信息背景下的控壓鉆井課程“創(chuàng)新發(fā)散實用教學”方法探討

孔祥偉，孫騰飛

(1.長江大學 石油工程學院，武漢 430101；2.北京化工大學 機電工程學院，北京 100027)

隨著國家及社會科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的研究生教學模式不能很好地適應國家及社會對油田企業(yè)創(chuàng)新型人才的需求。近幾年，長江大學為培養(yǎng)迎合石油企業(yè)發(fā)展需求的人才，學校逐漸加強了教師隊伍相關(guān)建設，在崗位上設立了教學科研并重型教師崗位，旨在提高研究生在企業(yè)中的攻難克艱水平，滿足企業(yè)自主創(chuàng)新的需求。

控壓鉆井課程的專業(yè)性很強，涉及到計算科學理論知識比較復雜，依靠單一的課堂講授很難達到信息背景下控壓鉆井課程的教學效果，課堂教學模式需要完全變革，以迎合信息化背景條件下的教學要求。

近年來，一些計算機專業(yè)的高校已經(jīng)進行了信息化工業(yè)教學的較多改革和創(chuàng)新，較多學校基本都配備有現(xiàn)代化的機房，以供學生上課實踐使用。然而對于石油高校信息背景下的控壓鉆井課，實驗互動較少，一般鉆井專業(yè)課，只配備了2～4 個學時的實驗課，單純使用計算機編程的實驗課幾乎沒有，借助鉆井模擬器模擬控壓鉆井作業(yè)的實踐更是少見，這對未來信息化背景下的控壓鉆井課的實戰(zhàn)效果不利。目前，課堂上具有代表性的教學方法，包括互動式教學、實踐式教學、案例式教學、啟發(fā)式教學、混合式教學、探究式教學、易位式教學、研討式教學、情景式教學和問題式教學等。

根據(jù)筆者多年的教學經(jīng)驗，和對控壓鉆井項目的研究及教學經(jīng)驗，結(jié)合信息背景下的石油控壓鉆井課程，提出了5 步教學法，該方法最終通過油田企業(yè)的滿意度灰色關(guān)聯(lián)度分析，可以關(guān)聯(lián)出油田企業(yè)滿意度與高校考核因素的關(guān)聯(lián)度，經(jīng)過近年的研究生教學實踐，證明該方法切實可行。

一、控壓鉆井特點及發(fā)展歷程

隨著油田企業(yè)對石油天然氣勘探開發(fā)力度加大，各地區(qū)超深井鉆井風險日益增多，應用常規(guī)井控技術(shù)不能很好地解決超深井窄密度窗口安全鉆井、含HS 氣體、高密度泥漿漏失引起的鉆井復雜和相關(guān)的井控風險等問題，控壓鉆井技術(shù)是國際鉆井工程前沿技術(shù)之一，能夠及時發(fā)現(xiàn)，并有效地控制井涌和漏失，降低非生產(chǎn)時間和鉆井成本，并提高鉆井井控安全性。

精細控壓鉆井技術(shù)包括井下參數(shù)測量與地面壓力自動控制等系統(tǒng)，在設定安全窗口內(nèi)確保安全鉆井，降低井控風險的前提下，精細控壓鉆井技術(shù)是目前解決窄密度窗口安全鉆井的最先進技術(shù)。該技術(shù)集機、電、液、信息和自動控制等技術(shù)為一體的前沿鉆井技術(shù)，是鉆井工程壓力控制技術(shù)發(fā)展的方向。

國內(nèi)外控壓鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 國內(nèi)外控壓鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

二、控壓鉆井研究生教學存在的問題

(一)所學知識解決生產(chǎn)實際問題能力不強

控壓鉆井分為鉆井基礎知識、控壓鉆井操作及全自動控壓技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)3 大內(nèi)容，雖然學生在高校學習過程中，對控壓鉆井知識點也能記住，考試也可以達到及格，但學習的知識點無法應用到解決生產(chǎn)實際問題中，不能達到學以致用的良好效果，這就導致了所學知識解決生產(chǎn)實際問題能力不強。

(二)在課堂中激發(fā)學生創(chuàng)新思維是難點

由于控壓鉆井課程是比較抽象的石油工程拔高課程之一，現(xiàn)有的井控知識是井筒壓力的計算分析、井筒壓力計算的相關(guān)概念理解，均是從井底壓力平衡地層三壓力剖面的角度出發(fā)，屬于正向思維，然而油田企業(yè)的控壓鉆井屬于逆向思維技術(shù)，不僅僅是計算井底有效壓力，還要具有如何控制井底有效壓力的能力，以適應窄密度窗口的需求，如何在現(xiàn)有井控技術(shù)上做到提升控制井筒壓力的能力，提出具體創(chuàng)新思維是研究生學習的難點。

(三)達到快速為油田企業(yè)攻難克艱較弱

常規(guī)的教學模式是在高校開展鉆井基礎知識學習，控壓鉆井操作及自動控壓技術(shù)創(chuàng)新在畢業(yè)生入職培訓、實際工作崗位中鍛煉，這樣就增大了企業(yè)用人的成本，同時也縮短了畢業(yè)生為企業(yè)作貢獻的時間。結(jié)合控壓鉆井的優(yōu)缺點，如果在油田中快速地解決現(xiàn)場鉆井的溢漏等復雜井控事故，培養(yǎng)的學生達到快速為油田企業(yè)攻難克艱水平較弱。

三、5 步“創(chuàng)新發(fā)散實用”教學體系構(gòu)建

筆者從培養(yǎng)創(chuàng)新發(fā)散實用型人才角度出發(fā)，通過油田具體信息化項目研究及相關(guān)控壓鉆井專業(yè)的教學實踐，課程內(nèi)容既要考慮到控壓鉆井與其他專業(yè)學科的相關(guān)性，又要考慮到控壓鉆井如何具體解決現(xiàn)場問題，提高學生的創(chuàng)新發(fā)散思維，做到實用教學。達到為油田企業(yè)培養(yǎng)切實可用的高層次人才的目標，提出了5 步教學法。

(一)提出三重目標教學理念

三重目標教學理念實現(xiàn)思路如圖2 所示。

圖2 三重目標教學理念實現(xiàn)思路

提出企業(yè)難題需求目標、教學知識任務目標，在課堂教學開始前，需將三重目標拋給學生，課堂上學生帶著三重目標，有目的地學習，能達到較好的學習效果。

以具體油田科研項目為例，表1 具體講述三重目標教學體系中地目標交叉及思維發(fā)散課堂內(nèi)容。

表1 三重目標教學體系實現(xiàn)具體內(nèi)容

(二)建立螺旋反哺發(fā)散教學模式

所謂螺旋反哺，是指教學內(nèi)容的知識點有一系列的循環(huán)連接構(gòu)成，不是知識點之間平鋪直敘，而是迂回曲折、環(huán)環(huán)相扣。所謂螺旋上升過程是指每一個循環(huán)都比前一個循環(huán)的知識點更接近教學目標，更進一步，并且最終教學目標反哺各個鉆井知識點。

圖3 為螺旋反哺示意圖，它闡明了新舊事物交替中的辯證聯(lián)系，以及發(fā)展過程的波浪式前進、螺旋式上升的性質(zhì)。它指出事物發(fā)展的方向是前進的，道路是曲折的，事物的發(fā)展是前進性和曲折性的統(tǒng)一。每一次否定都是質(zhì)變，都把事物推到新階段；每一周期都是開放的，不存在不被否定的終點。

圖3 螺旋反哺示意圖

螺旋反哺法的實質(zhì)來源于自然辯證法，這是辯證法中否定之否定規(guī)律的具體表現(xiàn)。否定之否定規(guī)律又稱肯定否定規(guī)律，也就是肯定與否定的對立統(tǒng)一的規(guī)律，它是教學目標各知識點之間對立統(tǒng)一規(guī)律的印證。隨著控壓鉆井授課的進行，從否定之否定角度，經(jīng)過兩次辯證的否定，克服了前兩個階段知識點的局限性和片面性，保留了前兩個階段知識點的確定因素，又增加了新的知識內(nèi)容，以達到從創(chuàng)新的角度解決目標設定問題。

圖4 為螺旋反哺發(fā)散三維控壓鉆井教學模式，在控壓鉆井課堂上，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維能力，主要是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)鉆井問題、分析鉆井問題和解決鉆井問題的能力。而學生分析鉆井問題、解決鉆井問題能力又是計算能力、邏輯思維能力和空間觀念的集中反映。

圖4 螺旋反哺發(fā)散三維控壓鉆井教學模式

培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，主要通過解答鉆井應用題和自編應用題來培養(yǎng)。鉆井實踐應用題是從鉆井現(xiàn)場和生產(chǎn)的安全關(guān)系中提出的問題。通過對鉆井應用題的分析解答，不僅可以使學生理解鉆井知識在實際鉆井中應用的情況，而且還能通過對鉆井問題的分析、解答，集中培養(yǎng)學生對鉆井知識的注意力，達到用心觀察、認真思考和運用所學知識解決鉆井問題的目的。這樣不僅提高了學習能力，也使學生的心理得到了充分的發(fā)展。對于帶有公式及數(shù)學模型的教學章節(jié)，需要學生自行編程解決鉆井應用題，對培養(yǎng)學生解決實際鉆井問題的能力，有著更重要的作用。

(三)個性化經(jīng)典案例深入教學

圖5 為建立鉆頭選型適應性數(shù)據(jù)庫(目標)，筆者近期完成了油田企業(yè)合同任務內(nèi)容之一是建立鉆頭選型適應性數(shù)據(jù)庫(含國內(nèi)外)。完成的內(nèi)容如下：基于EXCESS 數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了川東北、國外區(qū)塊、瑪湖區(qū)塊、瑪頁區(qū)塊、南緣區(qū)塊和渭北6 個區(qū)塊的數(shù)據(jù)表(416 組數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)庫涵蓋了鉆頭使用情況、巖性和巖石力學參數(shù)、相應的鉆井參數(shù)及可鉆性級值等數(shù)據(jù)，為待鉆地層提供鉆頭選型提高參考。

圖5 建立鉆頭選型適應性數(shù)據(jù)庫(目標)

圖6 為個性化經(jīng)典案例深入教學思路，課堂前期讓學生理解機械鉆速、進尺、鉆頭磨損程度、鉆進深度和鉆頭成本等數(shù)據(jù)庫參數(shù)含義，并在課前及課上均設定建立鉆頭選型適應性數(shù)據(jù)庫建設目標，課堂上著重啟發(fā)學生如何結(jié)合轉(zhuǎn)速、鉆壓和泵排量這3 種鉆頭使用條件參數(shù)，建立鉆頭非線性模糊優(yōu)選聚類模糊數(shù)學模型。在課后，讓學生深度思考知識拓展點——如何結(jié)合數(shù)據(jù)庫參數(shù)優(yōu)選鉆頭類型，在下次課堂開始前需要檢查學生對拓展點知識的理解及深度思考情況，并積極引導啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

圖6 個性化經(jīng)典案例深入教學思路

(四)構(gòu)建逆向課堂拓展教學模式

圖7 為逆向課堂拓展教學模式，逆向課堂也稱顛倒課堂，是指在信息化背景下的鉆井環(huán)境中，課程教師提供以鉆井教學視頻、鉆井實踐模擬為主要形式的學習資源，學生在上課前觀看和學習鉆井教學視頻等學習資源，師生在課堂上完成鉆井作業(yè)、答疑、鉆井知識點的協(xié)作探究和互動交流等活動的新型教學模式。

圖7 逆向課堂拓展教學模式

圖8 為逆向課堂與傳統(tǒng)教學的區(qū)別。

圖8 逆向課堂與傳統(tǒng)教學的區(qū)別

逆向課堂注重激勵、反饋與調(diào)整；注重多方面發(fā)展的潛能，注重個別差異，從單一轉(zhuǎn)向多元；注重學生對鉆井知識點的自我評價，從鉆井學習目標的終結(jié)性轉(zhuǎn)向過程性、發(fā)展性，由傳統(tǒng)的考試模式單一筆試到后續(xù)發(fā)展的考試多樣化，并提出鉆井課堂自主創(chuàng)新“三三六”：三是立體式、大容量和快節(jié)奏；三是預習、展示和反饋；六是預習交流、明確目標、分組合作、展現(xiàn)提升、穿插鞏固和達標測評。

(五)建立主客結(jié)合的實戰(zhàn)考核體系

控壓鉆井課程成績由期末考評成績和平時考評成績兩部分組成。一般期末成績占70%，平時考評占30%。本文實戰(zhàn)考核體系突出平時討論成績的比重，將平時主觀成績比例提高到40%，客觀成績降低至60%，提高研究討論分析在最終成績中所占的比重。從成績構(gòu)成上讓學生認識到平時科研過程的重要性。

1.考核體系建立

表2 為主客結(jié)合的實戰(zhàn)考核體系，學校應加強科研成果的獎勵，同時加強對教學和科研融合的支持。一方面重點支持教學與科研融合教改項目，另一方面給予在教學和科研融合方面獲得重要成果的個人和單位一定的獎勵，最大限度地調(diào)動教師參與教學與科研融合的積極性，真正促進教學與科研的共同發(fā)展。

表2 主客結(jié)合的實戰(zhàn)考核體系

2.灰色關(guān)聯(lián)評價法體系建立

按灰色關(guān)聯(lián)評析法，以用人單位滿意度相關(guān)指標為參考因素，其測試值序列為

以U={u，u，…，u}中各因素u(j=1，2，…，m)即影響滿意度組成對比因素，其相應的測試序列為

式中：i=1，2，…，n。

為了保證參考因素和對比因素的可比性，按式(3)對其進行無量綱化處理

式中：i=0，1，2，…，n；j=1，2，…，m。

計算Y(j)對Y(j)在第j 個點的關(guān)聯(lián)度

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值

此即影響滿意度的各單因素對滿意度的關(guān)聯(lián)度，其反映了各單因素對滿意度的影響程度，最后對r進行歸一處理

以表3 中企業(yè)滿意度的相關(guān)因素為參考因素，按式(1)—(6)進行數(shù)據(jù)處理。

表3 企業(yè)滿意度關(guān)聯(lián)因素關(guān)聯(lián)性分析

從10 名畢業(yè)學生及企業(yè)滿意度關(guān)聯(lián)分析得到主觀成績中創(chuàng)新體現(xiàn)大于基本概念大于作業(yè)情況大于基本運算等于學習態(tài)度大于邏輯推理大于解決能力。

四、科研成果轉(zhuǎn)化為教學資源的實踐

筆者在2021 年開展了中石化科技有限公司的《川渝地區(qū)裂縫性氣藏鉆井井控風險評價技術(shù)》中的《基于信息融合的鉆井工程風險預警軟件開發(fā)》，形成一套基于地面錄井數(shù)據(jù)的鉆井井下復雜風險預警軟件，達到計算機自動判斷、識別鉆井復雜早期征兆和提前發(fā)出風險預警的目的，圖9 為逆向課堂教學實施方法。

圖9 逆向課堂教學實施方法

筆者在課堂講授中重點向?qū)W生介紹了信息融合的概念，目標是完成信息融合的鉆井工程風險預警軟件開發(fā)。結(jié)合研究工作的具體實踐經(jīng)驗，引導學生學習掌握信息控壓鉆井的編程方法。針對鉆井風險提前預警的問題，引導學生如何通過鉆井工程參數(shù)的征兆來解決問題，構(gòu)建風險預警新模型，開發(fā)預警軟件，針對油田具體研究項目，筆者課前制訂了相應的教學方案，從用人單位滿意度來看，取得了較好的反饋。

五、結(jié)束語

隨著科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會對創(chuàng)新型人才的需要。在高等學校科研成果豐富的背景下，結(jié)合科研成果融入研究生教學的初步實踐，筆者提出的5 步教學法適合工科院校研究生階段的學習方案，探索科研成果反哺教學的形式和發(fā)展趨勢，將科研成果融入本科教學內(nèi)容，提高教學內(nèi)容和教學方法的創(chuàng)新性，可以達到培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)教學和科研的融合，達到共同促進高等學校教學和科研的發(fā)展目的，從而為油田企業(yè)培養(yǎng)合格的創(chuàng)新型人才打下堅實基礎。