课程设计辅助教学开发

一、钻井工程课程设计辅助教学系统的组成

该系统由钻井工程设计典型案例信息管理子系统、钻井工程辅助设计模板子系统、钻井工程辅助设计计算系统、钻井工程设计辅导与教学子系统和钻井工程辅助设计数据库等几大部分组成（图1），每一部分的功能概述如下。（1）设计文档管理与查阅子系统。系统主要用于对钻井工程课程设计管理文件、制度要求和各种规范的数据库管理、维护，并方便学生及时查阅。另外，该子系统也提供了钻井工程设计书案例和钻井工程设计说明书的RFT文档显示，使学生能够了解钻井工程设计书与设计说明书的书写格式与规范，以及设计书的内容与流程，以方便学生在设计过程中能够及时掌握设计书和设计说明书书写的流程、格式和各种规范要求，最终形成合格的设计文档。（2）钻井工程典型设计案例管理与查阅子系统。为了使学生能够从各种典型的设计案例中学习得到进行钻井工程各环节设计的要点、方法、流程，工程设计书书写的格式、要求与规范。系统从产学研合作单位的油田设计院获取了十余份钻井工程设计书，采用信息管理系统的方法将这些设计书中的内容全部录入到数据库中，进行日常的管理与维护。按任务进行逐一的分解，使得学生在做每一部分的设计时，能够及时阅读了解各部分设计的内容和流程，结合各种资料，采用边学习、边设计的方法来顺利地完成相关的任务。（3）钻井工程辅助设计模板管理与使用子系统。本文在参阅大量工程设计书案例的基础上，以任务驱动的方法进行层层分解，并综合形成了一整套钻井工程设计书模板。学生可以参照这些模板来展开相关的设计工作。既规范了学生的设计，又启发、引导了学生在通适化的设计逻辑与步骤下，通过系统给予的各种提示信息来逐步完成相关的设计。（4）钻井工程辅助设计与计算子系统。在钻井工程设计过程中，涉及大量繁杂的工程设计计算，许多计算过程需要进行循环迭代和优化搜索操作，依靠计算器根本无法完成。以往由于缺少设计信息和数据的数据库管理，导致学生在使用工程设计软件的过程中，需要重复输入大量的数据。而且由于缺乏规范化的管理，低级错误层出不穷，工作效率十分低下。鉴于此，本系统提供了一个能够专门进行各种钻井工程计算的计算机辅助设计系统，通过规范化的输入，将各种基础数据按照任务的要求逐一输入到数据库，进行统一的管理维护。由于实现了钻井工程数据的信息化管理，所有数据只需输入一次。在设计过程中，本系统能够自动调用相应的数据来帮助学生完成各种工程设计与计算。（5）钻井工程设计辅助教学与管理子系统。在钻井工程设计模板和钻井工程设计计算模块中，针对可能出现的各种问题，本系统都提供了详细的解决方案，以便引导学生按步骤完成相关的设计。（6）钻井工程课程设计辅助教学系统数据库。为了顺利地完成以上各项工作，本文将各种信息通过数据库，利用信息管理系统技术实现高效的管理与维护。该数据库主要由以下3大部分组成：①基础数据子库，包括油田、区块、工具类型、工具名称、钻头类型、钻头厂家、学生资料等基础性数据资料的管理、维护与使用；②典型工程设计案例数据子库，用于保存钻进工程典型案例设计书中的所有信息；③钻井工程课程设计结果数据库，根据钻井工程设计模板和流程的要求，本系统将设计过程中的所有结果信息以数据库的形式进行保存，以方便学生的设计，并在每个环节的考核过程中实现计算机化的管理，加强考核的科学性和有效性。

二、钻井工程典型设计案例检索系统简介

为了能够使学生从各种典型设计案例中学习得到进行钻井工程设计的方法，本文开发了一个钻井工程典型设计案例检索子系统，该系统的具体组成参见图2。该检索系统包括了从一口井的地质设计任务书下达到钻井完钻，及钻井工程进度与技术经济指标等各项具体的设计内容，可以将一口井完整的钻井工程设计书录入到本系统数据库，进行日常的管理、维护，并能随时进行调入显示与查阅。图3是该子系统项目检索入口应用程序主窗口，在检索某口井的设计资料进行阅读显示之前，首先要选择相应的井号。图4是一口井地质设计任务书检索窗口应用实例。为了方便学生对资料的检索，本系统充分发挥了Windows系统的功能，实现了MDI多窗口文档管理，图5就是MDI多窗口文档管理应用实例。另外，本系统在每个窗口中都带有“检索”命令按钮。该按钮就是在需要检索其他井资料的时候，方便地弹出图3窗口，并在选择结束后自动调用相应井号数据进行显示。

三、钻井工程设计模板系统简介

该子系统的目的是引导学生按照任务分解要求，在规定的时间内逐一完成相关的设计任务，图6是该子系统的功能菜单项组成。钻井工程课程设计时间为两周，要求学生每天利用《钻井工程辅助设计系统》来完成相关的设计，并录入到数据库进行保存，以便教师审阅、考核，及时发现问题，开展针对性的辅导。每一天的任务分解结果如表1所示。学生第一次进入课程设计辅导教学系统时，计算机从十余个工程设计案例中随机确定其中的一个案例为设计模板，并自动生成一个设计系数。要求学生将案例的地质设计书和地质分层中涉及的垂深全部乘上该系数，手动修改后作为该生设计的基础数据。

四、设计使用效果

我校石油工程专业2010级所有学生在该辅助设计系统的引导下，顺利完成了钻井工程课程设计任务。使用表明，该系统具有如下大优点。（1）该系统提供了多个钻井工程设计案例，可供学生随时检索、调阅与学习，使得学生能够从中了解设计的内容、方法与设计思路，并以这些案例为模板，标准、规范地完成钻井工程各环节的课程设计。（2）任务明确、针对性强、效率高。由于实现了任务的模块化分解和层次化设计，可以在辅助系统的引导下逐步完成课程设计工作，每一步要做的工作，如何做，系统都能够非常明确地给予提示与指导。学生的任务就是在系统所提供的设计指导下，收集数据并以统一的方式录入到数据库中。例如，图7就是喷射钻井数据录入管理应用实例。而每一步的设计，系统都能够给予详细的提示，让学生明白设计的原理和过程。图7喷射钻井设计数据的整理、录入与维护本系统既是一个辅助设计系统，同时又是一个较为完整的学习系统。本系统将熟悉了解设计流程、明确设计原理和方法、规范设计语言与行文方式放在首要的位置，强调学生设计能力的实训与培养。例如，图8为如何确定喷射钻井最大和最小流量的应用实例。该系统通过精心的规划设计，不仅能够使学生知道如何做，又能及时提供信息使学生明白哪些是固定的知识，哪些又是灵活的知识，哪些需要根据现场的资料来确定等，使学生在进行动态的工程设计和计算过程中，能够及时获得设计所需的相关知识、方法和原理，将一个繁杂、晦涩的设计过程演化成为一个生动有趣的学习过程，从而大大提高了学生主动学习的积极性和设计的能动性，解决了以往普遍存在的畏难情绪，推动了学生动起手来，结合自己的设计数据完成相关的设计任务。（3）课题选择多样性、设计完整度高。本系统使学生第一次进入课程设计时，能够自动地从十余个工程设计案例中随机地确定其中的一个案例为设计模板，并提供一个设计系数，将案例的地质设计书和地质分层中涉及的垂深数据统一乘上该系数，作为该生设计的基础数据。同时，本系统也采用了地层孔隙压力和破例压力多案例选择，并以案例数据为基础辅之以随机波动量的方法，形成每个学生设计所需的压力剖面，使得每一个学生的设计参数均不相同，从源头上有效地杜绝了学生的抄袭现象。因此，尽管设计模板可以相同，但设计的基础参数各不相同，设计结果也各有差异。由于所有的设计结果都保存到数据库中，计算机能够很方便地利用每个学生的基础数据自动完成相应的设计，通过比较学生设计和计算机设计之间的差异，可以有效地判别评价学生的设计情况。利用所提供的钻井工程辅助设计系统，极大地降低了学生手动计算的工作量。能够将学生的注意力转移到设计数据的采集、整理、录入与维护，设计原理、步骤和方法的了解，设计结果的整理和规范文本的形成上。使得原来需要一天、甚至数天的设计内容，只要通过点击几个屏幕按钮就可以完成相应的设计，设计的时效性得到了极大的提高。利用本辅助系统，使得学生能够在两周的时间内顺利完成整个钻井工程的设计工作。由于设计过程又是一个学习、训练的过程，学生的能动性得到了极大的激发，满足了学生对设计工作的信心和成就感的诉求，这是以往进行钻井工程课程设计无法做到的。设计结束后，学生们都能够及时地上交完整的钻井工程设计书。（4）避免繁杂的计算，降低设计和辅导的工作量。本系统提供的钻井数据信息管理子系统和模块化工程计算工具，极大地方便了学生使用。使学生能够从数据资料整理和手工计算中解脱出来，将重点转移到资料的综合利用和设计能力的培养上。由于采用了个性化的计算机教学方式，许多问题在学生与计算机交互过程中得到解决，工程计算已成为达到设计目的的手段，而不是设计过程中一种枯燥繁重的劳动，计算过程显得十分轻松、快捷。采用本辅助系统也提高了解决问题的时效性，极大地减轻了教师的辅导工作量。（5）易于实现质量监督与控制。由于实现了设计资料和过程参数的数据库管理，使教师能够及时了解每一位学生的设计进度、设计存在的问题，督促学生认真完成每天的设计任务，学生的整个设计过程能够实现透明的跟踪管理，从而保证每位学生设计的质量。（6）易于实现成绩的评价。为了能够尽可能客观地评价学生的设计成果，本系统研制开发了一个工程设计评价系统。该系统能够对学生设计的每一环节进行逐一分析并评价，给每一位学生的设计结果进行逐一的成绩评定，图9就是该系统的运行界面窗口实例。系统可以对图9左边的每一张学生设计结果数据库表进行及时的汇总、评判，例如选中图9左边的“S_DIRECTIONALWELL”数据库表之后，单击窗口中部最上边的“库表读入”按钮，就可以将所有学生的定向井基础数据汇总在右边的数据库窗口中动态显示，并且在右边的成绩评定栏输入相应的评定结果。按一定权重和统计方式逐一汇总每一项评定结果，就可以确定该生在利用该辅助系统进行钻井课程设计所取得的成绩。由于数据库能够将设计所涉及的中间数据和设计结果都保存下来，因此能够利用该系统对学生的设计作出全面系统的评价。在评定过程中还可以不显示相关的学生信息，能够最大化地实现教师评定的客观公正性。由于这些操作都是在计算机上完成的，操作起来十分快捷、规范，极大地减少了教师评阅的日常工作量。当然，本系统不能够代替学生完成所有的课程设计任务，为此，在利用该系统完成钻井工程计算机化设计的同时，还要求学生按照计算机辅助设计结果手工撰写钻井工程课程设计书和钻井工程课程设计说明书各一份。将设计书成绩、设计说明书成绩、计算机辅助设计成绩和平时成绩按一定权重汇总，作为学生本次设计的最终成绩。

五、结论与建议

如何将计算机应用到石油工程课程设计之中，起到计算机辅助教学应起的作用，是目前迫切需要解决的一个问题。钻井工程课程设计辅助教学系统的开发为解决这一问题开展了十分有益的尝试与探索。实践表明，采用任务驱动模式，将钻井工程设计分解成为前后相继、层次分明的子任务，结合CAI教学手段与教学理念来开发模块化工程辅助设计软件，并结合数据库和信息系统技术来管理涉及的各种参数、资料和数据，可以明确任务、理清思路，极大地提高学生设计的主动性、提升学生的学习兴趣。结合案例开展课程设计，使得学生能够由模仿学习向能动、创新的方面转变。可使学生在有限的教学学时内系统掌握所学的专业知识，对于培养学生独立分析和解决现场实际问题的能力具有非常好的促进作用。该系统的应用同时也能够使教师从大量繁杂的事务性、机械式重复指导中解脱出来，对发挥各种优势，提高指导的时效性，公正客观地评价学生的设计，具有十分重要的参考价值。由于该系统是一个开放式系统，可以在今后进行不断地更新与升级。另外，该系统也有许多有待改进的地方，例如，网络化，从C/S模式向B/S模式的转换，钻井工程设计系统的进一步完善和设计界面调整等，这些都是今后继续完善的工作。

作者：吕苗荣 黄静 崔金栋 郭文敏 李栋 顾军锋 单位：常州大学 石油工程学院