“水力壓裂理論與技術”教學分析與探索

摘"要：本文探討了“水力壓裂理論與技術”課程在石油工程專業中的教學現狀及存在的問題，并提出相應的教學改革與探索方法。“水力壓裂理論與技術”是石油工程專業的一門重要課程，對于培養學生專業知識和技能至關重要，但學生在學習過程中存在認知程度不夠、理論與實踐脫節等一些問題，影響了教學效果和學生對技術的掌握。為此，文章提出一系列教學改革與探索措施，旨在提高學生對水力壓裂技術的理解和應用能力，培養具備扎實理論基礎和實踐能力的復合型人才，為石油工程領域輸送高素質專業人才。

關鍵詞：水力壓裂理論與技術；教學分析與改革；石油工程；壓裂設計

“水力壓裂理論與技術”是石油工程專業的一門專業選修課，重點介紹了水力壓裂基本原理、工藝流程、壓裂液類型和選擇、支撐劑選擇、壓裂設計與施工及環境影響與安全措施等。通過課程學習，學生具備綜合運用水力壓裂相關知識來解決非常規油氣開發過程中關鍵問題的能力，能夠綜合考慮經濟、安全、環境等因素，制訂最佳水力壓裂方案。這是一門知識點眾多且應用性極強的專業基礎課程，如何切實增強教學成效，使學生真正掌握概念學以致用，需要教師在教學中不斷探索，嘗試新的教學方法、教學設計及對學生學習行為的指引。

1"“水力壓裂理論與技術”教學中的問題

1.1"學生認知程度不夠，對水力壓裂技術理解不深

在現代石油工程領域，水力壓裂技術是一種重要增產手段，應用廣泛。但學生對其認知不足，尤其在水力壓裂技術的理解上，主要反映為理論與實踐脫節、跨學科知識掌握不全及環境影響認知薄弱。學生在課堂上接觸到的大多是理論概念，缺少實踐經驗和案例分析，且對高壓流體注入、巖石破裂及裂縫形成［1］等復雜過程理解困難，對設計水力壓裂方案和選擇壓裂液等問題上通常只停留在表面。行業內的技術更新迅速，導致學生對新發展和新理論了解不足，知識體系難以與時俱進。

1.2"水力壓裂是現場應用類技術，與純理論教學有差距

水力壓裂技術作為一種高效的油氣田增產手段，其應用的復雜性和實操性遠勝于課堂上純理論教學，需要深厚的理論知識和豐富的實踐經驗。在實際操作中［2］，壓裂作業的前期準備、壓裂液選擇與配制及裂縫監測與評估等環節都需要現場工程師具備扎實的專業知識和經驗。例如，選擇壓裂液時，需要考慮油藏的地質條件、儲層滲透率、溫度壓力等因素，選擇合適的壓裂液類型及添加劑，并精確配比［3］，這些技能難以僅通過理論教學獲得。此外，在課堂上難以預見實際狀況和問題，壓裂作業現場往往環境惡劣，容易發生突發情況，需要工作人員依靠實踐經驗和臨場應變能力迅速處理。

1.3"水力壓裂內容量大且枯燥，難以抓住重點

水力壓裂技術涉及多個學科領域，知識點的交叉使教學內容繁雜，學生難以理清頭緒。實施過程中包括大量技術細節，如配置壓裂液、選擇壓裂設備及設置施工工藝參數等，這些細節在教學中會占據較多篇幅，導致理論與實踐脫節，學生可能在課堂上理解了壓裂的基本原理，但在實際操作中無法應用理論知識［4］。水力壓裂過程中需要進行大量數據處理與分析，如井下壓力、溫度、流量等參數的實時監測與記錄，處理數據需要借助專業軟件和工具［5］，學生在沒有實操經驗的情況下，很難直觀理解數據背后的意義。

1.4"有關壓裂設計的知識點不易掌握

壓裂設計是水力壓裂技術實施的關鍵環節，涉及多個復雜計算和技術參數，學生在學習時感到困難，不易掌握。學習壓裂設計時，學生往往缺乏實踐經驗和實際案例的引導，該知識體系龐大，內容繁雜，在學習過程中無從下手。理論的計算公式和設計準則在實際操作中可能因多種因素而變化［6］，導致學生面對實際問題時，不能靈活運用課堂知識。該部分涉及大量專業術語，對于初學者而言，需要花費大量時間和精力，增加了學生認知負擔。很多時候，教師在授課時的講解無法及時與行業最新動態同步，導致學生無法理解理論與實踐的結合，增加了學習難度。

2"“水力壓裂理論與技術”課程改革與探索

“水力壓裂理論與技術”課程教學中出現的問題不可避免，因此針對上述問題提出下列對應方案（下圖），以提升學生對水力壓裂技術的認知與掌握程度，達到學生能夠將理論與實際結合的目的。

“水力壓裂理論與技術”教學探索方案圖

2.1"用美國頁巖氣革命引入水力壓裂的發展、非常規油氣的意義，體現其重要性

水力壓裂最初是在20世紀60年代開發的，主要用于常規油氣藏的增產作業。然而，隨著技術不斷進步，特別是在21世紀初，水力壓裂技術在頁巖氣開發中的應用取得了突破性進展。通過與水平鉆井技術結合，水力壓裂能有效開發原本難以開采的頁巖氣藏。而美國擁有豐富的頁巖氣資源，水力壓裂技術普及使得這些資源得以開發，迅速釋放出之前認為無法經濟開采的天然氣。因此，水力壓裂技術的引入與發展，極大地推動了美國頁巖氣革命，使得這一非常規能源資源開發成為可能，進而改變了美國能源格局。

深入了解頁巖氣革命和非常規油氣開發后，不難發現水力壓裂技術不僅是頁巖氣開采的技術基礎，更是推動全球能源轉型的重要動力，不僅改變了世界能源格局，更讓我們看到科技的力量，推動能源革命。由此，教師通過科普美國頁巖氣革命的相關知識，讓學生對水力壓裂技術有更深刻的理解，激發他們學習該課程的興趣。通過結合實際案例，學生認識到水力壓裂技術不僅是理論上的突破，更是實踐中的創新，從而增強他們對石油工程專業的認同感和使命感。

2.2"播放視頻，遠程溝通，引入理論知識

如今，大多實用性強的課程都強調營造互動與實踐的教學環境，通過引入先進技術手段增強學習體驗，而不只是靠教師講解把知識機械地傳遞給學生。水力壓裂內容教學過程中，教師在課堂上播放相關視頻能直觀地展示水力壓裂的流程和細節，讓學生直觀感受到井場環境和設備，從而深刻理解理論知識。視頻內容包括從設備運輸、現場布置到壓裂液注入、監測反饋的全過程，這種細致入微的展示使學生能夠更好地理解理論知識背后的實際應用場景，特別是一些技術難點和工藝細節。通過播放高質量的視頻資料，課堂變得更加生動活潑，提高學生的參與度。學生看完行業內部視頻，有助于他們直觀地接觸到現場應用的最新技術和工藝，這樣更貼近實際。

同時，教師安排學生與現場施工人員視頻連線，一方面，可以實時問答，迅速解決學生在觀看視頻時產生的疑問，提高課堂專注度；另一方面，施工人員的專業解答可以為學生提供直接、準確的反饋，加深對技術和工藝的理解。例如，某些設備的具體操作原理、施工中可能遇到的問題以及行業的最新技術發展，施工人員都能提供精準的解答。通過這種直接溝通的方式，引入實際工程中的真實案例，使教學更加貼近實際，并豐富課堂內容，教師在一旁輔助講解其中技術細節，將書本知識與實際操作緊密聯系起來，形成系統學習。

2.3"教師整合知識點，學生探索討論，課堂課后相結合

對于水力壓裂這一技術性較強的課程，教師可以將重點知識凝練整合，并以作業的形式讓學生自主探索討論，實現課堂課后有機結合，從而提升教學效果，形成一種在教師指導下的學生自主學習模式，注重培養學生自主學習能力和批判性思維。從水力壓裂技術的核心內容著手，包括理論基礎、技術流程及設備與材料等方面。其中，理論基礎要求學生了解巖石力學、孔隙介質流體動力學等，技術流程重點掌握壓裂設計、壓裂液注入及裂縫擴展監測等［7］，設備與材料需要學生明白壓裂泵車、支撐劑、化學添加劑等組成和應用。

教師將上述關鍵概念和原理制作成思維導圖，幫助學生理清思路，理解各知識點之間的邏輯關系。為了讓學生更好地掌握該課程，教師在每次授課前，布置相關預習作業，如閱讀指定章節、觀看相關視頻、思考特定問題等。課后，通過作業來檢驗學生掌握情況，要求學生按照指定主題，以小組為單位，進行匯報和討論、交流學習心得和研究成果，鍛煉學生自主探索能力和團隊合作精神。在匯報和討論結束后，教師給出點評和反饋，指出優點和不足，及時補充，提出改進意見。這種即時反饋機制有助于學生及時糾正錯誤，加深學生對重點內容的記憶。教師通過凝練水力壓裂重點內容，以作業形式啟發學生思考討論，形成一種在教師指導下的學生自主學習模式，它注重培養學生自主學習能力和批判性思維，實現課堂課后相結合。這種教學模式不僅能夠提升學生的學術水平，還能培養他們解決實際問題的能力，為未來的職業發展打下堅實的基礎。

2.4"教師重點講解，設計多樣化作業

壓裂設計是水力壓裂技術中的關鍵環節，它不僅涉及復雜的理論計算，還需要考慮實際工程中的諸多情況。因此，對于學生來說，理解和掌握這一部分內容具有一定的挑戰性。傳統的教學模式往往側重于理論講解，而缺乏實際應用的指導，這可能導致學生難以將所學知識與實際工程問題相結合，因此，教師在講解時要改變傳統模式。壓裂設計步驟包括地質分析、壓裂模擬及壓裂液選擇等部分，要求學生在學習之前掌握必要的物理和工程理論知識。教師可以在課前將該內容涉及的巖石力學、流體力學、滲流力學及多相流理論等相關內容整合，讓學生自主學習，在上課時集中解決疑問，以便學生更好地理解壓裂設計的內容。

壓裂設計是通過地質資料了解儲層地質特性，使用數值模擬軟件預測壓裂液流動和裂縫擴展規律，根據儲層特性選擇合適的壓裂液，并確定其配方，選擇合適的支撐劑并確定其粒徑和添加量，設計壓裂施工參數，如注入壓力、排量、加砂濃度等，評估壓裂設計經濟效益，優化設計方案。學生不僅要掌握這些理論知識，還要靈活運用，考慮經濟效益，根據實際情況合理設計不同的壓裂方案。這種以項目為基礎的學習方式，通過親自動手進行壓裂設計和模擬，學生能夠更加深刻地理解壓裂設計的復雜性和重要性。

教師將學生分成小組，每個小組負責一個壓裂設計項目，小組成員各自負責上述不同的設計任務，在此過程中通過討論、分析，最終整合成完整報告。教師提供壓裂模擬軟件的操作指南［8］，讓學生通過軟件進行壓裂模擬，要求學生根據地質資料，進行不同壓裂方案模擬，分析效果并撰寫模擬報告。學生雖然不能到現場試驗，但借助軟件可以讓他們直觀感受到方案的可行性，也方便他們發現方案中的不足。教師在這一過程中扮演著引導者和輔導者的角色，及時給予學生指導和反饋，幫助他們不斷提升設計能力和技術水平。

3"結論

“水力壓裂理論與技術”是石油工程專業領域的一門核心課程。本文探討了當前水力壓裂教學中存在的問題，針對性地提出一系列改革與探索措施，強調以實踐為導向，從實際出發。隨著科技的不斷進步和能源行業的持續發展，“水力壓裂理論與技術”的教學需要不斷深化和完善。教師需要不斷更新教學內容和方法，緊跟行業前沿動態，確保學生能夠掌握最新的技術和理論。

“水力壓裂理論與技術”的教學改革與創新是一個長期過程。學生在上課時緊跟教師節奏，認真聽講，課后及時完成作業；學校和教師始終堅持以學生為中心，以實踐為導向，不斷探索和嘗試新的教學方法與手段。在教師的精心指導和學生的積極配合下，一定會涌現出更多具備扎實理論基礎和豐富實踐經驗的人才，為我國能源安全和可持續發展提供有力保障。

參考文獻：

［1］丁乾申，李金澤，鄒德昊，等.海上油田某區塊應用水力壓裂技術機理及效果研究［J］.海洋石油，2024，44（03）：7781.

［2］劉洪，張光華，鐘水清，等.水力壓裂關鍵技術分析與研究［J］.鉆采工藝，2007（02）：4952+154.

［3］王在東，金為民，李文闊.壓裂增產效果預測［J］.內蒙古石油化工，2009，35（13）：4547.

［4］侯建英.綜采工作面初采放頂水力壓裂控制技術研究與應用［J］當代化工研究.2020（10）：99100.

［5］李沁，代朝輝，盧淵，等.復雜應力條件下巖心水力壓裂實驗裝置設計及驗證［J］.實驗技術與管理，2024，41（11）：131136.

［6］施達，晏金燦，藺華林，等.應用型高校化學工藝學課程教學方法的探討與分析［J］.當代化工研究，2022（23）：142144.

［7］王磊，萬緒新，史洪兵，等.大排列微地震實時監測技術在頁巖油水力壓裂中的應用［J］.石油地球物理勘探，2024，59（03）：52332.

［8］陳騫，王志良，申林方，等.基于熱力耦合的近場動力學方法高溫巖石水力壓裂數值模擬［J］.巖土力學，2024，45（08）：25022514.

基金項目：常州大學研究生優質課程建設項目——高等油氣藏工程（QZX24020462）；常州大學2023年校級教育教學研究課題——“新工科”及“雙碳”背景下的多學科交叉融合人才培養模式探索與實踐（GJY23020028）；2023年常州大學研究生課程思政示范課程——高等油氣藏工程（QZX23020528）；2024年常州大學課程思政示范課程——石油工程概論（QZX24020433）

作者簡介：吳小軍（1991—"），男，漢族，江蘇泰州人，博士，講師，研究方向：油氣田開發。

*通信作者：竇祥驥（1990—"），男，漢族，安徽滁州人，博士，副教授，研究方向：油氣田開發。