全球數字化背景下的“油氣田開發地質”課程數字化教學實踐

孫廷彬，王 玲，陳剛強

[中國石油大學（北京）克拉瑪依校區，新疆 克拉瑪依 834000]

隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展，數字化已經成為各個行業現代化發展的重點方向[1]。在科技含量較高的油氣勘探開發行業，油田企業具有投資大、折舊率高、人員隊伍龐大的特點，受到全球油價整體低迷、油氣生產成本攀升的影響，企業盈利困難，面臨很大挑戰。而數字化可以提高企業管理水平，提高生產效率，節約大量成本，是現代油田企業的發展方向[2]。目前，油氣田研究、采油和集輸單位已經配備了高計算性能的計算機及專業軟件，實現了無人值守的采油、集輸管理、實時調參、數據采集、物聯網[3-5]，正在全面實現數字化。現場數據通過管網、傳感器、流量計、流體分離器和數據傳輸線實時傳輸到信息中心，形成一個數據量龐大的數據庫，為研究人員提供數據，是調整部署指導下一步生產的重要依據。數字化的快速發展產生了大量的數字化工作崗位需求，尤其是在數字化油藏研究、現場數字化設備維護、數字化數據傳輸與管理等方面急需大量的高水平人才。

面對油氣行業的快速發展，目前石油類高等院校開發地質專業的教學方式仍主要以傳統課堂理論教學和紙質繪圖方式為主，很難適應油氣行業數字化發展的需求，急需拓展和創新教學方式，培養能夠進行數字化研究的高水平人才[6-7]。

一、“油氣田開發地質”課程教學現狀及問題

“油氣田開發地質”，也稱“油礦地質學”，是石油類高等院校地質專業學生的專業必修課，學科的發展緊密圍繞我國油氣田開發實際需求，重點研究油氣田開發各個階段的地質問題。1953 年，北京石油學院成立并開設“油礦地質學”課程，其他高校也陸續開設此課程，截至目前，學科發展已有70 多年歷史。

“油氣田開發地質”課程教學內容分為兩部分，一是理論教學，主要講授油氣田開發地質概念和研究方法，該部分內容主要以板書為主，后期隨著投影技術和計算機技術的發展，主要采用多媒體與板書結合的方式；二是繪圖研究實踐環節，考查學生利用實際資料進行地質研究的實踐能力，主要利用紙質圖件進行考核。

對比油田數字化地質研究的需求，“油氣田開發地質”課程教學方式存在以下不足之處。（1）傳統的課堂理論教學主要介紹基本概念、主要研究方法和流程，對地質與計算機和地質與數學交叉領域的智能計算方法、數理統計方法缺少系統的介紹。（2）實踐教學以數據計算和紙質繪圖為主，沒有采用目前比較前沿的大型三維地質軟件。

二、數字化教學的特點

（一）數字化教學的基本含義

文章提到的數字化教學是在油氣行業數字化、智能化發展引領下，為培養能夠適應油田數字化發展崗位需求的人才而采用的教學活動。主要是在原有課程理論知識基礎上增加地質統計學、智能算法等數據統計處理相關理論知識，并選取完整的油田地質實際資料，利用專業軟件平臺進行數字化地質研究，培養學生數字化操作技能。具體來講，是要讓學生掌握如何利用大型專業軟件進行油氣田地質研究，建立一個符合地下油藏實際的三維地質模型。

（二）數字化教學的特點

1.與數學理論方法交叉融合度高

數字化教學的基礎是與地質相關的數理統計方法和智能算法，如用于油田生產數據處理、相關性分析的數理統計方法，用于儲層類型劃分的神經網絡算法等。這些方法的應用可以提高工作效率，減少人為主觀性，使運算結果更為客觀。

2.應用大型專業軟件平臺

數字化教學在微機機房進行，使用高性能的服務器和專業的大型軟件平臺Petrel。該軟件平臺由國際著名油田技術服務企業斯倫貝謝公司研發并維護，已有20 多年的歷史。該軟件平臺設置油氣盆地演化、三維地震處理與解釋、測井資料處理與解釋、油藏地質研究、儲量計算、三維地質建模、油藏數值模擬等模塊，涵蓋了油氣生成—油藏地質研究—油氣田開發調整數字化研究的各環節，是一個數字化水平高、成熟且被業界普遍認可和應用的大型軟件平臺。目前，各大油田都在使用。與此同時，該軟件平臺基于Windows 系統運行，具有目前主流計算機的硬件配置即可使用。該軟件平臺具有數據處理速度快，圖件繪制快、精度高，立體直觀的特點，具體體現在以下幾方面。（1）可以繪制三維立體圖，并可在三維空間內隨意旋轉，使成果顯示更加立體直觀。（2）可以分層繪制，批量制圖，圖件繪制速度大幅度提升。（3）可綜合利用地震、測井和地質資料進行約束，選用合適插值算法進行繪圖，平面繪圖精度高。（4）圖件線條樣式、顏色填充可自主設置，一鍵操作，后期圖件完善工作方便快捷。

3.實踐操作性強，有助于學生盡快適應崗位需求

目前，油田企業急需懂專業、懂數字化研究的高水平人才。數字化教學主要針對油田單位需求，利用行業內廣泛應用的現代化成熟專業軟件平臺，用油田實際資料進行教學。這樣不僅使研究成果可以直接用于指導油田開發部署，而且畢業生進入工作單位后可直接上崗工作，縮短了崗位適應期，大大提高了工作效率。

三、教學設計

（一）教學目的

“油氣田開發地質”課程數字化教學的目的是通過講授油田數字化發展的起源、發展和現狀，以及系統講解油氣田開發地質數字化研究內容、方法和實踐操作流程，培養學生掌握油氣田開發地質數字化研究基本技能，創新探索能力，使學生畢業后能夠快速適應油田企業數字化工作崗位需求。

（二）教學思路

“油氣田開發地質”課程數字化教學主要采用理論授課與實踐操作相結合的方式開展。一方面，邀請油田企業專家、數字化教學名師現場講解油田數字化發展的起源、過程和現狀。另一方面，利用油田現場實際資料，讓學生在專業軟件平臺上進行實踐操作。在教學過程中，為了培養學生動手操作能力、團隊協作能力，考查學生創新能力，教師可以帶領學生同步操作，并設置課堂能力提升知識點，引導學生進行團隊協作和創新探索。

（三）內容設計

“油氣田開發地質”課程重點對團隊建設、實踐操作與創新思維、課程思政進行設計。

1.團隊建設

油氣生產是一項綜合性很強的工作，需要油氣地質研究人員、油藏工程技術人員、現場工作人員等多工種團隊團結協作。因此，“油氣田開發地質”課程改革重點考慮培養學生的團隊協作能力。根據微機機房內計算機數量，教師要求學生分為若干由2～3 人組成的小團隊。團隊由學生自發組建，也可以跨班級組合，目的是讓學生選擇最佳的團隊伙伴，以期達到最好的團隊協作效果。

2.實踐操作與創新思維

“油氣田開發地質”課程數字化教學內容涵蓋油藏地質研究的整個流程，包括Petrel 軟件簡介、數據加載及處理、地層對比、斷層模型建立、地層模型建立、相模型建立、屬性模型建立、流體模型建立、儲量計算和圖件制作10 個部分。除去Petrel 軟件簡介之外，其余9 個部分內容存在緊密聯系，每部分都需要以前一部分為基礎。

在地層對比環節，教師指定某一地層單元，要求學生根據所學的地層對比方法，自主制定合理的地層單元細分方案，并進行地層對比。這種開放式的實踐訓練能夠很好地鍛煉學生綜合思考和分析能力。

在地層模型建立環節，教師主要講授模型內細分layers 的原則和方法，要求學生建立的layers 模型在后面相模型流程中能夠體現層內薄夾層，此內容考查學生的綜合分析能力。學生需要根據夾層厚度的分布情況，確定每個地層單元內部細分layers 的方式和層數，以達到能夠體現夾層分布的效果。

在相模型建立環節，教師主要講授相模型建立的模塊流程、數據分析方法及相模型建立的常用方法，要求學生根據不同層位的相帶分布特征，分層段、分相帶進行數據分析，并選擇合適的相模型建立方法構建合理的相模型。這個環節是地質研究和模型建立的核心環節。通過分層段、分相帶的數據分析訓練，學生能夠掌握精細地質研究的實踐操作技能，對數字化地質研究有一個真實的、深入的理解和學習。

在屬性模型建立環節，教師主要講授屬性模型的模塊流程、數據分析方法和常用算法，要求學生利用相模型或地震屬性的約束進行屬性數值運算，建立一個合理的屬性模型。這個過程考查學生的綜合分析能力及對研究結果的綜合評價能力。

3.課程思政

“油氣田開發地質”課程思想政治教育設計3 個環節，具體如下。一是邀請一名油田企業專家，現場講述油田企業數字化改革的必然性、發展現狀和發展方向，讓學生深入了解石油行業數字化改革的背景、內容和發展趨勢。二是邀請油田企業專家講述其在油田工作的經歷，即近些年油田地質工作數字化發展的歷程、具體工作成果及其現場應用情況，展示油田數字化發展的優勢，提高學生的學習興趣。三是教師帶領學生到油田研究部門、生產一線參觀交流，讓學生觀察、了解油田數字化的情況，理解數字化給油田發展帶來的巨大變化，提高學生學習的熱情。

（四）課程考核

除考勤與課堂表現外，“油氣田開發地質”課程考核重點從建模成果鑒定、團隊建設匯報、結題文字報告3 個方面進行。

考勤與課堂表現：上課出勤率、課堂回答問題及與教師的互動情況，占總成績的10%。

建模成果鑒定：考查學生對數字化研究方法和操作流程的掌握程度，共占總成績的40%。考核分為兩部分，第一部分考核各團隊完成的三維地質模型內容是否完整、各建模環節的參數設置是否合理、研究成果是否合理、成果圖件是否規范等，占總成績的20%。對于完成課堂創新探索研究的團隊，視完成情況獎勵1～5 分。第二部分是在課程內容講授完畢后，各團隊抽取1 個題目進行上機測試，占總成績的20%。

團隊建設匯報：各團隊匯報上課期間團隊內部成員的分工情況、在研討過程中遇到的問題及解決辦法、團隊成員的貢獻情況、團隊合作的感想和體會等。該部分重點考查學生團隊協作能力和口頭表達能力，占總成績的20%。

結題文字報告：要求學生對“油氣田開發地質”課程成果進行系統總結，包括技術研究成果、軟件操作成果、團隊建設成果、對課程的建議等。該部分重點考查學生總結和文字表達能力，占總成績的30%。

四、教學實踐及效果

（一）教學實踐

“油氣田開發地質”課程數字化教學在2020 級資源勘查工程專業學生中開展，整個教學時間為10 天，學生共83 人，每組學生2～3 人。教學內容設計為理論知識授課1 天，數據加載到圖件制作共9 個實踐操作教學內容各分配一天時間。實踐操作教學期間，在上午，教師帶領學生同步操作，在下午，教師引導學生團隊練習及提升探索。課程結束后，學生進行上機測試，每人撰寫3000 字左右的課程總結報告。

（二）效果分析

1.學生學習熱情較高，學習效果較好

在開課前，許多學生對課程內容、教學形式和教學時間進行了詳細的詢問，表現出了較高的興趣；在課程進行過程中，80%的學生積極主動就軟件操作及繪圖方法進行交流，約有5%～10%的學生對一些制圖方法的探索超出了課堂講授的范圍，表現出了較高的探索學習的積極性。從結課后提交的圖件成果、文字報告和上機測驗結果來看，超過90%的學生能夠很好地完成研究和建模工作，并提交合理的研究成果，能夠達到課程設計的目的。其中，有10%的學生完成的成果十分優秀。

從顯示效果來看，三維立體圖展示、地質模型立體展示、模型任意方向剖面3 種方式很好地展示了地下油藏的高低起伏、內部關鍵屬性的空間差異分布特征。

從研究時效來看，數字化研究大大縮短了研究周期。通過對比和測算，同樣一個油藏的地質研究、常規研究及紙質繪圖，傳統教學需要60 天，而數字化研究方法僅需要20 天，時間縮短了2/3，效率明顯提高。

2.兩人組學習效果最好

從分組成果來看，兩人組學生的學習效率和學習成果最好。三人組易出現個別學生偷懶、分工不明確等情況，學習效果相對較差。

從數字化教學改革實踐來看，數字化教學作為貼近油氣發展前沿的教學方式，在教學方式、教學內容上十分新穎，并具有較高的科技含量，不僅加深了學生對地質現象的理解，還對提高學生學習“油氣田開發地質”課程的興趣有很大幫助。與此同時，數字化教學可以幫助學生提高油藏開發地質研究的效率，增強地質研究成果的三維立體、動態顯示效果，大大提高了學生進行科學研究的熱情。此外，數字化教學實現了理論教學與油田企業生產崗位需求的無縫銜接，學生畢業后進入企業，可直接上手進行地質研究，縮短了學生就業后的適應期，是一項十分前沿、效果顯著的教學改革。

但是，教學改革在實踐應用中不可避免地遇到了一些問題。由于教師之前多為課堂理論授課，學生沒有接觸軟件操作和油田現場資料的機會，在課程教學過程中存在部分學生對軟件敏感度不夠、進度跟不上、對油田企業實際生產資料理解程度不夠等問題，影響學習質量。

針對以上問題，教師可以在課前增加2～3 天的軟件基本操作訓練輔導，增加油田資料獲取方法講解及資料解讀等環節，提高教學質量和教學效果。