石油工程专业实验课程改革探索

石油工程专业实验课程改革探索

[摘要]针对石油工程专业实验课程教学的需要,常州大学石油工程学院对实验课程的基本要求、内容、设置以及学生在学习过程中表现出来的问题进行充分讨论后,明确了实验课程存在的问题以及要进行优化与发展的方向。通过学校近年来的实验课程的教授与改进,我们在充分了解原有的学科基础实验与专业实验的基础上,对其进行了相关的调整与改革,并且对实验教学的内容和实验教学需要采取的教学手段等方面进行了更深入的研究,构建了能充分挖掘学生创新能力和提升学生实践能力的创新类教学实验与虚拟仿真实验,有效提升了学生的实践能力和创新能力,为学生的全面发展打下坚实的基础。

[关键词]石油工程;实验课程;改革实践

中共中央国务院《关于深化教育改革,全面推进素质教育的决定》中指出,在高校教育教学中,大学生综合能力的提高与培养应是教育教学的重要内容,动手能力、独立思考能力、创新创造能力、科学思维等更应引起高校教育工作者的重视,即通过理论教学与实验教学并重来更好地提升学生的能力,发展学生的综合素质[1]。在中国高等教育发展历程中,应不断地注重与推进实验教学工作,加强实验课程的普遍性和可操作性,全面培养学生的思考与实践操作能力,使学生在充分理解所学知识的基础上进行具体的实验操作,加强对所学知识的理解。理论联系实际,对高校实验室的发展方向具有指导意义。高校实验室为学生提升自己的动手实践能力和创新创造能力提供了保障。提高大学生的动手能力与创新能力是工科类院校的主要教学任务,实验教学作为实现这一目标的主要途径,引起了高校的重视。石油工程专业作为以培养应用技术人才为主要任务的工科专业,尤其需要加大实验教学的改革力度。近年来,常州大学石油工程学院在石油工程专业课程教学中增强了学生实验能力的培养力度,通过对实验教学内容的补充,对实验授课方式进行调整,对实验室进行改进,增强了实验课程的完整性与综合性,让学生在进行实验操作的时候有更大的优势;同时这也增强了学生的创新能力,为培养现代化高素质人才打下了坚实的基础[2]。

一、石油工程实验课设置

随着社会经济的飞速发展,我国高校也在不断完善各个领域及专业的实验教学。高校由原来的说教式—理论教学逐步转向理论与实践相结合,并不断增加实践教学的比重。这样有利于增强教学的生动性及学生的独立思考能力和动手操作能力。基于此,应培养面向石油与天然气行业,理论基础扎实、工程实践能力强,能从事石油与天然气工程领域的设计、施工与管理、技术应用与产品开发等工作,具备环保安全和可持续发展的社会责任意识、创业意识、创新精神、创新和管理能力、协作品质、国际视野,能解决石油与天然气工程领域复杂工程问题,能够满足设计、施工、管理、技术应用与产品开发等岗位要求的高级应用型人才。常州大学(以下简称“我校”)石油工程专业一直处于领先水平,致力于基础与创新齐头并进。发展至今,石油工程专业已成为我校的特色专业并为大家所知,有关的实验课程也通过不断发展与改进变得更完善。由于基础的稳固与扎实,我校在石油工程专业领域开设有多项基础实验,但这些传统实验无法满足现代社会对专业人才的要求。为此,我校不断创新研究,进行了钻井与完井工程实验、采油工程实验、油藏工程实验、钻井液与完井液实验的研究,并且有多项研究创新成果,如压裂导流能力测试实验、井筒多相管流实验。

(一)石油工程技术实验。1.地质学基础实验。基于地质学研究的目的,在于正确认识地球的基础之上,指导人类寻找并合理开发利用矿产、地下水、油气等资源与能源[3]。开设此实验,目的是让学生对岩石圈有一定的了解,可以掌握地下的石油与天然气的形成规律与分布规律,让学生可以更科学、更有效地进行能源的勘探与开采,为后续的实验课程的学习打下基础。2.油田开发地质学实验。在地质实验的基础上进一步深化,转移到能源的开发领域,尤其是对石油与天然气等资源的开发技术的认识与实践,让学生掌握石油与天然气的生成特点和分布特点,以及所采用的开采技术的基本理论,更好地培养学生实地操作的思维,提升学生的探究能力,从而为学生以后的实地应用打下基础。3.渗流力学实验。让学生了解渗流力学中最有代表性的三种渗流方式:平面线性渗流、平面径向渗流、空间球形渗流的求解方法、井壁压力及其导数的变化规律。4.工程流体力学实验。让学生了解流体静力平衡状态下的平衡规律及流体静力学基本方程的验证、流体运动基本原理及流体运动的描述方法。

(二)石油工程专业实验。石油工程专业实验包括钻井与完井工程实验、采油工程实验、油藏工程实验、钻井液与完井液实验。1.钻井与完井工程实验。钻井与完井工程课程要求学生掌握钻井工程的基础理论、基础流程和基本的设计计算方法,熟练掌握专业技能的钻井完井现场技术[4]。这就需要学生在充分理解与掌握课程中的内容,如相关的钻井工具、钻井液、井眼轨道设计及轨道控制,油气井中的压力控制,固井与完井,还有所学的相关的钻井技术的基础上,通过实践来进一步巩固与应用所学的知识。开设此实验课程能给学生提供一个模拟钻井环境,让学生对钻井这一项目有更切身的体会,可提前让学生熟悉钻井的具体操作与所需要的钻井技术。2.采油工程实验。实验教学能让学生夯实油田开采的基本原理,对油田开采过程中的各个步骤、各项工程技术措施以及具体的实施技术有一定的掌握与提升。实验教学还能让学生在学习油井流入动态、井筒多相流动计算、油井生产系统设计与工况分析、注水工程、油水井增产增注措施等这些需要掌握的操作后,可以在以后的具体项目正确地选择该采油项目所需要的工艺方法,从而进行合理的工艺设计以及正确的分析。3.油藏工程实验。油藏工程是石油工程专业的一门专业课程,它的主要任务是为准确地认识油气藏,能动地改造油气藏,高效地开发油气藏提供可靠、准确的信息。它对油气藏开发和提高油气采收率起着十分重要的作用,让学生能够进行油藏描述;掌握测井分析和解释,理解和应用基本的和特殊的岩心分析;能进行油藏流体PVT分析;决定油藏初始状况和油气水界面;分析油藏条件下的单相、多相流;计算油藏资源的地质储量;使用常规试井手段进行油藏分析;进行可采油气储量估算。4.钻井液与完井液实验。让学生系统地掌握当代钻井与完井液的基本概念、性能、体系和工艺的基本原理,以及处理钻井与完井液复杂问题的基本技能,了解钻井与完井液工艺技术最新发展趋势,为将来从事现场钻井与完井液技术工作或相关的教学科研工作打下基础。

二、实验课程体系实践与完善

近年来,传统石油工程实验教学在实施过程中遇到了很大的困难和挑战,主要表现在传统的实验教学中,实验课程并没有引起大家的普遍关注。在相关的实验课程中,教师与学生都表现出一定的怠慢感,并且相关的实验教学模式比较固定,缺少一定的创新性,这与当今开放性、创新性实验教学的要求并不相符。学生不能掌握实验操作的细节,不能主动地去理解和探索在实验中可以学到的知识,不能主动地利用现代网络技术和课余时间进行学习。面对这些困难和挑战,应从实验教学需要掌握的内容、实验操作具体的步骤方法和实验教学需要采用的手段等方面进行深入研究,找到改进方向与方法,构建满足创新性要求的新型实验教学模式[5]。其中包括虚拟仿真实验课程、钻井及井控模拟仿真平台、钻井操作仿真实训平台、油气开采虚拟仿真平台,以及新增的两个的专业特色的研究创新类实验课程。

(一)虚拟仿真实验。随着科学技术的发展,科研人员坚持不懈地研究与开发,以及计算机技术在工程领域的普及应用,虚拟仿真软件在石油工程中的应用越来越广泛,其所扮演的角色也越来越重要。基于当今社会对从业人员的要求,我校石油工程专业开设了虚拟仿真实验课程,具体如下。1.油气开采虚拟仿真平台本平台硬件条件主要由仿真操作设备(各类抽油机仿真装备、采油树模型、电潜泵模型、采油管柱等)、计算机数据仿真控制系统、3D采油作业场景动画系统、多媒体投影显示系统、现场作业模拟音效系统等五大系统组成,能够全面展现石油与天然气工业开采整个过程及相关设备、工艺技术、常用的油气开采设备和工具的工作原理及使用方法,进行抽油机采油仿真实训、螺杆泵采油仿真实训、电潜泵采油仿真实训、自动化采油虚拟仿真实训及智能油田油水井生产实时分析虚拟仿真实训等。结合VR技术,充分利用虚拟现实在可视化方面的优点来解决目前油藏模型平面化展示不易理解及井场管理不直观的问题,对单井管理和油藏管理的信息可视化方式进行探索。2.钻井及井控模拟仿真平台钻井及井控模拟仿真平台主要由仿真硬件系统和软件系统两大部分构成,可以进行钻井操作、井下复杂情况判断、破裂压力试验、井控操作程序(钻进、起下钻、空井等工况)及压井过程的模拟仿真[6]。该平台的使用,可以使学生对钻井这一工程有更真实的认识,可以激发学生对实验学习以及实验操作的积极性,使学生对钻井及井控基础的理论知识有更好地理解和掌握。通过与钻井现场相似的环境和操作情形的模拟仿真,可以使学生对钻井这一项目有更切实的认识,能更好地提升他们的钻井及井控工艺的基本技能,让学生在毕业以后接手与钻井相关的项目时,可以确定需要采取的工艺方法和需要进行的具体操作,并且在现场可以更好地避免不安全、不确定危险的发生[7]。

(二)专业特色实验。在开设专业实验与学科基础实验的前提下,我们对实验课程不断探索,对原有实验不断创新,开设了以下两种创新类教学实验,具体如下。1.压裂导流能力测试实验。压裂导流能力测试实验可以用于研究高速通道压裂裂缝内的支撑规律及裂缝导流能力。对比通道压裂铺砂与连续铺砂裂缝导流能力的差异,可以分析纤维浓度、铺砂方式和支撑剂类型对通道压裂裂缝导流能力的影响。为了检测通道压裂所能提供导流能力大小及裂缝的有效性,可以利用某地层构造的砂岩、页岩进行室内导流能力测试实验[8]。2.井筒多相管流实验。多相管流在石油工程中占有重要地位。对于采液指数较高的油井,水平管路压降预测准确与否,将会显著影响油井产量的预测结果[9]。多相管流模型的基础知识主要包括基本压降方程及5种多相管流模型。通过专业实验课,学生可以体会到当今开放性、网络化实验教学,通过使用实验仪器学生可以将所学的知识进行实践,从而更深刻、更熟练地掌握理论知识,并且可以主动地利用现代网络技术以及最新的实验设备对一些理论进行证实,并进行更深层次的探索。

作者:杨洁 魏田田 缑婷 陈海飞 何岩峰 单位:常州大学石油工程学院 常州大学石油钻采与储运工程部级虚拟仿真实验教学中心