油气成藏机理模拟实验室建设与实践

2015-05-03陈中红蒋有录曲江秀

实验技术与管理 2015年11期

陈中红，查明，蒋有录，曲江秀

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

随着经济全球化高等教育大众化的发展以及就业方式的变革，高等教育理念的内涵和外延均在不断地丰富和发展。尤其是在我国高等教育对质量工程的实施以及对工程学科工程教育专业认证要求的推动下，专业实验室平台建设显得越来越重要，这是由于实验室建设对高等学校实践教学和科学研究至关重要，对培养学生思维创新能力和提高动手实践能力非常有效［1］。科学合理的实验室平台体系不仅在于向学生传授实验知识、验证理论、培养实践技能，更重要的是体现理论和实践的结合，引导学生掌握科学的思维方式，提高分析问题和解决问题的能力，培养学生创新精神和实践能力［2］。

近年来，中国石油大学（华东）资源勘查与工程专业坚持“突出特色、立足创新发挥优势、内涵发展”的总体思路，坚持以学生为本，培养创新能力、强化工程实践能力、以培养应用型创新人才的教育理念，依托油气资源特色创新实验平台，在学生培养、学科建设和科学研究方面取得较显著成绩［3－4］。油气成藏机理模拟实验室2006年立项建设，其有效功能和运行机制不断在探索、实践、发展和完善，目前已形成特色鲜明的集教学与科研一体的专业实验室。

1 油气运聚模拟实验室建设的背景和意义

1.1 工科专业认证的背景和对应用型工程师人才的要求

矿产资源是国家国民经济和社会发展的物质基础。进入21世纪以来，我国石油工业不断向西部的沙漠、山地发展，同时也不断向海外、海洋延伸，新的复杂地质领域不断呈现，迫切要求新的理论和技术支撑，因此对创新型人才培养提出了更高的要求。近年来，学校的目标定位也积极向研究型大学转型，着力建设国际一流石油学科［5］。我校资源勘查工程专业就是以石油勘探与开发为主要特色，是我校石油石化学科的最前端，属于我校的龙头专业，在学校建设石油石化学科领域世界一流研究型大学的进程中占有不可替代的重要地位。在学校向石油学科国际一流的高水平研究型大学发展的过程中，资源勘查工程专业承载着重要而艰巨的任务。

为达到新的学校建设目标，着力培养应用型创新人才成为本专业建设的历史责任。在以质量为核心的要求下，专业建设需要内涵式发展。根据专业认证工作的总体规划，中国石油大学（华东）资源勘查与工程专业作为首批专业将接受国际工科专业认证的考核。工程教育要适应工程活动，随科学技术的发展而不断改革、发展，其学科设置、课程体系、实验室建设等都要符合社会发展的需要［6］。在新的形势下，立足于学生为本和教学科研一体化为主导思想，依托与矿产普查与勘探的国家重点学科，不断优化实践教学体系，增强对学生创新能力和工程实践能力的培养。培养具有从事油气资源勘查工程工作所需的数学、物理和化学基础知识，并能在解决油气勘探开发地质复杂问题中加以利用的现代应用型人才。油气成藏机理实验室建设就是其中的一项重要内容。

1.2 促进学科建设，培养实践能力

理论与实践相结合的原则是贯穿整个教学活动的一般性原则。实验实践教学必然内含理论教学的内容，是理论教学在实践领域的继续与深化。理论教学与实验实践教学，你中有我，我中有你，实验实践教学不是纯粹的理论见诸于实践的活动，它还肩负着引导学生实现由理性抽象到理性具体的飞跃，对知识意义进行科学建构，对所学知识进行由此及彼、由表及里地把握与理解的任务［7］。将基础实验、综合实验和设计实验相结合作为一种循序渐进的教学模式，按照学生实践能力和创新能力形成的不同阶段和认识发展规律，从内容到目标，体现出阶段性和层次性，从简单到复杂、从低级到高级逐步积累和深化，使整个实践教学过程形成一个完整的系统［8］。

油气成藏机理实验室的重要目的在将理论与实践有效地结合，并相互促进。油气成藏机理是石油天然气地质领域的一个重要分支，也是石油天然气地质课程教学的核心内容。油气成藏机理涉及到油气从生成到运移和聚集的整个过程，而这整个过程发生于地质历史期间，到目前已经经历了几百万到几亿年，甚至几十亿年，因此其过程已无法追踪，只能根据现在留下的地球化学痕迹判断可能发生的过程。因此如何研究油气运移是一个难点。成藏机理模拟实验室为研究和揭示油气成藏过程提供了一种方法。

油气成藏机理模拟是应用油气成藏机理和现代模拟实验技术在实验室中模拟自然条件下的油气生成、运移和聚集成藏过程。油气成藏机理实验室包括油气生成实验室、成岩模拟实验室、油气运移实验室、流体包裹体和拉曼观测实验室等多个分支实验室。该实验室在提高油气资源勘查工程专业教学质量、培育实用型和创新型专业人才中起到关键性的推动作用，不仅有助于学生加深理解理论知识，更重要的是增强了学生的动手实践能力。

以油气成藏机理模拟实验室为例，对于油气勘查专业本科生来说，通过油气成藏过程模拟实验，不仅可以了解实验装置的设计原理、结构和工作流程，还可以通过实际的实验操作，研究油气过程中需要的路径条件、运载层的物性条件、动力条件、圈闭条件，比如为理解输导体系概念，可以输导层砂体、断层和不整合体的形态和配置关系进行多个模型设计，以认识地下油气在输导路径上的选择性运聚行为。

2 油气成藏机理模拟实验室建设与实践

2.1 依托重点学科和创新平台建设作为基础

中国石油大学（华东）是教育部和五大能源企业集团公司、教育部和山东省人民政府共建的高校，是石油、石化高层次人才培养的重要基地，被誉为“石油科技人才的摇篮”。学校主干学科覆盖石油石化领域上游、中游到下游的全部产业链。其中“地质资源与地质工程”和“地质学”是2个博士授权一级学科，覆盖石油石化上游产业，二级学科“矿产普查与勘探”为国家重点学科。油气成藏机理模拟实验室正是依托这些传统优势石油学科而建设，具有强大的学科支撑。同时，中国石油大学（华东）创新平台建设项目“油气资源勘探开发与转化”中的子平台“复杂地质油气资源勘探理论与技术”创新平台建设，为该实验室建设奠定了基础。

近年来，这些重点学科建成了国家级视频公开课2门，国家级精品课程1门，国家级网络精品课程2门，山东省级精品课程5门，山东省实验教学示范中心2个，主编出版教材19部。有河北秦皇岛柳江煤矿、鲁东（含山东新汶）、安徽巢湖和胜利油田4个实习基地，分别完成认识实习、专题地质实习、综合地质实习和油田地质实习。这些坚实的学科基础为油气成藏机理模拟实验室建设创造了条件。

2.2 专业教学—科研综合功能作为定位和目标

实验教学体系具有时代性、适应性的基本特征。所谓时代性，即实践教学体系要紧跟时代发展的步伐，不断调整内容与结构，保持鲜明的时代行业特征。适应性，指在通过实践教学对学生的培养时，要根据学校的有限资源切实可行地制订培养计划，能适应社会、行业发展的新要求［8］。因此，新形势下专业实验室的定位必须满足于多方面要求。

专业课教学实验室的设计首先应该考虑专业课实验教学的要求，这是实验室建设的基础，并且专业课实验室设计应当立足于当前学科已有的成熟知识，并着眼于学科发展的前沿，使得专业课的实验教学可以随着学科发展有一定的弹性空间，而不能因为学科发展而受到明显的限制或约束［9］。但作为专业课教学实验室，其功能定位与基础课教学实验室有所不同［10］。专业课具有更复杂的实验过程和更强的实验综合性，实验过程不仅可以使有关理论知识再现，而且要求学生能够自己动手设计实验过程，并会对实验中可能遇到的诸多问题进行独立分析和思考，因此更能培养学生的创新意识和实践能力。

考虑到为学科建设和发展需要，专业实验室设计必须具有先进的科研服务功能。高等教育中教学和科研从来都是一体，相辅相成、相互促进、不可分割［11］，也是同一教学活动周期的2个环节。理论教学与实验实践教学，你中有我，我中有你，相互依存，相互支撑。随着近年来地质、震、钻井、试油等新理论和新技术的快速发展，对资源勘查工程专业人才的素质需求有了更高的要求，要求学生掌握前沿的勘探新理论、新技术、新方法［12］。只有掌握前沿的科学成果和技术创新，才能引领学生开阔视野，走到学科前沿。因此，研究型教学对实验室建设也提出了新的要求。

服务于学科专业有关的部分科研工作是现代化专业实验室建设要考虑的重要内容。油气成藏机理模拟实验室成立初期在科研方面就设计了具体的研究方向和目标。研究方向为针对隐蔽油气藏等复杂油气成藏机理（特别是地层—岩性油气藏）及物理模拟中存在的关键科学和技术问题开展基础和基础应用研究，形成相关创新性理论成果和具有明显优势、特色的研究与实验技术。总体目标是通过研制开发拥有自主知识产权、具有国内一流水平的油气成藏实验模拟装置，将油气成藏理论与模拟实验技术密切结合，一方面相关成果回馈到理论教学，另一方面充分应用于油田生产，以产生良好的经济效益。

2.3 根据成藏过程设计实验机构，突出可视化和动态特色

随着现代工程的科学性、社会性、创造性、复杂性等特征日益突出，对实验的要求也越来越高，实验难度也就越来越大［6］。首先要在实验技术上不断地进行研究和开发，不断提高实验教学水平和科研水平。其次要结合科研与教改项目，自行研制适合行业发展的实验装置。

我校在资源勘查工程专业具有自己的研究特色。大多数资源勘查与工程专业的毕业生将进入到石油行业就业。针对这种情况，我们在进行油气成藏机理实验模拟系统设计的时候，就考虑到了如何结合含油气盆地的地质条件，比如要考虑油气生成的温度、压力条件，油气运移的输导、动力条件，还要考虑到油气运移的动态过程，以及如何使设备具有可视化并具有可操作性。

我们根据成藏过程设计了实验机构，整个成藏机理模拟实验室包括油气成藏物理模拟实验室和油气成藏数值模拟实验室（见图1）。前者是由自主设计的硬件设备组成，后者主要是由一些先进的系统软件组成。这些软件，譬如三维地质建模软件等，可以根据不同数据体建成地质模型，模拟地下油气运移路径和运移过程。

图1 油气成藏机理模拟实验室机构组成

成藏物理模拟实验室分为油气地质基础模拟实验室和油气成藏过程模拟实验室。油气地质基础模拟实验室主要由储层成岩模拟实验室和构造物理模拟实验室组成，油气成藏过程模拟实验室主要由油气成因模拟实验室、油气运聚模拟实验室和流体包裹体观测实验室组成。

储层成岩模式实验装置见图2，主要用于砂体成岩演化过程及其对储集性能影响的分析等研究，可以模拟成岩的温压环境、流体介质环境，并测定物性参数。构造物理模拟实验装置主要用于构造成因机制及构造应力场分析等模拟。油气成因模拟实验装置包括油气成因高压催化模拟装置、气相色谱仪等，主要用于各种烃源岩样品的快速生烃模拟实验及产物分析。油气运聚模拟装置可开展油气二次运移机理、输导层及输导体系控油机理、不同圈闭条件下油气的运聚动力学机理、断层封闭性及其对油气成藏的影响等模拟实验研究。流体包裹体观测实验室包括LABRAM－010激光拉曼光谱仪、Linkam THMS－600冷热台、RQV－高温高压实验装置、莱卡高级偏光显微镜、体视显微镜、金刚石高压腔、石油包裹体模拟计算软件FIT－Oil等，可进行流体包裹体的成分测试、测温分析、人工合成流体包裹体以及高温高压实验、包裹体类型的岩相学观察等。

图2 油气成藏机理模拟实验室主要设备构成

在油气成藏过程实验装置设计过程中，突出实验过程的可视性和动态特色，例如，我们自主研制设计了可视化油气运聚模拟装置，可开展油气二次运移动态过程等模拟实验研究。油气运聚模拟实验装置具有模块化、人性化、广泛实用性及可视化的特点，其中圈闭模拟器是实验装置的核心。图3为在圈闭模拟器中设计了地层削截—断层控藏体系地质实验模型，其中红色原油的变化展现了油气运移过程。该装置可以同时满足资源勘查与工程专业的油气成藏模拟实验课的要求和油气资源专业油气运移、聚集及油气成藏机理实验课的要求。

图3 可视化油气运聚模拟实验运移过程

油气地质基础模拟实验室可以模拟油气成藏地质条件，油气成藏过程模拟实验室可以综合开展油气成因、原油输导体系、不同压力充注条件下的油气运移路径等方面的模拟实验，实现了动静结合、可视化程度高、扩展空间大的，多环境、多类型综合性研究平台。实验的地质模型可以根据生产实际来进行调整，因此可以在实践上加速取得实验依据，解决实际问题；同时实验模拟成果为开展理论创新提供了实证，实验与生产的配合可形成有效的“实验模拟－理论研究－软件开发－实际应用”多轨研发与应用模式。

2.4 搭建多层次实验创新平台、完善运行机制

现代专业实验室应该面向师生开放，才能有效利用和共享实践教学资源，激发学生的自主学习和探研动机，培养学生解决实际问题的能力和实践创新能力［13］。我校地学类专业主要培养服务油气田勘探开发的地学专门人才，对毕业生的工程实践能力和创新能力的要求很高，为此需要系统的实践教学体系来支撑。依据培养方案的要求，实践教学应该分实验基本能力的培养、综合实验能力的训练和创新意识与科研能力的提高3个层次［14］。

因此，针对不同教学和科研活动的需要，油气成藏机理模拟实验室构建了多层次实验实践平台，针对不同层次，创新实验平台实行多层次功能运行机制。目前主要设置了4个层次的平台功能：本科生专业教学创新实验实践平台和、本科优异生创新创业实验实践平台、研究生实训与研究创新实验实践平台和教师科研创新实验平台。

本科生专业教学创新实验实践平台是最基础和大众化的，是为全体本科生教学服务的第一层次创新实验平台［15］。另外，专业实验室在完成规定的实验教学以外，可能还有一些空闲时间段。为了充分利用实验室资源提高学生动手能力和科研创新能力，实验室可以根据实际情况承担一些实验教学计划之外的实验项目［16］。本科优异生创新创业实验实践平台即是这样一个平台，是面向学习优秀、对科研有浓厚兴趣的本科优异生，为他们创新创业活动创造条件。结合大学生创新创业实验计划项目，可以鼓励学生大胆创新，设计创新性实验，在保障仪器和实验安全的前提下，引导学生进行创新实验探索和研究［9］。在实验项目的设计过程中，坚持理论教学与实践教学相融合，学生主体作用与教师主导作用相结合，知识传授、能力培养、素质教育相整合［7］。

研究生实训与研究创新实验实践平台是为满足全日制专业硕士研究生校内实训需要，其特征是以科研实验为主，教学实验为辅。该平台有效地支持了资源勘查与工程专业研究生在油气成藏机理过程内容的校内实训，使他们对油气成藏机理过程有了更进一步了解，同时他们参与实验操作，不仅掌握了一些设备的操作流程，更重要的是通过“真刀真枪”的锻炼，训练了实际动手实验能力，促进专业技能向纵深化方向发展并与产业紧密结合，实现对专业知识综合贯通。学生通过上述工程模式实验室的不同实验后，受到了科学研究的基本训练，可以独立完成认识实验、验证实验、创造性实验与实验设计的全过程，较全面地掌握实验方法与技能。

该实验室建设的一个重要意义在于为教师建立了良好的科研实验平台。该平台鼓励教师结合实际教学和科研工作申报实验项目，不仅通过项目可以锻炼学生，发现部分学生的潜力，也可为教师的教学和科研做出一定的贡献［16］。在该平台上，一批优秀的中青年科研技术骨干得到培养，一支高水平的科研队伍已初步形成。该实验室平台的建立大大改善了资源勘查与工程专业科研实验条件，提升了教师科研项目完成能力和获取高级项目的支持率，使整体科研水平大大提高。

3 实验室建设成效

3.1 本科实验实践教学方面

通过油气成藏机理模拟实验室的建设，促进并保障了资源勘查与工程专业实验实践环节教学工作，提高了本科教学质量。

完成教学任务是实验室的最基本的要求，尽管仪器数量有限，但通过分组分次实验，基本可以让所有学生动手参加实验过程。近些年油气成藏机理模拟实验室帮助不少学生承担了校级以上的大学生创新创业训练计划。这些校级学生创新创业项目参照国家自然科学基金等的管理模式，自由申请、导师推荐、择优资助、规范管理、严格验收，立项项目给予经费资助。近年来，每年有10余项学生创新课题获得校级以上立项资助，使学生尽早进入专业科研领域，接触学科前沿，了解学科发展动态，掌握科学研究的基本思路、方法和手段［12］。在该实验室的推动下，通过长期的规划和不断完善，资源勘查与工程已成为教育部首批“卓越工程师教育培养计划”和“国家大学生创新性实验计划”实施的特色专业。资源勘查与工程专业本科教学成果“以专业课程建设为核心，构建资源勘查与工程特色专业优质教学平台”获得2014年国家教学成果二等奖，另外，还获得多项省级教学成果奖。

3.2 研究生实训与研究方面

油气成藏机理模拟实验室帮助资源勘查与工程专业硕士生完成校内实训，并在指导教师的参与下，利用实验室的设备，完成了多名矿产普查与勘探学科研究生的论文计划和培养。研究生实训与研究，不仅让研究生对油气成藏过程和控制因素有了更多了解，他们在参与实验操作过程中，掌握了该设备的操作流程，训练了实际动手实验能力。同时，平台促进了资源勘查与工程方向研究生高水平科研成果的产生。统计表明，近年来资源勘查与工程专业研究生发表的高水平论文明显增加，并处于全院前茅。2人获全国优秀博士学位论文提名奖。研究生教学成果“突出石油特色，加强实践创新，提升地质工程领域专业学位研究生培养质量”，获第二届山东省研究生教育省级教学成果一等奖（2014年）。

3.3 科研成果方面

多年来，资源勘查与工程专业课程组坚持以实验室建设为依托，通过实验室建设促进课程建设和科学研究。现有的油气成藏机理模拟实验室为石油勘探主干学科，集中了石油勘探的科技人才，具备良好的科研条件，形成了成熟的研究方向，是学校面向石油石化开展科技服务的重要立足点之一［17］。油气成藏机理模拟实验室承担并支持了国家自然科学基金、国家油气重大专项等多层次项目的相关研究工作（见表1），成绩斐然。大量科研工作提高了教师的学术水平，同时科研成果能及时充实到教学中。科研促进了教学，而教学和理论水平的提高又促进了科研，教学与科研相互促进。

值得一提的是，油气地质与勘探研究团队紧紧围绕中国复杂油气藏勘探中的关键成藏机理问题开展科研攻关，取得了一系列研究成果，部分研究领域取得了重大突破，形成了研究特色和优势。该团队2008年入选首批山东省优秀创新团队，并被山东省人民政府记集体一等功。“十五”以来，课程组教师取得了多项研究成果，获得国家科技进步二等奖3项、省部级奖15项，教师的学术水平不断提高，许多教师在国内石油地质领域具有较高的知名度［18］。

表1 2008年以来油气成藏机理模拟实验室支持完成的部分科研项目

4 结束语

实践表明，油气成藏机理模拟实验室的建设在资源勘查与工程专业本科生、研究生的工程实践能力和创新能力培养方面发挥了重要的作用，同时也积极推动了资源勘查与工程专业学科建设及高水平科研成果的产生。在该实验室的建设与实践过程中，学生的自主学习态度、创新创造意识、实践动手能力和团队协作精神都得到提高，科研团队的科研水平也得到提升，这些结果促进了本学科的良好发展。

该实验室的实践成效表明，在注重质量、内涵、创新、实践等新的教学理念基础上，高校专业课教学实验室要注重建设的目标化和特色化、运行机制的多层次化和有效化、管理的科学化和规范化，以求形成高质量的教学—科研一体化实验服务体系。

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