革新水電模擬滲流實驗 依托開放實驗平臺翻轉課堂

付帥師， 王增寶， 李愛芬， 樊冬艷， 呂愛民， 耿 杰

(中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580)

0 引 言

實驗是認識自然科學規律的基本手段，實驗教學在21世紀人才培養中占有重要的戰略地位[1-3]。水電模擬滲流實驗基于水電相似原理，應用直觀可操作的水電場在實驗室中模擬復雜抽象的滲流場，能夠真實地反映地下穩定滲流場的滲流規律，模擬各種復雜的邊界條件和井網條件，用水電場參數來計算油水井產量(注入量)、等勢線分布、流線分布等。實驗結果還可用來檢驗數值模擬和滲流模型解析解的準確性，幫助學生掌握和理解各種不同形式油藏和生產井網條件下的不可壓縮流體穩定滲流所涉及到的各種問題和知識。因此，水電模擬滲流實驗在滲流物理實驗和滲流力學的課程教學和實踐中具有重要的地位和意義[4-9]。

水電模擬滲流實驗模塊主要包括水電模擬平面徑向穩定滲流實驗以及在此基礎之上的水電模擬鏡像反映實驗，是滲流物理實驗課程中典型的“三性”實驗模塊，對學生實踐操作和教師課堂教學有較高的要求。而傳統的講授式實驗教學方法在水電模擬滲流實驗的教學實踐中并沒有很好的教學效果，不能保證學生在理解復雜理論知識的同時明確清晰的實驗方案，導致部分學生在機械地依照講義重復試驗步驟，不利于發揮學生的探索能力和創造性思維。探究如何在有限學時的課堂實驗教學中提高學生的認知和實驗及理論探究水平，是提高實驗教學效果，凝練實驗教學方法的必經之路[10-11]。總結幾年來的水電模擬實驗教學效果和經驗，依托我校石油工程國家級實驗教學示范中心和開放實驗室管理平臺，針對本實驗項目，進行了實驗方案和教學方法的改革與實踐，引入并改進了適應此類綜合設計型實驗項目的翻轉課堂實驗教學法[12-16]，有效保證了實驗教學的前展后拓效果，提高了學生學習和實驗教學水平。

1 水電模擬滲流實驗改革方法

在水電模擬滲流實驗模塊幾年來的教學實踐過程中，總結出實驗項目在授課和學生操作過程中容易出現的問題，經過不斷的試驗和分析，提出了針對各種問題的改革方法，并應用于后續的實驗教學中，取得了不錯的效果。

1.1 存在的問題

(1) 傳統的水電模擬實驗介質是銅帶和硫酸銅溶液，分別模擬穩定滲流時的邊界條件和流體介質，但是在實驗實踐過程中，由于模擬油藏邊界所用的銅帶和銅片很難達到100%純度，其中含有的金屬雜質會與硫酸銅溶液中的銅離子發生置換反應，造成實驗過程中電導率的改變，并且置換反應的發生加劇了銅帶的腐蝕，生成銅銹，大大降低了銅帶和銅制生產井和探針的導電性能，使實驗測得的電流和電壓存在較大的誤差，影響實驗的精準性。

(2) 在測量流場等勢線的實驗中，通常選用“連接電橋測電流法”，學生進行實驗時需逐步調整儀器電阻，以完成電橋的連接(見圖1、2)，調節時用試錯法比較費時，并且在學生實踐操作中經常出現電路短路和燒壞電表等情況，影響了學生實驗的正常進行，所以有必要探索一種更便捷精確的測定流場中等勢線的新方法。

圖1 連接電橋法儀器圖

圖2 連接電橋測電流法原理圖

(3) 實驗中模擬生產井和測定電壓電流所用的探針都是用同樣規格的銅絲做成，會造成一定的實驗誤差。在固定模擬井時使用了平衡支架，對模擬場的測量范圍造成了影響，測定時探針在模擬場中的運動受到了限制，使得測定數據不夠完整，因此應對模擬井固定裝置進行改進。

1.2 改變實驗流場介質 增加流場穩定性

為了解決傳統硫酸銅溶液和儀器的強腐蝕性特征，選取幾種不同的電解質溶液(氯化鈉，硫酸鈉和氯化鎂等)，優選穩定防腐蝕、更適合學生實驗和操作的穩定電解質溶液體系。經過多次實驗，選用了氯化鈉溶液作為新型電解質溶液體系，實驗結果表明當實驗溫度不變時，在連續進行水電模擬實驗測試操作24 h后，溶液的電導率值基本不變。在20次課堂實驗教學過后，模擬邊界和生產井用的銅帶和探針表面沒有明顯腐蝕銅銹痕跡，因此用氯化鈉溶液作為新的電解質溶液體系具有較高的穩定性和耐腐蝕性，同時氯化鈉溶液為無色透明溶液，方便學生在實驗操作時觀察流場中模擬井和邊界的位置關系等。圖3所示為測得的氯化鈉溶液電導率關系圖版，方便學生配制溶液。

圖3 氯化鈉溶液電導率圖版

1.3 改進實驗測試流程 提高可操作性

連接電橋法操作復雜，且只能測定選定電壓下的等勢點位置，方法不夠直接，在保證實驗精度的基礎上，提出了“直接測電壓法”測定流場中等勢線分布和壓降漏斗曲線的新方法。直接測電壓法實驗流程如圖4所示。

圖4 直接測電壓法流場電勢測試流程圖

將改進的實驗方法應用于實驗教學中，綜合分析14個班級100多組學生實驗情況，實驗成功率達到100%，以往測量電橋法的電表損壞率在10%左右，直接測量電壓法的儀表損壞率降低到了2%以下。并且新的實驗方法能夠很好地應用于井筒附近壓降漏斗曲線的直接測試(水電模擬平面徑向穩定滲流實驗)，以及滲流場中不同等勢線分布直接測試(水電模擬鏡像反映實驗)，實驗結果具有較高的精度，實驗方法快捷且具有很強的穩定性和可操作性，在保證學生實驗數據精準完善的同時提高了實驗的效率，具有很好的實際應用效果。

1.4 改革實驗測試線路 提高實驗精度

區分模擬井探針和測試探針，將測試探針換成只有模擬井直徑1/5的紫銅絲，在保證了測試探針良好電導率的同時，滿足了模擬井與真實井筒之間幾何相似系數的科學性，有效區分測試探針和模擬井規格尺寸，極大地減小了因探針尺寸過大對測試結果精度造成的誤差。同時，由于井筒附近壓降急劇，數據變化較大，超細探針在測量近井地帶的電位分布時具有很好的適用性，精確度高且容易精準控制位置分布。

去除固定模擬井的電解質溶液池頂部平衡支架，采用池底單邊固定模擬生產井探針的形式，避免了池頂平衡支架對模擬場測量范圍造成的影響，測定時探針在模擬場中的運動不受儀器支架系統的限制，延展了測定數據范圍的寬廣度，使得學生能夠獲得更全面精確的模擬滲流場原始數據，便于實驗處理和誤差分析，讓學生對滲流場的認知更進一步。

1.5 引入設計性操作模塊 提升實驗創造性

水電模擬平面徑向穩定滲流實驗的教學和必做實驗內容中，模擬了圓形地層中間一口直井在穩定生產時的滲流問題，要求學生掌握油井產量與生產壓差的關系以及油井附近壓力降落曲線的測試。由于模擬井探針和模擬邊界銅帶的限制，沒能提供出更具有多樣性的模擬對象。因此引入了自拼接式模擬井探針組件以及不同形狀生產邊界，用來模擬復雜井網系統、水平井、多分支井、方形邊界以及直線供給邊界等復雜滲流力學問題，讓學生在完成平面徑向穩定滲流測試的同時，依照自己的興趣，發揮創造性，設計并測定復雜條件下的滲流場壓力分布問題。設計性模塊的引入極大地發揮了學生的創造性思維，增強了學生自主學習的積極性，提升了實驗教學的創新設計性特點。圖5為學生自行拼接設計的多樣性井型。

直井水平井多分支井方形邊界中心—口水平分支井

圖5 學生自行設計的多樣性井型

2 依托開放實驗平臺的翻轉課堂教學

關于水電模擬滲流實驗模塊，傳統的教學方法為教師課堂講授，學生實驗操作，過程中學生與老師交流問題和解決方法，課后學生分析數據并撰寫實驗報告。由于本模塊實驗原理復雜，儀器操作步驟較多，講授式實驗教學法的總體效果并不好，部分學生反映不能透徹理解實驗原理，造成實驗操作過程中狀況頻出。

依托我校石油工程國家級實驗教學示范中心開放實驗室管理平臺，結合網上視頻學習系統以及實驗教學管理系統，引入了適用于水電模擬滲流實驗模塊的翻轉課堂教學模式。主要教學流程如圖6所示。基于滲流物理實驗模塊化教學的模式，針對水電模擬滲流實驗這一“三性”實驗模塊，改變傳統結果傳授式的實驗教學方法，依托開放式實驗管理平臺的便捷溝通渠道，充分發揮學生自主學習的能動性，做到課前保證學生理論學習的目的性和自主設計的創造性；課上翻轉課堂，保證教的針對性和學的成效性，在解疑答惑的基礎之上完成理論在實驗研究中的實踐和應用；課后充分利用開放實驗平臺，完成實驗成果分析，報告批閱審查，問卷填寫調研，教學方法總結和效果分析。此外，針對模塊內兩項實驗的教學，逐層遞進，從平面徑向穩定滲流實驗的講授討論教學引申到鏡像反映實驗的討論式教學，從復雜理論的深入學習和講授到理論的延伸和實踐，經過學習-翻轉課堂-學習-再翻轉的四學時兩次實驗的“遞進式翻轉課堂”模塊教學，最大程度的發揮了教與學的針對性，從結果傳授式的傳統教學真正轉變成過程經歷式的教學模式，通過翻轉課堂教學法，讓學生深刻探究和學習水電模擬滲流的理論和實驗知識。

圖6 水電模擬滲流實驗模塊翻轉課堂教學法

3 革新后的教學效果分析

3.1 實驗升級 突顯創新設計性

經過對水電模擬滲流實驗模塊兩部分實驗內容改革，實驗設備改進，實驗方案更新，以及實驗教學方法的革新，突顯了本實驗項目的創新設計性，大大提高了學生對該實驗模塊的學習興趣和主動參與度。通過問卷調查，對400份數據樣本進行分析，在50%以上的學生眼中，水電模擬滲流實驗是比較兼重理論和實踐的重點實驗項目(見圖7)；而57%的學生認為，本實驗項目真正發揮了設計性和創新性實驗本該有的教學效果(見圖8)；90%以上的學生表示自己對水電模擬創新設計性實驗模塊有興趣或有較高興趣(見圖9)。

圖7 水電模擬實驗難易程度調查圖8 水電模擬實驗創新設計性程度調查

圖9 創新設計性模塊實驗興趣度調查

3.2 翻轉課堂 突破傳統局限性

通過引入針對本實驗的遞進式翻轉課堂教學模式，打破了以往講授式實驗教學法的局限性，讓學生通過認真自學設計和課堂翻轉學習實踐，真正掌握復雜的水電模擬理論知識，并將理論知識充分應用于實驗測試探索中，做到通過相似原理用直觀水電場的表象數據反求復雜滲流場的理論特征，以討論為學，以教為學，以探索為學，將有限課堂時間內的教與學的效果最大化。圖10為學生對翻轉課堂教學法的認可程度調查，一半以上的學生認為本方法具有很好的效果，這也印證了靈活多變以及針對課程特點的適應性強的教學方法在日常課堂和實驗教學中的重要性。

圖10 翻轉課堂教學法學生認可度調查

4 結 語

通過總結水電模擬滲流實驗教學中的經驗和實驗開展過程中的不足，升級實驗流場介質，改進實驗測試流程和儀器設備部件，很大程度上提高了實驗的穩定性、精確性和可操作性。引入設計性實驗模塊，提升了實驗的創新設計性和學生的學習興趣。通過翻轉課堂教學，徹底突破了傳統教學方法在水電模擬滲流實驗教學中的弊端和局限，取得了很好的成效。水電模擬滲流實驗仍然是滲流力學和滲流物理實驗教學中的重要理論和實踐組成部分，努力變革固有實驗內容和研究更有效的實驗教學方法，是提高教學效果以及學生理論和實踐知識水平的必經道路。