石油工程岩石力学课程实验教学综合设计探索

谭强

［摘 要］实验教学是石油工程岩石力学课程教学中必不可少的重要环节，但传统实验教学目前在实验内容和教学方法上存在前沿性不足、实践性不足和创新性不足等问题。为了进一步优化岩石力学课程实验教学的效果，建议以石油工程中典型的岩石力学问题为主线，引导学生对实验进行综合设计。作者以油气钻井工程中的井壁稳定问题为例，组织学生将相关的地层岩心力学特性实验、地应力实验和钻井液对地层岩心的影响实验进行综合设计，以班级为单位分组完成相关实验，将获得的实验数据用于实际工程问题分析。这种与工程问题紧密结合的综合实验有助于调动学生的主观能动性和提高其解决实际问题的能力，优化岩石力学课程实验教学效果。

［关键词］岩石力学；石油工程；实验教学；实验设计

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）11-0061-04

岩石力学是一门研究岩石受到外界力的作用时其应力应变规律和自身是否发生破坏的科学，属于固体力学的分支。在本科教育阶段，岩石力学课程主要讲授岩石在载荷、流体、温度等外在因素发生变化时的变形和破坏特性及其在工程中的应用，是一门实践性较强的课程。岩石力学在矿山开采、古迹保护、水利水电、路桥建设、石油钻采等领域均可发挥重要作用。对石油工程专业的本科生来说，岩石力学课程既是前面理论力学、材料力学、地质学等课程的延伸，同时又有助于后续钻井工程、采油工程和油藏工程等课程的学习。

开展实验教学是工程科学最基本的教学手段之一，在教学中至关重要[1]。在岩石力学课程教学中，通过实验教学能够锻炼学生的动手能力，让学生直观地了解岩石的物理特性与力学特性，学习相关参数的分析方法，加强岩石力学理论与实践的结合。开展实验教学不仅是为了加深学生对岩石力学基础理论的理解，更重要的是为了加强学生对理论知识的拓展应用能力。因此，在工科专业的专业课讲授过程中，实验教学是必不可少的环节，而且实验设计得合理与否影响到课程教学效果。

一、石油工程岩石力学课程开展实验教学的目的

在石油工程岩石力学课程中开展实验教学的目的主要是让学生直观地了解岩石的性质，锻炼动手能力，培养创新思维，将理论知识与实践紧密结合起来，学习和巩固岩石力学的相关知识。具体来说，其目的主要有以下几点。

其一，直观地了解岩石的物理特性和力学特性。石油工程岩石力学课程的研究对象是深埋于地下的各类岩石，学生仅仅通过课堂讲授和理论学习难以真正理解与掌握课程中的某些概念。因此需要借助岩石力学实验，让学生得以直接观察不同岩性的岩样，对岩石物理性质产生感性认识；通过对岩石力学参数的测量分析，使学生获得对岩石物理参数与力学参数关系的基本认识。

其二，培养学生的动手能力和创新思维。在国内外高等教育中，很多高校都把实验室建设和实验教学作为推动创新的重要工作[2]，同时也是培养学生动手能力和实践技能的重要手段[3]。在实验教学开展过程中应尽量保证学生能够亲自进行实验操作，并鼓励学生进行实验设计，培养学生的创新思维。

其三，通过理论联系实际，加深学生对所学知识的理解和掌握。实验教学是引导学生将书本上的理论知识与实际相联系的重要机会，这里的“实际”不仅指实验本身，还指与实验内容有关的工程问题。实验教学能够成为连接已学理论知识和石油工程现场实践的关键节点。

总之，岩石力学课程实验教学是让学生全面掌握岩石力学知识的重要环节，但想达到上述教学目的，仅仅根据实验指导书照本宣科还远远不够，需要认真研究目前实验教学中存在的问题，并对实验进行有针对性的设计。

二、石油工程岩石力学课程实验教学中存在的主要问题

目前工科实验教学中仍存在一些问题，较普遍的问题是教学内容先进性不够以及教学模式和考核方式过于单一等[4-5]。与之相似，石油工程岩石力学课程实验教学存在的问题主要体现在以下三个方面。

其一，实验教学内容陈旧，前沿性不足。岩石力学相关理论和技术的发展日新月异，如何把新的理论技术及时引入实验教学是一项重要课题。以岩石力学参数的求取和强度准则的确定为例，目前实验教学大都仍以均质各向同性力学参数的分析为主，对于强度准则的应用一般也只要求通过实验数据分析莫尔—库仑强度准则中的相关参数，对于岩石的不连续性、各向异性等特点均未体现，这就使学生在做实验和数据分析的过程中无法巩固这部分理论知识。

其二，实验教学内容与工程实际结合较少，实践性不足。工科实验教学是促进理论知识相互关联加强的重要环节[6]，但目前的岩石力学课程实验教学一般仅针对岩石物理特性或力学特性及相关理论，未延伸到工程实际应用。对于石油工程岩石力学课程来说，实验教学应当与工程紧密结合，通过实验加深学生对岩石力学理论在工程中应用的理解和掌握。

其三，实验教学开展的方法和手段单一，创新性不足。先进的教学方法和新穎的教学手段有助于提高学生学习积极性，岩石力学课程实验教学目前的实施办法主要还是教师讲授实验原理、演示实验过程，学生被动接收知识、重复实验过程。受实验设备数量和使用时间的限制，在实验过程中学生的参与性明显不足，这就有悖于以学生为中心的教学理念，也不利于学生掌握相关知识。

三、石油工程岩石力学课程实验教学的综合设计

为了解决石油工程岩石力学课程实验教学中存在的问题，达到实验教学的目标，笔者针对石油工程岩石力学课程的特点，对实验教学内容进行了综合设计。以油气钻井工程中典型的岩石力学问题“井壁稳定性分析”为例，该问题涉及岩石力学课程中的“岩石的力学特性”“地应力大小及方向”“井眼周围应力分布的”“岩石的强度准则”等理论知识，同时还与钻井液对地层的侵入作用等工程因素有关。传统的实验教学中，与井壁稳定相关的实验，如岩心单轴三轴抗压强度实验、声发射Kaiser效应确定地应力实验、岩心抗拉强度实验等，大都是分别单独进行的，而且不涉及钻井液与岩心的相互作用。对于岩心的抗压强度实验，一般也遵循均质各向同性假设，未考虑岩石的各向异性，而这些因素往往是工程实践需要关注的。

因此，在岩石力学实验教学中，笔者将与井壁稳定性有关的实验进行综合设计。首先明确实验教学的目标，即通过实验、结合理论知识分析典型地层钻井过程的井壁稳定性。围绕这一目标，坚持以学生为中心和以问题为导向，提高学生的自主性，引导学生在达到实验要求的基础上自行设计或改进部分实验并利用相关数据解决工程实践问题。

（一）岩心抗压强度实验设计

开展岩心力学实验的目的是获得特定地层的强度、弹性模量、泊松比等力学参数，为井壁稳定性分析提供基础数据。笔者在实验设计中鼓励学生根据课程相关理论知识，针对不同岩心设计不同的力学实验程序。对于常规岩心，假设为各向同性介质，可以通过开展不同围压下的抗压强度实验，获取岩心抗压强度随围压变化的规律，利用莫尔—库仑强度准则计算岩心的黏聚力和內摩擦角。针对同一井深的岩心，可以设计在等差升高的三种围压下的抗压强度实验。常规岩心抗压强度实验设计如表1所示。

对于层理、裂缝发育的具有各向异性特性的岩心，考虑岩心的特点，设计在与层理面法线成不同角度的方向上钻取岩心后进行抗压强度实验，取心示意图如图1所示。

各向异性岩心抗压强度实验设计如表2所示。通过与层理面法线成不同角度的方向上钻取岩心后进行抗压强度实验，根据包含弱面的强度准则分析岩心整体强度参数和弱面强度参数，用于井壁稳定性计算。

（二）地应力实验设计

直接确定地应力大小的方法有两类，分别是现场测试法和室内实验法。在室内实验中，可以通过差应变实验或声发射Kaiser效应实验确定地应力大小[7]。由于差应变实验过程较为复杂，对岩样要求比较高，因此大都采用声发射Kaiser效应实验进行地应力大小分析。开展该实验需要在原始地层岩心的基础上进行定向取心，取心要求见图2。在岩样垂直方向钻取1块岩心，标记为“V”，在水平方向钻取3块岩心，标记为“0”“45”“90”。对钻取的岩心分别进行重复加载实验，同时监测加载过程中的声发射信号变化情况。在声发射信号曲线上识别突变点（Kaiser效应点），认为对应的压应力即为岩心在地层条件下受到的有效压应力。为了保证Kaiser效应点在岩心破坏前出现，对于较深的岩心还需要施加围压。利用声发射Kaiser效应评价地应力大小的理想情况是在不同深度、多个井段钻取符合要求的岩心，根据实验原理和取心情况所进行的地应力实验设计如表3所示。

通过实验识别出Kaiser效应点对应的应力后，可以通过应力变换获得井下条件下的三向主应力大小[8]，为井壁稳定性分析提供基础参数。

（三）钻井液影响因素实验设计

钻井中井眼钻开后，井壁岩石因受钻井液浸泡而强度下降，将对井壁稳定性产生较大影响。为了描述钻井液对地层强度的影响规律，设计进行钻井液浸泡岩心一定时间后的抗压强度实验，主要是为了确定岩心吸水规律和力学参数在被钻井液浸泡不同时间后的变化规律，实验设计见表4。利用钻井液浸泡后的强度实验结果，拟合得出岩心抗压强度随吸水率和浸泡时间的变化规律，可以用于井眼钻开一段时间后的井壁稳定性分析。

笔者通过设计岩心抗压强度实验、地应力实验和钻井液对岩心的影响实验，以井壁稳定性分析中的相关要素为主线，完成与石油工程岩石力学课程综合实验设计。由于综合实验整体工作量较大，因此建议以班级为单位组织学生分工合作，利用4至6个实验学时完成实验。同时也鼓励学生在实验和数据分析过程中发现问题，不拘泥于课本知识和实验框架，补充必要的相关实验，提高学生在实验课程中的自主性、创新能力和实践能力。

四、结语

实验教学是石油工程岩石力学课程教学中必不可少的重要环节，开展岩石力学实验能够让学生锻炼动手能力、加深理解理论知识以及加强理论与实际的联系。如何进一步提高石油工程岩石力学课程实验教学的前沿性、创新性和实践性仍是目前需要解决的问题。建议以石油工程中的一些典型工程问题为主线，引导学生以班级为单位进行综合实验设计。以油气井工程中的井壁稳定问题为例，将相关的岩心抗压强度实验、地应力实验和钻井液对岩石的影响等实验进行综合设计，鼓励学生通过在不同实验中的协作与数据共享解决工程中的具体问题。开展与工程实际问题紧密结合的综合实验，有助于调动学生的主观能动性和提高其解决实际问题的能力，优化岩石力学课程实验教学效果。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 吴姜.岩石力学实验教学改革探讨[J].长春教育学院学报，2012（8）：102-103.

[2］ 侯冰，陈冬.国外高校如何提高岩石力学研究生实验装置的研发能力[J].实验技术与管理，2017（9）：268-271.

[3］ 鄢朝勇，叶建军，朱录涛.提高教学型高校工科大学生的实验动手及创新能力的对策研究[J].教育教学论坛，2013（44）：9-10.

[4］ 尚伟，温玉清，姜吉琼，等.高校工科类专业课实验教学存在的问题与探讨[J].高校实验室工作研究，2014（4）：95-96.

[5］ 李春红，李春艳.浅谈工科专业实验教学课堂中存在的问题和解决策略[J].科技视界，2013（26）：130，134.

[6］ 隋秀香.工科院校流体力学实验教学内容和方法的实践探索：以中国石油大学（北京）流体力学实验室为例[J].教育教学论坛，2020（20）：378-380.

[7］ 周文，闫长辉，王世泽，等.油气藏现今地应力场评价方法及应用[M].北京：地质出版社，2007.

[8］ 陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学基础[M].北京：石油工业出版社，2017.

［责任编辑：庞丹丹］