基于刊教融合的“應用固體力學”教學方法與實踐

李世遠 劉福江 馬桂霞 董雪林 王宴濱

[摘 要] 通過討論如何在石油天然氣工程研究生的“應用固體力學”課程教學中運用科研期刊資源，進而拓展研究生對“應用固體力學”課程中重要概念的認知理解。以《石油科學通報》為例，綜述性論文和實例研究論文的引入，有助于學生增強對抽象概念的理解，特別是如何將其應用于石油工程問題。培養學生的工程意識及解決工程實際問題的能力，有助于實現復合型創新人才的培養目標，同時有助于增加課程的實用性、創新性及趣味性。

[關鍵詞] 期刊資源；應用固體力學；刊教融合；工程問題

[基金項目] 2020年度中國石油大學（北京）研究生教育質量與創新工程項目“基于科教融合與刊教融合的‘應用固體力學’課程建設”（yjs2020024）；2019年度中國石油大學（北京）研究生精品示范課程建設項目“應用彈塑性力學”（ypk201903）

[作者簡介] 李世遠（1983—），男，上海人，地質力學博士，中國石油大學（北京）石油工程學院副教授，主要從事石油工程巖石力學、地質力學等研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）06-0117-04 [收稿日期] 2021-06-24

引言

應用固體力學是以固體材料或結構的應力、應變理論及在工程中的應用為主要對象的一門基礎性、實踐性很強的應用學科，在石油工程、航天航空工程、船舶與海洋工程、汽車工程、電力工程等領域均有重要應用。教學目標為在強化固體材料/結構的應力、應變理論基礎的同時，關注彈性力學模型的建立、分析與應用，并進一步建立塑性理論分析[1]。在深度和廣度上力求體現學科專業發展的前沿，使研究生掌握彈性理論專門知識，了解塑性理論的思想和方法，并著重在基礎理論和實踐應用兩方面進行科研能力的培養，使研究生能夠進行工程結構彈塑性安全評價與穩定性分析。作為研究型大學，中國石油大學（北京）主辦的期刊《石油科學通報》，出版單位為清華大學出版社有限公司。主要發表石油地質、石油地球物理、石油工程、石油機械、石油化工、石油經濟等領域的新思想與新成果，綜合反映石油自然科學與社會科學多學科交叉基礎研究的進展，為石油科學研究者提供高水平的學術交流平臺。如何在石油天然氣工程研究生“應用固體力學”課程教學中運用《石油科學通報》科研期刊資源，拓展研究生對“應用固體力學”課程中重要概念的認知理解；如何結合研究型大學期刊資源，探索出一條“刊教融合”的創新式教學方法，是本課程的新探索和新實踐。

一、《石油科學通報》期刊資源在教學中的應用

推動期刊與人才培養的結合，如何形成具體的“刊教融合”研究生培養模式，是本課程教學創新實踐的重要內容。《石油科學通報》期刊文章包括兩種類型：一種是綜述性論文，一種是研究性論文。就教學素材而言，《石油科學通報》中相當比例的論文是石油工程領域論文，石油工程領域論文中相當比例涉及油氣井和油氣田開發工程中與固體力學結合的研究。尤其是《石油科學通報》中不乏油氣領域兩院院士、中石油、中石化和中海油的一級專家等親自撰寫的綜述性論文，也有包括課程團隊教師在內的青年教師的科研論文。這都是課程學習的生動素材和案例來源，是課程教學團隊開展課程教學的重要支撐資料。就教學方法而言，通過以《石油科學通報》為主要參考，引導研究生主動學會科技論文的查詢、檢索，并在科技論文中找到“養分”，為后續論文撰寫打下堅實的基礎，把研究生培養成忠實的期刊讀者和潛在的期刊投稿群體。就教學實踐環節而言，可以通過布置幾篇典型論文的閱讀，開展課堂內討論或者課堂外研究報告。總之，通過“應用固體力學”課程建設，結合《石油科學通報》的有利資源，率先在學校實踐“刊教融合”的理念，探索期刊與育人相結合的研究生培養模式。

二、《石油科學通報》中運用于課程教學的實例

我國石油資源豐富，目前石油儲量增長的主要領域在西部和海上。然而隨著油氣田的開發不斷向深地和深水發展，其存在的力學問題也日益凸顯，急需一批專業人才來解決這些問題，以提高我國油氣資源開采技術的核心競爭力。石油工程及海洋油氣工程領域存在大量管柱結構和巖石地層研究對象[2-4]，其受力變形行為都可歸結為固體力學問題，特別是彈塑性力學問題。充分利用《石油科學通報》中相關領域的研究內容，將石油工程與海洋油氣工程中的固體力學實例引入課程教學，以增加學生在解決工程實際問題方面的知識儲備。以下列舉幾個例子加以說明。

實例1：在石油、天然氣開采過程中鉆桿的拉伸。鉆桿不僅是鉆井液的循環通道，而且在旋轉鉆井中需要傳遞扭矩，承受內外壓力、軸向、彎曲、扭轉等多種載荷的共同作用，同時還受到鉆井液、地層水及油氣中腐蝕性介質的腐蝕，在鉆井過程中常常發生失效，造成井下事故[5]。當前，管柱力學的一個熱點和難點是深水鉆桿作業過程中產生復雜的力學行為，對深水鉆井隔水管力學行為進行研究，是深水鉆井研究的關鍵問題之一。

《石油科學通報》2016年第1期中由中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室高德利院士和王宴濱副教授撰寫的論文《深水鉆井管柱力學與設計控制技術研究新進展》，是鉆柱應用固體力學教學的案例素材[6]。深水鉆井隔水管力學分析模型如圖1所示。該研究著眼于深水鉆井隔水管的頂張力控制、縱橫彎曲變形、橫向振動特性、縱向振動特性、耦合振動特性及渦激振動特性等主要力學問題，從載荷計算、控制方程、邊界條件及求解方法等方面入手，總結了深水鉆井隔水管系統在力學與設計控制技術方面取得的新進展，對目前研究中仍然存在的問題進行了剖析和探討。這一案例緊密結合“應用固體力學”課程中的第三章，即《固體材料變形與應變》。在教學中結合此案例，增強學生對工程問題研究與應用的理解和認知。

實例2：石油套管的彎曲變形。石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過程進行和完井后整個油井的正常運行[7]。每一口井根據不同的鉆井深度和地質情況，要使用幾層套管。然而地殼內部的運動、地層（油層）的非均質性、油層傾向、巖石性質、地層斷層活動、地層腐蝕等將導致井下服役石油套管損壞。套管中的彎曲現象是非常普遍的，可以單獨出現，也可以伴隨著變形或錯斷一起出現。

《石油科學通報》2020年第3期中由中國石油股份有限公司西南油氣田分公司范宇高工和中國石油集團工程技術研究院有限公司陳朝偉高工等撰寫的論文《四川頁巖氣水力壓裂誘發斷層滑動和套管變形風險評估》，是套管變形及地層激活方面的教學案例素材。該研究以四川盆地長寧—威遠區塊H平臺為實例研究對象，旨在厘清套管變形問題緣由，探尋解決途徑，觀察該平臺的套管變形分布情況，識別斷層產狀，建立地質力學模型，并分析水力壓裂施工下斷層滑動的風險概率[7]。《石油科學通報》2017年第4期中由中國石油大學（北京）石油工程學院劉偉副教授、鄧金根教授等撰寫的論文《致密油儲層水平井體積壓裂套管變形失效機理數值模擬研究》，是另一個套管變形的典型素材[8]。天然裂縫、小型斷層滑移錯動導致套管變形的典型工況計算結果如圖2所示。這兩個案例緊密結合“應用固體力學”課程中的第四章，即《固體材料的本構方程》，涉及巖石和金屬材料屈服準則。在教學中結合這兩個案例，增強學生對工程問題研究與應用的理解和認知。

實例3：鉆柱屈曲主要是指鉆柱的失穩，通常可以分為局部屈曲與整體屈曲兩種形式。局部屈曲是指在內外壓、軸力、沖擊等載荷的作用下產生的局部失穩形式；整體屈曲又叫歐拉屈曲，即把整個鉆柱看成歐拉桿，在軸向力作用下發生的失穩形式。按屈曲的方向，分成側向屈曲與垂向屈曲（隆起屈曲）兩種形式。隆起屈曲屬于整體屈曲，當鉆柱發生隆起屈曲時，鉆柱會產生較大的彎矩以及較大的塑性變形，甚至可能進一步出現裂紋、疲勞、局部屈曲。

《石油科學通報》2020年第1期中由中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室黃文君副教授和高德利院士等撰寫的論文《大位移井規律性阻卡力學機理與控制措施研究》，是鉆柱受扭和屈曲變形的教學案例素材[9]。鉆柱接頭在裸眼鍵槽中的示意圖如圖3所示。該研究以南海大位移井鉆柱規律性阻卡為實例研究對象，旨在揭示大位移井規律性阻卡的力學機理并建立控制措施。這一案例緊密結合“應用固體力學”課程中的第二章，即《應力分析及平衡方程》。在教學中結合此案例，增強學生對工程問題研究與應用的理解和認知。

實例4：壓裂過程中水泥環完整性分析。頁巖氣井工程實踐表明，套管壓裂易導致水泥環完整性破壞。壓裂過程中容易造成水泥環的破壞，從固體力學特別是彈塑性平面問題給予求解。

《石油科學通報》2010年第4期中由中國石油大學（北京）石油工程學院李軍教授和柳貢慧教授等撰寫的論文《頁巖氣水平井壓裂過程中水泥環完整性分析》，是水泥環彈塑性力學問題的教學案例素材[10]。該研究以西南油氣田頁巖氣井工程套管壓裂及水泥環完整性分析為實例研究對象，旨在建立合理的力學模型描述壓裂工程實際產生的溫度-應力耦合作用下水泥環力學行為。這一案例緊密結合“應用固體力學”課程中的第五章，即《彈塑性平面問題解法》。在教學中結合此案例，增強學生對工程問題研究與應用的理解和認知。

結語

綜上所述，“刊教融合”是石油與天然氣工程研究生“應用固體力學”課程的創新方法，也是研究生教育人才培養和科研期刊資源相結合的新型模式探究。本課程選取《石油科學通報》中的相關綜述性或研究性論文，結合到課程教學之中，努力實現科研素材、期刊素材與課程內容的協調統一。課程改革需要任課教師精通課程內容，包括每章節的思想體系和精華，把握科研素材和期刊素材選擇的科學性、合理性和協調性，力求達到有機融合的良好效果。

參考文獻

[1]徐秉業，劉信聲，沈新普.應用彈塑性力學（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2017：2.

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[4]陳勉，金衍，張廣清.石油工程巖石力學[M].北京：科學出版社，2008：3.

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[6]高德利，王宴濱.深水鉆井管柱力學與設計控制技術研究新進展[J].石油科學通報，2016，1（1）：61-80.

[7]范宇，黃銳，曾波，等.四川頁巖氣水力壓裂誘發斷層滑動和套管變形風險評估[J].石油科學通報，2020，5（3）：366-375.

[8]劉偉，陶長洲，萬有余，等.致密油儲層水平井體積壓裂套管變形失效機理數值模擬研究[J].石油科學通報，2017，2（4）：466-477.

[9]黃文君，高德利.大位移井規律性阻卡力學機理與控制措施研究[J].石油科學通報，2020，5（1）：49-57.

[10]席巖，李軍，柳貢慧，等.頁巖氣水平井壓裂過程中水泥環完整性分析[J].石油科學通報，2019，4（1）：57-68.

On the Teaching Methods and Teaching Practice of Applied Solid Mechanics Course Based on the Integration of Periodical Resources and Teaching

LI Shi-yuana， LIU Fu-jianga， MA Gui-xiab， DONG Xue-lina， WANG Yan-bina

（a. College of Petroleum Engineering， b. Periodical Office， China University of Petroleum〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： This paper mainly discusses how to use scientific research periodical resources in the teaching of Applied Solid Mechanics course for graduate students of petroleum and natural gas engineering， so as to expand graduate students’ cognition and understanding of the important concepts in the course. Taking Petroleum Science Bulletin as an example， the introduction of review papers and case study papers can help students enhance their understanding of abstract concepts， especially how to apply them to petroleum engineering problems. Cultivating students’ engineering awareness and ability to solve practical engineering problems can help students meet the training goal of cultivating compound innovative talents. At the same time it helps to increase the practicality， innovation and interest of the course.

Key words： periodical resources； Applied Solid Mechanics； integration of periodical resources and teaching； engineering problems

3769500589264