基于學生創新能力培養的壓裂酸化實驗教學平臺構建

羅明良，溫慶志，齊 寧，戰永平，曲占慶，陳德春，馮其紅

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580）

低滲致密油氣、頁巖氣以及煤層氣等油氣資源的高效開發對于緩解我國能源短缺的局面至關重要。壓裂酸化技術是這類儲層開發的重要手段，已得到了越來越廣泛的應用［1－3］，該領域急需大量具有壓裂酸化知識背景的創新復合型人才。創新不僅要從書本中掌握理論知識、激發創新意識，還要在實踐中運用創新方法出成果［4－5］，因此實驗教學對培養學生創新實踐能力尤為重要。中國石油大學（華東）“石油工程實驗教學中心”是國家級實驗教學示范中心，壓裂酸化實驗室是其中一個重要組成部分。壓裂酸化實驗教學以往僅開展裂縫導流能力驗證型實驗，到2010年增加了壓裂酸化實驗，主要面向石油工程、海洋油氣工程等專業，年平均實驗人數達到500余人。由于現有實驗環節較少，且局限于對課堂理論知識的驗證，學生缺乏實驗設計、分析及表達能力的全面訓練，難以對壓裂酸化理論與實踐融會貫通。因此如何利用現有教學與科研資源，構建壓裂酸化實驗教學平臺，提高學生自主開展壓裂酸化實驗的比例，對于開拓石油工程專業學生視野、培養學生的創新實踐能力、迎接復雜油氣資源的高效開發具有重要的意義。

1 壓裂酸化實驗教學平臺構建內容

目前，石油工程專業學生對于壓裂酸化理論知識的學習主要依靠專業必修課“采油工程”與專業選修課“油水井增產增注技術”兩門課程，由于學時限制，只能對壓裂酸化一些基本概念、原理以及工藝過程進行初步了解，缺乏對壓裂酸化理論與實踐進行有機結合的學習，不能滿足石油工業對于創新型人才的要求。因此有必要根據石油工程專業的培養目標，改變課堂教學的組織形式，按照專業應用特點，充分利用現有教學與科研實驗室等有效資源，以論證型實驗和演示型實驗為基礎，提高學生自主開展壓裂酸化實驗教學內容的比例，實現學生對前期掌握的各種專業知識的融會貫通。同時，鼓勵學生參與各種與壓裂酸化相關的科學研究項目以及創新實踐競賽活動，引導學生通過壓裂酸化實驗教學平臺進行自主性實驗設計與實踐，強化實踐教學過程中科研與教學的互動，充分發揮學生主觀能動性，多角度、多層次培養學生的創新思維，為學生創新實踐能力的提升奠定良好基礎。

2010年以來，我們依托石油工程國家級實驗教學示范中心，整合各類實驗教學資源，大力開展各類實驗教學平臺的構建。壓裂酸化實驗教學平臺作為其重要組成部分，通過實驗室硬件建設與完善、教學科研資源融合以及大學生創新性實驗開展等，根據壓裂酸化理論教學內容，從演示、驗證到數值模擬再到創新實驗的角度，構建了壓裂酸化實驗教學平臺（見圖1），為學生自主開展實驗設計與實踐提供了場地。利用該實驗平臺資源，逐步提升學生在壓裂酸化領域的創新實踐能力。

圖1 壓裂酸化實驗教學平臺構建內容示意圖

2 實驗裝置改進與完善

近年來，為了提高學生創新實踐能力，石油工程學院加大了壓裂酸化實驗教學硬件投入，不僅對現有設備進行了升級改造，而且通過自主設計與廠家生產相結合的方式創新了適宜學生開展創新型實驗的裝置，并購買了礦場應用較為廣泛的壓裂酸化工藝優化模擬軟件，從而基本覆蓋了壓裂酸化相關重點知識。

2011年，為了克服壓裂理論學習困難以及人身安全無保障等問題，利用SCADA（supervisory control and data acquisition）系統［6－8］構建了一套壓裂實驗仿真平臺。仿真實驗設備［9］以現場實物為依據，把壓裂施工所需設備按比例縮小制作，使之室內化（如圖2—圖4所示），按照壓裂施工設備的擺放順序擺放，模擬壓裂施工現場。通過仿真軟件系統控制設備開關，演示壓裂施工每一環節，實現了教師與學生之間的互動，激發了學生學習壓裂酸化知識的興趣和積極性，提高了壓裂實驗的教學效果［10］。

圖2 壓裂車模型

圖3 混砂車模型

圖4 罐車模型

在裂縫導流能力驗證型實驗中，為了更好地讓學生理解掌握支撐劑鋪置方式與支撐劑嵌入對裂縫導流能力的影響，實驗教師對裂縫導流儀中常規導流室進行了改進，使支撐劑可以不同方式進行鋪置，如均勻分布或柱形分布等，同時制備了系列巖板（見圖5），可以替換原有鋼板，因為鋼板不能考察支撐劑嵌入的影響。通過對導流室的改進與完善，使學生充分了解壓裂過程中支撐劑的分布和嵌入情況（見圖6），并考察這兩種情況對裂縫導流能力的影響規律，直觀深入地理解支撐劑鋪置、嵌入與裂縫導流能力之間的相互關系。

圖5 裂縫導流能力實驗用巖板

圖6 支撐劑嵌入圖

學生通過演示實驗和驗證實驗基本對壓裂酸化基本原理、工藝有初步了解。為了充分發揮石油工程專業學生主觀能動性，我們整合現有教學與科研資源，將部分用于科學研究的實驗裝置對學生開放，從而形成了覆蓋壓裂酸化基本知識的4個創新型實驗——可視平板裂縫模擬實驗、降摩阻模擬實驗、酸蝕模擬實驗、流變性測試實驗。通過可視平板裂縫模擬裝置可以讓學生能更加直觀清晰地觀察到裂縫中支撐劑的運移、沉降過程（如圖7所示），激發學生去理解、分析裂縫中支撐劑沉降運移規律以及影響因素；通過降摩阻模擬實驗裝置（見圖8），可以考察減阻劑的降阻效果以及排量、管徑等對減阻效果的影響，通過學生自主設計與完成實驗，將課堂教學的理論知識延伸到實驗教學，促使學生追問哪一類物質可以減阻，減阻機理是什么等，提高了學生對這些知識的濃厚興趣。通過創新型實驗讓學生主動參與這些問題的分析與研究，提升學生的主觀能動性和分析解決問題的能力，實現了理論與實踐的貫通。

圖7 裂縫中支撐劑運移沉降現象

圖8 管線摩阻測試儀

3 實驗教學平臺管理模式

壓裂酸化實驗教學的管理和運行實行專人管理、資源共享的機制，并構建了壓裂酸化實驗教學信息化子平臺，促進了實驗教學模式的轉變，滿足了壓裂酸化教學科研實驗室開放、學生自主學習和師生互動交流的要求，大大提升了實驗教學的信息化、智能化管理水平，提高了管理效率和規范性。該子平臺建設了先進的實驗教學管理硬件系統。該子系統包括刷卡派位系統、門禁系統、監控系統、錄編系統、點播系統、電源控制系統等六大系統。搭建了智能化的實驗教學管理平臺，包含開放實驗教學管理系統、教學資源管理系統、儀器設備管理系統、創新項目管理系統、實驗教學考核與評價分析系統等模塊。該信息化管理平臺功能強大，智能化程度高，將實驗教學、管理、考核等功能有機結合，借助該平臺實現了開放式、分散式、預約式、自助式實驗教學，學生可以隨時上網預約、自由選擇實驗項目、自主設計實驗流程、自行完成整個實驗，面向大學生第二課堂、畢業設計、創新實驗項目和科學研究全面開放。

4 實驗教學改革與效果

當前石油工程專業大多實驗教學是以教師為主體的傳統教學模式，學生經常處于被動地位。實驗通常由教師提前準備好，學生按照實驗步驟完成規定實驗，然后完成一份實驗報告就結束，這種模式使得學生缺乏自主思考的時間和空間。無法真正發揮實驗教學的作用，不僅影響了學生動手操作能力的提高，而且制約了學生自主能力和創新能力的發展。針對這種情況，壓裂酸化實驗教學從教學模式、教學科研融合以及教學隊伍建設等方面進行了改革嘗試。

首先，改革傳統的實驗教學模式。在壓裂酸化演示型和驗證型實驗中，采用啟發式和互動式教學方法，通過在實驗過程中設置一部分課堂教學中未涉及到的一些問題，促使學生靈活運用所學知識分析思考實驗中觀察到的現象，提高學生分析問題能力。另外，建立互動式教學模式，利用先進的多媒體教學手段解決了壓裂、酸化過程原理講解不清晰、以看為主、只看不練、缺乏互動等問題，實現了教與學的雙向溝通，激發了教學雙方的主動性，拓展了對學生創造性思維的培養，不僅提高了實驗教學效果，也提高了學生的專業技能。譬如以壓裂施工工藝互動教學為例，實驗教師運用仿真軟件系統，選擇教學系統中的現場地面工藝操作和壓裂基本工序中的試循環進行演示，試循環工藝演示結束后，學生就可以在實驗裝置上進行實際操作，進行試循環工藝的實訓。實訓過程中，通過不同閥門的開關以及儀表控制臺的控制，學生和教師都可以在顯示屏上看到其操作結果。教師可以隨時指導檢查學生打開閥門的情況，并指導學生糾正自己的錯誤，使學生順利完成該工藝的操作［11］。模擬型與創新型實驗以綜合設計性、研究性和創新性實驗項目為主體［12－14］，采用個性化實驗教學方式。在實驗教學過程中主要通過教師與學生共同參與實驗裝置的設計、參與教師的科研項目以及學生利用科研平臺自主提出實驗內容、制訂實驗方案等方式，充分發揮學生想象力和創造力，不局限于教材內容，促使教學與科研充分融合，提高學生創新實踐能力以及分析解決問題的能力。

完善實驗教學師資隊伍建設，提高實驗教學能力。構建結構合理的實驗教師隊伍與提高教師實驗教學水平是實現良好教學效果的基本條件。近年來，通過引進與自身培養，構建了一支學歷、職稱和年齡結構合理的壓裂酸化實驗教學團隊，其中具有豐富實驗教學經驗的教授3人，副教授5人，專職實驗師2人。為了提高壓裂酸化實驗教學水平，學院多次組織課程教授、副教授及實驗人員到其他高校觀摩學習，并與學生面對面地交流，聽取學生建議。教師在提高自身課堂教學與科研水平的同時，積極開展實驗裝置自主設計，鼓勵學生利用實驗教學平臺，自主設計題目或參與教師的科研活動，啟發學生對壓裂酸化領域技術創新的興趣。每學期都聘請校內外具有豐富實踐教學經驗的專家教授在實驗教學內容、教學方法與手段以及學生創新性實驗的開展等方面進行指導，并結合團隊自身的研討與實踐，逐步提升團隊教師的實驗教學水平。

從2010年壓裂酸化實驗教學改革以來，通過學校“211工程”與優勢學科創新平臺建設經費等的支持，以及教師自身科研經費的投入，改善了壓裂酸化實驗教學硬件與軟件環境，逐漸形成了主要針對石油工程、海洋油氣工程專業為對象的壓裂酸化創新實驗平臺，建立了富有石油特色、課堂教學與實踐教學相結合的創新型人才培養體系，學生的實踐能力和創新意識得到了明顯提高。2010年至2013年，我院壓裂酸化實驗教學平臺共承擔壓裂酸化實訓2 450人次，開展創新性實驗項目50余項，獲得國家獎學金、中石化英才獎學金等20余人次，參加“挑戰杯”、數學建模大賽等并獲得國家級一、二等獎10余人次。近年來，具有壓裂酸化知識背景的學生受到國內外石油企業的青睞，就業率達到100%，從事壓裂酸化研究的出國留學生也受到導師的歡迎與贊許。優秀的教學成果堅定了學院以壓裂酸化實驗教學平臺建設為突破口，完善石油工程相關領域實驗教學平臺建設的決心，充分發揮學生的主觀能動性，敢于實踐，勇于思考，提高學生的實踐能力與創新意識，為學生將來成為相關領域的領軍人才或技術骨干奠定堅實的基礎。

5 結束語

壓裂酸化創新型人才的培養應當以滿足石油天然氣工業快速發展對人才需求為目的，以實驗教學改革為突破口，充分調動教師參與實驗教學改革的積極性，重視對實驗教學實施個性化指導，發揮學生主觀能動性，全面提高學生的綜合素質和創新實踐能力。同時，在今后的實驗教學工作中，還需克服關門辦學的思想，堅持走出去到企業學習、引進企業高級人才來學校授課等方法，充分利用石油企業各方面的優勢資源，在學校、企業、教師和學生之間建立起共同聯系的紐帶，充分發揮實驗教學平臺在培養學生創新精神和創新實踐能力的作用。

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