王艷忠， 操應(yīng)長(zhǎng)， 葸克來， 遠(yuǎn)光輝， 王 健, 董春梅, 邱隆偉

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引 言

為響應(yīng)國(guó)家建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科的號(hào)召，作為具有石油特色的工科院校，我校始終堅(jiān)持以人才培養(yǎng)為本，走“以特色創(chuàng)一流”的內(nèi)涵式發(fā)展道路[1]。近年來,我校致力于多個(gè)國(guó)家級(jí)及省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，培養(yǎng)了一批科研創(chuàng)新人才，為國(guó)家石油工業(yè)發(fā)展，提供了有力的人才智力支撐。同樣,地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托成巖模擬科研實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，在教學(xué)改革和大學(xué)生創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面也取得了一定成效。

1 成巖模擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及職能

我校成巖模擬實(shí)驗(yàn)室于2011年依托“山東省高校盆地分析與油氣儲(chǔ)層地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“油氣資源與探測(cè)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建成。高溫高壓成巖模擬實(shí)驗(yàn)裝置(見圖1)由校級(jí)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)-油氣儲(chǔ)層研究中心與機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠共同研發(fā)。該裝置主要包括孔滲聯(lián)測(cè)和成巖作用模擬兩大模塊，能夠完成松散砂樣及巖石樣品的孔滲聯(lián)測(cè)，在成巖模擬過程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)巖心孔隙度、滲透率的變化，模擬高溫(溫度可達(dá)300 ℃)高壓(壓力可達(dá)70 MPa)條件下開放和封閉體系中流體與巖石相互作用。成巖模擬科研實(shí)驗(yàn)室還配備了巖石薄片制備、巖石薄片鑒定分析、掃描電鏡觀察及電子探針元素測(cè)試、激光掃描共聚焦顯微鏡觀察、流體包裹體測(cè)溫系統(tǒng)等一系列配套設(shè)備。

圖1 高溫高壓成巖模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

成巖模擬實(shí)驗(yàn)室作為地質(zhì)學(xué)專業(yè)的重要科研實(shí)驗(yàn)室，一直服務(wù)于石油天然氣領(lǐng)域科學(xué)研究和研究生創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。近年來，成巖模擬實(shí)驗(yàn)室先后承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家973計(jì)劃、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、中國(guó)石油、中國(guó)石化等多項(xiàng)科研課題。

2 依托成巖模擬實(shí)驗(yàn)室的地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

我校是教育部和五大能源企業(yè)集團(tuán)公司和山東省人民政府共建的高校，是石油、石化高層次人才培養(yǎng)的重要基地，被譽(yù)為“石油科技人才的搖籃”[7]。特別是經(jīng)過“九五”～“十二五”和“211”工程建設(shè)，在幾代師生的共同努力下，地學(xué)類專業(yè)建設(shè)取得了很大成就，為國(guó)家培養(yǎng)了大批高級(jí)專業(yè)人才，相關(guān)專業(yè)也逐漸發(fā)展壯大，先后被作為“山東省品牌專業(yè)”和“國(guó)家特色專業(yè)”進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)[8-10]。其中“地質(zhì)學(xué)”和“地質(zhì)資源與地質(zhì)工程”是2個(gè)博士授權(quán)一級(jí)學(xué)科，覆蓋了石油石化上游產(chǎn)業(yè)。

2.1 本科沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

我校地質(zhì)學(xué)本科教學(xué)大綱設(shè)置了礦物巖石學(xué)、沉積學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、石油與天然氣地質(zhì)學(xué)等主要專業(yè)課程，其中沉積學(xué)是地質(zhì)學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)，在本科生培養(yǎng)方案中占有重要的地位。沉積學(xué)主要是研究沉積物(巖)形成，沉積特征、沉積相類型及沉積巖時(shí)空分布規(guī)律的一門地質(zhì)學(xué)科。油氣與沉積巖息息相關(guān)，油氣生成并賦存于沉積巖中，從勘探開發(fā)角度來講，沉積學(xué)是分析生、儲(chǔ)、蓋發(fā)育和分布的理論基礎(chǔ)，而成巖作用關(guān)乎有利儲(chǔ)層的發(fā)育和形成機(jī)制，對(duì)于成儲(chǔ)、成藏及有利儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)和改造具有重要意義。其中溶解作用、壓實(shí)和膠結(jié)作用的強(qiáng)弱控制著儲(chǔ)層物性好壞，三者共同控制著優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育和分布。所以沉積學(xué)的學(xué)習(xí)有利于石油相關(guān)的地質(zhì)學(xué)專業(yè)學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解油氣地下地質(zhì)，為以后專業(yè)學(xué)習(xí)和科學(xué)研究打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

以往的本科生“沉積學(xué)”課程通常采用“課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、野外實(shí)習(xí)”的教學(xué)方式[11]，以老師多媒體講解為主，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程僅僅為巖心和鏡下薄片的巖石組構(gòu)和成巖作用現(xiàn)象觀察和特征描述。在地質(zhì)演化過程，各種成巖作用形成受控于復(fù)雜的溫壓條件和流體演化的控制，對(duì)于石油相關(guān)的地質(zhì)學(xué)專業(yè)的學(xué)生來講，了解成巖作用的動(dòng)態(tài)演化過程和物理化學(xué)作用機(jī)理，才能對(duì)靜態(tài)特征產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)和理解，而現(xiàn)在的沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)課程缺乏具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，缺少對(duì)于地下實(shí)際情況的動(dòng)態(tài)觀察和成巖過程的再現(xiàn)模擬，學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力得不到鍛煉。

2.2 本科沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案和成效

賦予科研實(shí)驗(yàn)室本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)職能，實(shí)現(xiàn)科研實(shí)驗(yàn)室與本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，能夠促進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提高本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平[5-7，12-14]。依托于成巖模擬實(shí)驗(yàn)室，2014年修訂了沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)課由原來的16學(xué)時(shí)增加到24學(xué)時(shí)，其中16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課，碎屑巖成巖作用和碳酸鹽巖成巖作用各2學(xué)時(shí)，增加的8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課中有4學(xué)時(shí)為成巖作用模擬實(shí)驗(yàn)。

地質(zhì)學(xué)專業(yè)每年招收2個(gè)班，共55～60人。將每個(gè)班分成3組，每組不超過10人，開展成巖作用模擬實(shí)驗(yàn)。成巖作用模擬實(shí)驗(yàn)課程主要為高溫高壓下長(zhǎng)石或白云石的溶蝕作用模擬。針對(duì)常溫常壓條件下，長(zhǎng)石和白云石與酸溶液反應(yīng)微弱、現(xiàn)象不明顯，而在高溫高壓條件下兩種礦物與酸溶液反應(yīng)明顯的現(xiàn)象，學(xué)生可以模擬地下高溫高壓條件下溶蝕作用，觀察溶蝕現(xiàn)象，探討溶蝕作用機(jī)理。

教師利用1學(xué)時(shí)講解溶蝕作用特征、機(jī)理以及成巖模擬實(shí)驗(yàn)裝置的基本操作原理和步驟，針對(duì)長(zhǎng)石或白云石的溶蝕過程提出相應(yīng)的科學(xué)問題、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆W(xué)生討論并選擇感興趣的科學(xué)問題進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最后與老師討論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可行性，實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)成員分工完成從樣品預(yù)處理到成巖模擬等實(shí)驗(yàn)操作，以上共1學(xué)時(shí)。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理樣品制備包括“鉆-切”2.5 cm巖心柱和酸溶液配置等操作，之后將樣品放入成巖模擬裝置高壓釜內(nèi)，設(shè)定相應(yīng)的溫度和壓力，裝置的成巖模擬模塊自動(dòng)控制高壓泵驅(qū)替酸溶液通過樣品，孔滲聯(lián)測(cè)系統(tǒng)記錄高溫高壓下樣品的物性變化，整個(gè)過程儀器自動(dòng)完成，學(xué)生可在15～20 h后取出樣品，并在接下來2學(xué)時(shí)的時(shí)間內(nèi)完成樣品拋光、薄片制備，然后利用掃描電鏡、偏光顯微鏡觀察樣品表面變化。從掃描電鏡鏡下可看到巖石(或礦物)受酸性溶液強(qiáng)烈溶蝕，表面凹凸不平，粒間方解石膠結(jié)物溶蝕強(qiáng)烈形成大量次生孔隙(見圖2)，最后結(jié)合孔滲物性數(shù)據(jù)，組內(nèi)討論、完成并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

(a) 反應(yīng)前

(b) 反應(yīng)后

成巖模擬實(shí)驗(yàn)裝置可模擬地下高溫高壓條件，控制不同類型溶液以各種流速通過樣品，真實(shí)逼近地下高溫高壓條件，模擬再現(xiàn)流體的演化和水巖反應(yīng)過程。通過將成巖模擬裝置的科研優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中，極大促進(jìn)了沉積學(xué)課程的實(shí)踐教學(xué)改革，提高了本科的教學(xué)質(zhì)量。區(qū)別以往老師演示為主，學(xué)生參觀學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，成巖模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生與教師、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)性，具有直觀性、實(shí)用性、研究性等優(yōu)勢(shì)。在理論學(xué)習(xí)和老師示范講解的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、親自動(dòng)手操作完成成巖作用模擬實(shí)驗(yàn)、探討相關(guān)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)和機(jī)理等一系列過程，提高了發(fā)現(xiàn)問題能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，激發(fā)了學(xué)生的專業(yè)興趣和上進(jìn)心，成為學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解、學(xué)習(xí)專業(yè)課的第二課堂。

3 依托成巖模擬實(shí)驗(yàn)室,培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才

大學(xué)生是創(chuàng)新的主體，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是實(shí)現(xiàn)科教興國(guó)和建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的必然要求[15-17]。近年來，許多高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室不斷重視大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)[18-22]。但是，受實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、場(chǎng)地、相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員等資源限制，往往難以滿足開展大規(guī)模的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的要求。

成巖模擬實(shí)驗(yàn)室鼓勵(lì)具有創(chuàng)新意識(shí)和科研探索精神，專業(yè)興趣濃厚和基礎(chǔ)理論知識(shí)扎實(shí)的本科生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生可依托成巖模擬實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。成巖模擬實(shí)驗(yàn)室為地學(xué)院“地學(xué)科創(chuàng)基金”注入啟動(dòng)基金，鼓勵(lì)大學(xué)生結(jié)合專業(yè)課學(xué)習(xí)，積極參加各種創(chuàng)新活動(dòng)。依托成巖模擬實(shí)驗(yàn)室，大學(xué)生先后獲批并完成了“不同測(cè)試方法間碎屑巖粒度參數(shù)轉(zhuǎn)化研究”“金沙灘海平面變化與海灘沙粒徑關(guān)系的研究”“不同組構(gòu)碎屑巖原始孔隙度量化表征”“現(xiàn)代沉積物儲(chǔ)集物性及儲(chǔ)集空間特征研究”等國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目。其中，1名本科畢業(yè)生利用成巖模擬模塊和孔滲聯(lián)測(cè)模塊，模擬高溫高壓條件下壓實(shí)作用和在酸堿交替流體環(huán)境中儲(chǔ)層敏感性改造的實(shí)驗(yàn)，順利完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)并在《petroleum science》和《現(xiàn)代地質(zhì)》發(fā)表了2篇高水平學(xué)術(shù)論文，為后期碩士和博士研究生學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，2017年將依托成巖模擬實(shí)驗(yàn)室，圍繞地質(zhì)流體與水巖作用、細(xì)粒沉積與頁(yè)巖油氣等研究方向，設(shè)立大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目，選拔地質(zhì)學(xué)、資源勘察工程、化學(xué)等相關(guān)專業(yè)大學(xué)二、三年級(jí)學(xué)生參與實(shí)際的科研項(xiàng)目，在具體的科研工作中培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力。

4 結(jié) 語

高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室在滿足科研需求的前提下，應(yīng)該為本科實(shí)踐教學(xué)提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)所。成巖模擬實(shí)驗(yàn)室在地質(zhì)學(xué)專業(yè)本科沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上雖取得一些成效，但仍存在諸多問題：作為科研實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源有限，不利于大規(guī)模開展和推廣實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)；成巖模擬實(shí)驗(yàn)室儀器精密，實(shí)驗(yàn)?zāi)M涉及高溫高壓具有一定危險(xiǎn)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、人數(shù)和操作規(guī)范具有嚴(yán)格要求；成巖模擬實(shí)驗(yàn)室的高效有序運(yùn)行應(yīng)當(dāng)協(xié)調(diào)好科研與教學(xué)的沖突，做到產(chǎn)學(xué)研平衡共同發(fā)展。

高?？蒲袑?shí)驗(yàn)室在滿足科研需求的前提下，應(yīng)加強(qiáng)本科實(shí)踐教學(xué)和大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的服務(wù)職能，加強(qiáng)科研實(shí)驗(yàn)室與教學(xué)實(shí)驗(yàn)室有機(jī)結(jié)合，借助科研實(shí)驗(yàn)室高水平儀器和設(shè)備，變革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法，促進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，加強(qiáng)大學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，完善大學(xué)生創(chuàng)新培養(yǎng)機(jī)制，響應(yīng)國(guó)家“大眾創(chuàng)新，萬眾創(chuàng)業(yè)”號(hào)召，為高?！半p一流”建設(shè)助力。