一流學科背景下石油與天然氣工程實驗室建設與管理

王 琨，呂棟梁，盧 聰，王其軍，方全堂

（西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500）

石油與天然氣工程是油氣工業領域進行油氣鉆、采、儲、輸等工程的一門技術學科。西南石油大學石油與天然氣工程實驗中心依托石油與天然氣工程國家重點一級學科和油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，建有石油天然氣工程國家實驗教學示范中心和國家油氣開發虛擬仿真中心，是學科重要的教學科研基地，也是創新型人才培養和開展科學研究的強有力支撐。“十三五”以來，我校石油與天然氣工程學科承擔國家科技重大專項油氣開發專項項目、課題（專題）項目86 項，國家自然科學基金各類項目43 項。實驗中心不僅是我校石油與天然氣工程學科承擔高水平科研項目，產生高水平科研成果，提升科學研究水平的重要基地，也是培養拔尖創新人才的基本場所。石油與天然氣工程實驗中心承擔校內十余個本科專業64門課程的實驗教學工作，共計開出24 項演示和操作性的驗證型實驗項目、51 項自主開發性的綜合型實驗項目和1 項設計創新型實驗項目，年均承擔本科畢業設計、第二課堂、開放實驗等超過25 萬人時數。

1 加強實驗室內涵建設，增強石油與天然氣工程一流學科建設的硬實力

實現石油與天然氣工程一流學科的建設目標，應從健全實驗室制度、強化實驗隊伍建設和完善實驗室條件3 個方面來加強實驗室內涵建設。

1.1 健全實驗室制度

石油與天然氣工程實驗室是一個設備密集、人員密集、技術密集、各類安全隱患密集、人員流動性大的場所，特別需要各種制度來規范行為、協調關系，保證實驗室、實驗設備按照規章正常使用。實驗室制度是確保實驗室正常工作和有效完成工作目標必須遵循的工作規范和行為準則[1]，它不僅僅包括實驗室的日常維護管理，還包括實驗室的體制管理、人員管理、儀器設備管理、安全管理、學生守則、檔案管理、信息整理上報以及相關規范要求[2]。

我校現行實驗室制度涵蓋實驗室建設與管理、大型儀器設備管理、設備及物資管理、工作人員管理、環境與安全管理、信息和檔案管理6 個方面，這些制度的建立使學校實驗室的建設與管理工作步入制度化、規范化的軌道。但隨著高等教育的快速發展和管理方式的不斷變化，部分制度變得不夠完善，不同規章制度之間缺乏關聯性、系統性和統一性，難以保證實驗室安全、規范、高效運轉。學校應該高度重視、統籌推進實驗室制度建設，不斷健全和修訂與人才培養、科學發展相適應的實驗室人員管理、設備管理、安全管理、實驗標準管理等制度，提高管理效能，更好地推進石油與天然氣工程一流學科建設。

1.2 強化實驗室隊伍建設

實驗室隊伍作為實驗室的建設者和管理者、實驗教學和科研的承擔者，在人才培養、科技創新以及提高學科整體競爭力等方面具有不可替代的作用[3]。實驗室隊伍的綜合素質和穩定情況，決定著實驗室工作水平的高低，直接影響著儀器設備的使用效益，影響到實驗教學與科研工作的質量與效果，是實驗室實現可持續發展的關鍵因素。

長期以來，“實驗教學從屬于理論教學”的舊觀念使得我校石油與天然氣工程中心實驗室人員的地位和作用得不到重視，實驗室隊伍建設跟不上教師隊伍的發展和實驗儀器設備的更新，現有實驗室人員從數量、結構和能力、水平上都與 “一流學科”的建設要求有較大差距。我們必須轉變觀念，解放思想，大力推進實驗教學改革、實驗創新和科學研究，完善實驗室隊伍定期培訓機制，努力建成一支教學實驗保障有力、科研實驗和技術開發能力強、儀器設備使用管理良好、素質高、結構合理、人員穩定的實驗室隊伍，使實驗室隊伍真正成為石油與天然氣工程“一流學科”建設的重要力量。

1.3 持續更新實驗室裝備和完善實驗環境

做實驗要求科學性、客觀性和真實性，除應具有科學的實驗方法、高素質的實驗人員和符合規范的實驗材料外，更重要的是儀器設備和保障儀器設備正常運行的良好環境[4]。

實驗設備是開展實驗測量必不可少的工具，隨著科學研究的深入，測量對象越來越復雜，對設備的要求和依賴程度也越來越高，石油與天然氣工程每一項重大科研成果的背后都離不開高精尖儀器設備的支持。學校不僅要投入經費更新設備，還要投入經費鼓勵對儀器設備功能的再開發，更要支持教師和實驗人員根據研究方向和學科前沿自主研發特色實驗設備。

良好的實驗環境是保障實驗人員健康、實驗室安全及實驗室正常有序運行的客觀要求[5]。石油與天然氣工程學科是一門綜合性很強的學科，為模擬地下幾千米的真實條件，在進行實驗研究的過程中經常開展高溫、高壓實驗，實驗中還會用到大量鹽酸等危險化學品和甲烷等易燃易爆氣體，這給實驗室環境條件建設提出了較高要求，必須不斷完善實驗室安全報警、通風、專用高壓供氣管道和危廢回收等設施和系統的建設，以保障實驗的順利開展和人員、設備的安全。

2 提高實驗室管理水平，助力石油與天然氣工程一流學科高效建設

我校石油與天然氣工程實驗中心現有專職實驗工作人員34 名，教學科研設備4470 臺套，價值22 874.8萬元，實驗室258 間、總面積21 193 m2。這些人員和設備既要承擔石油與天然氣工程學科2520 名本科生和1867 名碩士、博士研究生的實驗教學任務，還要承擔年均1.7 億元科研經費的相關實驗測試任務，實驗室管理任務非常繁重。如何優化現有資源，改進管理辦法，提高實驗室利用效率，有效發揮實驗室功能，以更好地推動石油與天然氣工程一流學科建設，是我們必須解決好的問題。

2.1 科學合理規劃，提高實驗室資源利用率

我校石油與天然氣工程實驗中心分為教學實驗平臺、科研實驗平臺和公共服務平臺三個板塊（見圖1）。教學實驗平臺主要是配合課堂教學開展的演示、驗證、綜合性和創新性實驗；公共服務平臺主要面向校內外開展巖石力學、儲層微觀和流體性質等方面的測試服務，這兩部分都由學院統一規劃。科研實驗平臺則按照學科方向由各科研團隊自主建立的專業科研實驗室組成。科研實驗室的設備一般由科研團隊根據項目研究需要購置且由團隊獨立使用，項目結束后部分設備長期處于閑置狀態，造成設備重復購置且利用率低、資源浪費的現象，同時還會占用大量的實驗空間。

針對目前我校石油與天然氣工程實驗室數量多、功能種類復雜的實際情況，必須合理規劃各專業方向設備購置需求，減少重復性購置，整合現有閑置資源，以提高各類實驗室資源的利用率，更好地發揮實驗室在一流學科建設中的地位和作用。

圖1 石油與天然氣工程實驗中心結構圖

2.2 定期維護保養，延長儀器設備生命周期

儀器設備的生命周期大體分為4 個階段：準備期、采購期、使用期和處置期[6]。從歷年的情況來看，我們一般比較重視準備期和采購期的可行性研究、設備選型、招投標、談判簽訂合同和驗收試運行等環節，而在儀器設備購置后的使用期和處置期就疏于管理，存在重購置、輕使用、輕維護的現象，大大降低了大型儀器設備的使用效益和生命周期。

對儀器設備進行定期維護保養與我們定期體檢一樣重要，只有定期進行校驗、維護和保養才能對儀器設備的小問題做到早發現、早解決、早排除，才能提高設備的使用率和完好率，避免出現因嚴重故障造成的維修費用高、失去維修價值甚至發生安全事故的情況，從而延長儀器設備的生命周期。

此外，我們還應該成立專門的實驗室維修工作室，負責保修期過后的設備維修、研究廢舊設備的拆裝和回收利用一些零舊部件，這樣既可為學校節約一些資金，又可變廢為寶，實現破舊資源的重生和再利用[7]。

2.3 以人為本，創新人事體制機制，充分激發實驗室隊伍積極性和創造性

國內高校普遍把實驗室隊伍劃為教輔人員，實驗技術人員地位低、待遇差，在職稱評定、考核獎勵、科研立項、基金申請等方面缺乏支持和幫助，很難有成就感和獲得感，容易造成工作積極性不高、創造力不足的現象，嚴重影響和制約了高校的人才培養質量和科學研究水平。

近年來，石油與天然氣工程實驗中心堅持以人為本，以調動實驗技術人員的積極性和創造性為出發點，不斷改進工作思路，積極探索管人用人機制：

（1）倡導實驗室技術人員走出校門，積極參加培訓、交流、參觀實驗設備和成果展覽，學習國內高校關于實驗室教育教學改革的先進理念和發展動態以及生產廠家、企事業單位關于大型儀器設備的前沿技術，開闊中心人員的眼界和視野，促進對實驗新技術、新方法的了解和掌握。近2 年，中心人員參加由中國高等教育學會、中國石油學會、四川省高校實驗室工作研究會、國家認證認可管理委員會等機構組織的關于示范中心建設、虛擬仿真項目建設和相關專項培訓等共62 人次。

（2）鼓勵實驗技術人員積極參加科研活動和指導大學生課外科技活動，定期開展實驗技術立項與成果評獎，支持中心人員探討研究新技術、新方法，提高教學科研實驗水平，提高二次開發設備和自主研發特色設備的能力。中心自主研發的“適應現代石油工程實踐教學的鉆井模擬系統”和“酸壓裂縫導流能力測試系統”獲高等學校自制實驗教學儀器設備大賽一等獎，“自支撐裂縫測試分析裝置”等儀器獲5 項二、三等獎，讓實驗技術人員找到了成就感和獲得感，大大激發了中心人員投身實驗技術創新的積極性和主動性。

（3）注重人文關懷，充分發揮中心黨支部和工會的作用，既有政治上的關心，也有生活中的幫助和精神上的鼓勵，積極為大家辦實事，辦好事，增強了大家的歸屬感和認同感。

2.4 明確職責，強化實驗室環境維護和安全管理

實驗室管理著各種儀器設備、多種危險化學品和易燃易爆品，如果操作不當，極易引起人員傷害、財產損失事故，并對環境造成一定的危害。在有關實驗室質量管理的國際和國內標準中，實驗室環境建設和安全管理都被列為重要條目[8-11]，必須遵照執行。

隨著學校新校區的持續建設和完善，我院實驗室面積逐年增加，出現了實驗室不集中、功能分區不明顯的現象。為解決實驗室環境維護和安全管理工作量大、人手不夠的狀況，學院牢固樹立“安全第一、預防為主、綜合治理的原則”，加強對實驗室環境維護和安全管理的組織領導，實行學院安全領導小組、樓層安全聯絡員和實驗室安全責任人三級安全管理體系，明確和細化各級管理職責，堅持實驗室安全責任人自查、樓層安全聯絡員定期巡查、學院不定期抽查的立體化實驗室環境維護與安全檢查制度。要求實驗室安全責任人規范管理和使用所負責房間的危險化學品、易燃易爆品、高溫高壓等特種設備，做到心中有數；要求樓層安全聯絡員對指定樓層堅持兩周一次的巡查，收集和反饋巡查中發現的問題，督促實驗室安全責任人及時整改；學院安全領導小組負責制定相關制度和組織師生安全培訓，并進行不定期的抽查。

2.5 資源共享，推進實驗室管理信息化建設

實驗室信息化管理就是通過一套信息化平臺把學校各類實驗室信息資源集中起來進行有序管理，實現數據共享和資源的高效利用[12]。學校已分階段逐步建成了7 個功能不同的實驗室信息化管理平臺，初步實現了實驗教學安排、設備采購管理、大型設備實驗預約等信息化管理，但由于缺乏對實驗室信息化管理的總體規劃，導致各系統相互獨立，數據無法共享，系統內實驗信息資源少，信息化管理提升實驗室運行效率的作用不明顯。

基于學校實驗室管理平臺的現狀和石油與天然氣工程一流學科人才培養的迫切需要，應加大實驗課件、仿真實驗項目的開發，并依托現有實驗室信息化管理平臺構建一個跨實驗室、跨學科的網上共享實驗平臺，讓學生在課外利用手機上網訪問實驗室信息化平臺，熟悉實驗設備、理解實驗原理、拓展相關知識，從而激發學生參與實驗的熱情和自主創新的意識。

3 提高實驗室建設和管理在推進石油與天然氣工程一流學科建設中取得的成效

3.1 形成“分層次、模塊化、重基礎、強能力”的實驗教學體系，促進了人才培養質量的提高

石油與天然工程實驗中心一直以提高學生工程實踐能力和工程素質為主線，按由淺入深、由基礎到綜合的認知規律，構建適應大學生工程實踐能力和創新能力培養的分層次的實驗教學體系和教學方法。對于不同層次學生的能力培養采用與之相適應的教學方法：對低年級段的基礎實驗和綜合實驗采用認知實驗教學法、啟發式實驗教學法；實踐訓練階段采用虛擬仿真實驗教學法；創新訓練階段采用研究式、目標驅動式實驗教學法，從而達到最佳的實驗教學效果。本著以學生為本，知識傳授、能力培養、素質提高協調發展的教育理念，在實驗教學過程中，始終堅持“循序漸進、逐步提高、分層培養、注重個性”的實驗教學觀，不斷調整和優化實驗教學內容和方法。經過多年的建設，逐漸形成了“分層次、模塊化、重基礎、強能力”的實驗教學體系（見圖2）。

圖2 石油與天然氣工程實驗中心教學體系示意圖

該體系切實注重實驗教學與理論教學結合、基本技能與創新能力培養結合、課內與課外相結合的“三結合”原則，依托課程設計創新實驗、課外二課實驗和開發實驗等項目提高學生的工程能力、創新能力和綜合素質。以2018 年為例，學院本科生和研究生獲得各類國家級、省級獎勵共計186 項，其中：中國石油工程設計大賽國家級一等獎10 項、國家級大學生油氣儲運工程設計大賽國家級一等獎2 項、2018“創青春”浙大雙創杯全國大學生創業比賽第十一屆“挑戰杯”大學生創業計劃競賽國家級銅獎1 項、2018 年“創青春”四川省大學生創新創業大賽省級金獎1 項等。

3.2 形成“工程需求引導、創新開發實驗”的科研模式，提高了科學研究水平

石油與天然氣工程既是一門工程實踐性強的學科，也是一門創新性強的學科。既需要學生掌握扎實的基礎知識，又需要創新實現理論和工程技術的突破。實驗流程的標準化是實驗安全和滿足實驗結果可靠性的保障，但石油工程的綜合性和地層的復雜性會使得油氣藏的勘探開發面臨更多的技術難題，而在攻克這些技術難題時，通過標準化實驗無法滿足技術研究的需求，這就需要以工程技術為引導，創新性地開發實驗裝置、優化設計實驗流程。我校石油與天然氣工程實驗室依托油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室基礎教學與研究平臺及科研團隊，建立了以工程需求為引導、平臺標準化實驗為基礎、科研團隊自主開發、實驗結果可解決工程技術難題的實驗科學研究模式，大大提高了科學研究水平；同時，建立的科研實驗平臺還可通過模塊化處理，形成教學與科研共享平臺，反哺教學。

以獲得全國高校教師教學創新大賽——高等學校自制實驗教學儀器設備創新大賽一等獎的“酸壓裂縫導流能力測試系統”為例，導流能力既是石油工程專業核心課程《采油工程》的核心教學知識點，又是壓裂酸化工程設計中不可缺少的參數。但一直以來，無論是理論教學還是工程設計，都是采用美國石油學會（API）推薦的針對碎屑巖水力壓裂的支撐裂縫導流能力測試方法獲取導流能力值。該方法不能模擬復雜碳酸鹽巖油氣藏酸壓裂縫形成過程，更無法解決其導流能力測試中面臨的諸如非達西效應、小尺度射流、裂縫面粗糙等技術難題。我校儲層增產改造創新團隊針對工程技術需求提出的這些問題，提出了開發酸巖刻蝕模塊、優化設計新導流室、建立酸壓導流能力測試計算模型、開發三維激光掃描成像系統表征粗糙刻蝕裂縫面等系列解決方案，建立了酸壓裂縫導流能力測試系統，為碳酸鹽巖酸壓裂縫導流能力獲取及酸壓工程設計提供了有力支撐，在解決我國深層復雜碳酸鹽巖油氣藏的高效酸壓中發揮了重要作用。同時，該團隊還創新性地將該套測試系統模塊化處理，以滿足實驗教學要求，分別開設了“支撐裂縫導流能力測試”“酸刻蝕裂縫導流能力測試”“酸刻蝕裂縫表面形態表征”“酸液對巖石表面刻蝕模擬”等4 門課堂基礎實驗和校級開放性實驗，既豐富了理論教學的立體層次感，又鍛煉了學生解決實際油氣藏工程問題的能力。酸刻蝕裂縫導流能力測試系統解決方案見圖3。通過創新開發實驗促進科學研究，科研成果又反哺教學，形成了教學與科研相長，既提高了人才培養質量，又提高了科學研究水平。

通過實驗室共享平臺的建立，“十三五”以來，實驗室在一批國家和省部級項目的支持下，成果獲國家科技進步一等獎2 項、技術發明二等獎2 項；省部級科學技術獎72 項，其中特等獎1 項、一等獎17 項、二等獎27 項；授權發明專利374 件；發表SCI 論文755 篇，出版專著24 部。這些成果為我國深層油氣藏、致密油氣藏的高效開發提供了重要的理論和技術支撐，特別是“深層超深層油氣藏壓裂酸化高效改造理論與技術”入選我國2016 年國家自然科學基金委十大基礎研究成果。

圖3 酸刻蝕裂縫導流能力測試系統解決方案

4 結語

油氣工業是支撐我國國民經濟發展的重要戰略資源行業，石油與天然氣工程作為油氣行業高級專業技術人才培養的主要學科，建成世界一流學科對中國經濟發展具有重要意義。因此，瞄準國際油氣工業發展態勢和我國油氣能源的重大需求，不斷加強石油與天然氣工程實驗室內涵建設、持續提升實驗室管理水平是石油與天然氣工程一流學科建設的必經之路，也是建成世界一流學科的重要保障。