一流学科背景下石油与天然气工程实验室建设与管理

王 琨，吕栋梁，卢 聪，王其军，方全堂

（西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

石油与天然气工程是油气工业领域进行油气钻、采、储、输等工程的一门技术学科。西南石油大学石油与天然气工程实验中心依托石油与天然气工程国家重点一级学科和油气藏地质及开发工程国家重点实验室，建有石油天然气工程国家实验教学示范中心和国家油气开发虚拟仿真中心，是学科重要的教学科研基地，也是创新型人才培养和开展科学研究的强有力支撑。“十三五”以来，我校石油与天然气工程学科承担国家科技重大专项油气开发专项项目、课题（专题）项目86 项，国家自然科学基金各类项目43 项。实验中心不仅是我校石油与天然气工程学科承担高水平科研项目，产生高水平科研成果，提升科学研究水平的重要基地，也是培养拔尖创新人才的基本场所。石油与天然气工程实验中心承担校内十余个本科专业64门课程的实验教学工作，共计开出24 项演示和操作性的验证型实验项目、51 项自主开发性的综合型实验项目和1 项设计创新型实验项目，年均承担本科毕业设计、第二课堂、开放实验等超过25 万人时数。

1 加强实验室内涵建设，增强石油与天然气工程一流学科建设的硬实力

实现石油与天然气工程一流学科的建设目标，应从健全实验室制度、强化实验队伍建设和完善实验室条件3 个方面来加强实验室内涵建设。

1.1 健全实验室制度

石油与天然气工程实验室是一个设备密集、人员密集、技术密集、各类安全隐患密集、人员流动性大的场所，特别需要各种制度来规范行为、协调关系，保证实验室、实验设备按照规章正常使用。实验室制度是确保实验室正常工作和有效完成工作目标必须遵循的工作规范和行为准则[1]，它不仅仅包括实验室的日常维护管理，还包括实验室的体制管理、人员管理、仪器设备管理、安全管理、学生守则、档案管理、信息整理上报以及相关规范要求[2]。

我校现行实验室制度涵盖实验室建设与管理、大型仪器设备管理、设备及物资管理、工作人员管理、环境与安全管理、信息和档案管理6 个方面，这些制度的建立使学校实验室的建设与管理工作步入制度化、规范化的轨道。但随着高等教育的快速发展和管理方式的不断变化，部分制度变得不够完善，不同规章制度之间缺乏关联性、系统性和统一性，难以保证实验室安全、规范、高效运转。学校应该高度重视、统筹推进实验室制度建设，不断健全和修订与人才培养、科学发展相适应的实验室人员管理、设备管理、安全管理、实验标准管理等制度，提高管理效能，更好地推进石油与天然气工程一流学科建设。

1.2 强化实验室队伍建设

实验室队伍作为实验室的建设者和管理者、实验教学和科研的承担者，在人才培养、科技创新以及提高学科整体竞争力等方面具有不可替代的作用[3]。实验室队伍的综合素质和稳定情况，决定着实验室工作水平的高低，直接影响着仪器设备的使用效益，影响到实验教学与科研工作的质量与效果，是实验室实现可持续发展的关键因素。

长期以来，“实验教学从属于理论教学”的旧观念使得我校石油与天然气工程中心实验室人员的地位和作用得不到重视，实验室队伍建设跟不上教师队伍的发展和实验仪器设备的更新，现有实验室人员从数量、结构和能力、水平上都与 “一流学科”的建设要求有较大差距。我们必须转变观念，解放思想，大力推进实验教学改革、实验创新和科学研究，完善实验室队伍定期培训机制，努力建成一支教学实验保障有力、科研实验和技术开发能力强、仪器设备使用管理良好、素质高、结构合理、人员稳定的实验室队伍，使实验室队伍真正成为石油与天然气工程“一流学科”建设的重要力量。

1.3 持续更新实验室装备和完善实验环境

做实验要求科学性、客观性和真实性，除应具有科学的实验方法、高素质的实验人员和符合规范的实验材料外，更重要的是仪器设备和保障仪器设备正常运行的良好环境[4]。

实验设备是开展实验测量必不可少的工具，随着科学研究的深入，测量对象越来越复杂，对设备的要求和依赖程度也越来越高，石油与天然气工程每一项重大科研成果的背后都离不开高精尖仪器设备的支持。学校不仅要投入经费更新设备，还要投入经费鼓励对仪器设备功能的再开发，更要支持教师和实验人员根据研究方向和学科前沿自主研发特色实验设备。

良好的实验环境是保障实验人员健康、实验室安全及实验室正常有序运行的客观要求[5]。石油与天然气工程学科是一门综合性很强的学科，为模拟地下几千米的真实条件，在进行实验研究的过程中经常开展高温、高压实验，实验中还会用到大量盐酸等危险化学品和甲烷等易燃易爆气体，这给实验室环境条件建设提出了较高要求，必须不断完善实验室安全报警、通风、专用高压供气管道和危废回收等设施和系统的建设，以保障实验的顺利开展和人员、设备的安全。

2 提高实验室管理水平，助力石油与天然气工程一流学科高效建设

我校石油与天然气工程实验中心现有专职实验工作人员34 名，教学科研设备4470 台套，价值22 874.8万元，实验室258 间、总面积21 193 m2。这些人员和设备既要承担石油与天然气工程学科2520 名本科生和1867 名硕士、博士研究生的实验教学任务，还要承担年均1.7 亿元科研经费的相关实验测试任务，实验室管理任务非常繁重。如何优化现有资源，改进管理办法，提高实验室利用效率，有效发挥实验室功能，以更好地推动石油与天然气工程一流学科建设，是我们必须解决好的问题。

2.1 科学合理规划，提高实验室资源利用率

我校石油与天然气工程实验中心分为教学实验平台、科研实验平台和公共服务平台三个板块（见图1）。教学实验平台主要是配合课堂教学开展的演示、验证、综合性和创新性实验；公共服务平台主要面向校内外开展岩石力学、储层微观和流体性质等方面的测试服务，这两部分都由学院统一规划。科研实验平台则按照学科方向由各科研团队自主建立的专业科研实验室组成。科研实验室的设备一般由科研团队根据项目研究需要购置且由团队独立使用，项目结束后部分设备长期处于闲置状态，造成设备重复购置且利用率低、资源浪费的现象，同时还会占用大量的实验空间。

针对目前我校石油与天然气工程实验室数量多、功能种类复杂的实际情况，必须合理规划各专业方向设备购置需求，减少重复性购置，整合现有闲置资源，以提高各类实验室资源的利用率，更好地发挥实验室在一流学科建设中的地位和作用。

图1 石油与天然气工程实验中心结构图

2.2 定期维护保养，延长仪器设备生命周期

仪器设备的生命周期大体分为4 个阶段：准备期、采购期、使用期和处置期[6]。从历年的情况来看，我们一般比较重视准备期和采购期的可行性研究、设备选型、招投标、谈判签订合同和验收试运行等环节，而在仪器设备购置后的使用期和处置期就疏于管理，存在重购置、轻使用、轻维护的现象，大大降低了大型仪器设备的使用效益和生命周期。

对仪器设备进行定期维护保养与我们定期体检一样重要，只有定期进行校验、维护和保养才能对仪器设备的小问题做到早发现、早解决、早排除，才能提高设备的使用率和完好率，避免出现因严重故障造成的维修费用高、失去维修价值甚至发生安全事故的情况，从而延长仪器设备的生命周期。

此外，我们还应该成立专门的实验室维修工作室，负责保修期过后的设备维修、研究废旧设备的拆装和回收利用一些零旧部件，这样既可为学校节约一些资金，又可变废为宝，实现破旧资源的重生和再利用[7]。

2.3 以人为本，创新人事体制机制，充分激发实验室队伍积极性和创造性

国内高校普遍把实验室队伍划为教辅人员，实验技术人员地位低、待遇差，在职称评定、考核奖励、科研立项、基金申请等方面缺乏支持和帮助，很难有成就感和获得感，容易造成工作积极性不高、创造力不足的现象，严重影响和制约了高校的人才培养质量和科学研究水平。

近年来，石油与天然气工程实验中心坚持以人为本，以调动实验技术人员的积极性和创造性为出发点，不断改进工作思路，积极探索管人用人机制：

（1）倡导实验室技术人员走出校门，积极参加培训、交流、参观实验设备和成果展览，学习国内高校关于实验室教育教学改革的先进理念和发展动态以及生产厂家、企事业单位关于大型仪器设备的前沿技术，开阔中心人员的眼界和视野，促进对实验新技术、新方法的了解和掌握。近2 年，中心人员参加由中国高等教育学会、中国石油学会、四川省高校实验室工作研究会、国家认证认可管理委员会等机构组织的关于示范中心建设、虚拟仿真项目建设和相关专项培训等共62 人次。

（2）鼓励实验技术人员积极参加科研活动和指导大学生课外科技活动，定期开展实验技术立项与成果评奖，支持中心人员探讨研究新技术、新方法，提高教学科研实验水平，提高二次开发设备和自主研发特色设备的能力。中心自主研发的“适应现代石油工程实践教学的钻井模拟系统”和“酸压裂缝导流能力测试系统”获高等学校自制实验教学仪器设备大赛一等奖，“自支撑裂缝测试分析装置”等仪器获5 项二、三等奖，让实验技术人员找到了成就感和获得感，大大激发了中心人员投身实验技术创新的积极性和主动性。

（3）注重人文关怀，充分发挥中心党支部和工会的作用，既有政治上的关心，也有生活中的帮助和精神上的鼓励，积极为大家办实事，办好事，增强了大家的归属感和认同感。

2.4 明确职责，强化实验室环境维护和安全管理

实验室管理着各种仪器设备、多种危险化学品和易燃易爆品，如果操作不当，极易引起人员伤害、财产损失事故，并对环境造成一定的危害。在有关实验室质量管理的国际和国内标准中，实验室环境建设和安全管理都被列为重要条目[8-11]，必须遵照执行。

随着学校新校区的持续建设和完善，我院实验室面积逐年增加，出现了实验室不集中、功能分区不明显的现象。为解决实验室环境维护和安全管理工作量大、人手不够的状况，学院牢固树立“安全第一、预防为主、综合治理的原则”，加强对实验室环境维护和安全管理的组织领导，实行学院安全领导小组、楼层安全联络员和实验室安全责任人三级安全管理体系，明确和细化各级管理职责，坚持实验室安全责任人自查、楼层安全联络员定期巡查、学院不定期抽查的立体化实验室环境维护与安全检查制度。要求实验室安全责任人规范管理和使用所负责房间的危险化学品、易燃易爆品、高温高压等特种设备，做到心中有数；要求楼层安全联络员对指定楼层坚持两周一次的巡查，收集和反馈巡查中发现的问题，督促实验室安全责任人及时整改；学院安全领导小组负责制定相关制度和组织师生安全培训，并进行不定期的抽查。

2.5 资源共享，推进实验室管理信息化建设

实验室信息化管理就是通过一套信息化平台把学校各类实验室信息资源集中起来进行有序管理，实现数据共享和资源的高效利用[12]。学校已分阶段逐步建成了7 个功能不同的实验室信息化管理平台，初步实现了实验教学安排、设备采购管理、大型设备实验预约等信息化管理，但由于缺乏对实验室信息化管理的总体规划，导致各系统相互独立，数据无法共享，系统内实验信息资源少，信息化管理提升实验室运行效率的作用不明显。

基于学校实验室管理平台的现状和石油与天然气工程一流学科人才培养的迫切需要，应加大实验课件、仿真实验项目的开发，并依托现有实验室信息化管理平台构建一个跨实验室、跨学科的网上共享实验平台，让学生在课外利用手机上网访问实验室信息化平台，熟悉实验设备、理解实验原理、拓展相关知识，从而激发学生参与实验的热情和自主创新的意识。

3 提高实验室建设和管理在推进石油与天然气工程一流学科建设中取得的成效

3.1 形成“分层次、模块化、重基础、强能力”的实验教学体系，促进了人才培养质量的提高

石油与天然工程实验中心一直以提高学生工程实践能力和工程素质为主线，按由浅入深、由基础到综合的认知规律，构建适应大学生工程实践能力和创新能力培养的分层次的实验教学体系和教学方法。对于不同层次学生的能力培养采用与之相适应的教学方法：对低年级段的基础实验和综合实验采用认知实验教学法、启发式实验教学法；实践训练阶段采用虚拟仿真实验教学法；创新训练阶段采用研究式、目标驱动式实验教学法，从而达到最佳的实验教学效果。本着以学生为本，知识传授、能力培养、素质提高协调发展的教育理念，在实验教学过程中，始终坚持“循序渐进、逐步提高、分层培养、注重个性”的实验教学观，不断调整和优化实验教学内容和方法。经过多年的建设，逐渐形成了“分层次、模块化、重基础、强能力”的实验教学体系（见图2）。

图2 石油与天然气工程实验中心教学体系示意图

该体系切实注重实验教学与理论教学结合、基本技能与创新能力培养结合、课内与课外相结合的“三结合”原则，依托课程设计创新实验、课外二课实验和开发实验等项目提高学生的工程能力、创新能力和综合素质。以2018 年为例，学院本科生和研究生获得各类国家级、省级奖励共计186 项，其中：中国石油工程设计大赛国家级一等奖10 项、国家级大学生油气储运工程设计大赛国家级一等奖2 项、2018“创青春”浙大双创杯全国大学生创业比赛第十一届“挑战杯”大学生创业计划竞赛国家级铜奖1 项、2018 年“创青春”四川省大学生创新创业大赛省级金奖1 项等。

3.2 形成“工程需求引导、创新开发实验”的科研模式，提高了科学研究水平

石油与天然气工程既是一门工程实践性强的学科，也是一门创新性强的学科。既需要学生掌握扎实的基础知识，又需要创新实现理论和工程技术的突破。实验流程的标准化是实验安全和满足实验结果可靠性的保障，但石油工程的综合性和地层的复杂性会使得油气藏的勘探开发面临更多的技术难题，而在攻克这些技术难题时，通过标准化实验无法满足技术研究的需求，这就需要以工程技术为引导，创新性地开发实验装置、优化设计实验流程。我校石油与天然气工程实验室依托油气藏地质及开发工程国家重点实验室基础教学与研究平台及科研团队，建立了以工程需求为引导、平台标准化实验为基础、科研团队自主开发、实验结果可解决工程技术难题的实验科学研究模式，大大提高了科学研究水平；同时，建立的科研实验平台还可通过模块化处理，形成教学与科研共享平台，反哺教学。

以获得全国高校教师教学创新大赛——高等学校自制实验教学仪器设备创新大赛一等奖的“酸压裂缝导流能力测试系统”为例，导流能力既是石油工程专业核心课程《采油工程》的核心教学知识点，又是压裂酸化工程设计中不可缺少的参数。但一直以来，无论是理论教学还是工程设计，都是采用美国石油学会（API）推荐的针对碎屑岩水力压裂的支撑裂缝导流能力测试方法获取导流能力值。该方法不能模拟复杂碳酸盐岩油气藏酸压裂缝形成过程，更无法解决其导流能力测试中面临的诸如非达西效应、小尺度射流、裂缝面粗糙等技术难题。我校储层增产改造创新团队针对工程技术需求提出的这些问题，提出了开发酸岩刻蚀模块、优化设计新导流室、建立酸压导流能力测试计算模型、开发三维激光扫描成像系统表征粗糙刻蚀裂缝面等系列解决方案，建立了酸压裂缝导流能力测试系统，为碳酸盐岩酸压裂缝导流能力获取及酸压工程设计提供了有力支撑，在解决我国深层复杂碳酸盐岩油气藏的高效酸压中发挥了重要作用。同时，该团队还创新性地将该套测试系统模块化处理，以满足实验教学要求，分别开设了“支撑裂缝导流能力测试”“酸刻蚀裂缝导流能力测试”“酸刻蚀裂缝表面形态表征”“酸液对岩石表面刻蚀模拟”等4 门课堂基础实验和校级开放性实验，既丰富了理论教学的立体层次感，又锻炼了学生解决实际油气藏工程问题的能力。酸刻蚀裂缝导流能力测试系统解决方案见图3。通过创新开发实验促进科学研究，科研成果又反哺教学，形成了教学与科研相长，既提高了人才培养质量，又提高了科学研究水平。

通过实验室共享平台的建立，“十三五”以来，实验室在一批国家和省部级项目的支持下，成果获国家科技进步一等奖2 项、技术发明二等奖2 项；省部级科学技术奖72 项，其中特等奖1 项、一等奖17 项、二等奖27 项；授权发明专利374 件；发表SCI 论文755 篇，出版专著24 部。这些成果为我国深层油气藏、致密油气藏的高效开发提供了重要的理论和技术支撑，特别是“深层超深层油气藏压裂酸化高效改造理论与技术”入选我国2016 年国家自然科学基金委十大基础研究成果。

图3 酸刻蚀裂缝导流能力测试系统解决方案

4 结语

油气工业是支撑我国国民经济发展的重要战略资源行业，石油与天然气工程作为油气行业高级专业技术人才培养的主要学科，建成世界一流学科对中国经济发展具有重要意义。因此，瞄准国际油气工业发展态势和我国油气能源的重大需求，不断加强石油与天然气工程实验室内涵建设、持续提升实验室管理水平是石油与天然气工程一流学科建设的必经之路，也是建成世界一流学科的重要保障。