劉 麗, 趙曉明, 馮慶付, 劉艷麗

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500;2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000)

0 引 言

“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的雙創(chuàng)方針[1]，是穩(wěn)增長(zhǎng)保就業(yè)的重要基礎(chǔ)，也是培育和催生經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新動(dòng)力的有效途徑[2-3]。這一理念的提出，既可以擴(kuò)大就業(yè)，增加居民收入，又有利于促進(jìn)社會(huì)縱向流動(dòng)和公平正義，讓人們?cè)趧?chuàng)造財(cái)富的過(guò)程中更好地實(shí)現(xiàn)精神追求和自身價(jià)值[4-6]。

當(dāng)前，我國(guó)年均高校畢業(yè)生為700多萬(wàn)，且有逐年增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[7-9]。據(jù)教育部統(tǒng)計(jì)，如此龐大的高校畢業(yè)生群體，大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)就業(yè)群體僅占3.8%，而歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，其大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)就業(yè)率為20%～30%[10-12]，差距明顯。因而，一直將培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和實(shí)踐創(chuàng)新能力作為主要方向的高校，更應(yīng)在加強(qiáng)學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)能力上深下功夫。

為此，本文以油田注水開(kāi)發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的研發(fā)為例，開(kāi)發(fā)出創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于工程教育背景，實(shí)驗(yàn)真實(shí)直觀；注重理論聯(lián)系實(shí)際，提高專業(yè)素養(yǎng)；綜合多樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高分析能力；自由配置系統(tǒng)資源，增強(qiáng)研發(fā)意識(shí)。另外,該實(shí)驗(yàn)還可展現(xiàn)工業(yè)背景，提高學(xué)習(xí)興趣；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參與其中；專業(yè)知識(shí)融合，體會(huì)課程聯(lián)系；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，增強(qiáng)了產(chǎn)品創(chuàng)新理念。對(duì)于實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)出知識(shí)、能力和素質(zhì)兼具的高等教育工程人才具有重要作用，增強(qiáng)了高校畢業(yè)生自主創(chuàng)業(yè)意識(shí)，并對(duì)最終提高就業(yè)率具有重要的實(shí)際意義和社會(huì)價(jià)值。

1 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)裝置研發(fā)及設(shè)計(jì)

油田投入開(kāi)發(fā)后，隨著開(kāi)采時(shí)間的增長(zhǎng)，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，油井產(chǎn)量大大減少，甚至?xí)娡．a(chǎn)，造成地下殘留大量剩余油[13-15]。為了彌補(bǔ)原油采出后所造成的地下虧空，保持或提高油層壓力，一般進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)，獲得較高的采收率，實(shí)現(xiàn)油田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[16-18]。

由于地下構(gòu)造和儲(chǔ)層物性的不同，對(duì)于注水開(kāi)發(fā)的具體方式和注采設(shè)備等一系列參數(shù)的設(shè)定需要進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究[19-20]。出于安全及成本因素，不能直接在開(kāi)采的油田上進(jìn)行試驗(yàn)，需要進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)分析注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中地層的變化，從而進(jìn)一步研究獲得所需的數(shù)據(jù)。為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)了油田注水開(kāi)發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由模擬注水部分、地質(zhì)模型部分、計(jì)量監(jiān)測(cè)部分和注采井4部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、可操作性強(qiáng)，適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)注水開(kāi)發(fā)模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)高清攝像頭全天24 h連續(xù)記錄模擬地質(zhì)體中的變化情況；能夠直觀地觀察到油水分布變化，同時(shí)用量筒來(lái)統(tǒng)計(jì)測(cè)量采出的流體體積，用壓力表來(lái)測(cè)量出各井口壓力值；同時(shí)金屬管可采用割縫管來(lái)模擬射孔井段，從而得到各種注采方式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的注采方式。

圖1 油田注水開(kāi)發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

基于該套模擬裝置，建立了創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)基于工程教育背景，實(shí)驗(yàn)真實(shí)直觀；注重理論聯(lián)系實(shí)際，提高專業(yè)素養(yǎng)；綜合多樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高分析能力；自由配置系統(tǒng)資源，增強(qiáng)研發(fā)意識(shí)。

2.1 基于工程教育背景，實(shí)驗(yàn)真實(shí)直觀

與普通教學(xué)儀器相比，有實(shí)際工程項(xiàng)目背景的教學(xué)儀器真實(shí)直觀，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和研究的積極性和創(chuàng)造性。以油氣田勘探開(kāi)發(fā)的專業(yè)油田實(shí)踐為設(shè)計(jì)背景，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的合理設(shè)計(jì)需要參與其中，對(duì)各個(gè)部分的整體組合進(jìn)行合理的選擇，確定相關(guān)參數(shù)的測(cè)量方法，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中鞏固專業(yè)知識(shí)，又營(yíng)造了實(shí)際工程環(huán)境。

以該裝置的注采物理模擬部分(見(jiàn)圖2)為例，框架既作為整體裝置的支撐框架，又模擬油藏邊界，作為后續(xù)制作地質(zhì)體的自然邊界；同時(shí)可見(jiàn)在裝置的上、左和右端預(yù)留模擬井口，不同類型井型注水物理模擬提供多種選擇。這種真實(shí)又直觀的模擬裝置與地下油藏相對(duì)應(yīng)，使得學(xué)生更易于理解專業(yè)知識(shí)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)興趣，啟發(fā)創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖2 注采物理模擬部分與油藏特征對(duì)比圖

2.2 注重理論聯(lián)系實(shí)際，提高專業(yè)素養(yǎng)

為了使油田注水開(kāi)發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置符合現(xiàn)代化油田勘探開(kāi)發(fā)發(fā)展的趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)裝置注重理論聯(lián)系實(shí)際。充分學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生有機(jī)會(huì)動(dòng)手親自制作相關(guān)地質(zhì)體，直觀了解地質(zhì)體結(jié)構(gòu)及特征。讓同學(xué)們通過(guò)在該裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠應(yīng)用不同類型地質(zhì)體，通過(guò)實(shí)踐探索和分析復(fù)雜的注水開(kāi)發(fā)結(jié)果和特征。

例如在制作曲流河點(diǎn)壩模擬地質(zhì)物理模型(見(jiàn)圖3)中，裝置內(nèi)充填曲流河點(diǎn)壩側(cè)積夾層、側(cè)積砂體和滯留層組成，其中，粗粒石英砂模擬點(diǎn)壩底部滯留層；中粒石英砂模擬側(cè)積砂體；純泥模擬點(diǎn)壩內(nèi)部側(cè)積夾層(泥質(zhì)夾層)。學(xué)生在裝置內(nèi)動(dòng)手制作出微縮版曲流河點(diǎn)壩，對(duì)于構(gòu)型單元的物性、分布和角度組合特征都有深入直觀認(rèn)識(shí)，潛移默化中提高專業(yè)素養(yǎng)。

圖3 曲流河點(diǎn)壩地質(zhì)物理模擬裝置圖

2.3 綜合多樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高分析能力

該實(shí)驗(yàn)裝置提供的豐富實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可為學(xué)生開(kāi)展基本原理的傳統(tǒng)類實(shí)驗(yàn)、典型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、自主設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合研究型實(shí)驗(yàn)等不同種類、不同層次的實(shí)驗(yàn)。綜合多樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終需要學(xué)生綜合分析不同類型模擬的結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)比研究，分析數(shù)據(jù)的特征，總結(jié)優(yōu)勢(shì)和差異，通過(guò)查閱文獻(xiàn)、獨(dú)立思考的方式，真正做到能力開(kāi)放，鍛煉了分析問(wèn)題的能力。

例如在直井注水-直井采油和直井注水-水平井采油物理模型的水驅(qū)油綜合曲線對(duì)比(見(jiàn)圖4)中，前者含水率到達(dá)90%的時(shí)間約為7 h，中等含水期與高含水期較長(zhǎng)，含水率98%時(shí)，采收率為27%；而后者，實(shí)驗(yàn)23 h含水率98%時(shí)，采收率不再提高，為34%，水驅(qū)油過(guò)程穩(wěn)定，產(chǎn)油率較高。因此，直井注水-水平井采油更適合曲流河點(diǎn)壩油藏的注水開(kāi)發(fā)。

(a)直井注水-直井采油

(b)直井注水-水平井采油水

2.4 自由配置系統(tǒng)資源，增強(qiáng)研發(fā)意識(shí)

該裝置可以讓學(xué)生根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，優(yōu)化操作的條件。其中，注水井和采油井共有9個(gè)井位可供選擇，可選擇使用直井、斜井或者水平井；采用了螺栓控制井口，方便學(xué)生拆卸和更換不同類型的井型，了解不同類型井型的工作及結(jié)果提供了方便；模擬裝置內(nèi)的地質(zhì)體，由學(xué)生動(dòng)手制作，增強(qiáng)了學(xué)生的研發(fā)意識(shí)。

例如在不同類型注采井型的選擇中，可采用直井、斜井和水平井等方式和類型(見(jiàn)圖5)?？善ヅ涑鲋本⑺?直井采油、直井注水-水平井采油、直井注水-斜井采油等多種組合方式，對(duì)不同的組合方式采收率進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出不同注采方式的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，探尋剩余油分布區(qū)域，為油田勘探開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生提高了對(duì)油田注水開(kāi)發(fā)的原理、過(guò)程及結(jié)果認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了他們自主研發(fā)產(chǎn)品的意識(shí)，并形成實(shí)際的工業(yè)產(chǎn)品制造理念。

圖5 直井、斜井和水平井模擬裝置圖

3 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)應(yīng)用及成效

通過(guò)該系列創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，取得了一系列成效。實(shí)驗(yàn)可展現(xiàn)工業(yè)背景，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可參與其中；專業(yè)知識(shí)融合，學(xué)生課可在實(shí)驗(yàn)中體會(huì)課程之間的聯(lián)系；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，增強(qiáng)了學(xué)生構(gòu)架產(chǎn)品創(chuàng)新的理念。

3.1 展現(xiàn)工業(yè)背景，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高

該實(shí)驗(yàn)裝置以實(shí)際的油田勘探注水開(kāi)發(fā)為設(shè)計(jì)背景，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面不僅追求外形簡(jiǎn)潔美觀，而且實(shí)驗(yàn)方式更加類似于實(shí)際的工程環(huán)境。學(xué)生們表現(xiàn)出了極大的學(xué)習(xí)熱情，做實(shí)驗(yàn)前主動(dòng)查閱實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和相關(guān)參考文獻(xiàn)，了解清楚實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)和在相關(guān)工業(yè)中實(shí)際的應(yīng)用，大膽動(dòng)手，勇于實(shí)踐，創(chuàng)造出符合專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用的物理模型。

在這種模擬真實(shí)工程環(huán)境的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣相當(dāng)濃厚，不僅會(huì)積極主動(dòng)地調(diào)動(dòng)自己所學(xué)的知識(shí)庫(kù)，并會(huì)在某些實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，查找相關(guān)的專業(yè)書(shū)籍，拓展自己的知識(shí)面，提高分析解決問(wèn)題的能力。這樣的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，能夠讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中形成工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，為其日后的工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可參與其中

該實(shí)驗(yàn)裝置只給出了產(chǎn)品的框架部分，并沒(méi)有給出具體的地質(zhì)體，也沒(méi)有給出設(shè)計(jì)好的井位。學(xué)生可參與其中，分析地質(zhì)體內(nèi)部復(fù)雜特征，思考選擇哪些實(shí)驗(yàn)材料，才能動(dòng)手制作出與地下盡量相似的地質(zhì)體；考量實(shí)際工作中，如何對(duì)井位的類型、位置和方向等進(jìn)行選擇，了解油田注采方式、組合和關(guān)系，更合理選定并最終確定地質(zhì)模擬測(cè)量方案。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，避免了學(xué)生只能按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單地記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無(wú)法進(jìn)一步深入了解和掌握已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識(shí)的弊病。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下，自主完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的資源配置，做出復(fù)合油田勘探開(kāi)發(fā)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方案，并最終得出有意義的結(jié)果，這相當(dāng)于學(xué)生真實(shí)地參與了油田的實(shí)際生產(chǎn)工作，同時(shí)是一次產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有益嘗試。

3.3 專業(yè)知識(shí)融合，學(xué)生體會(huì)課程之間聯(lián)系

一般來(lái)說(shuō)，沉積巖石學(xué)、油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)學(xué)和石油工程等各門(mén)課程，是相互獨(dú)立的體系，雖然老師也會(huì)向?qū)W生介紹各門(mén)課程間的聯(lián)系，但學(xué)生缺乏實(shí)踐體驗(yàn)，也缺少知識(shí)綜合起來(lái)運(yùn)用的機(jī)會(huì)。而本實(shí)驗(yàn)裝置則給學(xué)生提供了這樣的機(jī)會(huì)，將直井、斜井和水平井等不同類型井的概念及意義，不同注采方式曲線分析等結(jié)合起來(lái)，知識(shí)橫向交叉，豐富了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)課程，可以鞏固同學(xué)們所學(xué)的各門(mén)專業(yè)課程，并對(duì)所學(xué)各門(mén)課程的知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。認(rèn)識(shí)到各門(mén)專業(yè)課之間的聯(lián)系，體會(huì)到自己所學(xué)的各科專業(yè)知識(shí)并非孤立的，而是一個(gè)有機(jī)的知識(shí)系統(tǒng)。這樣的實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生切身體會(huì)到在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)綜合知識(shí)的需要，可以有效地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行綜合并加以應(yīng)用。

3.4 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，學(xué)生架構(gòu)產(chǎn)品創(chuàng)新理念

學(xué)生在油田注水開(kāi)發(fā)物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)中，可以了解系統(tǒng)中每一個(gè)元器件的原理和功能，各部分之間的聯(lián)系。體會(huì)到最終的測(cè)量結(jié)果的取決于各部分的參數(shù)控制，保證每一個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都穩(wěn)定可靠地運(yùn)行和測(cè)量精度，才能保證測(cè)量結(jié)果的正確性。

做這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們可以深刻的體會(huì)到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，或者說(shuō)是油田的實(shí)際勘探開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，每一個(gè)部分的成敗都很關(guān)鍵，要保障注水開(kāi)發(fā)產(chǎn)油順利進(jìn)行，需要各部門(mén)各環(huán)節(jié)的共同努力，如果有一個(gè)部分或者環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完成工作。而克服這一切困難的過(guò)程，對(duì)于學(xué)生未來(lái)架構(gòu)產(chǎn)品創(chuàng)新概念，并有可能最終實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)起到重要作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

積極鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選題應(yīng)具有創(chuàng)新性、現(xiàn)實(shí)性、實(shí)踐性和可行性原則，能反映相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)，內(nèi)容新穎，具有挑戰(zhàn)性和前景價(jià)值，有利于開(kāi)拓學(xué)生的視野，了解學(xué)科發(fā)展的前沿，接觸國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和良好的科學(xué)素養(yǎng)，形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和自主研發(fā)的理念。

大量有意義的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，需要高校教師的研發(fā)熱情。這些實(shí)驗(yàn)大多超越了實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備設(shè)施，要求和水平又高于現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要在教學(xué)和科研活動(dòng)中提煉出來(lái)，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)試做，證明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程訓(xùn)練中對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)有很好的效果。這需要高校管理者采取積極的舉措，充分調(diào)動(dòng)高校教師的積極性，豐富創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，并最終使廣大學(xué)生受益。