石油工程專業(yè)實驗課程改革實踐
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中共中央國務院《關(guān)于深化教育改革,全面推進素質(zhì)教育的決定》中指出，在高校教育教學中，大學生綜合能力的提高與培養(yǎng)應是教育教學的重要內(nèi)容，動手能力、獨立思考能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、科學思維等更應引起高校教育工作者的重視，即通過理論教學與實驗教學并重來更好地提升學生的能力，發(fā)展學生的綜合素質(zhì)[1]。在中國高等教育發(fā)展歷程中，應不斷地注重與推進實驗教學工作，加強實驗課程的普遍性和可操作性，全面培養(yǎng)學生的思考與實踐操作能力，使學生在充分理解所學知識的基礎(chǔ)上進行具體的實驗操作，加強對所學知識的理解。理論聯(lián)系實際，對高校實驗室的發(fā)展方向具有指導意義。高校實驗室為學生提升自己的動手實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力提供了保障。提高大學生的動手能力與創(chuàng)新能力是工科類院校的主要教學任務，實驗教學作為實現(xiàn)這一目標的主要途徑，引起了高校的重視。石油工程專業(yè)作為以培養(yǎng)應用技術(shù)人才為主要任務的工科專業(yè)，尤其需要加大實驗教學的改革力度。近年來，常州大學石油工程學院在石油工程專業(yè)課程教學中增強了學生實驗能力的培養(yǎng)力度，通過對實驗教學內(nèi)容的補充，對實驗授課方式進行調(diào)整，對實驗室進行改進，增強了實驗課程的完整性與綜合性，讓學生在進行實驗操作的時候有更大的優(yōu)勢；同時這也增強了學生的創(chuàng)新能力,為培養(yǎng)現(xiàn)代化高素質(zhì)人才打下了堅實的基礎(chǔ)[2]。
一、石油工程實驗課設置
隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國高校也在不斷完善各個領(lǐng)域及專業(yè)的實驗教學。高校由原來的說教式—理論教學逐步轉(zhuǎn)向理論與實踐相結(jié)合，并不斷增加實踐教學的比重。這樣有利于增強教學的生動性及學生的獨立思考能力和動手操作能力?；诖?，應培養(yǎng)面向石油與天然氣行業(yè)，理論基礎(chǔ)扎實、工程實踐能力強，能從事石油與天然氣工程領(lǐng)域的設計、施工與管理、技術(shù)應用與產(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)域復雜工程問題，能夠滿足設計、施工、管理、技術(shù)應用與產(chǎn)品開發(fā)等崗位要求的高級應用型人才。常州大學（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。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)的實驗課程也通過不斷發(fā)展與改進變得更完善。由于基礎(chǔ)的穩(wěn)固與扎實，我校在石油工程專業(yè)領(lǐng)域開設有多項基礎(chǔ)實驗，但這些傳統(tǒng)實驗無法滿足現(xiàn)代社會對專業(yè)人才的要求。為此，我校不斷創(chuàng)新研究，進行了鉆井與完井工程實驗、采油工程實驗、油藏工程實驗、鉆井液與完井液實驗的研究，并且有多項研究創(chuàng)新成果，如壓裂導流能力測試實驗、井筒多相管流實驗。
（一）石油工程技術(shù)實驗1.地質(zhì)學基礎(chǔ)實驗?；诘刭|(zhì)學研究的目的，在于正確認識地球的基礎(chǔ)之上，指導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]。開設此實驗，目的是讓學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，讓學生可以更科學、更有效地進行能源的勘探與開采，為后續(xù)的實驗課程的學習打下基礎(chǔ)。2.油田開發(fā)地質(zhì)學實驗。在地質(zhì)實驗的基礎(chǔ)上進一步深化，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)的認識與實踐，讓學生掌握石油與天然氣的生成特點和分布特點，以及所采用的開采技術(shù)的基本理論，更好地培養(yǎng)學生實地操作的思維，提升學生的探究能力，從而為學生以后的實地應用打下基礎(chǔ)。3.滲流力學實驗。讓學生了解滲流力學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、井壁壓力及其導數(shù)的變化規(guī)律。4.工程流體力學實驗。讓學生了解流體靜力平衡狀態(tài)下的平衡規(guī)律及流體靜力學基本方程的驗證、流體運動基本原理及流體運動的描述方法。
（二）石油工程專業(yè)實驗石油工程專業(yè)實驗包括鉆井與完井工程實驗、采油工程實驗、油藏工程實驗、鉆井液與完井液實驗。1.鉆井與完井工程實驗。鉆井與完井工程課程要求學生掌握鉆井工程的基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)流程和基本的設計計算方法，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、井眼軌道設計及軌道控制，油氣井中的壓力控制，固井與完井，還有所學的相關(guān)的鉆井技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過實踐來進一步鞏固與應用所學的知識。開設此實驗課程能給學生提供一個模擬鉆井環(huán)境，讓學生對鉆井這一項目有更切身的體會，可提前讓學生熟悉鉆井的具體操作與所需要的鉆井技術(shù)。2.采油工程實驗。實驗教學能讓學生夯實油田開采的基本原理，對油田開采過程中的各個步驟、各項工程技術(shù)措施以及具體的實施技術(shù)有一定的掌握與提升。實驗教學還能讓學生在學習油井流入動態(tài)、井筒多相流動計算、油井生產(chǎn)系統(tǒng)設計與工況分析、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目正確地選擇該采油項目所需要的工藝方法，從而進行合理的工藝設計以及正確的分析。3.油藏工程實驗。油藏工程是石油工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，它的主要任務是為準確地認識油氣藏，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，讓學生能夠進行油藏描述；掌握測井分析和解釋，理解和應用基本的和特殊的巖心分析；能進行油藏流體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)試井手段進行油藏分析；進行可采油氣儲量估算。4.鉆井液與完井液實驗。讓學生系統(tǒng)地掌握當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)的教學科研工作打下基礎(chǔ)。
二、實驗課程體系實踐與完善
近年來，傳統(tǒng)石油工程實驗教學在實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)的實驗教學中，實驗課程并沒有引起大家的普遍關(guān)注。在相關(guān)的實驗課程中，教師與學生都表現(xiàn)出一定的怠慢感，并且相關(guān)的實驗教學模式比較固定，缺少一定的創(chuàng)新性，這與當今開放性、創(chuàng)新性實驗教學的要求并不相符。學生不能掌握實驗操作的細節(jié)，不能主動地去理解和探索在實驗中可以學到的知識，不能主動地利用現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)和課余時間進行學習。面對這些困難和挑戰(zhàn),應從實驗教學需要掌握的內(nèi)容、實驗操作具體的步驟方法和實驗教學需要采用的手段等方面進行深入研究，找到改進方向與方法，構(gòu)建滿足創(chuàng)新性要求的新型實驗教學模式[5]。其中包括虛擬仿真實驗課程、鉆井及井控模擬仿真平臺、鉆井操作仿真實訓平臺、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)新類實驗課程。
（一）虛擬仿真實驗隨著科學技術(shù)的發(fā)展，科研人員堅持不懈地研究與開發(fā)，以及計算機技術(shù)在工程領(lǐng)域的普及應用，虛擬仿真軟件在石油工程中的應用越來越廣泛，其所扮演的角色也越來越重要?；诋斀裆鐣臉I(yè)人員的要求，我校石油工程專業(yè)開設了虛擬仿真實驗課程，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備（各類抽油機仿真裝備、采油樹模型、電潛泵模型、采油管柱等）、計算機數(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)設備、工藝技術(shù)、常用的油氣開采設備和工具的工作原理及使用方法，進行抽油機采油仿真實訓、螺桿泵采油仿真實訓、電潛泵采油仿真實訓、自動化采油虛擬仿真實訓及智能油田油水井生產(chǎn)實時分析虛擬仿真實訓等。結(jié)合VR技術(shù)，充分利用虛擬現(xiàn)實在可視化方面的優(yōu)點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,可以進行鉆井操作、井下復雜情況判斷、破裂壓力試驗、井控操作程序（鉆進、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,可以使學生對鉆井這一工程有更真實的認識，可以激發(fā)學生對實驗學習以及實驗操作的積極性,使學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，可以使學生對鉆井這一項目有更切實的認識，能更好地提升他們的鉆井及井控工藝的基本技能,讓學生在畢業(yè)以后接手與鉆井相關(guān)的項目時，可以確定需要采取的工藝方法和需要進行的具體操作，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)特色實驗在開設專業(yè)實驗與學科基礎(chǔ)實驗的前提下，我們對實驗課程不斷探索，對原有實驗不斷創(chuàng)新，開設了以下兩種創(chuàng)新類教學實驗，具體如下。1.壓裂導流能力測試實驗。壓裂導流能力測試實驗可以用于研究高速通道壓裂裂縫內(nèi)的支撐規(guī)律及裂縫導流能力。對比通道壓裂鋪砂與連續(xù)鋪砂裂縫導流能力的差異,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流能力的影響。為了檢測通道壓裂所能提供導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、頁巖進行室內(nèi)導流能力測試實驗[8]。2.井筒多相管流實驗。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,水平管路壓降預測準確與否,將會顯著影響油井產(chǎn)量的預測結(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)實驗課，學生可以體會到當今開放性、網(wǎng)絡化實驗教學，通過使用實驗儀器學生可以將所學的知識進行實踐，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)絡技術(shù)以及最新的實驗設備對一些理論進行證實，并進行更深層次的探索。
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作者：楊潔 魏田田 緱婷 陳海飛 何巖峰 單位：常州大學石油工程學院
