基于学生创新能力培养的压裂酸化实验教学平台构建

2014-12-25罗明良温庆志战永平曲占庆陈德春冯其红

实验技术与管理 2014年9期

罗明良，温庆志，齐宁，战永平，曲占庆，陈德春，冯其红

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

低渗致密油气、页岩气以及煤层气等油气资源的高效开发对于缓解我国能源短缺的局面至关重要。压裂酸化技术是这类储层开发的重要手段，已得到了越来越广泛的应用［1－3］，该领域急需大量具有压裂酸化知识背景的创新复合型人才。创新不仅要从书本中掌握理论知识、激发创新意识，还要在实践中运用创新方法出成果［4－5］，因此实验教学对培养学生创新实践能力尤为重要。中国石油大学（华东）“石油工程实验教学中心”是国家级实验教学示范中心，压裂酸化实验室是其中一个重要组成部分。压裂酸化实验教学以往仅开展裂缝导流能力验证型实验，到2010年增加了压裂酸化实验，主要面向石油工程、海洋油气工程等专业，年平均实验人数达到500余人。由于现有实验环节较少，且局限于对课堂理论知识的验证，学生缺乏实验设计、分析及表达能力的全面训练，难以对压裂酸化理论与实践融会贯通。因此如何利用现有教学与科研资源，构建压裂酸化实验教学平台，提高学生自主开展压裂酸化实验的比例，对于开拓石油工程专业学生视野、培养学生的创新实践能力、迎接复杂油气资源的高效开发具有重要的意义。

1 压裂酸化实验教学平台构建内容

目前，石油工程专业学生对于压裂酸化理论知识的学习主要依靠专业必修课“采油工程”与专业选修课“油水井增产增注技术”两门课程，由于学时限制，只能对压裂酸化一些基本概念、原理以及工艺过程进行初步了解，缺乏对压裂酸化理论与实践进行有机结合的学习，不能满足石油工业对于创新型人才的要求。因此有必要根据石油工程专业的培养目标，改变课堂教学的组织形式，按照专业应用特点，充分利用现有教学与科研实验室等有效资源，以论证型实验和演示型实验为基础，提高学生自主开展压裂酸化实验教学内容的比例，实现学生对前期掌握的各种专业知识的融会贯通。同时，鼓励学生参与各种与压裂酸化相关的科学研究项目以及创新实践竞赛活动，引导学生通过压裂酸化实验教学平台进行自主性实验设计与实践，强化实践教学过程中科研与教学的互动，充分发挥学生主观能动性，多角度、多层次培养学生的创新思维，为学生创新实践能力的提升奠定良好基础。

2010年以来，我们依托石油工程国家级实验教学示范中心，整合各类实验教学资源，大力开展各类实验教学平台的构建。压裂酸化实验教学平台作为其重要组成部分，通过实验室硬件建设与完善、教学科研资源融合以及大学生创新性实验开展等，根据压裂酸化理论教学内容，从演示、验证到数值模拟再到创新实验的角度，构建了压裂酸化实验教学平台（见图1），为学生自主开展实验设计与实践提供了场地。利用该实验平台资源，逐步提升学生在压裂酸化领域的创新实践能力。

图1 压裂酸化实验教学平台构建内容示意图

2 实验装置改进与完善

近年来，为了提高学生创新实践能力，石油工程学院加大了压裂酸化实验教学硬件投入，不仅对现有设备进行了升级改造，而且通过自主设计与厂家生产相结合的方式创新了适宜学生开展创新型实验的装置，并购买了矿场应用较为广泛的压裂酸化工艺优化模拟软件，从而基本覆盖了压裂酸化相关重点知识。

2011年，为了克服压裂理论学习困难以及人身安全无保障等问题，利用SCADA（supervisory control and data acquisition）系统［6－8］构建了一套压裂实验仿真平台。仿真实验设备［9］以现场实物为依据，把压裂施工所需设备按比例缩小制作，使之室内化（如图2—图4所示），按照压裂施工设备的摆放顺序摆放，模拟压裂施工现场。通过仿真软件系统控制设备开关，演示压裂施工每一环节，实现了教师与学生之间的互动，激发了学生学习压裂酸化知识的兴趣和积极性，提高了压裂实验的教学效果［10］。

图2 压裂车模型

图3 混砂车模型

图4 罐车模型

在裂缝导流能力验证型实验中，为了更好地让学生理解掌握支撑剂铺置方式与支撑剂嵌入对裂缝导流能力的影响，实验教师对裂缝导流仪中常规导流室进行了改进，使支撑剂可以不同方式进行铺置，如均匀分布或柱形分布等，同时制备了系列岩板（见图5），可以替换原有钢板，因为钢板不能考察支撑剂嵌入的影响。通过对导流室的改进与完善，使学生充分了解压裂过程中支撑剂的分布和嵌入情况（见图6），并考察这两种情况对裂缝导流能力的影响规律，直观深入地理解支撑剂铺置、嵌入与裂缝导流能力之间的相互关系。

图5 裂缝导流能力实验用岩板

图6 支撑剂嵌入图

学生通过演示实验和验证实验基本对压裂酸化基本原理、工艺有初步了解。为了充分发挥石油工程专业学生主观能动性，我们整合现有教学与科研资源，将部分用于科学研究的实验装置对学生开放，从而形成了覆盖压裂酸化基本知识的4个创新型实验——可视平板裂缝模拟实验、降摩阻模拟实验、酸蚀模拟实验、流变性测试实验。通过可视平板裂缝模拟装置可以让学生能更加直观清晰地观察到裂缝中支撑剂的运移、沉降过程（如图7所示），激发学生去理解、分析裂缝中支撑剂沉降运移规律以及影响因素；通过降摩阻模拟实验装置（见图8），可以考察减阻剂的降阻效果以及排量、管径等对减阻效果的影响，通过学生自主设计与完成实验，将课堂教学的理论知识延伸到实验教学，促使学生追问哪一类物质可以减阻，减阻机理是什么等，提高了学生对这些知识的浓厚兴趣。通过创新型实验让学生主动参与这些问题的分析与研究，提升学生的主观能动性和分析解决问题的能力，实现了理论与实践的贯通。

图7 裂缝中支撑剂运移沉降现象

图8 管线摩阻测试仪

3 实验教学平台管理模式

压裂酸化实验教学的管理和运行实行专人管理、资源共享的机制，并构建了压裂酸化实验教学信息化子平台，促进了实验教学模式的转变，满足了压裂酸化教学科研实验室开放、学生自主学习和师生互动交流的要求，大大提升了实验教学的信息化、智能化管理水平，提高了管理效率和规范性。该子平台建设了先进的实验教学管理硬件系统。该子系统包括刷卡派位系统、门禁系统、监控系统、录编系统、点播系统、电源控制系统等六大系统。搭建了智能化的实验教学管理平台，包含开放实验教学管理系统、教学资源管理系统、仪器设备管理系统、创新项目管理系统、实验教学考核与评价分析系统等模块。该信息化管理平台功能强大，智能化程度高，将实验教学、管理、考核等功能有机结合，借助该平台实现了开放式、分散式、预约式、自助式实验教学，学生可以随时上网预约、自由选择实验项目、自主设计实验流程、自行完成整个实验，面向大学生第二课堂、毕业设计、创新实验项目和科学研究全面开放。

4 实验教学改革与效果

当前石油工程专业大多实验教学是以教师为主体的传统教学模式，学生经常处于被动地位。实验通常由教师提前准备好，学生按照实验步骤完成规定实验，然后完成一份实验报告就结束，这种模式使得学生缺乏自主思考的时间和空间。无法真正发挥实验教学的作用，不仅影响了学生动手操作能力的提高，而且制约了学生自主能力和创新能力的发展。针对这种情况，压裂酸化实验教学从教学模式、教学科研融合以及教学队伍建设等方面进行了改革尝试。

首先，改革传统的实验教学模式。在压裂酸化演示型和验证型实验中，采用启发式和互动式教学方法，通过在实验过程中设置一部分课堂教学中未涉及到的一些问题，促使学生灵活运用所学知识分析思考实验中观察到的现象，提高学生分析问题能力。另外，建立互动式教学模式，利用先进的多媒体教学手段解决了压裂、酸化过程原理讲解不清晰、以看为主、只看不练、缺乏互动等问题，实现了教与学的双向沟通，激发了教学双方的主动性，拓展了对学生创造性思维的培养，不仅提高了实验教学效果，也提高了学生的专业技能。譬如以压裂施工工艺互动教学为例，实验教师运用仿真软件系统，选择教学系统中的现场地面工艺操作和压裂基本工序中的试循环进行演示，试循环工艺演示结束后，学生就可以在实验装置上进行实际操作，进行试循环工艺的实训。实训过程中，通过不同阀门的开关以及仪表控制台的控制，学生和教师都可以在显示屏上看到其操作结果。教师可以随时指导检查学生打开阀门的情况，并指导学生纠正自己的错误，使学生顺利完成该工艺的操作［11］。模拟型与创新型实验以综合设计性、研究性和创新性实验项目为主体［12－14］，采用个性化实验教学方式。在实验教学过程中主要通过教师与学生共同参与实验装置的设计、参与教师的科研项目以及学生利用科研平台自主提出实验内容、制订实验方案等方式，充分发挥学生想象力和创造力，不局限于教材内容，促使教学与科研充分融合，提高学生创新实践能力以及分析解决问题的能力。

完善实验教学师资队伍建设，提高实验教学能力。构建结构合理的实验教师队伍与提高教师实验教学水平是实现良好教学效果的基本条件。近年来，通过引进与自身培养，构建了一支学历、职称和年龄结构合理的压裂酸化实验教学团队，其中具有丰富实验教学经验的教授3人，副教授5人，专职实验师2人。为了提高压裂酸化实验教学水平，学院多次组织课程教授、副教授及实验人员到其他高校观摩学习，并与学生面对面地交流，听取学生建议。教师在提高自身课堂教学与科研水平的同时，积极开展实验装置自主设计，鼓励学生利用实验教学平台，自主设计题目或参与教师的科研活动，启发学生对压裂酸化领域技术创新的兴趣。每学期都聘请校内外具有丰富实践教学经验的专家教授在实验教学内容、教学方法与手段以及学生创新性实验的开展等方面进行指导，并结合团队自身的研讨与实践，逐步提升团队教师的实验教学水平。

从2010年压裂酸化实验教学改革以来，通过学校“211工程”与优势学科创新平台建设经费等的支持，以及教师自身科研经费的投入，改善了压裂酸化实验教学硬件与软件环境，逐渐形成了主要针对石油工程、海洋油气工程专业为对象的压裂酸化创新实验平台，建立了富有石油特色、课堂教学与实践教学相结合的创新型人才培养体系，学生的实践能力和创新意识得到了明显提高。2010年至2013年，我院压裂酸化实验教学平台共承担压裂酸化实训2 450人次，开展创新性实验项目50余项，获得国家奖学金、中石化英才奖学金等20余人次，参加“挑战杯”、数学建模大赛等并获得国家级一、二等奖10余人次。近年来，具有压裂酸化知识背景的学生受到国内外石油企业的青睐，就业率达到100%，从事压裂酸化研究的出国留学生也受到导师的欢迎与赞许。优秀的教学成果坚定了学院以压裂酸化实验教学平台建设为突破口，完善石油工程相关领域实验教学平台建设的决心，充分发挥学生的主观能动性，敢于实践，勇于思考，提高学生的实践能力与创新意识，为学生将来成为相关领域的领军人才或技术骨干奠定坚实的基础。

5 结束语

压裂酸化创新型人才的培养应当以满足石油天然气工业快速发展对人才需求为目的，以实验教学改革为突破口，充分调动教师参与实验教学改革的积极性，重视对实验教学实施个性化指导，发挥学生主观能动性，全面提高学生的综合素质和创新实践能力。同时，在今后的实验教学工作中，还需克服关门办学的思想，坚持走出去到企业学习、引进企业高级人才来学校授课等方法，充分利用石油企业各方面的优势资源，在学校、企业、教师和学生之间建立起共同联系的纽带，充分发挥实验教学平台在培养学生创新精神和创新实践能力的作用。

（

）

［1］曲占庆.水平井压裂技术［M］.北京：石油工业出版社，2009.

［2］张士诚.压裂开发理论与应用［M］.北京：石油工业出版社，2003.

［3］沈云波，何柳，沈莉波.水平井分段压裂酸化工艺技术现状及研究进展［J］.西部探矿工程，2012（10）：48－50.

［4］隋秀香，石军太.培养石油工程专业创新型人才的流体力学实验教学探析［J］.石油教育，2013（3）：27－29.

［5］张红光.开放实验室，培养大学生的创新精神和实践能力［J］.实验技术与管理，2011，28（6）：16－19.

［6］游波.基于SCADA和RTU的污染源在线监控系统［J］.科学咨询：科技管理，2010（22）：74.

［7］韩忠才，王运娣，王伟，等.SCADA系统在污水处理厂中的应用［J］.河北工程技术高等专科学校学报，2010（4）：39－41.

［8］李建军.SCADA控制系统在原油直接式加热炉控制中的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（8）：91－93.

［9］战永平，曲占庆，陈德春，等.压裂实验仿真平台构建［J］.实验技术与管理，2012，29（2）：76－77，80.

［10］战永平，曲占庆，陈德春，等.压裂、酸化实验教学实训平台的建设［J］.实验室科学，2011，14（4）：160－162，166.