石油工程岩石力学工程案例教学方案设计

谭 强 邓金根 蔚宝华

（中国石油大学（北京）石油工程学院 北京 102249）

“岩石力学”是固体力学的一个分支，主要研究岩石在外界因素作用下的应力应变关系和稳定或失稳状态，具有理论性和应用性较强、与实验结合紧密等特点。在我国本科教育中，“岩石力学”课程也是土木工程、水利水电工程、石油工程等专业需要学习的基础课程之一。对于石油工程专业，“岩石力学”课程除讲授基本概念和基本原理之外，还介绍深部地层地应力的测量方法，油气钻完井过程中井眼周围应力状态，以及岩石力学在井壁稳定、水力压裂、套管损坏、油井出砂等方面的应用等内容。

“石油工程岩石力学基础”课程面向大三本科生，讲授岩石力学的基本原理及其在石油工程中的应用。目前，仅以传统的传授书本知识为主的板书和PPT课堂教学模式已不能满足应用型本科人才培养的需求。如果仍按照传统的教学方式进行教学，容易出现学生对知识只能宽泛了解而掌握不牢的现象，也难以让学生高效地接受知识。

目前，国内工科院校正在普遍推行工程教育专业认证，旨在进一步提升人才培养质量，并实现工程教育的国际互认和工程师资格的国际互认。工程教育专业认证鼓励培养应用型人才，在“培养目标”标准中要求既要遵循本科教育规律，又要体现学科特色和学术前沿；在“课程体系”标准中要求将传统教学中的理论知识传授与实践能力培养融合到一起。因此，适时将实际工程案例引入石油工程岩石力学教学中，有助于学生了解石油工程现场实际情况，加深理解岩石力学基本原理，掌握岩石力学基本知识在石油工程中的应用方法，更好的达成符合工程教育专业认证标准的教学培养目标。

1 工程案例教学设计原则

案例教学法是一种理论与实践相结合的教学方法，对培养学生的思维和创新能力具有积极的推动作用。工程案例教学的重点在案例的选择和案例与理论知识的结合。选择的案例应具有典型性，典型案例一般与课程重要知识点结合紧密，有助于学生对岩石力学重要知识的理解和掌握，同时能给学生留下较深刻的印象。

同时，案例应难易适中，不宜过于复杂。有学者建议工程案例教学中案例选择由简单开始，循序渐进，逐渐增加难度。对于本科生，由于接触专业课时间不长，工程实践经验尚不丰富，需要给予一段时间适应工程案例教学方法，因此不宜选用难度过高的复杂工程案例进行教学。

另外，案例应对学生有启发性。合适的工程案例能够吸引学生的学习兴趣，启发学生对理论知识进行深入思考，培养学生举一反三、触类旁通的能力，加深学生对知识的理解程度。而不适合的工程案例不仅起不到巩固基础知识的作用，反而有可能产生反作用，使学生对知识的学习产生心理抗拒。

最后，工程案例分析结论应具体、准确。石油工程的施工对象主要是深埋在地下的岩石，由于目前技术手段的限制，对地下岩层的认识还存在诸多不确定因素，这些不确定因素往往导致很多工程实践问题具有多解性，或者部分问题的深层次机理尚无定论。在工程案例的选择中，应避免选用分析过程和结果较为模糊的案例，否则可能引起学生产生误解，影响对理论知识的消化吸收。

除工程案例选择外，案例教学方法的设计也非常重要。案例教学从方法上可以分为演示型案例教学、讨论型案例教学和角色型案例教学三类，其中讨论型教学以教师和学生的互动为基础，因此最适合在课堂上进行。优秀的工程案例教学设计应能引导学生主动思考问题，可采用工程案例导入、分组研讨、关键问题讲解、课后巩固练习的方式，使学生明确课程所学知识内容在工程实中的作用，促进本科生对基础知识点的掌握。在课程中导入案例的方式有案例设疑法、案例比较法、案例讨论法、演示观摩法等多种，针对“石油工程岩石力学”课程的特点，建议采用案例设疑或案例比较的方法导入工程案例，并结合重要知识点进行讨论、讲解。在教学中，应充分运用慕课、微课等方式提升学生在课堂的参与度，在研讨过程中巩固对知识点的理解。

2 石油工程岩石力学工程案例教学设计

基于本文提出的工程案例教学设计原则，筛选难易适中、与书本知识点结合紧密且分析过程和结论清晰的典型案例作为课堂教学工程案例。以石油工程岩石力学中“地应力”一章中的重要知识点地应力测量为例，讲解地应力现场测量方法时，设计采用工程案例教学提高学生的学习兴趣。

水压致裂法是一种工程中测量深层地应力大小的主要方法，在石油工程相关的油田现场施工中，由于成本控制和生产安全等原因，一般不会专门采用该方法进行地应力测量。但钻井过程中的地漏试验和油气井增产作业中的水力压裂施工过程与水压致裂法测量地应力较为相似，可以借助这些工程数据分析地应力大小。因此将地漏试验数据和水力压裂数据作为工程案例数据引入课堂教学，引导学生讨论地应力大小的分析方法，加深对理论知识的理解。设计工程案例教学流程如下。

工程案例教学开始→水平地应力计算理论讲解→引入工程案例→工程案例分析讨论→工程案例讲解→布置课后复习作业→工程案例结束

首先，给学生讲解水平地应力力计算的基本原理，使学生初步认识和基本掌握水压致裂法测量地应力的理论分析方法，以便后续在工程案例分析讨论中进行应用。水压致裂法测量地应力时理想的“时间-压力”曲线如图1所示，从曲线上可以读取破裂压力Pf、裂缝延伸压力Pprop、裂缝闭合压力Pc和重张压力Pr。工程分析中一般认为裂缝闭合压力与水平最小主应力相等，然后根据井眼周围的应力分布，利用破裂压力、重张压力和闭合压力计算水平最大主应力。

然后，在学生掌握水压致裂法测量地应力数据分析方法的基础上，通过案例设疑法和案例比较法引入工程案例。由于实际工程中的地漏试验曲线和水力压裂曲线受施工条件影响与理想水压致裂地应力测量曲线有差异，因此在引入工程案例时通过设疑，引导学生思考工程曲线与理想曲线之间有哪些不同，为什么会产生这些不同。同时也将地漏试验曲线与水力压裂曲线进行对比，让学生观察这两种工程曲线之间的差异。

图1 水压致裂法测量地应力的典型曲线

引入工程案例之后，组织学生就如何利用地漏试验曲线和水力压裂曲线评估地应力大小进行分组讨论。分组讨论教学将学习的主动权交给学生，有助于激发学生的学习兴趣，培养自主学习能力和团队协作能力，提高学生解决问题的能力，更符合当代大学生的心理特征。在分组讨论过程中应注重调动学生的主观能动性，尽可能让学生由以往的被动听课转换为主动思考、学习。在同学们充分讨论的基础上，由教师进行总结讲解，对讨论内容查漏补缺，并进一步强调工程实际与理论的紧密联系。例如，由于大多数同学没有在工程现场实习的经历，对现场施工工艺和步骤并不了解，需要教师进行补充讲授，使工程案例教学的效果得到加强。

最后，在课堂教学后设计相关的课后作业。课后作业能够让学生巩固课堂学习内容，也可以让教师了解学生对知识的掌握情况。因此，在课后作业中对地应力测量问题加以引申，提出问题：如何利用定向井的地漏试验曲线和水力压裂曲线分析地应力大小，督促学生在课堂学习的基础上进一步深入思考，同时锻炼学生的自我学习能力。至此，完整的工程案例教学结束。

3 结束语

对于大部分工科专业，在教学中引入工程案例有利于教学工作的顺利、深入开展，有助于激发学生的学习兴趣，使学生主动参与到教学过程中来，加深对理论知识的理解和对工程实际问题的认识。教学中选择的工程案例应具有典型性，能够启发学生思考，难易适中且能呈现具体准确的分析结果。在工程案例教学程序设计中，要坚持理论联系实际，鼓励学生主动思考、积极讨论，同时教师应对课堂讨论中不清晰或有遗漏的地方进行补充讲解，将知识点讲深讲透。总之，优秀的工程案例教学设计使学生在学习中形成“理论知识—案例分析—应用研讨—知识总结”的良性循环，有助于提高学生对理论知识的理解深度和利用理论解决实际工程问题的能力。