中开动设备多，设备管理复杂。真实实验过程中，涉及高转速、大扭矩、高液压，还涉及高空、地面及地下的立体交叉系统，安全风险大[4]。

计算机虚拟仿真技术是依托多媒体、人机交互、数据库和网络通信等虚拟现实技术，构建与真实场景高度逼真的虚拟实验环境和实验内容[5]。近年我国越来越重视高等教育的虚拟仿真实验教学，注重虚拟仿真实验教学一流课程的建设，陆续出台了多个加强本科虚拟仿真实验教学的文件，2022年由工业和信息化部 教育部 文化和旅游部 国家广播电视总局 国家体育总局印发的《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，明确指出在高等教育、职业学校建设一批虚拟现实实验室与虚拟仿真实训基地，面向实验性与联想性教学内容，开发一批虚拟现实数字课程，强化互动实操，推动沉浸式新课堂。建设一批虚拟仿真实验实训重点项目。

通过计算机虚拟仿真技术创建和体验真实的钻探设备结构和井底钻进过程，借助视觉、听觉及触觉等与虚拟钻探设备和钻进系统进行自然的交互，并通过头盔显示器、数据手套等传感设备，观测与虚拟实验系统交互的三维界面，使学生直接参与钻进实验，产生沉浸感[6]，其逼真性和实时交互性为理解和掌握金刚石钻进提供有力的支撑[7]。将虚拟仿真技术应用于地质工程专业课程的实验教学，可实现以下目的[8-9]：①将抽象的钻探设备与钻具内部结构原理、不可见的井底钻进过程形象化[10]。建立钻探设备、钻具结构及钻进过程VR（Virtual Reality，虚拟现实）实验系统，通过虚拟仿真技术建立的钻探设备及钻具交互式三维模型实现复杂设备透视化、装配关系动态化，通过参数变换实现不可及、不可逆工况的形象化模拟，搭建与实际相近的形象化实验环境，使学生走进钻探设备内部感受部件三维结构及传动原理、走进井底感受钻具的钻进过程[11]。通过自主拆卸和安装虚拟的设备零部件，深入理解设备部件内部结构和工作原理；自主设计钻进规程参数进行金刚石钻进。提高学生的三维空间思维能力，加深对钻探设备、金刚石钻进过程及钻进原理的理解[12]。②解决实验设备更新不及时，降低实验教学费用，降低实验风险，提高实验教学质量。线上虚拟实验，允许错误性操作，允许设备出现故障，允许破坏性实验，不存在实验费用和风险，可加深对钻探设备和钻进过程风险认识、加深对设备结构特性和钻进过程的理解[13]，培养分析和解决复杂问题的能力，提高实验研究能力[14]。

一  建设要求

根据地质工程专业培养方案及专业课程的教学要求，并根据地质工程专业实验课程存在的教学难题，采用先进的教育理念，按照“虚实结合”的原则[15]，充分运用虚拟现实（VR）技术，解决实验教学难题[16-17]。研究开发钻探设备结构原理及金刚石钻进虚拟仿真实验系统，在学生知识和能力培养方面，满足如下教学要求。①掌握典型的XY-4型立轴式钻机的总体结构及钻机的摩擦离合器、变速箱、分动箱、升降机、回转器及卡盘的结构和工作原理，能分析钻机的工作特性、存在的问题，能提出改进方案。掌握钻机的液压给进系统、卡盘松紧系统、钻机移动系统和钻杆拧卸系统的组成及工作原理，能运用液压传动、流体力学知识分析钻机液压系统的工作特性、存在的问题，并提出改进方案。提高钻探设备机械装配图及液压传动系统图的读图能力。②掌握典型的BW-1型往复式泥浆泵的总体结构和工作原理，掌握泥浆泵的变速机构、曲柄连杆机构、活塞与缸套、泵阀、安全阀、卸压阀和空气室的结构和工作原理，掌握活塞与缸套、阀与阀座等主要易损件的磨损机理，能分析泥浆泵的工作特性及适用条件。③掌握典型的S-75型绳索取心单动双管钻具的总体结构和工作原理，掌握钻具的捞矛机构、弹卡定位机构、悬挂机构、到位报信机构、岩心堵塞报警机构、单动机构、调节机构及内管打捞机构的结构和工作原理，会调节内管间隙，会取心操作。能分析钻具存在的问题，并提出改进方案。④掌握S-75型绳索取心钻具金刚石钻进的工作原理，包括钻头碎岩、泥浆循环、岩粉排除、提断与打捞岩心、内管取心和投放内管，及下放钻杆、加接钻杆、拧接与拧卸钻杆和提升钻杆等工作原理及工作过程。学生可自主设计钻进参数（包括钻压、转速、泵量和给进速度），能分析钻进参数对钻进效率的影响规律。提高学生的创新意识，自主学习能力，提高实践能力和解决实际问题能力，激发学生提高我国钻探装备技术水平的使命感。

二  建设内容

根据虚拟仿真实验系统的建设要求，需进行虚拟仿真实验系统的实验条件及实验内容的设计。

（一）  实验条件设计

为保证此虚拟仿真实验系统的互动性，同时能够真实还原实验场景、实验设备及相关的实验操作和相应的实验效果，虚拟仿真实验系统采用高性能主机（CPU：i7 11 700 K以上、内存32 G、显卡3060、2 T硬盘）进行运行，采用HTC VIVE PRO 2.0VR套装头显设备进行互动，双眼显示分辨率达到4 K，杜绝操作者的眩晕，采用无线连接方式，更加方便操作，同时配备75寸触控电容屏，将操作者画面实时同步显示，在操作互动的同时方便他人观看学习交流，扩大该仿真系统的教学效果。软件系统方面，采用了虚幻引擎Unreal Engine 5进行开发，无论从实验场景、相关仪器设备、实验操作互动、相关流体特效及物理反馈等多方面，达到最真实的1∶1效果，且动作反馈时间3 ms、帧率25、显示刷新率60 Hz、动画帧数60，避免了因场景设备庞大而出现的卡顿情况，确保了运行的流畅。场景设备、模型动画方面，采用3Dmax、Maya、ZBrush和Blender等主流开发工具进行制作，能够将设备进行1∶1制作与还原，在对场景无任何减配的情况下，将总场景模型面数压缩至300 000面数，采用pbr流程制作，将截图分辨率达到2 048×2 048，最大程度还原设备的真实表面材质，最大程度接近人体工程学，方便学生对设备外观及功能的掌握与学习。该系统采用了Mysql数据库，能够满足学生地日常练习，还能够实时地对学生的操作进行考核，考核精细到每一操作步骤，最后能够根据考核做出评分，既方便教师对学生学习情况的掌握又使学生对专业知识有进一步的理解。

基于VR、三维虚拟仿真技术，学生可采用观察法、拆装法、操作法、参数设计法、控制变量法、归纳法和比较分析法等实验方法，完成钻探设备结构原理及金刚石钻进的虚拟仿真实验。

（二）  虚拟仿真实验设计

采用先进的教育理念和教学方法[18-19]，对虚拟仿真系统的实验内容、教学方法及考核方法进行设计。

1）采用先进的OBE（Outcome-based Education，以产出为导向）教育理念，结合PBL（Problem-based Learning，基于问题的教学法）教学法，遵照事物认识规律进行虚拟仿真实验设计。

以培养学生地质工程专业技术问题的分析能力、研究能力、自主学习等综合能力，培养家国情怀为目标，采用OBE教育理念，反向设计虚拟仿真实验的教学内容、教学方法、教学步骤和评价体系等。在提高地质工程专业实践能力的同时，为钻井工程应用型人才的培养奠定基础。

将PBL教学法用于虚拟仿真实验教学，提高学生创新意识及自主学习能力。以维果茨基的“最近发展区”原则设置实验教学问题，使学生通过解决实验问题得到最大收获。在钻机结构原理、泥浆泵结构原理、金刚石绳索取心钻具、钻进过程4个实验教学环节中，设置了20个PBL实验教学问题，学生带着问题进行不同环节的虚拟仿真实验，可提高实践创新意识。

实验步骤遵照从感性认识到理性认识事物的客观规律。在VR软件上，从钻探设备、工具、钻进系统整体入手全面认识，使学生对实验内容从整体上建立感性认识。在实验步骤设计中，考虑到学生的学习基础与自学能力，难度上按照层层递进思路。按照先认识钻机结构原理，再认识钻具结构，再认识井底钻进过程的思路设计。

2）为提高虚拟仿真实验的真实感，在实验环境、实验操作、仿真结果和互动教学方面进行了与真实环境逼真的虚拟仿真设计。

实验环境仿真设计。以真实的XY-4型立轴式钻机、BW-1型往复式泥浆泵、SG-18型钻塔、S-75型绳索取心钻具及Φ75 mm钻孔结构组成的三维动态环境进行建模仿真，模拟场景与实际场景一致，提高学生身临其境的沉浸感。

实验操作过程仿真设计。XY-4型钻机的操作手柄、钻机的换挡变速、提升与下降、卡盘松紧、正反向回转和前后移动钻机等虚拟仿真操作与实际钻机相同。BW-1型泥浆泵的操作手柄、变速变量等虚拟仿真操作与真实泥浆泵相同。S-75型金刚石绳索取心钻具的拆卸与组装、间隙调节、投放内管和打捞岩心等动作均与实际钻具的工况相同。钻进参数的调节，钻进过程与真实钻进过程一致，操作的真实感强。

实验结果仿真设计。通过数值模拟仿真软件的分析，钻探设备与钻具的工作过程、孔底钻进过程的实验结果，与实际实验结果一致。实验结果真实可靠。

师生互动教学过程仿真设计。采用PBL实验教学方法，教师在线答疑，虚拟仿真软件分步骤引导提示，辅以教学激励，加深学生对知识点的理解，实现边学边体验的高效互动。

3）实验内容、教学方法及考核方法设计。基于OBE教育理念的PBL的教学法，通过VR软件，将整个虚拟仿真实验教学内容设计成4部分，即：钻机结构原理实验、泥浆泵结构原理实验、绳索取心钻具结构原理实验和金刚石绳索取心钻进过程实验。4部分实验内容对应的课程知识点及能力培养目标，见表1。

根据实验内容对应的知识点和能力培养目标，进行虚拟仿真实验教学方法及考核评价方法的设计。

XY-4型钻机结构原理虚拟仿真实验设计。运用机械设计原理、液压传动及电子检测技术原理，构建XY-4型立轴式钻机总体结构及主要部件内部结构、钻机工程过程三维虚拟实验场景，采用HTC VIVE VR套装设备观察钻机三维动态场景，按照钻机结构组成和工作过程引导学生进行实验操作和学习。采用观察法观察钻机总体结构、部件内部三维结构，采用拆装法将钻机拆卸成9大部件，再将部件拆卸成零件-零件组装成部件-部件组装成钻机。采用操作法，按照工作过程，操作钻机各个部件工作。采用控制变量法，调节钻机的工作参数（钻压、转速、给进速度、提升速度和下降速度等），观察钻机的各种工况，使学生掌握钻机的结构组成和工作原理，及钻机使用方法。

BW-1型往复式泥浆泵虚拟仿真实验设计。运用机械设计原理、流体力学原理，构建BW-1型往复式泥浆泵总体结构及主要部件内部结构的三维虚拟实验场景，采用HTC VIVE VR套装设备观察泥浆泵总体及部件内部三维结构及工作过程。进行泥浆泵的拆装实验，即将泥浆泵拆卸成部件、零件，再将零件组装成部件，部件组装成整机。调节泥浆泵的工作参数（流量、往复次数、泵压），观察泥浆泵的各种工况及吸排水工作过程，使学生掌握泥浆泵的结构组成、工作原理及工作特性，掌握泥浆泵在钻井工程中的作用。

S-75型绳索取心钻具虚拟仿真实验设计。运用机械设计原理、取心钻进原理、流体力学原理，构建S-75型绳索取心钻具总体结构的三维虚拟实验，采用HTC VIVE VR套装设备，通过头盔显示器观察绳索取心钻具内部三维结构，按照绳索取心钻具结构组成和工作过程引导学生实验。将绳索取心钻具拆卸成4大部件，将部件拆卸成零件，再将零件组装成部件，将部件组装成钻具。采用操作法，按照钻具工作过程，操作绳索取心钻具各个部件工作，调节绳索取心钻具卡簧与钻头台肩的间隙、调节卡簧与岩心的接触间隙，观察绳索取心钻具的总体工作情况，使学生掌握绳索取心钻具的结构组成、工作原理，绳索取心钻具在取心过程中的重要作用。

金刚石绳索取心钻进的虚拟仿真实验设计。运用机械设计、钻探工艺学、材料学、力学和岩石破碎学的基本原理，构建金刚石绳索取心钻进的空中、地面、地下三维虚拟实验场景，采用HTC VIVE PRO套装观察金刚石绳索取心钻进的三维动态场景，按照金刚石绳索取心钻进工作过程引导学生实验操作和学习。观察金刚石绳索取心钻进系统组成，采用拆装法将金刚石绳索取心钻进系统拆解成4个子系统（钻机、泥浆泵、绳索取心钻具和孔内破碎岩石），观察各个系统的结构组成及工作原理。按照钻进工作流程，操作钻机、泥浆泵、绳索取心钻具各个部件工作。调节钻进规程参数（钻压、转速、泵量）进行钻进，检测钻进速度，观察绳索取心钻进的总体工作情况，采用归纳法，分析钻进规程参数对钻进速度的影响规律，从而使学生掌握金刚石绳索取心钻进的工作原理，绳索取心钻具在取心钻进中的优越性。

虚拟仿真实验的综合考核评价体系设计。以实验教学目标为导向，全面考核学生的实验问题预习情况、实验准备情况、实验步骤准确性、实验参数设计合理性和实验报告创新性。通过结果分析与实验效果反馈，完善实验内容、交互方式、考核方式，提升实验效果。实验成绩来源及占比：实验报告40%、实验问题预习20%、网络学习与讨论20%、实验步骤10%和实验参数设计10%。

三  实验教学过程

根据钻探设备结构原理及绳索取心金刚石钻进虚拟仿真实验系统的实验教学内容，学生通过单机实验，教师通过终端大屏幕显示器观察学生实验全过程，该实验系统的交互性实验教学过程如下所述。

XY-4型立轴式岩心钻机虚拟仿真实验。首先进行钻机结构原理实验，观察钻机总体结构，拆卸、安装钻机的7个主要部件，认识钻机结构原理，认识机械传动系统和液压传动系统的工作原理。并正确操作钻机，调节钻机工作参数。钻机的拆装与操作有误时，虚拟仿真实验系统无法继续模拟，需要重新规划操作流程，或者返回上一界面重新学习相关实验内容，再进行钻机的虚拟仿真实验，直至正确完成钻探设备部件结构拆装及钻机操作实验。

BW-1型往复式泥浆泵虚拟仿真实验。进行往复式泥浆泵的结构原理实验，观察泥浆泵总体结构，拆卸、安装往复泵的动力端与液压端，认识泥浆泵结构与工作原理，往复泵主要部件的结构原理及往复泵的工作特性，并正确操作泥浆泵。泥浆泵的拆装与操作有误时，重新规划操作流程，重新学习实验内容，再进行洗泥浆泵的虚拟仿真实验，直至正确完成泥浆泵部件结构拆装及操作实验。

S-75型绳索取心钻具虚拟仿真实验。观察绳索取心钻具总体结构，拆卸、安装钻具所有零部件，认识绳索取心钻具总体结构，零部件结构及钻具的工作原理，并正确操作和使用钻具。钻具的拆装与操作有误时，重新规划操作流程，返回上一界面重新实验，直至正确完成钻具部件结构拆装及操作实验。

金刚石绳索取心钻进虚拟仿真实验。通过拖拽交互式的实验操作，进行金刚石绳索取心钻进实验，并根据地层特性、钻具类型调节钻进规程参数（钻压、转速、冲洗液流量），检测钻进规程参数及钻进速度，并对钻进结果进行归纳分析，得到钻进参数对钻进效率的影响规律。钻进操作有误时，需要重新规划操作流程，返回上一界面重新学实验，直至正确完成金刚石绳索取心钻进虚拟仿真实验。

根据实验内容、实验操作过程及钻进实验结果，撰写并生成实验报告。

四  结束语

基于VR的钻探设备结构原理及金刚石钻进过程虚拟仿真实验教学系统，完成了地质工程专业钻探设备、钻探设备课程设计和钻探工艺学等专业核心课程难以完成的实验教学。该虚拟仿真实验系统结合钻探设备、钻探工艺方面最新科研成果和实际工程案例，通过模块化设计了真实实验做不到的实验教学内容，以虚补实，虚实结合，使地质工程专业实践教学不受时空、作业危险及经费等的限制，虚拟实验构建了更完备的地质工程专业课程实验教学体系。构建虚拟3D实验场景，通过单机和VR头盔显示器，使学生沉浸于人机交互的3D作业环境，掌握实验内容，提高实践技能。钻探设备结构原理及钻进过程虚拟仿真实验系统已在地质工程专业三届本科生实验教学中应用，实践表明，虚拟仿真实验系统使学生在实验室可亲身体验钻探设备整机及部件内部结构原理、绳索取心钻具内部结构原理，体验加接与拧卸钻杆、调整钻进参数、金刚石钻头井底碎岩钻进和投放与打捞岩心管等钻探施工全过程，体验异常钻探工况，实现课程的理论与实践的有机结合，加深了对专业理论知识的理解，拓展了创新思维，提高了实践创新能力。

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基金项目：吉林省教学改革重点课题暨吉林大学本科教学改革研究重点项目“钻探设备课程PBL教学法研究”（2017XZD060）；吉林省高等教育教学改革研究课题暨吉林大学本科教学改革研究重点项目“基于OBE理念的钻探设备金课建设”（2019XYB212）；吉林大学本科教学改革研究重点项目“钻探设备系列课程研究性教学模式改革”（2021XZD043）；吉林大学本科教学改革研究项目“面向产出的地质工程专业课程质量评价体系研究与实践”（2019XZD049）

第一作者简介：赵大军（1964-），男，汉族，山东蓬莱人，博士，教授，地质工程实验教学中心主任，博士研究生导师。研究方向为复杂地层钻探技术。