石油工程專業實驗課程改革實踐

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［關鍵詞］石油工程；實驗課程；改革實踐

中共中央國務院《關于深化教育改革,全面推進素質教育的決定》中指出，在高校教育教學中，大學生綜合能力的提高與培養應是教育教學的重要內容，動手能力、獨立思考能力、創新創造能力、科學思維等更應引起高校教育工作者的重視，即通過理論教學與實驗教學并重來更好地提升學生的能力，發展學生的綜合素質[1]。在中國高等教育發展歷程中，應不斷地注重與推進實驗教學工作，加強實驗課程的普遍性和可操作性，全面培養學生的思考與實踐操作能力，使學生在充分理解所學知識的基礎上進行具體的實驗操作，加強對所學知識的理解。理論聯系實際，對高校實驗室的發展方向具有指導意義。高校實驗室為學生提升自己的動手實踐能力和創新創造能力提供了保障。提高大學生的動手能力與創新能力是工科類院校的主要教學任務，實驗教學作為實現這一目標的主要途徑，引起了高校的重視。石油工程專業作為以培養應用技術人才為主要任務的工科專業，尤其需要加大實驗教學的改革力度。近年來，常州大學石油工程學院在石油工程專業課程教學中增強了學生實驗能力的培養力度，通過對實驗教學內容的補充，對實驗授課方式進行調整，對實驗室進行改進，增強了實驗課程的完整性與綜合性，讓學生在進行實驗操作的時候有更大的優勢；同時這也增強了學生的創新能力,為培養現代化高素質人才打下了堅實的基礎[2]。

一、石油工程實驗課設置

隨著社會經濟的飛速發展，我國高校也在不斷完善各個領域及專業的實驗教學。高校由原來的說教式—理論教學逐步轉向理論與實踐相結合，并不斷增加實踐教學的比重。這樣有利于增強教學的生動性及學生的獨立思考能力和動手操作能力。基于此，應培養面向石油與天然氣行業，理論基礎扎實、工程實踐能力強，能從事石油與天然氣工程領域的設計、施工與管理、技術應用與產品開發等工作，具備環保安全和可持續發展的社會責任意識、創業意識、創新精神、創新和管理能力、協作品質、國際視野，能解決石油與天然氣工程領域復雜工程問題，能夠滿足設計、施工、管理、技術應用與產品開發等崗位要求的高級應用型人才。常州大學（以下簡稱“我校”）石油工程專業一直處于領先水平，致力于基礎與創新齊頭并進。發展至今，石油工程專業已成為我校的特色專業并為大家所知，有關的實驗課程也通過不斷發展與改進變得更完善。由于基礎的穩固與扎實，我校在石油工程專業領域開設有多項基礎實驗，但這些傳統實驗無法滿足現代社會對專業人才的要求。為此，我校不斷創新研究，進行了鉆井與完井工程實驗、采油工程實驗、油藏工程實驗、鉆井液與完井液實驗的研究，并且有多項研究創新成果，如壓裂導流能力測試實驗、井筒多相管流實驗。

（一）石油工程技術實驗1.地質學基礎實驗。基于地質學研究的目的，在于正確認識地球的基礎之上，指導人類尋找并合理開發利用礦產、地下水、油氣等資源與能源[3]。開設此實驗，目的是讓學生對巖石圈有一定的了解，可以掌握地下的石油與天然氣的形成規律與分布規律，讓學生可以更科學、更有效地進行能源的勘探與開采，為后續的實驗課程的學習打下基礎。2.油田開發地質學實驗。在地質實驗的基礎上進一步深化，轉移到能源的開發領域，尤其是對石油與天然氣等資源的開發技術的認識與實踐，讓學生掌握石油與天然氣的生成特點和分布特點，以及所采用的開采技術的基本理論，更好地培養學生實地操作的思維，提升學生的探究能力，從而為學生以后的實地應用打下基礎。3.滲流力學實驗。讓學生了解滲流力學中最有代表性的三種滲流方式：平面線性滲流、平面徑向滲流、空間球形滲流的求解方法、井壁壓力及其導數的變化規律。4.工程流體力學實驗。讓學生了解流體靜力平衡狀態下的平衡規律及流體靜力學基本方程的驗證、流體運動基本原理及流體運動的描述方法。

（二）石油工程專業實驗石油工程專業實驗包括鉆井與完井工程實驗、采油工程實驗、油藏工程實驗、鉆井液與完井液實驗。1.鉆井與完井工程實驗。鉆井與完井工程課程要求學生掌握鉆井工程的基礎理論、基礎流程和基本的設計計算方法，熟練掌握專業技能的鉆井完井現場技術[4]。這就需要學生在充分理解與掌握課程中的內容，如相關的鉆井工具、鉆井液、井眼軌道設計及軌道控制，油氣井中的壓力控制，固井與完井，還有所學的相關的鉆井技術的基礎上，通過實踐來進一步鞏固與應用所學的知識。開設此實驗課程能給學生提供一個模擬鉆井環境，讓學生對鉆井這一項目有更切身的體會，可提前讓學生熟悉鉆井的具體操作與所需要的鉆井技術。2.采油工程實驗。實驗教學能讓學生夯實油田開采的基本原理，對油田開采過程中的各個步驟、各項工程技術措施以及具體的實施技術有一定的掌握與提升。實驗教學還能讓學生在學習油井流入動態、井筒多相流動計算、油井生產系統設計與工況分析、注水工程、油水井增產增注措施等這些需要掌握的操作后，可以在以后的具體項目正確地選擇該采油項目所需要的工藝方法，從而進行合理的工藝設計以及正確的分析。3.油藏工程實驗。油藏工程是石油工程專業的一門專業課程，它的主要任務是為準確地認識油氣藏，能動地改造油氣藏，高效地開發油氣藏提供可靠、準確的信息。它對油氣藏開發和提高油氣采收率起著十分重要的作用，讓學生能夠進行油藏描述；掌握測井分析和解釋，理解和應用基本的和特殊的巖心分析；能進行油藏流體PVT分析；決定油藏初始狀況和油氣水界面；分析油藏條件下的單相、多相流；計算油藏資源的地質儲量；使用常規試井手段進行油藏分析；進行可采油氣儲量估算。4.鉆井液與完井液實驗。讓學生系統地掌握當代鉆井與完井液的基本概念、性能、體系和工藝的基本原理，以及處理鉆井與完井液復雜問題的基本技能，了解鉆井與完井液工藝技術最新發展趨勢，為將來從事現場鉆井與完井液技術工作或相關的教學科研工作打下基礎。

二、實驗課程體系實踐與完善

近年來，傳統石油工程實驗教學在實施過程中遇到了很大的困難和挑戰,主要表現在傳統的實驗教學中，實驗課程并沒有引起大家的普遍關注。在相關的實驗課程中，教師與學生都表現出一定的怠慢感，并且相關的實驗教學模式比較固定，缺少一定的創新性，這與當今開放性、創新性實驗教學的要求并不相符。學生不能掌握實驗操作的細節，不能主動地去理解和探索在實驗中可以學到的知識，不能主動地利用現代網絡技術和課余時間進行學習。面對這些困難和挑戰,應從實驗教學需要掌握的內容、實驗操作具體的步驟方法和實驗教學需要采用的手段等方面進行深入研究，找到改進方向與方法，構建滿足創新性要求的新型實驗教學模式[5]。其中包括虛擬仿真實驗課程、鉆井及井控模擬仿真平臺、鉆井操作仿真實訓平臺、油氣開采虛擬仿真平臺，以及新增的兩個的專業特色的研究創新類實驗課程。

（一）虛擬仿真實驗隨著科學技術的發展，科研人員堅持不懈地研究與開發，以及計算機技術在工程領域的普及應用，虛擬仿真軟件在石油工程中的應用越來越廣泛，其所扮演的角色也越來越重要。基于當今社會對從業人員的要求，我校石油工程專業開設了虛擬仿真實驗課程，具體如下。1.油氣開采虛擬仿真平臺本平臺硬件條件主要由仿真操作設備（各類抽油機仿真裝備、采油樹模型、電潛泵模型、采油管柱等）、計算機數據仿真控制系統、3D采油作業場景動畫系統、多媒體投影顯示系統、現場作業模擬音效系統等五大系統組成，能夠全面展現石油與天然氣工業開采整個過程及相關設備、工藝技術、常用的油氣開采設備和工具的工作原理及使用方法，進行抽油機采油仿真實訓、螺桿泵采油仿真實訓、電潛泵采油仿真實訓、自動化采油虛擬仿真實訓及智能油田油水井生產實時分析虛擬仿真實訓等。結合VR技術，充分利用虛擬現實在可視化方面的優點來解決目前油藏模型平面化展示不易理解及井場管理不直觀的問題，對單井管理和油藏管理的信息可視化方式進行探索。2.鉆井及井控模擬仿真平臺鉆井及井控模擬仿真平臺主要由仿真硬件系統和軟件系統兩大部分構成,可以進行鉆井操作、井下復雜情況判斷、破裂壓力試驗、井控操作程序（鉆進、起下鉆、空井等工況）及壓井過程的模擬仿真[6]。該平臺的使用,可以使學生對鉆井這一工程有更真實的認識，可以激發學生對實驗學習以及實驗操作的積極性,使學生對鉆井及井控基礎的理論知識有更好地理解和掌握。通過與鉆井現場相似的環境和操作情形的模擬仿真，可以使學生對鉆井這一項目有更切實的認識，能更好地提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能,讓學生在畢業以后接手與鉆井相關的項目時，可以確定需要采取的工藝方法和需要進行的具體操作，并且在現場可以更好地避免不安全、不確定危險的發生[7]。

（二）專業特色實驗在開設專業實驗與學科基礎實驗的前提下，我們對實驗課程不斷探索，對原有實驗不斷創新，開設了以下兩種創新類教學實驗，具體如下。1.壓裂導流能力測試實驗。壓裂導流能力測試實驗可以用于研究高速通道壓裂裂縫內的支撐規律及裂縫導流能力。對比通道壓裂鋪砂與連續鋪砂裂縫導流能力的差異,可以分析纖維濃度、鋪砂方式和支撐劑類型對通道壓裂裂縫導流能力的影響。為了檢測通道壓裂所能提供導流能力大小及裂縫的有效性,可以利用某地層構造的砂巖、頁巖進行室內導流能力測試實驗[8]。2.井筒多相管流實驗。多相管流在石油工程中占有重要地位。對于采液指數較高的油井,水平管路壓降預測準確與否,將會顯著影響油井產量的預測結果[9]。多相管流模型的基礎知識主要包括基本壓降方程及5種多相管流模型。通過專業實驗課，學生可以體會到當今開放性、網絡化實驗教學，通過使用實驗儀器學生可以將所學的知識進行實踐，從而更深刻、更熟練地掌握理論知識，并且可以主動地利用現代網絡技術以及最新的實驗設備對一些理論進行證實，并進行更深層次的探索。

［參考文獻］

［1］朱向群，胡朝暉，劉湘暉，等.改革實驗教學培養學生實踐能力與創新能力［J］.實驗技術與管理，2001（1）：108-111.

［2］呂開河，樊澤霞，王業飛.石油工程專業化學課程實驗教學的改革［J］.高等函數學報（自然科學版），2010（25）：38-40.

［3］宋春青，邱維理，張振春.地質學基礎［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［4］曹德志，付建紅，施太和，等.《鉆井與完井工程》精品課程建設與探索［J］.西南石油大學學報（社會科學版），2018（5）：69-75.

［5］胡紹彬，趙明國，羅云.石油工程實驗現代化教學模式探索［J］.實驗室科學，2009（4）：54-55.

［6］尹邦堂，劉瑞文，劉剛，等.鉆井及井控模擬仿真平臺構建［J］.實驗室研究與探索，2015（8）：85-89.

［7］嚴楊，嚴圣華，魯洪清.鉆井工藝操作的模擬與仿真研究［J］.石油工業計算機應用，2016（1）：19-21.

［8］胡世萊，李俊，嚴文德，等.煤巖壓裂裂縫長期導流能力的實驗研究與評價［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2016（2）：40-43.

［9］賀占國，席瑩瑩，張羽臣.基于水平井的多相管流模型計算精度評價方法［J］.中國石油和化工標準與質量，2017（11）：71-74.

作者：楊潔 魏田田 緱婷 陳海飛 何巖峰 單位：常州大學石油工程學院