面向“双碳”目标的油层物理教学内容体系探究

摘 要 油层物理是石油工程和海洋油气工程专业的核心专业课。由于油层物理的教学内容经典、知识体系固化，导致课程知识难以适应石油行业绿色化、低碳化的发展趋势，难以支撑“双碳”目标亟须的技术革新。文章开展了面向“双碳”目标的油层物理教学内容体系探究，以优化课程知识架构和内容体系，丰富“虚实结合”的教学资源，开展“项目制”的实验教学改革，实现油层物理教学内容的低碳化转型目标，为“双碳”背景下石油领域工程人才的培养提供保障。

关键词 “双碳”目标；油层物理；教学内容；实验教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.27.042

Study on the Teaching Content System of Petrophysics

Based on the "Dual Carbon" Goal

MO Fei， HUANG Xiaoliang

（School of Petroleum Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331）

Abstract Petrophysics is a core professional course in petroleum engineering and offshore oil and gas engineering. Due to the classic teaching content and rigid knowledge system of reservoir physics， the course knowledge is difficult to adapt to the green and low-carbon development trend of the petroleum industry， and it is difficult to support the urgent technological innovation needed for the "dual carbon" goal. The article explores the teaching content system of oil reservoir physics towards the "dual carbon" goal， optimizes the course knowledge structure and content system， enriches the teaching resources of "virtual real combination"， carries out the experimental teaching reform of "project-based"， achieves the low-carbon transformation goal of oil reservoir physics teaching content， and provides guarantees for the cultivation of engineering talents in the petroleum field under the "dual carbon" background.

Keywords "Dual Carbon" Goal; Petrophysics; teaching content; experiment teaching

碳达峰、碳中和是我国能源发展的重要趋势[1-3]。我国各大油田企业以“双碳”目标为引领，加快布局清洁生产和绿色发展 [4-6]。其中，CCUS（碳捕获、利用与封存）是石油行业实现碳中和目标的重要技术，也是低渗透油藏提高采收率的核心技术[7-9]。随着“双碳”目标的提出，CCUS技术在石油行业的推广利用前景十分广阔[10-13]。

作为石油工程、海洋油气工程专业的必修课，油层物理的教学是培养新型石油领域工程人才的重要环节[14-15]。油层物理教学内容包含了储层岩石的物理特性、油气藏流体的物理特性和多相流体的渗流机理等复杂、抽象且至关重要的教学内容，具有专业概念多、知识理论深、物理实验多、与工程实际结合紧密等特点，需要学生在牢固掌握专业知识的基础上，开展一定的理论分析、实验操作、工程案例分析，最终达到解决实际工程问题的目的[16-17]。由于传统的油层物理教学内容固化，知识体系传统，导致现有的知识架构无法适应石油行业绿色化、低碳化的发展趋势，难以支撑“双碳”目标亟须的技术革新。

为此，本文开展面向“双碳”目标的油层物理教学内容体系探究。通过重构课程教学内容体系，培养出能够适应行业低碳化、绿色化发展需求的工程人才，为我国“双碳”目标的实现提供助力。

1 油层物理教学中存在的问题

1.1 知识体系固化，教学内容传统

现有的油层物理经典知识体系没有涵盖新兴CCUS技术需要的CO2驱油、CO2封存等基础知识，导致所培养的学生在未来的工作岗位上难以适应石油行业低碳化发展的趋势与需求。

1.2 CCUS工程案例向教学资源的转化不足

当前油层物理的教学案例均是针对传统油气田开发手段进行总结，没有涉及“双碳”背景下CCUS新技术的应用。目前，我国多数油田均对CCUS有一定的开发案例，但这些案例还没有向油层物理课程教学资源进行转化。

1.3 对后续专业课低碳化升级的支撑不够

在“双碳”目标背景下，随着石油产业的升级，石油专业课在教学内容设置上也正积极向低碳化新技术转型。作为石油专业的基础课程，现有的油层物理教学内容难以为后续专业课中CCUS新技术的教学提供充分的支撑。

2 面向“双碳”目标的油层物理教学体系重构

2.1 优化油层物理的教学内容体系

优化油层物理的教学内容体系，解决知识体系固化、教学内容传统的问题。针对油层物理低碳化的内容升级，对教学大纲、授课计划、教案，将CCUS涉及的基础理论和方法融入课程知识体系，分别对每章教学内容作出如下优化。

第一章：储层岩石的物理特性。增加储层岩石比面、孔隙度、渗透率等物性参数对CO2驱油、CO2封存的影响等教学内容。例如，在讲解储层岩石的孔隙度时，强调孔隙度较大的储层岩石对CO2的储集性能更好，更有利于CO2的封存；在讲解储层岩石的渗透率时，强调对于渗透率较低的致密油藏，CO2驱油是目前的技术热点。

第二章： 油气藏流体的物理特性。增加CO2在高温高压储层中的相态变化及物性特征等教学内容。例如，CO2在地面常温常压下为气态，在封存至储层中后，受高温高压影响其相态已成为超临界态。在教学中向学生讲解CO2的相变特征，以及高温高压下CO2的粘度、密度、体积系数、压缩系数等物性参数的变化规律。

第三章：多相流体的渗流机理。融入CO2驱油以及CO2回注过程中渗流机理的教学。例如，在CO2驱油过程中，存在CO2与原油混相的情况，在教学中着重讲解不同混相情况下的渗流特征；在CO2回注过程中，补充讲解超临界CO2与残余油的多相渗流特征。

2.2 丰富“虚实结合”的教学资源

丰富“虚实结合”的教学资源，解决CCUS案例向教学资源转化不足的问题。根据实际的油田CCUS真实工程案例，采用油藏数值模拟技术，制作CCUS过程的虚拟仿真教学案例，丰富“虚实结合”的教学资源。以CO2驱油和CO2封存为例，可以进行以下“虚实结合”的教学案例设计。

2.2.1 CO2驱油案例

在国内开展CO2驱油工程实践的油田中，收集真实致密油藏的地质参数、流体参数、温压数据、CO2驱油的注入参数、生产历史数据等，建立CO2驱油的地质模型和数值模拟模型。利用数值模拟模型开展CO2驱油过程的三维可视化虚拟仿真模拟，让学生直观地感受储层中CO2和原油的动态渗流过程以及原油的开采过程。在虚拟仿真过程中，学生能够更好地理解CO2驱油涉及的油层物理知识。

2.2.2 CO2封存案例

在国内开展CO2封存工程实践的油田中，收集废弃油气储层的地质参数、温压数据、CO2回注参数、流体分布参数等，利用油藏数值模拟技术可视化地模拟地面CO2回注到地下储层中的动态过程，并在此过程中，让学生利用油层物理知识分析CO2封存量的影响因素、不同盖层岩石物性下CO2的逸散风险，以及CO2的相变特征等。

2.3 开展“项目制”的实验教学改革

开展“项目制”的实验教学改革，解决对后续专业课低碳化升级支撑不够的问题。以现有的油田CCUS工程实践为基础，针对某个具体油田CO2利用或封存中存在的问题，以小组为单位开展“项目制”的一系列油层物理实验，每个项目对应一个具体工程问题，采用这种方式，为后续专业课中该问题的最终解决提供思路。

例如，在CO2封存的工程实践中，存在CO2封存量的计算问题。该问题的解决方案学生需要在学习了后续专业课油藏工程之后才能找到，但学生可以在油层物理的实验课上，以“CO2封存量的影响因素”为课题开展“项目制”实验。通过对目标油田区块的岩心开展束缚水饱和度测定实验和孔隙度测定实验，学生利用油层物理知识就能分析出该油田区块中束缚水饱和度和孔隙度对CO2封存量的影响程度，为后续课程中CO2封存量的最终计算提供有力的支撑。

3 组织实施

3.1 理论教学

课程组对油层物理知识框架进行梳理，结合行业绿色化、低碳化升级的要求，对油层物理教学大纲和授课计划进行修订，重新开展教学设计。在课程已有的储层岩石、流体、多相渗流知识结构的基础上，分别从储层岩石对CO2封存的储集性、CO2在储层中的相态特征、CO2在储层中的渗流机理三个方面，将CCUS的技术原理融入教学内容，实现油层物理教学内容体系的优化。根据科教融合的基本理念，充分利用石油企业真实的CCUS工程案例，利用油藏数值模拟技术，针对CO2驱油、CO2回注、CO2封存等物理过程，制作三维可视化油藏数值模拟模型，将实际的CCUS工程实践与计算机模拟仿真相互结合，丰富“虚实结合”的油层物理教学资源。学生在理论课堂上根据优化后的教学内容，学习CCUS相关技术的理论、方法，并通过“虚实结合”的工程案例学习CCUS技术在实际工程中的应用，实现理论水平和工程应用能力的同步提升。

3.2 实验教学

以某个特定油田的CCUS真实工程问题为基础开展“项目制”实验教学。围绕油田CO2利用或CO2封存真实应用场景涉及的工程问题，提取油层物理相关内容，将其拆解为一系列油层物理实验。学生以小组为单位开展这些实验，通过实验理论学习、实验操作、数据处理和结论的凝练，为该问题的解决提供思路。“项目制”的实验教学培养了学生的知识应用能力、动手实践能力，以及分析和解决现场实际工程问题的能力。

4 教学评价体系

在油层物理原有的评价体系中融入“双碳”化升级后的考核内容。在原有的评价体系中，学生成绩=线上学习成绩（15%）+阶段测试成绩（10%）+实验成绩（15%）+期末测试成绩（60%）。“双碳”化升级后，线上学习成绩除了评价学生对传统油层物理基础知识的掌握情况以外，还新增了对CCUS相关技术涉及的油层物理基本原理、方法的考查。实验成绩需要从学生开展“项目制”实验的设计、操作、数据处理、实验结论，以及对实际工程问题的分析等多维度进行综合评价。阶段测试与期末测试考核学生对“双碳”化升级后的油层物理基础知识的掌握情况，以及学生分析解决复杂工程问题的能力。

5 结语

将“双碳”目标下石油企业CCUS新技术的基本理论和方法融入油层物理的教学内容体系，将油田真实存在的CCUS工程开发案例制作为虚拟仿真教学资源，结合油田生产现场的实际问题开展“项目制”的实验教学改革，使油层物理打破了传统、固化的知识和教学体系，使学生更适应石油产业绿色低碳化升级的新需求，有助于提升学生的理论知识水平、动手实践能力和工程应用能力。

基金项目：重庆市高等教育教学改革研究项目“面向‘双碳’战略的《油层物理》教学内容体系重构与实践”（233427）；重庆科技学院本科教育教学改革研究项目“面向‘双碳’战略的《油层物理》教学内容体系重构与实践”（202315）。

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