郭旭洋

摘 要 本科生“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”課程是石油工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課，講授的理論知識對于石油工業(yè)中水力壓裂、井壁穩(wěn)定等關(guān)鍵工程問題十分重要。已有的教學(xué)方法以理論結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)為主。中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)與油田生產(chǎn)一線高度結(jié)合、服務(wù)國家能源戰(zhàn)略需求，應(yīng)屆畢業(yè)生中奔赴新疆石油石化一線的比例很高，這對學(xué)校培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才提出更高要求。因此，中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)在開設(shè)本課程時，除了利用好已有教學(xué)方法，還需要針對性開展油田一線工程案例教學(xué)，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。

關(guān)鍵詞 石油工程;巖石力學(xué);應(yīng)用型人才

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.31.036

Teaching Mode Reform Based on Oilfield Field Engineering Cases

——Taking the undergraduate course "Fundamentals of rock mechanics in petroleum engineering" as an example

GUO Xuyang

（School of Petroleum， China University of Petroleum-Beijing at Karamay， Karamay， Xinjiang 834000;

School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102200）

Abstract Petroleum engineering related rock mechanics is a core course for undergraduate students in the major of petroleum engineering. Contents in the course are important for engineering problems such as hydraulic fracturing and wellbore stability in the oil and gas industry. Previous teaching methods are based on the combination of theory and lab. China University of Petroleum – Beijing at Karamay has close ties with the oilfield and serves for the energy policies of the country. Many graduates choose to work in the frontline of petroleum and petrochemical industries in Xinjiang. This asks for higher standards in for the university to improve the students' capabilities of using theories to solve engineering problems. Therefore， in addition to using existing teaching methods， it is necessary to use engineering data from the field to improve students' ability of solving problems. Keywords Petroleum engineering; rock mechanics; applied talents

巖石力學(xué)是研究巖石的力學(xué)行為相關(guān)理論及其應(yīng)用的一門學(xué)科。本科生“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”作為中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)石油工程專業(yè)本科生培養(yǎng)方案中的一門重要課程，講授油氣鉆采過程中的巖石變形、破裂、多孔介質(zhì)彈性力學(xué)、地應(yīng)力、實(shí)驗(yàn)方法及井壁穩(wěn)定、水力壓裂、油氣井出砂等理論和工程應(yīng)用內(nèi)容，與石油行業(yè)上游的關(guān)聯(lián)緊密，理論性和應(yīng)用型較強(qiáng)。

中國石油大學(xué)（北京）與中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)為“一校兩地”關(guān)系，分別位于北京市和新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市?？死斠朗惺俏覈匾氖褪a(chǎn)業(yè)基地，克拉瑪依校區(qū)毗鄰新中國成立后發(fā)現(xiàn)的第一個大油田新疆油田，緊密結(jié)合油田一線生產(chǎn)需求，服務(wù)“一帶一路”建設(shè)、能源戰(zhàn)略和區(qū)域經(jīng)濟(jì)。[1]這就對克拉瑪依校區(qū)本科石油工程巖石力學(xué)授課提出了新的挑戰(zhàn)：除了重點(diǎn)講授相關(guān)巖石力學(xué)理論知識外，還需要讓學(xué)生切實(shí)理解相關(guān)理論知識在現(xiàn)場的工程應(yīng)用，做到進(jìn)入油田現(xiàn)場后能迅速利用所學(xué)知識解決工程問題，保障一線油氣開發(fā)的正常進(jìn)行。[2]這對克拉瑪依校區(qū)石油工程專業(yè)的工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)提出了更高的要求。在工科院校開展工程教育專業(yè)認(rèn)證的大環(huán)境下，除了進(jìn)一步完善已有的教學(xué)方案，還需要注重進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力。[3，4]由于克拉瑪依校區(qū)依托新疆油田具有得天獨(dú)厚的工程實(shí)踐優(yōu)勢，因此，在開展本科生教學(xué)時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)引入油田生產(chǎn)案例，并結(jié)合圖片、動畫、視頻、油田一線技術(shù)人員親自講解等形式，加強(qiáng)學(xué)生對巖石力學(xué)在工程實(shí)踐中應(yīng)用的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際的能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及教改可行性

目前，中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)本科“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)任務(wù)由中國石油大學(xué)（北京）與中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)共同承擔(dān)，主要圍繞石油工程專業(yè)相關(guān)的巖石力學(xué)性質(zhì)與變形特征、強(qiáng)度理論、巖石中流體壓力和流動、油田地應(yīng)力和井壁圍巖應(yīng)力、井壁穩(wěn)定、水力壓裂和油氣井出砂等內(nèi)容開展教學(xué)。課程為2學(xué)分、28個理論學(xué)時和4個實(shí)驗(yàn)學(xué)時。其中實(shí)驗(yàn)學(xué)時在校內(nèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為巖石變形和破裂，為學(xué)生直觀展示巖心在外界載荷作用下的由變形到破裂的過程。

目前，本課程的教學(xué)目標(biāo)主要是要求學(xué)生在知識層面理解巖石力學(xué)的主要理論與概念，掌握巖石變形與破壞的基本方程，理解巖石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和掌握地應(yīng)力狀態(tài)等，掌握應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定方法及蠕變模型，掌握巖石破壞準(zhǔn)則。在能力與素質(zhì)層面，能夠依據(jù)巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論知識，確定地應(yīng)力大小和方向，并具備直井坍塌壓力、破裂壓力的計(jì)算分析能力，并且能夠初步分析水力壓裂施工過程中的巖石力學(xué)參數(shù)，能夠預(yù)測出砂可能性、確定臨界生產(chǎn)壓差。這些教學(xué)目標(biāo)與石油工程專業(yè)的相關(guān)培養(yǎng)目標(biāo)高度契合。

理論教學(xué)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式對增加學(xué)生對知識的理解十分有效，但是，結(jié)合克拉瑪依校區(qū)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)際要求和服務(wù)西部能源戰(zhàn)略的要求，這種教學(xué)方法在增加學(xué)生對油田現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀況的理解方面仍有提高空間。因此，需要針對性地改革教學(xué)模式和教學(xué)內(nèi)容，引入油田工程案例，加強(qiáng)應(yīng)用性培養(yǎng)，加強(qiáng)與石油石化產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，提高教學(xué)方法對克拉瑪依校區(qū)實(shí)際情況的適應(yīng)性。

中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)石油工程專業(yè)培養(yǎng)方案中包含了大量與中國石油新疆油田合作的培養(yǎng)內(nèi)容，包括學(xué)校導(dǎo)師和油田專家合作指導(dǎo)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)、在油田現(xiàn)場開展暑期實(shí)習(xí)、油田專家承擔(dān)部分實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容等。此外，學(xué)校具有的一大獨(dú)特優(yōu)勢是地理位置緊鄰油田一線生產(chǎn)單位和科研單位，可以滿足與一線技術(shù)工人和專家日常交流的需求?；谇捌谂c一線生產(chǎn)、科研人員的合作教學(xué)基礎(chǔ)，在本科生“石油工程巖石力學(xué)基礎(chǔ)”課程中引入油田現(xiàn)場工程案例提高教學(xué)質(zhì)量具有較好的可行性。

2 教學(xué)模式改革內(nèi)容

教學(xué)改革內(nèi)容主要包含教學(xué)方式和考核方式兩方面。

為了克服疫情對教學(xué)造成的不利影響，很多課程通過電腦和手機(jī)軟件建立了課程群。利用該方法，通過建立課程群，每次授課前在群內(nèi)上傳簡明的知識點(diǎn)預(yù)習(xí)內(nèi)容，并通過視頻、文檔等形式上傳具有工程實(shí)際意義的示意性例子，尤其注重利用可視化程度高、視覺表現(xiàn)力好的資料，提升學(xué)生對如破裂、壓裂、鉆井井壁穩(wěn)定等問題的興趣。

進(jìn)入授課階段時，需要根據(jù)每個學(xué)時的內(nèi)容，合理設(shè)置是否加入工程實(shí)踐內(nèi)容。例如，對于巖石本構(gòu)和失穩(wěn)準(zhǔn)則等理論性極強(qiáng)的內(nèi)容，不應(yīng)過多加入工程實(shí)踐內(nèi)容，而應(yīng)當(dāng)注重讓學(xué)生牢固掌握基礎(chǔ)理論知識與專業(yè)概念。而對于例如井壁穩(wěn)定、水力壓裂和油氣井出砂等工程性、應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容，則應(yīng)當(dāng)在講解概念和理論知識的同時，合理插入工程實(shí)踐內(nèi)容，提高學(xué)生的興趣，鼓勵學(xué)生主動提出問題。

在講授水力壓裂這一章內(nèi)容時，可以首先向?qū)W生明確改知識點(diǎn)的重要性，水力壓裂技術(shù)的成功商業(yè)化是近十余年來北美頁巖油氣革命成果的關(guān)鍵，也是我國近年來油氣增產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。結(jié)合新疆油田幾年來針對低滲透油藏開展的大規(guī)模、商業(yè)化水力壓裂實(shí)踐，選取脫敏后的單口井力學(xué)實(shí)驗(yàn)、壓裂和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，適當(dāng)、合理地針對本科生進(jìn)行簡化后向?qū)W生講解。在石油工程巖石力學(xué)中，評價地下儲層巖石的力學(xué)性質(zhì)是開展水力壓裂設(shè)計(jì)與施工的必要先決條件，而三軸壓縮實(shí)驗(yàn)不僅是評價巖石力學(xué)性質(zhì)的重要方法，也是石油工程巖石力學(xué)課程的重要教學(xué)內(nèi)容之一。因此，首先向?qū)W生展示新疆J區(qū)塊巖心樣品從取芯到三軸壓縮實(shí)驗(yàn)全過程（圖1），學(xué)生能夠在這一過程中接觸到油田一手的地質(zhì)資料、地震數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)等，提升對油田一線的認(rèn)識，并且初步建立巖石力學(xué)課程與石油工程專業(yè)其他專業(yè)課程的聯(lián)系。通過油田現(xiàn)場取芯和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的展示，不但能夠展示油田科研一線的研究內(nèi)容，也能夠幫助學(xué)生鞏固對巖石變形與破裂等理論性較強(qiáng)的知識點(diǎn)的掌握情況，讓學(xué)生對線彈性、非線彈性和剪切破裂等相關(guān)知識有更深刻的認(rèn)識。在評價巖石的力學(xué)性質(zhì)后，再展示油田現(xiàn)場的水力壓裂數(shù)據(jù)（圖2），結(jié)合動畫和壓裂現(xiàn)場實(shí)拍圖片與視頻，生動地向?qū)W生講解裂縫起裂、擴(kuò)展、閉合等過程，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用破裂壓力和延伸壓力等概念分析現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)。利用此數(shù)據(jù)，要求學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識自主判斷地層最小主應(yīng)力、閉合應(yīng)力等，并預(yù)測水力壓裂效果。此時，要求學(xué)生開展分組討論，引導(dǎo)學(xué)生比較水力壓裂典型的理論施工曲線與實(shí)際工程案例中的曲線的異同點(diǎn)，初步形成工程思維。因?yàn)槎鄶?shù)同學(xué)的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)欠缺，在同學(xué)們分組討論完后，應(yīng)當(dāng)針對掌握情況不好的知識點(diǎn)開展補(bǔ)充講解，加強(qiáng)教學(xué)質(zhì)量。最后，向?qū)W生展示水力壓裂結(jié)束后、油井投產(chǎn)的示意圖（圖3），提升學(xué)生對巖石中流體與孔隙壓力變化特征的認(rèn)識。

上述工程案例教學(xué)方法不僅涵蓋了多項(xiàng)石油工程巖石力學(xué)課程主要的教學(xué)內(nèi)容，同時也在案例中使用了小尺度（巖心，圖1）→中尺度（水力壓裂，圖2）→大尺度（油田區(qū)塊壓力，圖3）的邏輯聯(lián)系。課后，需要監(jiān)督學(xué)生做好復(fù)習(xí)工作，認(rèn)真完成思考題與習(xí)題，評價學(xué)生掌握情況。

在考核方式方面，以往常采用作業(yè)、平時表現(xiàn)和期末考試結(jié)合的方式，考察學(xué)生的聽課態(tài)度和理論掌握能力。由于本次教學(xué)改革的一個目標(biāo)是提高學(xué)生對油田工程現(xiàn)場的認(rèn)識，因此在考核方式方面加入了學(xué)生對工程實(shí)例的學(xué)習(xí)。在作業(yè)、平時表現(xiàn)和期末考試的基礎(chǔ)上，增加小論文環(huán)節(jié)，要求學(xué)生以小組為目標(biāo)，搜集油田一線的巖石力學(xué)相關(guān)生產(chǎn)資料，通過課堂講授的知識開展應(yīng)用性分析，不但提高知識掌握程度，也可初步鍛煉科研能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

課程結(jié)束后，通過發(fā)放調(diào)查問卷、與學(xué)生談話等方式及時了解了學(xué)生對于這種教學(xué)方式的反饋。通過反饋發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對于工程案例展示過程具有較強(qiáng)興趣，并且更傾向于通過小組互動的方式加強(qiáng)同學(xué)間的溝通。同時，部分同學(xué)還表示在這一學(xué)習(xí)過程中對油田一線生產(chǎn)更加感興趣、更愿意自主探索巖石力學(xué)前沿發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種引入了油田現(xiàn)場工程時間案例的教學(xué)改革方法，從教改背景、教學(xué)目標(biāo)、具體內(nèi)容設(shè)計(jì)、考核方法和課后反饋等方面開展了論述。這種方法充分結(jié)合了中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)高度結(jié)合新疆油田生產(chǎn)一線的實(shí)際情況，也與石油工程專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的模板一致。通過對高度可視化的工程一線資料進(jìn)行分析，可以讓學(xué)生鞏固相關(guān)理論知識，并逐步形成利用基礎(chǔ)理論知識解決實(shí)際問題的能力，在畢業(yè)后能夠更快投入油氣生產(chǎn)。通過添加小組為單位的小論文考核環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)同配合、與人溝通和基礎(chǔ)科技文章寫作的能力，對學(xué)生進(jìn)行綜合提升。在開展教學(xué)時，由于工程一線原始數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜、干擾因素多、變量多，有些數(shù)據(jù)甚至可能涉密，不適合本科生直接接觸并處理，要注重對一線工程數(shù)據(jù)的脫敏和合理簡化，這樣才能提高教學(xué)質(zhì)量、保障教學(xué)效果。最終，使得學(xué)生能夠掌握理論并形成初步解決工程問題的方法，培養(yǎng)應(yīng)用思維，做到用理論指導(dǎo)工程實(shí)踐的同時也通過工程實(shí)踐鞏固對理論知識的掌握程度。

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)本科院校教育教學(xué)改革項(xiàng)目，“新工科背景下面向低油價環(huán)境的石油工程專業(yè)《巖石力學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革”

參考文獻(xiàn)

[1] 習(xí)近平給中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)畢業(yè)生回信：把個人的理想追求融入黨和國家事業(yè)之中[J].中國人才，2020（8）：4-4.

[2] 于景維，謝慶賓，祁利祺，等.應(yīng)用型高校校企合作探索——以中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)為例[J].才智，2017（29）：60-60.

[3] 譚強(qiáng)，鄧金根，蔚寶華.石油工程巖石力學(xué)工程案例教學(xué)方案設(shè)計(jì)[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2020，404（03）：112-113.

[4] 周舟，金衍，盧運(yùn)虎，等.石油工程專業(yè)全英文課程的教學(xué)難點(diǎn)與應(yīng)對措施初探——以“鉆井工程（全英文）”課程為例[J].科教文匯，2021，（7）：84-85.

[5] 包春燕，羅琳，李安原，等.基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)的本科“巖石力學(xué)”教學(xué)模式改革探討[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，40（6）：57-62.