石油工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程改革實(shí)踐

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

中共中央國務(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)知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作，加強(qiáng)對所學(xué)知識的理解。理論聯(lián)系實(shí)際，對高校實(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，通過對實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充，對實(shí)驗(yàn)授課方式進(jìn)行調(diào)整，對實(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)操作的時候有更大的優(yōu)勢；同時這也增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)現(xiàn)代化高素質(zhì)人才打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)[2]。

一、石油工程實(shí)驗(yàn)課設(shè)置

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國高校也在不斷完善各個領(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)的生動性及學(xué)生的獨(dú)立思考能力和動手操作能力?；诖耍瑧?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、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)展的社會責(zé)任意識、創(chuàng)業(yè)意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新和管理能力、協(xié)作品質(zhì)、國際視野，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、施工、管理、技術(shù)應(yīng)用與產(chǎn)品開發(fā)等崗位要求的高級應(yīng)用型人才。常州大學(xué)（以下簡稱“我?！保┦凸こ虒I(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)代社會對專業(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)。基于地質(zhì)學(xué)研究的目的，在于正確認(rèn)識地球的基礎(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，尤其是對石油與天然氣等資源的開發(fā)技術(shù)的認(rèn)識與實(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)動基本原理及流體運(yùn)動的描述方法。

（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)計計算方法，熟練掌握專業(yè)技能的鉆井完井現(xiàn)場技術(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。開設(shè)此實(shí)驗(yàn)課程能給學(xué)生提供一個模擬鉆井環(huán)境，讓學(xué)生對鉆井這一項(xiàng)目有更切身的體會，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，對油田開采過程中的各個步驟、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)油井流入動態(tài)、井筒多相流動計算、油井生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計與工況分析、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)識油氣藏，能動地改造油氣藏，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；計算油藏資源的地質(zhì)儲量；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，為將來從事現(xiàn)場鉆井與完井液技術(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)，不能主動地去理解和探索在實(shí)驗(yàn)中可以學(xué)到的知識，不能主動地利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和課余時間進(jìn)行學(xué)習(xí)。面對這些困難和挑戰(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、鉆井操作仿真實(shí)訓(xùn)平臺、油氣開采虛擬仿真平臺，以及新增的兩個的專業(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，科研人員堅持不懈地研究與開發(fā)，以及計算機(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)今社會對從業(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本平臺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）、計算機(jī)數(shù)據(jù)仿真控制系統(tǒng)、3D采油作業(yè)場景動畫系統(tǒng)、多媒體投影顯示系統(tǒng)、現(xiàn)場作業(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(jìn)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(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]。該平臺的使用,可以使學(xué)生對鉆井這一工程有更真實(shí)的認(rèn)識，可以激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)操作的積極性,使學(xué)生對鉆井及井控基礎(chǔ)的理論知識有更好地理解和掌握。通過與鉆井現(xiàn)場相似的環(huán)境和操作情形的模擬仿真，可以使學(xué)生對鉆井這一項(xiàng)目有更切實(shí)的認(rèn)識，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，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)場可以更好地避免不安全、不確定危險的發(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，我們對實(shí)驗(yàn)課程不斷探索，對原有實(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)流能力測試實(shí)驗(yàn)。壓裂導(dǎo)流能力測試實(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通道壓裂裂縫導(dǎo)流能力的影響。為了檢測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。對于采液指數(shù)較高的油井,水平管路壓降預(yù)測準(zhǔn)確與否,將會顯著影響油井產(chǎn)量的預(yù)測結(jié)果[9]。多相管流模型的基礎(chǔ)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(yè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生可以體會到當(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)的知識進(jìn)行實(shí)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(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及最新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對一些理論進(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