《钻井工程》课程教学改革探索

2016-02-03王艳丽

中国石油大学胜利学院学报 2016年4期

关键词：钻井工程讲授法钻井

王艳丽

(中国石油大学胜利学院油气工程学院,山东东营257000)

《钻井工程》课程教学改革探索

王艳丽

(中国石油大学胜利学院油气工程学院,山东东营257000)

《钻井工程》课程涵盖内容范围广,理论性强,与现场实际结合紧密,知识更新快。单纯采用讲授法教学,效果不够理想。《钻井工程》教学要根据课程特点和目前教学过程中存在的问题,将讲授法与启发式教学、案例教学、比喻教学等方法巧妙结合,采用学生自学加提问的方式或让学生讲解的方式加强学生自主学习的能力;弱化应用型公式,强化解决问题的思路;利用真实情景教学,增强学习内容的直观性;及时更新教学内容,跟上技术发展步伐。只有这样才能使《钻井工程》课程的教学效果得到提升,也为其他工程类课程的教学提供借鉴。

钻井工程;教学方法;讲授法;工程实践

《钻井工程》是石油工程类专业一门非常重要的必修课,主要讲述钻井工程中涉及到的基本理论、基本计算、基本设计和现代钻井技术的基本工艺过程。既是重要的基础理论课程,又是一门实践性非常强的课程[1]77,强调理论与实践的统一。该课程的教学既要让学生系统掌握钻井工程的相关理论,又要能与钻井工程实践相结合,单纯的讲授法教学难以达到目的。《钻井工程》的教学必须结合课程特点进行改革。

一、《钻井工程》的课程特点

(一)涉及学科多,理论性强

《钻井工程》是一门综合性学科,涵盖钻井的工程地质环境、钻进工具、钻井液、现代钻井技术、固井完井、钻井工程设计、特殊钻井作业及技术等多方面内容,涉及地质学、测井解释、岩石力学、管柱力学、油田化学、流体力学、机械原理和材料力学等学科。该课程理论性强,学科内容相互交叉、相互渗透[2-4],给教学带来很大困难。再加上内容中因涉及到基本计算而出现的公式较多,让学生自然而然地产生畏难心理,极易影响课堂教学效果。

(二)与现场实际结合紧密

《钻井工程》作为一门“工程”类的课程,很多知识非常抽象,与现场实际结合非常紧密[5],如果单纯讲授,没有现场的实践,学生接受起来会非常困难。

(三)知识更新速度快

随着技术的发展,钻井作为石油勘探开发的重要环节,钻井工具设备不断更新,钻井工艺技术不断进步,但《钻井工程》教材中的相关内容却不能做到及时更新,致使学生无法通过教材学习最新的设备工具和工艺技术,势必对深造和就业产生不利影响。

二、《钻井工程》课程教学改革的方向

根据《钻井工程》课程的特点,该类课程教学要达到理想效果,需要从以下几方面进行改革。

(一)结合教学需要,将讲授法与多种方法巧妙结合

目前,我国高校课堂的基本教学形式还是讲授法[6]。讲授法缺乏学生直接实践和及时做出反馈的机会,容易使学生处于被动等待的地位,如果课堂上无法调动学生学习的积极性,就会造成“满堂灌”的情况,整个课堂会枯燥无味。但讲授法有利于发挥教师的主导作用,能够在短时间内向学生大量传授系统连贯的知识,对教学进程的调控方便,而且能完成传授知识、培养能力、思想教育三项职能,因此,是一种必要的教学方法。

要提高教学效果,运用讲授法进行《钻井工程》课程教学时,必须吸引学生的注意,提高学生的学习兴趣。教师可以通过语调的变化、举例、提问等方式引起学生注意。如在讲授井喷事故时,可以采用案例教学法,先用“重庆开县12.23特大井喷事故”引出课题,简述事故的情况,为后面讲解井喷的危害做一个铺垫。由于井喷事故发生的原因是该课题的重点,因此,在讲述完发生原因之后,可再回到“重庆开县12.23特大井喷事故”这个例子,借助实例来验证所学理论,以加强学生的印象。

《钻井工程》课程有些教学内容抽象、机理复杂,学生接受和理解难度较大,教师可以运用比喻教学法,巧用生活中的实例,达到让学生更好地认识新事物的目的。如牙轮钻头工作原理中涉及的超顶、复锥、移轴及其引起的滑动是非常抽象的知识点,如果让学生从速度的合成与分解上看出超顶、复锥引起切向上的滑动,移轴引起轴向上的滑动,学生难以理解,如果改为用石碾做比方,通过对石碾工作过程的展示,学生就很容易理解切向滑动和轴向滑动了,而且学生印象深刻。另外,讲授钻柱的疲劳破坏时,可以将井下的钻柱比喻成铁丝,在固定点反复弯曲,铁丝就会断裂。通过比喻,学生对于钻柱的疲劳损坏就很容易理解[5]。

辅以图片、视频、动画等材料的讲授法,能使枯燥的内容变得有趣生动,在一定程度上提高学生学习的兴趣,也有利于提高课堂效果。

另外,应该适当运用自学法,加强学生自主学习能力的培养。对于自学的内容,教师可通过提问的方式或者让学生讲解的方式考察自学效果,学生讲解的优点是:学生从自己的角度出发进行讲解,更容易理解,而且由于是同学讲述,课堂气氛也比较好。学生讲解后,教师可以将出现问题的内容、课程中的难点再讲解一遍,以加深学生的理解。

(二)弱化应用型公式,强化解决问题的思路

《钻井工程》课程中的公式较多,主要有两类:一类是基础型的公式,如地层压力计算公式,非常简单,而且与要求掌握的基本概念相符,整个课程讲述过程中都会用到;另一类是应用型的公式,如循环压耗的计算,涉及到钻井液的密度、黏度、管径的尺寸等,参数比较多,记忆很困难。对于这种公式,笔者认为,只要学生了解其中涉及到的参数,用到时能找到公式应用即可,也就是对于应用型公式要弱化。如机械破岩参数优化设计、水力参数优化设计等,应该弱化公式,重点强调解决此类问题的思路:首先确定标准,建立目标函数,然后运用数学的方法在各种约束条件下寻求目标函数的极值点,最后满足极值点条件的参数组合即为最优参数。再如,水力参数优化设计,目前有三个标准——最大钻头水功率标准、最大射流冲击力标准和最大射流喷射速度标准。其中,教师应详细讲解最大钻头水功率标准下的水力参数优化设计过程,对于最大射流冲击力标准的水力参数优化设计只讲解思路,最大射流喷射速度标准的水力参数优化设计可以作为习题布置给学生,让学生自己进行设计。通过习题的练习,学生对于解决参数优化设计问题思路更加明确。这种解决问题的思路在其他课程或以后工作中都是适用的。利用弱化公式、强化思路这样的教学方法有利于培养学生分析问题、解决问题的能力。

(三)利用真实情景教学,增强学习内容的直观性

《钻井工程》的特点之一就是与现场实际结合非常紧密,因此,在教学过程中与现场的结合是十分必要的,而且效果也非常好。如讲到钻井液循环时,可以到现场参观井场的布置,对照着现场实物,给学生讲解循环流程,从钻井泵出来后,钻井液经过地面高压管线,到达立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤、钻头,从钻头水眼出来后携带着井底的岩屑从环空上返,直到井口,然后进入固控处理设备(振动筛、除砂器、除泥器、离心机等)进行处理,之后进入下一个循环。学生在现场可以很清楚地看到整个流程,而且对于其中涉及到的设备会有直观的认识。另外,还有一些打捞井下落物的工具,如打捞矛、打捞筒、公锥、母锥、内钩、外钩等,如果学生在学习过程中能看到这些实物,并且能够拆卸和组装,对于这些工具的结构、打捞原理的理解效果肯定要比单纯讲授好。但鉴于钻井现场安全性的要求,去现场实习存在很多变数,每年的现场实习无法保证,可以建立相应的实训室,利用仿真模拟,实现现场的教学。另外,可以购买钻井工程的一些教学模具,如牙轮钻头、PDC钻头、井下动力钻具等,在上课的过程中使用,使学生直观地认识这些工具的结构和工作原理,达到事半功倍的效果[1]78。

(四)及时更新教学内容,跟上技术发展步伐

众所周知,我们使用的教材是滞后的,教材中的一些知识跟不上技术的发展,这就需要教师根据现场实际情况,不断充实、整合教学内容[7],如教材中对顶部驱动旋转钻井几乎没有涉及,但顶部驱动钻井系统是当今石油钻井的前沿技术与装备,符合21世纪钻井自动化的历史潮流,是钻井机械的发展趋势,现在我国赴国外打井的队伍,如果没有安装该系统将不允许在投标竞争中中标,可见顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步。再如膨胀管技术,是近年来发展起来的一项实用钻井新技术,是勘探开发深部油藏的关键技术。在常规钻井中,当遇到异常压力层或易塌、易漏等复杂层位时,通常采取下入技术套管进行封隔的方式确保施工安全。但钻井越深、套管层次越多,相应的下一级井眼尺寸越小,因此不得不采取小尺寸钻头钻进,最终导致井眼尺寸小,难以满足开采及后续修井、增产等作业的要求,甚至无法钻达目的层。膨胀管在井下通过机械或液压的方式在直径方向上膨胀,此技术的应用使得同一尺寸套管代替原来的多层套管成为可能,改善了现有的井身结构,使复杂的深井超深井能较顺利地钻达目的层,甚至实现单一井径钻井(一种小尺寸套管钻到底)的目标,也从根本上解决了大尺寸井眼钻速慢的问题,缩短建井周期,降低钻井成本。因此,在教学过程中必须要增加这些内容,使教学内容与技术的发展一致起来,丰富学生的视野,扩大其专业知识面,为以后学生的深造和就业打下良好基础。

三、改革效果

在教授2011级石油工程专业学生的《钻井工程》时,笔者主要采用的是讲授法,没有钻井现场教学,对于钻井实际的情况只能通过图片、视频等资料进行补充,学生反映该课程太难,不易理解,效果不是很理想。在给2012级和2013级学生上课过程中,除了讲授法外,增加了学生自己讲解的环节,学生不仅加深了对于该部分的理解程度,而且课堂气氛非常活跃,学生非常积极;同时钻井生产实习正好与《钻井工程》课程教学同步进行,学生到现场看到了整个钻井所用的设备,对井场的布置、现场的工具等有了更加直观的了解,到了课堂上,又放了相关的视频资料和图片资料,更进一步加深了学生的理解和认识。通过对比2011级和2012级、2013级的教学情况,结合课程特点进行的教学改革,使得学生对于钻井工程的理解更加深入,教学的整体效果有所提升。