基于油田現場工程案例的教學模式改革

郭旭洋

摘 要 本科生“石油工程巖石力學基礎”課程是石油工程專業的一門重要專業課，講授的理論知識對于石油工業中水力壓裂、井壁穩定等關鍵工程問題十分重要。已有的教學方法以理論結合演示實驗為主。中國石油大學（北京）克拉瑪依校區與油田生產一線高度結合、服務國家能源戰略需求，應屆畢業生中奔赴新疆石油石化一線的比例很高，這對學校培養工程應用型人才提出更高要求。因此，中國石油大學（北京）克拉瑪依校區在開設本課程時，除了利用好已有教學方法，還需要針對性開展油田一線工程案例教學，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力。

關鍵詞 石油工程;巖石力學;應用型人才

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.31.036

Teaching Mode Reform Based on Oilfield Field Engineering Cases

——Taking the undergraduate course "Fundamentals of rock mechanics in petroleum engineering" as an example

GUO Xuyang

（School of Petroleum， China University of Petroleum-Beijing at Karamay， Karamay， Xinjiang 834000;

School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102200）

Abstract Petroleum engineering related rock mechanics is a core course for undergraduate students in the major of petroleum engineering. Contents in the course are important for engineering problems such as hydraulic fracturing and wellbore stability in the oil and gas industry. Previous teaching methods are based on the combination of theory and lab. China University of Petroleum – Beijing at Karamay has close ties with the oilfield and serves for the energy policies of the country. Many graduates choose to work in the frontline of petroleum and petrochemical industries in Xinjiang. This asks for higher standards in for the university to improve the students' capabilities of using theories to solve engineering problems. Therefore， in addition to using existing teaching methods， it is necessary to use engineering data from the field to improve students' ability of solving problems. Keywords Petroleum engineering; rock mechanics; applied talents

巖石力學是研究巖石的力學行為相關理論及其應用的一門學科。本科生“石油工程巖石力學基礎”作為中國石油大學（北京）克拉瑪依校區石油工程專業本科生培養方案中的一門重要課程，講授油氣鉆采過程中的巖石變形、破裂、多孔介質彈性力學、地應力、實驗方法及井壁穩定、水力壓裂、油氣井出砂等理論和工程應用內容，與石油行業上游的關聯緊密，理論性和應用型較強。

中國石油大學（北京）與中國石油大學（北京）克拉瑪依校區為“一校兩地”關系，分別位于北京市和新疆維吾爾自治區克拉瑪依市。克拉瑪依市是我國重要的石油石化產業基地，克拉瑪依校區毗鄰新中國成立后發現的第一個大油田新疆油田，緊密結合油田一線生產需求，服務“一帶一路”建設、能源戰略和區域經濟。[1]這就對克拉瑪依校區本科石油工程巖石力學授課提出了新的挑戰：除了重點講授相關巖石力學理論知識外，還需要讓學生切實理解相關理論知識在現場的工程應用，做到進入油田現場后能迅速利用所學知識解決工程問題，保障一線油氣開發的正常進行。[2]這對克拉瑪依校區石油工程專業的工程應用型人才培養提出了更高的要求。在工科院校開展工程教育專業認證的大環境下，除了進一步完善已有的教學方案，還需要注重進一步培養學生的實踐能力和工程應用能力。[3，4]由于克拉瑪依校區依托新疆油田具有得天獨厚的工程實踐優勢，因此，在開展本科生教學時，應當適當引入油田生產案例，并結合圖片、動畫、視頻、油田一線技術人員親自講解等形式，加強學生對巖石力學在工程實踐中應用的認識，培養學生理論結合實際的能力。

1 教學現狀及教改可行性

目前，中國石油大學（北京）克拉瑪依校區本科“石油工程巖石力學基礎”課程的教學任務由中國石油大學（北京）與中國石油大學（北京）克拉瑪依校區共同承擔，主要圍繞石油工程專業相關的巖石力學性質與變形特征、強度理論、巖石中流體壓力和流動、油田地應力和井壁圍巖應力、井壁穩定、水力壓裂和油氣井出砂等內容開展教學。課程為2學分、28個理論學時和4個實驗學時。其中實驗學時在校內教學實驗室開展，主要實驗內容為巖石變形和破裂，為學生直觀展示巖心在外界載荷作用下的由變形到破裂的過程。

目前，本課程的教學目標主要是要求學生在知識層面理解巖石力學的主要理論與概念，掌握巖石變形與破壞的基本方程，理解巖石結構特點和掌握地應力狀態等，掌握應力-應變曲線確定方法及蠕變模型，掌握巖石破壞準則。在能力與素質層面，能夠依據巖石力學基礎理論知識，確定地應力大小和方向，并具備直井坍塌壓力、破裂壓力的計算分析能力，并且能夠初步分析水力壓裂施工過程中的巖石力學參數，能夠預測出砂可能性、確定臨界生產壓差。這些教學目標與石油工程專業的相關培養目標高度契合。

理論教學結合實驗教學的方式對增加學生對知識的理解十分有效，但是，結合克拉瑪依校區人才培養目標的實際要求和服務西部能源戰略的要求，這種教學方法在增加學生對油田現場實際生產狀況的理解方面仍有提高空間。因此，需要針對性地改革教學模式和教學內容，引入油田工程案例，加強應用性培養，加強與石油石化產業的結合，提高教學方法對克拉瑪依校區實際情況的適應性。

中國石油大學（北京）克拉瑪依校區石油工程專業培養方案中包含了大量與中國石油新疆油田合作的培養內容，包括學校導師和油田專家合作指導本科生畢業設計、在油田現場開展暑期實習、油田專家承擔部分實踐性較強的教學內容等。此外，學校具有的一大獨特優勢是地理位置緊鄰油田一線生產單位和科研單位，可以滿足與一線技術工人和專家日常交流的需求。基于前期與一線生產、科研人員的合作教學基礎，在本科生“石油工程巖石力學基礎”課程中引入油田現場工程案例提高教學質量具有較好的可行性。

2 教學模式改革內容

教學改革內容主要包含教學方式和考核方式兩方面。

為了克服疫情對教學造成的不利影響，很多課程通過電腦和手機軟件建立了課程群。利用該方法，通過建立課程群，每次授課前在群內上傳簡明的知識點預習內容，并通過視頻、文檔等形式上傳具有工程實際意義的示意性例子，尤其注重利用可視化程度高、視覺表現力好的資料，提升學生對如破裂、壓裂、鉆井井壁穩定等問題的興趣。

進入授課階段時，需要根據每個學時的內容，合理設置是否加入工程實踐內容。例如，對于巖石本構和失穩準則等理論性極強的內容，不應過多加入工程實踐內容，而應當注重讓學生牢固掌握基礎理論知識與專業概念。而對于例如井壁穩定、水力壓裂和油氣井出砂等工程性、應用性較強的內容，則應當在講解概念和理論知識的同時，合理插入工程實踐內容，提高學生的興趣，鼓勵學生主動提出問題。

在講授水力壓裂這一章內容時，可以首先向學生明確改知識點的重要性，水力壓裂技術的成功商業化是近十余年來北美頁巖油氣革命成果的關鍵，也是我國近年來油氣增產的關鍵技術手段之一。結合新疆油田幾年來針對低滲透油藏開展的大規模、商業化水力壓裂實踐，選取脫敏后的單口井力學實驗、壓裂和生產數據，適當、合理地針對本科生進行簡化后向學生講解。在石油工程巖石力學中，評價地下儲層巖石的力學性質是開展水力壓裂設計與施工的必要先決條件，而三軸壓縮實驗不僅是評價巖石力學性質的重要方法，也是石油工程巖石力學課程的重要教學內容之一。因此，首先向學生展示新疆J區塊巖心樣品從取芯到三軸壓縮實驗全過程（圖1），學生能夠在這一過程中接觸到油田一手的地質資料、地震數據、測井數據等，提升對油田一線的認識，并且初步建立巖石力學課程與石油工程專業其他專業課程的聯系。通過油田現場取芯和三軸壓縮實驗的展示，不但能夠展示油田科研一線的研究內容，也能夠幫助學生鞏固對巖石變形與破裂等理論性較強的知識點的掌握情況，讓學生對線彈性、非線彈性和剪切破裂等相關知識有更深刻的認識。在評價巖石的力學性質后，再展示油田現場的水力壓裂數據（圖2），結合動畫和壓裂現場實拍圖片與視頻，生動地向學生講解裂縫起裂、擴展、閉合等過程，引導學生運用破裂壓力和延伸壓力等概念分析現場真實數據。利用此數據，要求學生根據已學知識自主判斷地層最小主應力、閉合應力等，并預測水力壓裂效果。此時，要求學生開展分組討論，引導學生比較水力壓裂典型的理論施工曲線與實際工程案例中的曲線的異同點，初步形成工程思維。因為多數同學的現場經驗欠缺，在同學們分組討論完后，應當針對掌握情況不好的知識點開展補充講解，加強教學質量。最后，向學生展示水力壓裂結束后、油井投產的示意圖（圖3），提升學生對巖石中流體與孔隙壓力變化特征的認識。

上述工程案例教學方法不僅涵蓋了多項石油工程巖石力學課程主要的教學內容，同時也在案例中使用了小尺度（巖心，圖1）→中尺度（水力壓裂，圖2）→大尺度（油田區塊壓力，圖3）的邏輯聯系。課后，需要監督學生做好復習工作，認真完成思考題與習題，評價學生掌握情況。

在考核方式方面，以往常采用作業、平時表現和期末考試結合的方式，考察學生的聽課態度和理論掌握能力。由于本次教學改革的一個目標是提高學生對油田工程現場的認識，因此在考核方式方面加入了學生對工程實例的學習。在作業、平時表現和期末考試的基礎上，增加小論文環節，要求學生以小組為目標，搜集油田一線的巖石力學相關生產資料，通過課堂講授的知識開展應用性分析，不但提高知識掌握程度，也可初步鍛煉科研能力和團隊合作能力。

課程結束后，通過發放調查問卷、與學生談話等方式及時了解了學生對于這種教學方式的反饋。通過反饋發現，學生對于工程案例展示過程具有較強興趣，并且更傾向于通過小組互動的方式加強同學間的溝通。同時，部分同學還表示在這一學習過程中對油田一線生產更加感興趣、更愿意自主探索巖石力學前沿發展方向。

3 結束語

本文介紹了一種引入了油田現場工程時間案例的教學改革方法，從教改背景、教學目標、具體內容設計、考核方法和課后反饋等方面開展了論述。這種方法充分結合了中國石油大學（北京）克拉瑪依校區高度結合新疆油田生產一線的實際情況，也與石油工程專業培養應用型人才的模板一致。通過對高度可視化的工程一線資料進行分析，可以讓學生鞏固相關理論知識，并逐步形成利用基礎理論知識解決實際問題的能力，在畢業后能夠更快投入油氣生產。通過添加小組為單位的小論文考核環節，提高了學生自主學習、協同配合、與人溝通和基礎科技文章寫作的能力，對學生進行綜合提升。在開展教學時，由于工程一線原始數據內容復雜、干擾因素多、變量多，有些數據甚至可能涉密，不適合本科生直接接觸并處理，要注重對一線工程數據的脫敏和合理簡化，這樣才能提高教學質量、保障教學效果。最終，使得學生能夠掌握理論并形成初步解決工程問題的方法，培養應用思維，做到用理論指導工程實踐的同時也通過工程實踐鞏固對理論知識的掌握程度。

基金項目：新疆維吾爾自治區本科院校教育教學改革項目，“新工科背景下面向低油價環境的石油工程專業《巖石力學基礎》課程教學改革”

參考文獻

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