石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)踐

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［摘要］針對(duì)石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的需要，常州大學(xué)石油工程學(xué)院對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的基本要求、內(nèi)容、設(shè)置以及學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)出來的問題進(jìn)行充分討論后，明確了實(shí)驗(yàn)課程存在的問題以及要進(jìn)行優(yōu)化與發(fā)展的方向。通過學(xué)校近年來的實(shí)驗(yàn)課程的教授與改進(jìn)，我們?cè)诔浞至私庠械膶W(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)整與改革，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要采取的教學(xué)手段等方面進(jìn)行了更深入的研究，構(gòu)建了能充分挖掘?qū)W生創(chuàng)新能力和提升學(xué)生實(shí)踐能力的創(chuàng)新類教學(xué)實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，有效提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生的全面發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］石油工程；實(shí)驗(yàn)課程；改革實(shí)踐

中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化教育改革,全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》中指出，在高校教育教學(xué)中，大學(xué)生綜合能力的提高與培養(yǎng)應(yīng)是教育教學(xué)的重要內(nèi)容，動(dòng)手能力、獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、科學(xué)思維等更應(yīng)引起高校教育工作者的重視，即通過理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)并重來更好地提升學(xué)生的能力，發(fā)展學(xué)生的綜合素質(zhì)[1]。在中國(guó)高等教育發(fā)展歷程中，應(yīng)不斷地注重與推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課程的普遍性和可操作性，全面培養(yǎng)學(xué)生的思考與實(shí)踐操作能力，使學(xué)生在充分理解所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展方向具有指導(dǎo)意義。高校實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提升自己的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力提供了保障。提高大學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力是工科類院校的主要教學(xué)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要途徑，引起了高校的重視。石油工程專業(yè)作為以培養(yǎng)應(yīng)用技術(shù)人才為主要任務(wù)的工科專業(yè)，尤其需要加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革力度。近年來，常州大學(xué)石油工程學(xué)院在石油工程專業(yè)課程教學(xué)中增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)力度，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，對(duì)實(shí)驗(yàn)授課方式進(jìn)行調(diào)整，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程的完整性與綜合性，讓學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)候有更大的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)這也增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)現(xiàn)代化高素質(zhì)人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

一、石油工程實(shí)驗(yàn)課設(shè)置

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)高校也在不斷完善各個(gè)領(lǐng)域及專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。高校由原來的說教式—理論教學(xué)逐步轉(zhuǎn)向理論與實(shí)踐相結(jié)合，并不斷增加實(shí)踐教學(xué)的比重。這樣有利于增強(qiáng)教學(xué)的生動(dòng)性及學(xué)生的獨(dú)立思考能力和動(dòng)手操作能力?；诖?，應(yīng)培養(yǎng)面向石油與天然氣行業(yè)，理論基礎(chǔ)扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)，能從事石油與天然氣工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工與管理、技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品開發(fā)等工作，具備環(huán)保安全和可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任意識(shí)、創(chuàng)業(yè)意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新和管理能力、協(xié)作品質(zhì)、國(guó)際視野，能解決石油與天然氣工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，能夠滿足設(shè)計(jì)、施工、管理、技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品開發(fā)等崗位要求的高級(jí)應(yīng)用型人才。常州大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）石油工程專業(yè)一直處于領(lǐng)先水平，致力于基礎(chǔ)與創(chuàng)新齊頭并進(jìn)。發(fā)展至今，石油工程專業(yè)已成為我校的特色專業(yè)并為大家所知，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程也通過不斷發(fā)展與改進(jìn)變得更完善。由于基礎(chǔ)的穩(wěn)固與扎實(shí)，我校在石油工程專業(yè)領(lǐng)域開設(shè)有多項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，但這些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)專業(yè)人才的要求。為此，我校不斷創(chuàng)新研究，進(jìn)行了鉆井與完井工程實(shí)驗(yàn)、采油工程實(shí)驗(yàn)、油藏工程實(shí)驗(yàn)、鉆井液與完井液實(shí)驗(yàn)的研究，并且有多項(xiàng)研究創(chuàng)新成果，如壓裂導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)、井筒多相管流實(shí)驗(yàn)。

（一）石油工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)1.地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?；诘刭|(zhì)學(xué)研究的目的，在于正確認(rèn)識(shí)地球的基礎(chǔ)之上，指導(dǎo)人類尋找并合理開發(fā)利用礦產(chǎn)、地下水、油氣等資源與能源[3]。開設(shè)此實(shí)驗(yàn)，目的是讓學(xué)生對(duì)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(guī)律與分布規(guī)律，讓學(xué)生可以更科學(xué)、更有效地進(jìn)行能源的勘探與開采，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2.油田開發(fā)地質(zhì)學(xué)實(shí)驗(yàn)。在地質(zhì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化，轉(zhuǎn)移到能源的開發(fā)領(lǐng)域，尤其是對(duì)石油與天然氣等資源的開發(fā)技術(shù)的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐，讓學(xué)生掌握石油與天然氣的生成特點(diǎn)和分布特點(diǎn)，以及所采用的開采技術(shù)的基本理論，更好地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)地操作的思維，提升學(xué)生的探究能力，從而為學(xué)生以后的實(shí)地應(yīng)用打下基礎(chǔ)。3.滲流力學(xué)實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生了解滲流力學(xué)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(dǎo)數(shù)的變化規(guī)律。4.工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生了解流體靜力平衡狀態(tài)下的平衡規(guī)律及流體靜力學(xué)基本方程的驗(yàn)證、流體運(yùn)動(dòng)基本原理及流體運(yùn)動(dòng)的描述方法。

（二）石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)包括鉆井與完井工程實(shí)驗(yàn)、采油工程實(shí)驗(yàn)、油藏工程實(shí)驗(yàn)、鉆井液與完井液實(shí)驗(yàn)。1.鉆井與完井工程實(shí)驗(yàn)。鉆井與完井工程課程要求學(xué)生掌握鉆井工程的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)流程和基本的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，熟練掌握專業(yè)技能的鉆井完井現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)[4]。這就需要學(xué)生在充分理解與掌握課程中的內(nèi)容，如相關(guān)的鉆井工具、鉆井液、井眼軌道設(shè)計(jì)及軌道控制，油氣井中的壓力控制，固井與完井，還有所學(xué)的相關(guān)的鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)踐來進(jìn)一步鞏固與應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)。開設(shè)此實(shí)驗(yàn)課程能給學(xué)生提供一個(gè)模擬鉆井環(huán)境，讓學(xué)生對(duì)鉆井這一項(xiàng)目有更切身的體會(huì)，可提前讓學(xué)生熟悉鉆井的具體操作與所需要的鉆井技術(shù)。2.采油工程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能讓學(xué)生夯實(shí)油田開采的基本原理，對(duì)油田開采過程中的各個(gè)步驟、各項(xiàng)工程技術(shù)措施以及具體的實(shí)施技術(shù)有一定的掌握與提升。實(shí)驗(yàn)教學(xué)還能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)油井流入動(dòng)態(tài)、井筒多相流動(dòng)計(jì)算、油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工況分析、注水工程、油水井增產(chǎn)增注措施等這些需要掌握的操作后，可以在以后的具體項(xiàng)目正確地選擇該采油項(xiàng)目所需要的工藝方法，從而進(jìn)行合理的工藝設(shè)計(jì)以及正確的分析。3.油藏工程實(shí)驗(yàn)。油藏工程是石油工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，它的主要任務(wù)是為準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)油氣藏，能動(dòng)地改造油氣藏，高效地開發(fā)油氣藏提供可靠、準(zhǔn)確的信息。它對(duì)油氣藏開發(fā)和提高油氣采收率起著十分重要的作用，讓學(xué)生能夠進(jìn)行油藏描述；掌握測(cè)井分析和解釋，理解和應(yīng)用基本的和特殊的巖心分析；能進(jìn)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(jì)算油藏資源的地質(zhì)儲(chǔ)量；使用常規(guī)試井手段進(jìn)行油藏分析；進(jìn)行可采油氣儲(chǔ)量估算。4.鉆井液與完井液實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生系統(tǒng)地掌握當(dāng)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(fù)雜問題的基本技能，了解鉆井與完井液工藝技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)，為將來從事現(xiàn)場(chǎng)鉆井與完井液技術(shù)工作或相關(guān)的教學(xué)科研工作打下基礎(chǔ)。

二、實(shí)驗(yàn)課程體系實(shí)踐與完善

近年來，傳統(tǒng)石油工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)在實(shí)施過程中遇到了很大的困難和挑戰(zhàn),主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)課程并沒有引起大家的普遍關(guān)注。在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)課程中，教師與學(xué)生都表現(xiàn)出一定的怠慢感，并且相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式比較固定，缺少一定的創(chuàng)新性，這與當(dāng)今開放性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求并不相符。學(xué)生不能掌握實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)，不能主動(dòng)地去理解和探索在實(shí)驗(yàn)中可以學(xué)到的知識(shí)，不能主動(dòng)地利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和課余時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。面對(duì)這些困難和挑戰(zhàn),應(yīng)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要掌握的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)操作具體的步驟方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要采用的手段等方面進(jìn)行深入研究，找到改進(jìn)方向與方法，構(gòu)建滿足創(chuàng)新性要求的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[5]。其中包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程、鉆井及井控模擬仿真平臺(tái)、鉆井操作仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、油氣開采虛擬仿真平臺(tái)，以及新增的兩個(gè)的專業(yè)特色的研究創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)課程。

（一）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研人員堅(jiān)持不懈地研究與開發(fā)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的普及應(yīng)用，虛擬仿真軟件在石油工程中的應(yīng)用越來越廣泛，其所扮演的角色也越來越重要?；诋?dāng)今社會(huì)對(duì)從業(yè)人員的要求，我校石油工程專業(yè)開設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程，具體如下。1.油氣開采虛擬仿真平臺(tái)本平臺(tái)硬件條件主要由仿真操作設(shè)備（各類抽油機(jī)仿真裝備、采油樹模型、電潛泵模型、采油管柱等）、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)仿真控制系統(tǒng)、3D采油作業(yè)場(chǎng)景動(dòng)畫系統(tǒng)、多媒體投影顯示系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)模擬音效系統(tǒng)等五大系統(tǒng)組成，能夠全面展現(xiàn)石油與天然氣工業(yè)開采整個(gè)過程及相關(guān)設(shè)備、工藝技術(shù)、常用的油氣開采設(shè)備和工具的工作原理及使用方法，進(jìn)行抽油機(jī)采油仿真實(shí)訓(xùn)、螺桿泵采油仿真實(shí)訓(xùn)、電潛泵采油仿真實(shí)訓(xùn)、自動(dòng)化采油虛擬仿真實(shí)訓(xùn)及智能油田油水井生產(chǎn)實(shí)時(shí)分析虛擬仿真實(shí)訓(xùn)等。結(jié)合VR技術(shù)，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)在可視化方面的優(yōu)點(diǎn)來解決目前油藏模型平面化展示不易理解及井場(chǎng)管理不直觀的問題，對(duì)單井管理和油藏管理的信息可視化方式進(jìn)行探索。2.鉆井及井控模擬仿真平臺(tái)鉆井及井控模擬仿真平臺(tái)主要由仿真硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成,可以進(jìn)行鉆井操作、井下復(fù)雜情況判斷、破裂壓力試驗(yàn)、井控操作程序（鉆進(jìn)、起下鉆、空井等工況）及壓井過程的模擬仿真[6]。該平臺(tái)的使用,可以使學(xué)生對(duì)鉆井這一工程有更真實(shí)的認(rèn)識(shí)，可以激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)操作的積極性,使學(xué)生對(duì)鉆井及井控基礎(chǔ)的理論知識(shí)有更好地理解和掌握。通過與鉆井現(xiàn)場(chǎng)相似的環(huán)境和操作情形的模擬仿真，可以使學(xué)生對(duì)鉆井這一項(xiàng)目有更切實(shí)的認(rèn)識(shí)，能更好地提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能,讓學(xué)生在畢業(yè)以后接手與鉆井相關(guān)的項(xiàng)目時(shí)，可以確定需要采取的工藝方法和需要進(jìn)行的具體操作，并且在現(xiàn)場(chǎng)可以更好地避免不安全、不確定危險(xiǎn)的發(fā)生[7]。

（二）專業(yè)特色實(shí)驗(yàn)在開設(shè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的前提下，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)課程不斷探索，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)不斷創(chuàng)新，開設(shè)了以下兩種創(chuàng)新類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，具體如下。1.壓裂導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。壓裂導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)可以用于研究高速通道壓裂裂縫內(nèi)的支撐規(guī)律及裂縫導(dǎo)流能力。對(duì)比通道壓裂鋪砂與連續(xù)鋪砂裂縫導(dǎo)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(duì)通道壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響。為了檢測(cè)通道壓裂所能提供導(dǎo)流能力大小及裂縫的有效性,可以利用某地層構(gòu)造的砂巖、頁巖進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)流能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)[8]。2.井筒多相管流實(shí)驗(yàn)。多相管流在石油工程中占有重要地位。對(duì)于采液指數(shù)較高的油井,水平管路壓降預(yù)測(cè)準(zhǔn)確與否,將會(huì)顯著影響油井產(chǎn)量的預(yù)測(cè)結(jié)果[9]。多相管流模型的基礎(chǔ)知識(shí)主要包括基本壓降方程及5種多相管流模型。通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生可以體會(huì)到當(dāng)今開放性、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過使用實(shí)驗(yàn)儀器學(xué)生可以將所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐，從而更深刻、更熟練地掌握理論知識(shí)，并且可以主動(dòng)地利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及最新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)一些理論進(jìn)行證實(shí)，并進(jìn)行更深層次的探索。

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作者：楊潔 魏田田 緱婷 陳海飛 何巖峰 單位：常州大學(xué)石油工程學(xué)院