基于油田现场工程案例的教学模式改革

郭旭洋

摘 要 本科生“石油工程岩石力学基础”课程是石油工程专业的一门重要专业课，讲授的理论知识对于石油工业中水力压裂、井壁稳定等关键工程问题十分重要。已有的教学方法以理论结合演示实验为主。中国石油大学（北京）克拉玛依校区与油田生产一线高度结合、服务国家能源战略需求，应届毕业生中奔赴新疆石油石化一线的比例很高，这对学校培养工程应用型人才提出更高要求。因此，中国石油大学（北京）克拉玛依校区在开设本课程时，除了利用好已有教学方法，还需要针对性开展油田一线工程案例教学，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。

关键词 石油工程;岩石力学;应用型人才

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.31.036

Teaching Mode Reform Based on Oilfield Field Engineering Cases

——Taking the undergraduate course "Fundamentals of rock mechanics in petroleum engineering" as an example

GUO Xuyang

（School of Petroleum， China University of Petroleum-Beijing at Karamay， Karamay， Xinjiang 834000;

School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Beijing 102200）

Abstract Petroleum engineering related rock mechanics is a core course for undergraduate students in the major of petroleum engineering. Contents in the course are important for engineering problems such as hydraulic fracturing and wellbore stability in the oil and gas industry. Previous teaching methods are based on the combination of theory and lab. China University of Petroleum – Beijing at Karamay has close ties with the oilfield and serves for the energy policies of the country. Many graduates choose to work in the frontline of petroleum and petrochemical industries in Xinjiang. This asks for higher standards in for the university to improve the students' capabilities of using theories to solve engineering problems. Therefore， in addition to using existing teaching methods， it is necessary to use engineering data from the field to improve students' ability of solving problems. Keywords Petroleum engineering; rock mechanics; applied talents

岩石力学是研究岩石的力学行为相关理论及其应用的一门学科。本科生“石油工程岩石力学基础”作为中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油工程专业本科生培养方案中的一门重要课程，讲授油气钻采过程中的岩石变形、破裂、多孔介质弹性力学、地应力、实验方法及井壁稳定、水力压裂、油气井出砂等理论和工程应用内容，與石油行业上游的关联紧密，理论性和应用型较强。

中国石油大学（北京）与中国石油大学（北京）克拉玛依校区为“一校两地”关系，分别位于北京市和新疆维吾尔自治区克拉玛依市。克拉玛依市是我国重要的石油石化产业基地，克拉玛依校区毗邻新中国成立后发现的第一个大油田新疆油田，紧密结合油田一线生产需求，服务“一带一路”建设、能源战略和区域经济。[1]这就对克拉玛依校区本科石油工程岩石力学授课提出了新的挑战：除了重点讲授相关岩石力学理论知识外，还需要让学生切实理解相关理论知识在现场的工程应用，做到进入油田现场后能迅速利用所学知识解决工程问题，保障一线油气开发的正常进行。[2]这对克拉玛依校区石油工程专业的工程应用型人才培养提出了更高的要求。在工科院校开展工程教育专业认证的大环境下，除了进一步完善已有的教学方案，还需要注重进一步培养学生的实践能力和工程应用能力。[3，4]由于克拉玛依校区依托新疆油田具有得天独厚的工程实践优势，因此，在开展本科生教学时，应当适当引入油田生产案例，并结合图片、动画、视频、油田一线技术人员亲自讲解等形式，加强学生对岩石力学在工程实践中应用的认识，培养学生理论结合实际的能力。

1 教学现状及教改可行性

目前，中国石油大学（北京）克拉玛依校区本科“石油工程岩石力学基础”课程的教学任务由中国石油大学（北京）与中国石油大学（北京）克拉玛依校区共同承担，主要围绕石油工程专业相关的岩石力学性质与变形特征、强度理论、岩石中流体压力和流动、油田地应力和井壁围岩应力、井壁稳定、水力压裂和油气井出砂等内容开展教学。课程为2学分、28个理论学时和4个实验学时。其中实验学时在校内教学实验室开展，主要实验内容为岩石变形和破裂，为学生直观展示岩心在外界载荷作用下的由变形到破裂的过程。

目前，本课程的教学目标主要是要求学生在知识层面理解岩石力学的主要理论与概念，掌握岩石变形与破坏的基本方程，理解岩石结构特点和掌握地应力状态等，掌握应力-应变曲线确定方法及蠕变模型，掌握岩石破坏准则。在能力与素质层面，能够依据岩石力学基础理论知识，确定地应力大小和方向，并具备直井坍塌压力、破裂压力的计算分析能力，并且能够初步分析水力压裂施工过程中的岩石力学参数，能够预测出砂可能性、确定临界生产压差。这些教学目标与石油工程专业的相关培养目标高度契合。

理论教学结合实验教学的方式对增加学生对知识的理解十分有效，但是，结合克拉玛依校区人才培养目标的实际要求和服务西部能源战略的要求，这种教学方法在增加学生对油田现场实际生产状况的理解方面仍有提高空间。因此，需要针对性地改革教学模式和教学内容，引入油田工程案例，加强应用性培养，加强与石油石化产业的结合，提高教学方法对克拉玛依校区实际情况的适应性。

中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油工程专业培养方案中包含了大量与中国石油新疆油田合作的培养内容，包括学校导师和油田专家合作指导本科生毕业设计、在油田现场开展暑期实习、油田专家承担部分实践性较强的教学内容等。此外，学校具有的一大独特优势是地理位置紧邻油田一线生产单位和科研单位，可以满足与一线技术工人和专家日常交流的需求。基于前期与一线生产、科研人员的合作教学基础，在本科生“石油工程岩石力学基础”课程中引入油田现场工程案例提高教学质量具有较好的可行性。

2 教学模式改革内容

教学改革内容主要包含教学方式和考核方式两方面。

为了克服疫情对教学造成的不利影响，很多课程通过电脑和手机软件建立了课程群。利用该方法，通过建立课程群，每次授课前在群内上传简明的知识点预习内容，并通过视频、文档等形式上传具有工程实际意义的示意性例子，尤其注重利用可视化程度高、视觉表现力好的资料，提升学生对如破裂、压裂、钻井井壁稳定等问题的兴趣。

进入授课阶段时，需要根据每个学时的内容，合理设置是否加入工程实践内容。例如，对于岩石本构和失稳准则等理论性极强的内容，不应过多加入工程实践内容，而应当注重让学生牢固掌握基础理论知识与专业概念。而对于例如井壁稳定、水力压裂和油气井出砂等工程性、应用性较强的内容，则应当在讲解概念和理论知识的同时，合理插入工程实践内容，提高学生的兴趣，鼓励学生主动提出问题。

在讲授水力压裂这一章内容时，可以首先向学生明确改知识点的重要性，水力压裂技术的成功商业化是近十余年来北美页岩油气革命成果的关键，也是我国近年来油气增产的关键技术手段之一。结合新疆油田几年来针对低渗透油藏开展的大规模、商业化水力压裂实践，选取脱敏后的单口井力学实验、压裂和生产数据，适当、合理地针对本科生进行简化后向学生讲解。在石油工程岩石力学中，评价地下储层岩石的力学性质是开展水力压裂设计与施工的必要先决条件，而三轴压缩实验不仅是评价岩石力学性质的重要方法，也是石油工程巖石力学课程的重要教学内容之一。因此，首先向学生展示新疆J区块岩心样品从取芯到三轴压缩实验全过程（图1），学生能够在这一过程中接触到油田一手的地质资料、地震数据、测井数据等，提升对油田一线的认识，并且初步建立岩石力学课程与石油工程专业其他专业课程的联系。通过油田现场取芯和三轴压缩实验的展示，不但能够展示油田科研一线的研究内容，也能够帮助学生巩固对岩石变形与破裂等理论性较强的知识点的掌握情况，让学生对线弹性、非线弹性和剪切破裂等相关知识有更深刻的认识。在评价岩石的力学性质后，再展示油田现场的水力压裂数据（图2），结合动画和压裂现场实拍图片与视频，生动地向学生讲解裂缝起裂、扩展、闭合等过程，引导学生运用破裂压力和延伸压力等概念分析现场真实数据。利用此数据，要求学生根据已学知识自主判断地层最小主应力、闭合应力等，并预测水力压裂效果。此时，要求学生开展分组讨论，引导学生比较水力压裂典型的理论施工曲线与实际工程案例中的曲线的异同点，初步形成工程思维。因为多数同学的现场经验欠缺，在同学们分组讨论完后，应当针对掌握情况不好的知识点开展补充讲解，加强教学质量。最后，向学生展示水力压裂结束后、油井投产的示意图（图3），提升学生对岩石中流体与孔隙压力变化特征的认识。

上述工程案例教学方法不仅涵盖了多项石油工程岩石力学课程主要的教学内容，同时也在案例中使用了小尺度（岩心，图1）→中尺度（水力压裂，图2）→大尺度（油田区块压力，图3）的逻辑联系。课后，需要监督学生做好复习工作，认真完成思考题与习题，评价学生掌握情况。

在考核方式方面，以往常采用作业、平时表现和期末考试结合的方式，考察学生的听课态度和理论掌握能力。由于本次教学改革的一个目标是提高学生对油田工程现场的认识，因此在考核方式方面加入了学生对工程实例的学习。在作业、平时表现和期末考试的基础上，增加小论文环节，要求学生以小组为目标，搜集油田一线的岩石力学相关生产资料，通过课堂讲授的知识开展应用性分析，不但提高知识掌握程度，也可初步锻炼科研能力和团队合作能力。

课程结束后，通过发放调查问卷、与学生谈话等方式及时了解了学生对于这种教学方式的反馈。通过反馈发现，学生对于工程案例展示过程具有较强兴趣，并且更倾向于通过小组互动的方式加强同学间的沟通。同时，部分同学还表示在这一学习过程中对油田一线生产更加感兴趣、更愿意自主探索岩石力学前沿发展方向。

3 结束语

本文介绍了一种引入了油田现场工程时间案例的教学改革方法，从教改背景、教学目标、具体内容设计、考核方法和课后反馈等方面开展了论述。这种方法充分结合了中国石油大学（北京）克拉玛依校区高度结合新疆油田生产一线的实际情况，也与石油工程专业培养应用型人才的模板一致。通过对高度可视化的工程一线资料进行分析，可以让学生巩固相关理论知识，并逐步形成利用基础理论知识解决实际问题的能力，在毕业后能够更快投入油气生产。通过添加小组为单位的小论文考核环节，提高了学生自主学习、协同配合、与人沟通和基础科技文章写作的能力，对学生进行综合提升。在开展教学时，由于工程一线原始数据内容复杂、干扰因素多、变量多，有些数据甚至可能涉密，不适合本科生直接接触并处理，要注重对一线工程数据的脱敏和合理简化，这样才能提高教学质量、保障教学效果。最终，使得学生能够掌握理论并形成初步解决工程问题的方法，培养应用思维，做到用理论指导工程实践的同时也通过工程实践巩固对理论知识的掌握程度。

基金项目：新疆维吾尔自治区本科院校教育教学改革项目，“新工科背景下面向低油价环境的石油工程专业《岩石力学基础》课程教学改革”

参考文献

[1] 习近平给中国石油大学（北京）克拉玛依校区毕业生回信：把个人的理想追求融入党和国家事业之中[J].中国人才，2020（8）：4-4.

[2] 于景维，谢庆宾，祁利祺，等.应用型高校校企合作探索——以中国石油大学（北京）克拉玛依校区为例[J].才智，2017（29）：60-60.

[3] 谭强，邓金根，蔚宝华.石油工程岩石力学工程案例教学方案设计[J].科教导刊（中旬刊），2020，404（03）：112-113.

[4] 周舟，金衍，卢运虎，等.石油工程专业全英文课程的教学难点与应对措施初探——以“钻井工程（全英文）”课程为例[J].科教文汇，2021，（7）：84-85.

[5] 包春燕，罗琳，李安原，等.基于数值实验的本科“岩石力学”教学模式改革探讨[J].绍兴文理学院学报，2020，40（6）：57-62.