石油工程巖石力學課程實驗教學綜合設計探索

譚強

［摘 要］實驗教學是石油工程巖石力學課程教學中必不可少的重要環節，但傳統實驗教學目前在實驗內容和教學方法上存在前沿性不足、實踐性不足和創新性不足等問題。為了進一步優化巖石力學課程實驗教學的效果，建議以石油工程中典型的巖石力學問題為主線，引導學生對實驗進行綜合設計。作者以油氣鉆井工程中的井壁穩定問題為例，組織學生將相關的地層巖心力學特性實驗、地應力實驗和鉆井液對地層巖心的影響實驗進行綜合設計，以班級為單位分組完成相關實驗，將獲得的實驗數據用于實際工程問題分析。這種與工程問題緊密結合的綜合實驗有助于調動學生的主觀能動性和提高其解決實際問題的能力，優化巖石力學課程實驗教學效果。

［關鍵詞］巖石力學；石油工程；實驗教學；實驗設計

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）11-0061-04

巖石力學是一門研究巖石受到外界力的作用時其應力應變規律和自身是否發生破壞的科學，屬于固體力學的分支。在本科教育階段，巖石力學課程主要講授巖石在載荷、流體、溫度等外在因素發生變化時的變形和破壞特性及其在工程中的應用，是一門實踐性較強的課程。巖石力學在礦山開采、古跡保護、水利水電、路橋建設、石油鉆采等領域均可發揮重要作用。對石油工程專業的本科生來說，巖石力學課程既是前面理論力學、材料力學、地質學等課程的延伸，同時又有助于后續鉆井工程、采油工程和油藏工程等課程的學習。

開展實驗教學是工程科學最基本的教學手段之一，在教學中至關重要[1]。在巖石力學課程教學中，通過實驗教學能夠鍛煉學生的動手能力，讓學生直觀地了解巖石的物理特性與力學特性，學習相關參數的分析方法，加強巖石力學理論與實踐的結合。開展實驗教學不僅是為了加深學生對巖石力學基礎理論的理解，更重要的是為了加強學生對理論知識的拓展應用能力。因此，在工科專業的專業課講授過程中，實驗教學是必不可少的環節，而且實驗設計得合理與否影響到課程教學效果。

一、石油工程巖石力學課程開展實驗教學的目的

在石油工程巖石力學課程中開展實驗教學的目的主要是讓學生直觀地了解巖石的性質，鍛煉動手能力，培養創新思維，將理論知識與實踐緊密結合起來，學習和鞏固巖石力學的相關知識。具體來說，其目的主要有以下幾點。

其一，直觀地了解巖石的物理特性和力學特性。石油工程巖石力學課程的研究對象是深埋于地下的各類巖石，學生僅僅通過課堂講授和理論學習難以真正理解與掌握課程中的某些概念。因此需要借助巖石力學實驗，讓學生得以直接觀察不同巖性的巖樣，對巖石物理性質產生感性認識；通過對巖石力學參數的測量分析，使學生獲得對巖石物理參數與力學參數關系的基本認識。

其二，培養學生的動手能力和創新思維。在國內外高等教育中，很多高校都把實驗室建設和實驗教學作為推動創新的重要工作[2]，同時也是培養學生動手能力和實踐技能的重要手段[3]。在實驗教學開展過程中應盡量保證學生能夠親自進行實驗操作，并鼓勵學生進行實驗設計，培養學生的創新思維。

其三，通過理論聯系實際，加深學生對所學知識的理解和掌握。實驗教學是引導學生將書本上的理論知識與實際相聯系的重要機會，這里的“實際”不僅指實驗本身，還指與實驗內容有關的工程問題。實驗教學能夠成為連接已學理論知識和石油工程現場實踐的關鍵節點。

總之，巖石力學課程實驗教學是讓學生全面掌握巖石力學知識的重要環節，但想達到上述教學目的，僅僅根據實驗指導書照本宣科還遠遠不夠，需要認真研究目前實驗教學中存在的問題，并對實驗進行有針對性的設計。

二、石油工程巖石力學課程實驗教學中存在的主要問題

目前工科實驗教學中仍存在一些問題，較普遍的問題是教學內容先進性不夠以及教學模式和考核方式過于單一等[4-5]。與之相似，石油工程巖石力學課程實驗教學存在的問題主要體現在以下三個方面。

其一，實驗教學內容陳舊，前沿性不足。巖石力學相關理論和技術的發展日新月異，如何把新的理論技術及時引入實驗教學是一項重要課題。以巖石力學參數的求取和強度準則的確定為例，目前實驗教學大都仍以均質各向同性力學參數的分析為主，對于強度準則的應用一般也只要求通過實驗數據分析莫爾—庫侖強度準則中的相關參數，對于巖石的不連續性、各向異性等特點均未體現，這就使學生在做實驗和數據分析的過程中無法鞏固這部分理論知識。

其二，實驗教學內容與工程實際結合較少，實踐性不足。工科實驗教學是促進理論知識相互關聯加強的重要環節[6]，但目前的巖石力學課程實驗教學一般僅針對巖石物理特性或力學特性及相關理論，未延伸到工程實際應用。對于石油工程巖石力學課程來說，實驗教學應當與工程緊密結合，通過實驗加深學生對巖石力學理論在工程中應用的理解和掌握。

其三，實驗教學開展的方法和手段單一，創新性不足。先進的教學方法和新穎的教學手段有助于提高學生學習積極性，巖石力學課程實驗教學目前的實施辦法主要還是教師講授實驗原理、演示實驗過程，學生被動接收知識、重復實驗過程。受實驗設備數量和使用時間的限制，在實驗過程中學生的參與性明顯不足，這就有悖于以學生為中心的教學理念，也不利于學生掌握相關知識。

三、石油工程巖石力學課程實驗教學的綜合設計

為了解決石油工程巖石力學課程實驗教學中存在的問題，達到實驗教學的目標，筆者針對石油工程巖石力學課程的特點，對實驗教學內容進行了綜合設計。以油氣鉆井工程中典型的巖石力學問題“井壁穩定性分析”為例，該問題涉及巖石力學課程中的“巖石的力學特性”“地應力大小及方向”“井眼周圍應力分布的”“巖石的強度準則”等理論知識，同時還與鉆井液對地層的侵入作用等工程因素有關。傳統的實驗教學中，與井壁穩定相關的實驗，如巖心單軸三軸抗壓強度實驗、聲發射Kaiser效應確定地應力實驗、巖心抗拉強度實驗等，大都是分別單獨進行的，而且不涉及鉆井液與巖心的相互作用。對于巖心的抗壓強度實驗，一般也遵循均質各向同性假設，未考慮巖石的各向異性，而這些因素往往是工程實踐需要關注的。

因此，在巖石力學實驗教學中，筆者將與井壁穩定性有關的實驗進行綜合設計。首先明確實驗教學的目標，即通過實驗、結合理論知識分析典型地層鉆井過程的井壁穩定性。圍繞這一目標，堅持以學生為中心和以問題為導向，提高學生的自主性，引導學生在達到實驗要求的基礎上自行設計或改進部分實驗并利用相關數據解決工程實踐問題。

（一）巖心抗壓強度實驗設計

開展巖心力學實驗的目的是獲得特定地層的強度、彈性模量、泊松比等力學參數，為井壁穩定性分析提供基礎數據。筆者在實驗設計中鼓勵學生根據課程相關理論知識，針對不同巖心設計不同的力學實驗程序。對于常規巖心，假設為各向同性介質，可以通過開展不同圍壓下的抗壓強度實驗，獲取巖心抗壓強度隨圍壓變化的規律，利用莫爾—庫侖強度準則計算巖心的黏聚力和內摩擦角。針對同一井深的巖心，可以設計在等差升高的三種圍壓下的抗壓強度實驗。常規巖心抗壓強度實驗設計如表1所示。

對于層理、裂縫發育的具有各向異性特性的巖心，考慮巖心的特點，設計在與層理面法線成不同角度的方向上鉆取巖心后進行抗壓強度實驗，取心示意圖如圖1所示。

各向異性巖心抗壓強度實驗設計如表2所示。通過與層理面法線成不同角度的方向上鉆取巖心后進行抗壓強度實驗，根據包含弱面的強度準則分析巖心整體強度參數和弱面強度參數，用于井壁穩定性計算。

（二）地應力實驗設計

直接確定地應力大小的方法有兩類，分別是現場測試法和室內實驗法。在室內實驗中，可以通過差應變實驗或聲發射Kaiser效應實驗確定地應力大小[7]。由于差應變實驗過程較為復雜，對巖樣要求比較高，因此大都采用聲發射Kaiser效應實驗進行地應力大小分析。開展該實驗需要在原始地層巖心的基礎上進行定向取心，取心要求見圖2。在巖樣垂直方向鉆取1塊巖心，標記為“V”，在水平方向鉆取3塊巖心，標記為“0”“45”“90”。對鉆取的巖心分別進行重復加載實驗，同時監測加載過程中的聲發射信號變化情況。在聲發射信號曲線上識別突變點（Kaiser效應點），認為對應的壓應力即為巖心在地層條件下受到的有效壓應力。為了保證Kaiser效應點在巖心破壞前出現，對于較深的巖心還需要施加圍壓。利用聲發射Kaiser效應評價地應力大小的理想情況是在不同深度、多個井段鉆取符合要求的巖心，根據實驗原理和取心情況所進行的地應力實驗設計如表3所示。

通過實驗識別出Kaiser效應點對應的應力后，可以通過應力變換獲得井下條件下的三向主應力大小[8]，為井壁穩定性分析提供基礎參數。

（三）鉆井液影響因素實驗設計

鉆井中井眼鉆開后，井壁巖石因受鉆井液浸泡而強度下降，將對井壁穩定性產生較大影響。為了描述鉆井液對地層強度的影響規律，設計進行鉆井液浸泡巖心一定時間后的抗壓強度實驗，主要是為了確定巖心吸水規律和力學參數在被鉆井液浸泡不同時間后的變化規律，實驗設計見表4。利用鉆井液浸泡后的強度實驗結果，擬合得出巖心抗壓強度隨吸水率和浸泡時間的變化規律，可以用于井眼鉆開一段時間后的井壁穩定性分析。

筆者通過設計巖心抗壓強度實驗、地應力實驗和鉆井液對巖心的影響實驗，以井壁穩定性分析中的相關要素為主線，完成與石油工程巖石力學課程綜合實驗設計。由于綜合實驗整體工作量較大，因此建議以班級為單位組織學生分工合作，利用4至6個實驗學時完成實驗。同時也鼓勵學生在實驗和數據分析過程中發現問題，不拘泥于課本知識和實驗框架，補充必要的相關實驗，提高學生在實驗課程中的自主性、創新能力和實踐能力。

四、結語

實驗教學是石油工程巖石力學課程教學中必不可少的重要環節，開展巖石力學實驗能夠讓學生鍛煉動手能力、加深理解理論知識以及加強理論與實際的聯系。如何進一步提高石油工程巖石力學課程實驗教學的前沿性、創新性和實踐性仍是目前需要解決的問題。建議以石油工程中的一些典型工程問題為主線，引導學生以班級為單位進行綜合實驗設計。以油氣井工程中的井壁穩定問題為例，將相關的巖心抗壓強度實驗、地應力實驗和鉆井液對巖石的影響等實驗進行綜合設計，鼓勵學生通過在不同實驗中的協作與數據共享解決工程中的具體問題。開展與工程實際問題緊密結合的綜合實驗，有助于調動學生的主觀能動性和提高其解決實際問題的能力，優化巖石力學課程實驗教學效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 吳姜.巖石力學實驗教學改革探討[J].長春教育學院學報，2012（8）：102-103.

[2］ 侯冰，陳冬.國外高校如何提高巖石力學研究生實驗裝置的研發能力[J].實驗技術與管理，2017（9）：268-271.

[3］ 鄢朝勇，葉建軍，朱錄濤.提高教學型高校工科大學生的實驗動手及創新能力的對策研究[J].教育教學論壇，2013（44）：9-10.

[4］ 尚偉，溫玉清，姜吉瓊，等.高校工科類專業課實驗教學存在的問題與探討[J].高校實驗室工作研究，2014（4）：95-96.

[5］ 李春紅，李春艷.淺談工科專業實驗教學課堂中存在的問題和解決策略[J].科技視界，2013（26）：130，134.

[6］ 隋秀香.工科院校流體力學實驗教學內容和方法的實踐探索：以中國石油大學（北京）流體力學實驗室為例[J].教育教學論壇，2020（20）：378-380.

[7］ 周文，閆長輝，王世澤，等.油氣藏現今地應力場評價方法及應用[M].北京：地質出版社，2007.

[8］ 陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學基礎[M].北京：石油工業出版社，2017.

［責任編輯：龐丹丹］