油氣運聚模擬實驗室建設 實踐與成效

陳中紅, 查 明, 蔣有錄, 張衛海, 任擁軍, 曲江秀

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

?

·實驗室建設與科學管理·

油氣運聚模擬實驗室建設 實踐與成效

陳中紅, 查 明, 蔣有錄, 張衛海, 任擁軍, 曲江秀

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

為滿足資源勘查工程專業本科生、研究生的工程實踐能力、創新能力培養和學科建設、科研發展的需要，我校建設了教學、科研一體化的油氣運聚模擬實驗室。該實驗室將專業教學-研究綜合功能作為定位和目標，在此基礎上合理規劃，搭建多層次實驗創新平臺，完善運行機制。經過實踐，這些實驗室的建設提高了學生的自主學習能力、實踐動手能力、創新創造能力、團隊協作精神，也提升了資源勘查工程專業科研團隊的科研水平，促進了資源勘查工程學科的良好發展。

資源勘查工程; 油氣成藏機理; 實踐教育; 實驗教學

0 引 言

隨著我國高等教育對質量工程的實施以及對工程學科工程教育專業認證的基本要求，探索新形勢下的實驗室平臺建設已變得越來越重要，因為在高校實踐教學和研究中實驗室建設是至關重要的組成部分，是培養學生動手實踐能力和提高思維創新能力的有效手段[1]。周濟同志在中外大學校長會議上指出“高水平實驗室是培養創新人才的重要陣地，是科技創新的主要場所，實驗室的數量和水平是一所大學科技創新能力的基本標志”。作為專業課教學實驗室，不僅為高年級本科生專業課實驗提供實驗場所和實驗設備，同時亦滿足一些科學研究探索工作要求，如本科生、研究生從事畢業論文和教師從事科學研究[2]。

近年來，中國石油大學(華東)資源勘查工程專業堅持“突出特色、內涵發展、發揮優勢、立足創新”的總體思路，堅持以學生為本、強化工程實踐能力、培養創新能力、提高工程素質、協調全面發展的教育理念，依托資源勘查工程特色創新實驗平臺，在學科建設和科研成果方面取得較顯著成績[3-4]。油氣運聚模擬實驗室是該校資源勘查工程專業的重要實驗室之一，2006年立項建設，通過多年積極探索和實踐，不斷發展和完善，目前已形成特色鮮明的教學科研一體化專業實驗室。本文即以該油氣運聚模擬實驗室為例，分析如何建設專業課實驗室，使其更好地為創新人才培養服務。

1 油氣運聚模擬實驗室建設的背景和意義

1.1 工科專業認證和對應用型工程師人才的要求

進入21世紀以來，我國石油工業逐漸走向海外、海洋、西部等復雜領域，理論、技術創新要求迫切，對人才培養提出了更高的要求。近年來，學校也積極向研究型大學目標轉型，著力建設國際一流石油學科[5]。社會需求變化和學校建設目標的定位調整使得著力培養研究型、創新型、技能型人才成為本專業建設的歷史責任。在以提高質量為核心，推動高等教育內涵式發展的過程中，專業建設的內涵式發展起著決定性的作用。在推進我國工程教育專業認證與國際接軌的進程中，中國工程教育認證協會(籌)制訂了我國專業認證通用標準。“以學生為中心”、“目標導向”和“持續改進”，是工程教育專業認證的基本理念。根據專業認證工作的總體規劃，資源勘查工程專業作為首批專業接受國際工科專業認證的考核。面對新形勢和新要求，我校資源勘查工程專業建設一直以優勢學科為依托，不斷優化培養方案，不斷完善實踐教學體系，增強對學生工程實踐能力和創新能力的培養。油氣運聚實驗室的建設是其中的一個重要內容。

1.2 促進學科建設，培養實踐能力

石油天然氣地質是資源勘查工程專業的一門核心專業課程，是碩士生和博士生入學考試必考科目，而實驗研究在石油天然氣地質課程中占有非常重要的地位。油氣成藏機理是石油天然氣地質領域的一個重要分支，也是石油天然氣地質課程教學的核心內容。油氣運聚模擬是應用油氣成藏機理和現代模擬實驗技術在實驗室中模擬自然條件下的油氣運聚過程，研究油氣運聚過程中油氣運移、聚集需要的路徑條件、運載層的物性條件、動力條件、圈閉條件。

油氣運聚模擬實驗室不僅為石油天然氣地質的理論和假說提供了實驗證據，而且為油氣成藏過程數學模擬提供參數，它對石油天然氣地質學乃至資源勘查工程專業的發展有著重要作用。對于石油地質學本科生，通過油氣運聚過程模擬實驗，不僅可以了解實驗裝置的設計原理、結構和工作流程，還可以通過實際的實驗操作，比如設計不同形態和配置關系的輸導層砂體和斷層，認識地下地質過程中的油氣運聚行為。所以，通過油氣運聚實驗模擬不僅有助于學生加深理解書本知識，更是使學生的動手實踐能力在實驗過程中能夠得到訓練，同時還為相關的科學研究創造了條件。

2 油氣運聚模擬實驗室建設與實踐

2.1 依托學科和創新平臺建設作為基礎

我校主干學科覆蓋石油石化領域上游、中游到下游的全部產業鏈。其中“地質資源與地質工程”和“地質學”2個博士授權一級學科是石油石化上游學科，二級學科“礦產普查與勘探”為國家重點學科，二級學科“地球探測與信息技術”為國家重點(培育)學科。油氣運聚模擬實驗室正是依托這些傳統優勢石油學科而建設，具有強大的學科支撐。該研究室還依托于2個山東省重點學科“構造地質學”和“礦物學、巖石學、礦床學”以及2個一級博士點學科和博士后流動站“地質資源與地質工程”和“地質學”。同時，學校創新平臺建設項目“油氣資源勘探開發與轉化”中的子平臺“復雜地質油氣資源勘探理論與技術”創新平臺建設為該實驗室建設奠定了基礎。

2.2 專業教學-研究綜合功能作為定位和目標

油氣運聚模擬實驗室的設置首先考慮到是否能具有教學功能，是否能滿足專業課實驗的教學要求，這是實驗室建設的基礎。因此在設備的研制和設計過程中考慮到實驗的易操作性和可視化性。但作為專業課教學實驗室其功能定位與基礎課教學實驗室有所不同[6]。專業課的實驗更具有綜合性，實驗過程也相對較復雜，實驗過程不僅可以再現教材的有關知識，而且要求學生能夠在所學知識的基礎上對實驗過程進行設計，并對實驗中可能遇到的問題進行分析和思考，因此更能培養學生的實踐能力和創新意識。

其次，專業實驗室設計應從學科建設和發展的需要，必須具有先進的科研服務功能[7-8]，教學和科研一體、相輔相成、相互促進[9]。只有掌握前沿的科學成果和技術創新，才能引領學生開拓視野，走到學科前沿。因此，專業課實驗室設計應當立足于當前學科已有的成熟知識，并著眼于學科發展的前沿，使得專業課的實驗教學可以隨著學科發展有一定的彈性空間，而不能因為學科發展而受到明顯的限制或約束[10-11]。

因此服務于學科專業教學和科學研究是對現代化專業實驗室建設考慮的重要內容[12-13]。油氣運聚模擬實驗室在成立初期的研究方向為針對隱蔽油氣藏等復雜油氣成藏機理(特別是地層-巖性油氣藏)及物理模擬中存在的關鍵科學和技術問題開展基礎和基礎應用研究，形成相關創新性理論成果和具有明顯優勢、特色的研究與實驗技術。總體目標是通過研制開發擁有自主知識產權、具有國內一流水平的油氣運聚實驗模擬裝置，達到物理模型和實驗技術的雙突破，實現以下具體目標：①發展1項理論——復雜斷陷盆地隱蔽油氣藏的成藏機理和主控因素分析理論；②形成2項技術——油氣運聚模擬及斷層封堵性能模擬實驗新技術；③建設1個基地——形成油氣成藏實驗-研究及專門人才培養基地。

2.3 自主設計實驗裝置，突出動態過程特色

我校在油氣地質學方面具有自己的研究特色。大多數資源勘查工程專業的畢業生將進入到石油行業就業。針對這種情況，我們在進行油氣運聚實驗模擬系統設計的時候，就考慮到了如何結合含油氣盆地的地質條件，比如要考慮含油氣盆地的壓力條件，油氣運移的輸導條件以及油氣運移的動態特征，還要考慮到如何使設備具有可視化并具有可操作性。

例如，油氣運移是油氣成藏的重要環節，然而地下烴類流體的運移是看不見的，如何展現地下流體運移過程，從而讓學生能深入地掌握這一概念，這是實驗室建設需要考慮的一個問題。據此，我們自主研制設計了可視化油氣運聚模擬裝置，可開展油氣二次運移動態過程等模擬實驗研究。整個實驗包括油氣成藏物理模擬實驗和油氣成藏數值模擬實驗，其中前者是主體(見圖1)。油氣運聚物理模擬實驗裝置系統主要由圈閉模擬器、多相流體注入系統、多相流體輸出控制系統、先導試驗及試樣預處理系統、安全保障系統、溫度壓力控制系統、儲層及流體參數測量系統、樣品自動采集分析系統和數據處理解釋系統組成。物理模擬實驗裝置具有模塊化、人性化、廣泛實用性及可視化的特點，其中圈閉模擬器是實驗裝置的核心。

圖1 油氣運聚模擬實驗室系統設計

該套模擬系統可開展油氣二次運移機理、輸導層及輸導體系控油機理、不同圈閉條件下油氣的運聚動力學機理、斷層封閉性及其對油氣成藏的影響等模擬實驗研究。通過建設該油氣運聚模擬實驗室，力求解決目前油氣成藏過程中關于透鏡體砂巖隱蔽油氣藏的成藏機理，推動該領域基礎理論和技術方法的進展，指導我國油氣勘探工作，提高我國在國際油氣勘探中的競爭力。

該裝置不僅可以滿足資源勘查工程專業的油氣成藏模擬實驗的要求，也可以為資源勘查工程專業開設油氣運移、聚集及油氣成藏機理方面的實驗課。該裝置還可以開展原油輸導體系、不同壓力充注條件下的油氣運移路徑等方面的模擬實驗，實現了多環境、多類型、動靜結合、可視化程度高、擴展空間大的綜合性研究平臺。可以根據生產實際確定模擬研究模型，取得實驗依據，解決實際問題；又可以根據實驗模擬成果，開展理論創新，建立“實驗模擬-理論研究-軟件開發-實際應用”多軌研發模式。

2.4 搭建多層次實驗創新平臺、完善運行機制

針對不同教學和科研活動的需要，油氣運聚模擬實驗室構建了多層次實驗實踐平臺，針對創新實驗平臺實行多層次功能運行機制。目前主要包含四個層次的功能設置：本科生專業教學創新實驗實踐平臺、本科優異生創新創業實驗實踐平臺、研究生實訓與研究創新實驗實踐平臺、教師科學研究創新實驗平臺。

本科生專業教學創新實驗實踐平臺是為全體本科生教學服務，是最基礎和最大眾化的第一層次創新實驗平臺[14]。本科優異生創新創業實驗實踐平臺是面向學習優秀、對科研有濃厚興趣的本科優異生，為他們創新創業活動創造條件。每一項本科生創新創業訓練計劃均有課外指導教師或實驗教學教師指導。

研究生實訓與研究創新實驗實踐平臺是為滿足全日制專業碩士研究生校內實訓需要，以科研實驗為主，教學實驗為輔。該模擬實驗室有效地支持了資源勘查工程專業研究生在油氣運聚過程內容的校內實訓，使他們對油氣運聚的過程和控制因素有了充分了解，并參與實驗操作，掌握了該設備的操作流程，訓練了實際動手實驗能力。如在該實驗平臺培養的博士生趙衛衛，完成的博士論文正是以此實驗室為依托，發表了幾篇相關的科研論文[15-16]。目前他已成為西安石油大學的副教授，仍然在做與油氣運聚有關的科學研究。

該實驗室建設的一個重要意義在于建立良好的科研實驗平臺，培養優秀的中青年科研技術骨干，建立一支高水平的科研隊伍，為我國的油氣勘探事業輸送優秀人才。該實驗室的建立大大改善了資源勘查工程專業科研實驗條件，提升了教師科研項目完成能力和獲取高級項目的支持率，提高了整體科研水平。

3 實驗室建設成效

3.1 提高了本科實驗實踐教學質量

通過油氣運聚模擬實驗室的建設，促進并保障了資源勘查工程專業實驗實踐環節教學工作，提高了本科教學質量。完成教學任務是實驗室的最基本的要求，盡管儀器數量有限，但通過分組分次實驗，基本可以讓所有學生動手參加實驗過程。近些年油氣運聚模擬實驗室幫助不少大學生承擔了校級以上的大學生創新創業訓練計劃。在該實驗室的推動下，通過長期的規劃和不斷完善，資源勘查工程已成為教育部首批“卓越工程師教育培養計劃”和“國家大學生創新性實驗計劃”實施的特色專業。資源勘查工程專業本科教學成果“以專業課程建設為核心，構建資源勘查工程特色專業優質教學平臺”獲得2014年國家教學成果二等獎。另外，還獲得省級教學成果一等獎2項，省級優秀教材3項，校級教學成果一等獎4項。

3.2 研究生實訓與研究能力提高

油氣運聚模擬實驗室幫助資源勘查工程專業碩士生完成校內實訓，并在指導老師的參與下，利用實驗室的設備，完成了多名礦產普查與勘探學科研究生的論文計劃和培養。使他們對油氣運聚的過程和控制因素有了充分了解，并參與實驗操作，掌握了該設備的操作流程，訓練了實際動手實驗能力。同時，平臺促進了資源勘查工程方向研究生高水平科研成果的產生。統計表明，近年來資源勘查工程專業研究生發表的高水平論文明顯增加，并處于全院前茅。2人獲全國優秀博士學位論文提名獎。研究生教學成果“突出石油特色，加強實踐創新，提升地質工程領域專業學位研究生培養質量”獲第二屆山東省研究生教育省級教學成果一等獎(2014年)。

3.3 科研成果頗豐

油氣運聚模擬實驗室承擔并支持了國家自然科學基金、國家油氣重大專項等多層次項目的相關研究工作15項，成績斐然。值得一提的是，油氣地質與勘探研究團隊緊緊圍繞中國復雜油氣藏勘探中的關鍵成藏機理問題開展科研攻關，取得了一系列研究成果，部分研究領域取得了重大突破，形成了研究特色和優勢。該團隊2008 年入選首批山東省優秀創新團隊，并被山東省人民政府記集體一等功。

4 結 語

實踐表明，油氣運聚模擬實驗室的建設在資源勘查工程專業本科生、研究生的工程實踐能力和創新能力培養方面發揮了重要的作用，同時也積極推動了資源勘查工程專業學科建設及高水平科研成果的產生。結果是提高了學生的自主學習能力、實踐動手能力、創新創造能力和團隊協作精神，提升了資源勘查工程專業科研團隊的科研水平，促進了資源勘查工程學科的良好發展。目前已初步形成整體布局合理、實驗設施較完備、管理體制科學、效果良好的教學和研究平臺。

油氣運聚模擬實驗室的實踐成效表明，對于專業課教學實驗室的建設應首先明確其功能定位，在此基礎上合理規劃，建成后要同時為教學實踐和科學研究服務。搭建多元化實驗創新平臺、完善運行機制，可以使有限教學科研資源在人才培養、科研產出中發揮最大的效益。所以，注重質量、內涵、創新、實踐等新的教學理念基礎上，高校專業課教學實驗室要注重建設的目標化和特色化、運行機制的多層次化和有效化、管理的科學化和規范化，以求形成高質量的教學-科研一體化實驗服務體系。

[1] 李志生,李冬梅.理工科學生課外科技創新活動中創新能力培養的探索[J].高等教育研究, 2007(7):5-6.

[2] 陳 勇,邱隆偉,任擁軍,等.專業課教學實驗室功能定位與建設的思考[J].實驗技術與管理, 2014,31(1):229-230.

[3] 任擁軍,蔣有錄,查 明. 論特色專業建設中特色專業素質的培養[J]. 中國石油大學學報 (社會科學版), 2010(4):103-107.

[4] 查 明,龐雄奇,楊少春,等. 突出油氣勘探特色, 注重內涵發展, 建設國家重點學科[J]. 中國石油大學學報(自然科學版), 2013,37(5):1-14.

[5] 山紅紅. 產學研結合的理念、模式與機制探索[J]. 中國高等教育, 2008(9):30-31.

[6] 劉向陽,鄭海務.專業實驗室建設與改革實踐[J].實驗室研究與探索, 2010,29(2):145-148.

[7] 彭 義,王欽若,熊建斌.海洋工程動力定位實驗室建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(6):191-198.

[8] 馬傳峰. 實驗室資源的開發與開放[J]． 實驗室研究與探索,2010,27(12): 1-3.

[9] 肖偉才. 理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2014,31(11):229-237.

[10] 楊國良,高瑞光. 新形勢下高校實驗教學改革的思考[J]. 教學研究,2005,28(1): 62-65.

[11] 楊金山. 改革實驗工作模式,促進應用性創新人才培養[J].實驗室研究與探索, 2010,29(2): 78-81.

[12] 左鐵鏞. 高等學校實驗室建設的作用與思考[J].實驗室研究與探索, 2011,30(4): 1-5.

[13] 郭 濤,謝 琨.高校實驗室建設的探索與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2013, 32(9):222-224.

[14] 陳支武,張德容.完善實踐教學體系培養應用型創新人才[J]. 實驗室研究與探索,2012, 31(8):167-170.

[15] 趙衛衛, 査 明. 陸相斷陷盆地巖性油氣藏成藏過程物理模擬及機理初探[J].巖性油氣藏, 2011, 23(6): 37-43.

[16] 趙衛衛, 李得路, 査 明. 陸相斷陷盆地砂巖透鏡體油藏成藏過程物理模擬[J]. 石油實驗地質, 2012, 34(4):438-444.

Construction and Practice of an Oil and Gas Migration and Accumulation Simulation Laboratory

CHENZhong-hong,ZHAMing,JIANGYou-lu,ZHANGWei-hai,RENYong-jun,QUJiang-xiu

(School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

To meet the requirement of training engineering practice ability and innovation ability of undergraduate and graduate students, and to meet the requirement of discipline construction and the development of scientific research, unified laboratory system for teaching and scientific research in oil and gas migration and accumulation was explored and constructed. The laboratory aimed to integrate the functions of professional teaching and research, and made a reasonable planning on the basis of the target, then built a multi-level experiment innovation platform, and perfected the operating systems. The practice result showed that the platform has promoted the students’ autonomous learning ability, practical ability, innovation ability and team cooperation spirit, and improved the scientific research level of the research team of resource exploration engineering scientific discipline, advanced development of the discipline “resources exploration engineering”.

resource exploration engineering; oil and gas accumulation mechanism; practical education; experiment teaching

2015-03-28

國家自然科學基金項目(41272140);中央高校基本科研業務費專項基金資助

陳中紅(1976-)，男，安徽懷寧人，博士，副教授，主要從事油氣地質與勘探的教學與研究工作。

Tel.：15966825759；E-mail：hongczh@163.com

TE 122.1,G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0233-04