基于OBE 理念的油藏数值模拟课程教学方法改革与实践

刘 峰，张 益，马先林，秦国伟，王 妍

（1.西安石油大学 石油工程学院，西安 710065；2.陕西师范大学教师发展学院（陕西教师发展研究院），西安 710062）

油藏数值模拟是石油工程专业本科生的学科基础课，立足于多孔介质中的渗流理论，通过数学物理方程、科学计算方法和软件编程，利用计算机求解油藏渗流问题。通过油藏数值模拟，可为油藏开发方案设计、生产动态分析和开发方案调整提供理论依据和参考，以达到获得最佳经济效益的目的[1-3]。因此，油藏数值模拟是一门实践性强、学科背景要求高的重要课程。

OBE 的教育理念和油藏数值模拟课程的培养目标高度一致，通过油藏数值模拟课程的学习，能够应用油藏数值模拟方法和软件解决实际油田开发存在的问题，建立一个油田全生命周期开发的概念，能对自身所学专业知识及油藏数值模拟所起作用及其重要性有一个初步认识，注重学生是教学的主体[4-6]，使学生掌握油藏数值模拟的基本原理和解决实际问题的步骤，培养正确的科学思维方法和分析问题、解决问题的能力。学生在学完高等数学、油藏地质学、计算机基础、油藏工程、渗流力学和油层物理等专业基础课后，对石油工程专业知识思维框架和如何应用仍不清楚，而油藏数值模拟课程的学习均用到以上课程知识，更加强调石油工程专业知识的综合应用，达到学以致用的目的。

一 油藏数值模拟课程教学存在的问题

在油藏数值模拟课程教学的过程中，发现学生学习积极性不高、学习效果不佳、考试成绩不理想等问题，学生自主学习能力和软件实际操作能力的缺乏，造成油藏数值模拟课程教与学均存在较大的困难。总结油藏数值模拟课程学习过程中，学生学习难度大、效果不佳的原因主要有3 个方面。

（一）油藏数值模拟课程是建立在多学科基础之上的专业应用课

在学习本课程之前，学生需要掌握油层物理、油藏工程、渗流力学、高等数学和线性代数等相关知识，任何一门课程的缺失都将导致学生在学习过程中困难重重。课程包含了大量的专业概念和复杂的方程，且理论推导和求解过程较复杂，如上游权法、传导系数、过泡点压力、模型初始化和网格取向现象等概念，涉及油层物理的基本概念。黑油模型的隐压显饱求解方法，包括油相、水相和气相的数学模型，内边界和外边界条件，网格的位置等，涉及渗流力学、线性代数等专业知识。综合性和难度大，给学生理解油藏数值模拟教材内容带来了一定的障碍。

（二）油藏数值模拟课程教学模式的局限性，导致“学”与“用”之间存在着明显的鸿沟

老师在课堂上卖力地讲，学生在下面静静地听，一定程度上忽略了学生的创新能力。当老师提问时，绝大多数同学都回答不上来，随着课程的进行，课程内容的加深，学生学习的难度更大，学习效果更差。为了应付考试，学生只能被动地记住基本概念和大量的理论公式，而关于公式背后的物理含义，在油藏数值模拟中的应用则不去深究。如黑油模型，学生不清楚为什么要学，各个符号的物理含义和应用条件不清楚，学后在软件中如何应用、面对什么样的油藏时应用等问题不明白。油藏数值模拟中最重要的历史拟合，学生只掌握了历史拟合的概念，不会在软件中操作，遇到拟合效果较差的井，不知道如何处理，学生操作软件机会少，缺乏有效的指导，更无法完成合理开发方案的制定，严重偏离了油藏数值模拟课程的培养目标。

（三）油藏数值模拟课程的抽象性导致学生学习效果不佳

如何将复杂的油藏地质、生产动态、渗流规律用数学公式描述，描述后的公式如何进行求解，求解后的参数又如何跟预测的生产动态相结合，建立的渗流数学模型如何跟数值模型和三维网格模型结合起来，不同步骤之间的联系使学生学习和理解比较费力。

二 OBE 理念的内涵与教学改革目标

OBE 是Outcome-based education 的缩写，意思是成果导向教育，是著名教育家Spady 于20 世纪90 年代在其著作《以成果为本的教育：争议和答案》首次提出，并很快被人们接受和推广，成为美国、英国等欧美发达国家高等教育改革的主流思想[7-10]。其在我国也被称为学习效果导向教育、目标导向教育和需求导向教育，主要着眼于培养学生的能力和素质，面向市场需要的一种教育理念[11-16]。OBE 理念是“以学生为中心”的输出型教学模式，以学生的学习成果作为教师制定教学内容和教学计划的依据，因此，OBE 教育理念是专业认证和新工科人才培养目标的重要支撑[17-24]。

高等教育的任务是培养具有创新能力和实践能力的优秀人才，在OBE 教育理念的指导下，对油藏数值模拟的课程教学进行改革，强调学生是学习的主体，教师是教学内容的设计者、讲解者和引导者，提高教学质量，培养学生掌握正确的学习方法和科研思路[25-27]，为学生毕业后从事石油开发生产和科学研究打下坚实基础，符合石油工程专业的教学大纲和石油行业对毕业生的要求，更好地服务于国家战略和石油行业发展的需求。

三 OBE 模式的教学内容改革

（一）课程教学内容的改革

油藏数值模拟课程基本概念抽象，公式推导过程复杂。在教学的过程中，按照油藏数值模拟的课程内容，建立数值模拟课程的思路图，建立数学模型—偏微分方程组—有限差分方程组—线性代数方程组—得到压力和饱和度参数，逐层递进，主抓重点内容，进行详细的讲解和复习，并鼓励学生在讲台上对重点内容进行讲述，同时，对重点内容及时进行复习。如前四章，在物质平衡概念的指导下，重点讲述直角坐标系中单向流的数学模型，鼓励学生从物质平衡模型推导到拉普拉斯方程，该内容将对学生学习网格加密、差分方程的建立等内容建立良好的基础。后四章重点讲述隐压显饱法（IMPES）建立差分方程组，并对二维油水两相渗流数学模型进行求解，IMPES法对后面章节黑油模型的学习起到良好的促进作用。针对重点内容，鼓励学生编写二维油水两相渗流模拟程序，加深学生对数模的计算过程和计算方法的理解。

（二）油藏数值模拟软件机理模型的学习

在Eclipse 油藏数值模拟软件中，共计有11 个实例，主要选择实例1“标准操作用法”和实例2“建立简单模型”2 个实例，进行反复操作，指导学生了解软件的操作流程，记住关键词的意思。针对软件操作中遇到的错误，先给学生讲明白错误的原因，教学生如何查询操作手册，并鼓励引导学生自己去解决错误，实现学生实践与创新能力的提升。并布置不同韵律和底水油藏等机理模型，要求学生完成不同地质和生产制度条件下，机理模型生产动态的预测和开发效果的评价。油藏数值模拟机理模型与油藏工程理论相结合，不仅有助于学生复习油藏工程的知识，而且提高了数值模拟软件操作的能力。

（三）油藏数值模拟实例的学习

建立油藏数值模拟实例库，包括低渗透油藏、凝析气藏、缝洞型油藏和页岩气藏等，将实际油藏模型引入教学中，以实际的油藏地质模型为例，指导学生将地质模型导入到数值模拟软件中，引导学生完善相渗数据、PVT 数据、生产动态数据等，建立三维数值模型。以教师指导为辅，学生实际操作软件为主，完成三维模型地质储量的拟合、全区的拟合及单井的拟合。针对油藏开发目前存在的问题，设计调整方案，预测不同方案的生产动态，并提出最优的开发方案。油藏数值模拟的学习要求兼顾书本知识和软件应用，完成软件实例的练习后，鼓励学生再复习书中第八章油藏数值模拟在油气田开发中的应用，将数值模拟软件实际操作和书本理论知识相对照，加深学生对油藏数值模拟课本知识的了解，尤其是历史拟合部分理论和实际操作的结合，通过软件实际操作巩固课本知识，课本知识指导软件操作，两者相辅相成，使得学生掌握油藏数值模拟理论知识的同时，提高了应用数值模拟软件解决实际油藏问题的能力。

（四）构建互动式的教学平台

建立QQ 群、微信群，学生不仅可以随时向老师请教所遇到的困难，也可以方便和同学之间交流。避免碰到一个难题卡住，无法进行软件下一步操作或遇到错误无法解决。同时，建立了智慧树网络课程，学生可以针对课堂上未听懂的部分，进行反复观看和充分理解。

通过以上4 个方面的教学改革与实践，持续改进教学质量，以油藏开发中的实际问题为导向，帮助学生全面了解油藏数值模拟的原理和用途，熟悉数值模拟软件的操作，锻炼学生操作软件的技能，并对实际油藏模型进行开发方案的调整和制定，培养学生的工程素质，引导学生自主学习，鼓励学生发现、分析和纠正自己的错误，积极发挥学生的主观能动性和创新创造性，实现学生自我学习能力、主观能动性和综合素质的提升，实现灌输型教学模式向教学科研型模式的转变，达到培养具备较强实践能力的石油工程类高素质人才的目标，满足教学大纲和油田现场对石油工程类专业人才培养的要求，也符合“双一流”高校建设的目标。

四 OBE 模式的教学实践和成效

（一）改革后学生学习成绩对比

石工（卓越班）1901 班的成绩相比石工（卓越班）1801 班有了明显的提高，优秀率、良好率均明显提升，不合格率大幅降低，由原来的5 人（16.13%）下降到目前的2 人（6.45%）（表1）。

表1 改革前后学生成绩对比 %

（二）改革后学生实践成果对比

改革后，学生学习的积极性和参与大赛的热情明显提高。根据课后题二维两相流的数值模拟程序，以该题的相关参数为基础，编制了五点井网水驱油数值模拟软件，并申请软件著作权1 项（图1）。学生积极参加全国石油工程设计大赛，获得全国二等奖2 项，三等奖1 项。

图1 五点井网水驱油数值模拟软件

（三）油藏数值模拟实例

以实际三维地质模型为例，H 区为多层系低渗透油藏，目前面临的主要问题有，平面上井网控制程度低、注采对应率低、注水见效程度低和油井开井率低。以该油田的三维地质模型和生产数据作为实例（图2），指导学生完成H 区的历史拟合（图3）、合理开发方案的制定和未来20 年的生产动态预测（图4）。设计的最优开发方案为：H 区划分为3 个层系进行开发，优化关停井和高含水井65 口，加密井35 口，注采比1.1，进行预测20年。20 年累产油155.50 万m3，采出程度26.07%，较目前基础方案提高8.75 个百分点。

图2 H 区三维地质模型

图3 全区生产动态拟合

图4 合理开发方案的制定

通过实施基于OBE 的油藏数值模拟教学模式改革，学生的学习成绩、应用数模软件解决油藏实际问题和编写数模软件的能力明显提高，参加石油工程设计大赛的人数也明显增多，表明学生较熟练掌握了油藏数值模拟软件的操作，理解了油藏数值模拟课本的内容，具备了油藏工程师的基本素质。

五 结束语

油藏数值模拟是石油工程本科教学的重要专业课，基于OBE 教育理念，按照石油工程专业教学大纲的要求，通过油藏数值模拟软件，以学生的学习成果为导向，提高学生解决油藏生产问题的能力为目标，较好地解决了学生在学习油藏数值模拟课程中学习难度大，学习积极性不高，重理论轻实践的难题，充分利用油藏数值模拟软件和现代教育教学平台，制定合理的教学计划和教学内容，引导学生自主学习，同时，鼓励学生发现问题，自己解决问题，提高学生的学习积极性和解决油藏实际开发困难的能力，注重学生实践能力和综合素质的培养，使学生的自我学习、实践和创新能力通过实践教学得到有效提升。