基于典型案例的測井儀器課程教學改革探析

盧俊強,門百永,柯式鎮,王 兵,謝然紅

［中國石油大學(北京)地球物理學院,北京,102249]

一、引言

測井被譽為“地質家的眼睛”,是一種現代地下勘探與資源開發的重要地球物理技術。在石油探測領域,地球物理測井又被稱為“油礦地球物理”或者“礦場地球物理”,簡稱“測井”。［1］在石油天然氣勘探開發的油氣井未下套管之前、油氣井下完套管進行固井之后以及油氣井開發的整個周期,都要開展不同目的的測井作業。在此過程中,測井儀器是重要的作業工具,在一定程度上決定了測井作業的質量和測井資料的計算解釋結果。

測井技術的發展經過了模擬測井、數字化測井、數控測井、成像測井等多個階段。分析各個階段的技術特征可以看出,測井儀器的技術發展特征很大程度上代表了測井技術的發展水平。近十年來,隨著國家地球深部探測計劃的落實和逐步推進［2-3］,對井下探測儀器提出了更高要求。特別是我國首口萬米深井深地塔科1井正式開鉆,這對地球深部井下探測儀器追求突破和發展提出了急迫需求。［4］鉆探能力開啟“萬米時代”,高校人才培養要為我國面向深層探測的科學研究和油氣資源開發提供重要支持。測井儀器課程肩負著推進目標實現的重大使命,課程教學改革順勢而為。

勘查技術與工程專業是中國石油大學(北京)(以下簡稱我校)在2019年入選的首批國家級一流本科專業建設點之一。測井儀器是為勘查技術與工程專業(測井方向)本科生開設的一門專業必修課,同時,該課程也是測控技術與儀器、電子工程等專業本科生的選修課。測井儀器課程的主要內容包括電測井儀器、聲波測井儀器和核測井儀器的使用,通過課程學習使學生掌握測井儀器的基本原理、電路組成框圖和典型單元電路,培養學生對基本電路圖的閱讀、分析和初步設計能力,使其能夠適應現場測井儀器使用、維護和開發的需要。這些內容是從事油氣勘探和開發工作必不可少的專業技能。勘查技術與工程專業是我校最早開設的石油主干專業之一。測井儀器課程隨著我校勘查技術與工程專業的建設得到了長足發展,目前是我校的本科生院級品牌課程。但課程建設也面臨新挑戰,即課程如何適應新時代人才培養的需求。以往的課程建設經驗表明,深入分析教學案例是提高測井儀器課程教學效果的重要措施之一。本研究精選課程教學中的一個教學案例作為研究資料,分析課程教學的改革措施及初步取得的成效。

二、課程教學存在的問題

(一)知識難度較大影響學生學習動力

測井儀器的研發水平與測井方法原理、微電子技術、數字系統設計技術、計算機接口、計算機軟件等基礎理論和現代IT技術的進步有極大的關聯,這就要求學生了解或者掌握測井方法原理、模擬電子技術、數字電子技術、微機原理(計算機接口)、單片機原理、程序設計(C、C++等)、復雜數字系統開發、嵌入式系統(硬件、嵌入式操作系統)、數字信息傳輸、傳感器原理及應用、信號檢測技術以及機械結構設計等多方面知識。授課教師于2021年秋季學期面向勘查技術與工程專業(測井)的36名學生開展了問卷調查。結果顯示,80%以上的學生認為測井儀器課程難度大,不容易學好。學生抱著難以學好的心理預期,可能產生“反正學不好,差不多就行”的心理暗示。學生的學習動力不足,對課程教學的有效開展造成了無形障礙。

(二)知識內容較多要求學生付出更多時間

測井儀器課程涉及了測井學科中多種方法,對應了多類型儀器,主要包括電流聚焦測井儀器、普通感應測井儀器、陣列感應測井儀器、井壁電成像測井儀器等電測井儀器(14學時),常規聲波測井儀、多極子陣列聲波測井儀、超聲波掃描成像測井儀等聲波測井儀器(12學時),自然伽馬能譜測井儀器、補償中子測井儀器、巖性密度測井儀器等核測井儀器(12學時),還包括測井地面系統以及測井數據傳輸(8學時)等內容。較多的學習內容要求學生在學習中付出更多的時間和精力,否則無法跟上教學進度或及時消化教學內容。這在一定程度上影響了課程教學的效果。

(三)理論聯系實際較少導致學習存在盲目性

受限于教學時長以及實踐條件等,測井儀器課程的教學以講授理論知識為主,理論與實踐之間的聯系不夠緊密。但該課程又是一門對實踐性有一定要求的課程。經常會有學生與任課教師討論“測井儀器地面系統與井下儀器如何連接”“電測井儀器的電極是什么樣的”“多極子陣列聲波測井儀器單極子換能器、偶極子換能器有什么區別”等問題。在課程教學中,學生在識記或理解部分理論知識時,因缺乏實踐支撐或實踐探索,難以理解理論知識的應用場景。

(四)開設節點特殊易受其他因素干擾

如前所述,測井儀器課程的前導課程較多。在正式開展課程學習前,學生需要掌握較多的基礎知識,故將該課程安排在學生本科學習階段的后期。該課程作為我校勘查技術與工程專業(測井方向)的主修課程,修讀時間是大四第一學期(秋季學期)。但大四學生作為應屆畢業生,處于從校園走向社會或繼續追求學習深造的轉折時期,多忙于畢業論文,并根據個人不同的畢業去向規劃投身于考研學習或找工作。在多重壓力下,部分學生難以全身心投入課程學習。

面對以上問題,常規的教學方法較難取得好的教學效果。因此,課程教學改革需要秉持問題導向原則,設立以下改革行動目標。一是調動學生學習的積極性,幫助學生緩解難學的心理壓力。二是梳理測井儀器基本構成原理的共同點,幫助學生歸納總結,以點帶面學習知識。三是打造有針對性的學習內容,追求理論聯系實際。四是合理安排教與學的方式,以提高學生的學習效率。而課程改革的具體實施有賴于教師的一線教學,這對教師實施教學提出了更高要求。且測井儀器課程為48學時,考慮到教學內容的豐富性,課程總學時較不充裕。授課教師如何合理安排教學,高效利用學時,也是開展課程教學改革的問題之一。

本研究在測井儀器課程教學中引入典型案例,以案例推動教學改革。基于案例的教學可行性已在其他專業課程教學中取得較好論證。［5］該方法既可以激發學生學習的激情,調動學生學習的積極性,又可以使學生在掌握某個案例的同時領悟測井儀器原理的共同點,實現融會貫通的效果,提高學習效率。

三、教學案例設計

(一)分析測井儀器系統基本結構

現代測井儀器的實質是搭建起地球物理場(模擬環境)與應用終端(數字環境)之間的橋梁。圖1為測井儀器系統的基本組成結構示意圖。通過控制人工源產生源信號,源信號作用于地層產生地球物理場,由測井探頭(由傳感器組成的探測器)接收經過地層傳播的地球物理信息,測井探測器一般輸出模擬形式的電信號。探測器輸出的模擬信號經過數據采集轉換為數字信號,經過處理后通過電纜傳輸到地面系統,由地面系統對電纜傳輸信號進行處理并通過數據采集得到數字化的測井數據。地面同時要對深度、電纜張力等信息進行數據采集并轉換為數字信號,由車載計算機進行數字處理并實現作業控制、顯示、繪圖、數據文件記錄等工作。分析測井系統的組成結構及工作過程是測井儀器系統的核心功能之一,也是系統中多個環節的必要構成環節。理解了數據采集系統的構成及工作原理,就對測井儀器的工作原理有了最基本的掌握,并且可以應用到大多數類型的測井儀器上。

圖1 測井儀器系統基本組成結構示意圖

在掌握數據采集原理的基礎上,學生需要將原理應用于不同類型的儀器,據此分析儀器的整體工作原理和功能,并進一步分析數據采集系統在該類儀器中的作用及其特殊點,以此做到觸類旁通。

(二)設計測井儀器數據采集系統典型模型

根據數據采集系統在測井儀器中的應用要求和特點,課程設計了一種能夠應用于大多數測井儀器的數據采集系統模型,圖2為原理示意圖。模型設計的原則如下。一是通俗易懂。學生能夠較好理解和掌握模型,模型能夠充分調動學生學習興趣。二是構成典型。模型能夠應用于大多數儀器的數據采集模型。三是深入淺出。學生通過模型既能夠體會到儀器科學的深度,又能通過示意圖簡要分析工作原理。四是理論聯系實際。模型內容既能涉及模擬電子技術、數字電子技術、微處理器接口以及程序設計等理論基礎知識,又能將這些知識有機集合形成一套比較完整的應用系統。五是專業性強。模型既能體現測井儀器中多種基礎知識之間的銜接,又能解決測井專業的基礎測量問題。

圖2 測井儀器數據采集系統的典型模型

(三)基于典型模型規劃教學方案

表1為案例各部分教學內容對應的基礎知識、課程目標、目標達成指標點、解決的問題以及教學方式等。教學內容涵蓋測井儀器課程的所有知識點。課程目標可分為認知、理解、應用三個層面,具體的課程目標如下。

表1 案例設計與教學的對應關系

課程目標1:掌握測井儀器原理。培養學生根據已學知識掌握常用測井儀器的基本工作原理,提高結合測井方法原理對測井儀器原理的綜合分析能力。

課程目標2:掌握電、聲、核井下儀器電路框圖和基本單元電路。培養學生對基本單元電路的分析能力,以及從整體分析儀器電路構成的能力。

課程目標3:學會測井儀器基本電路圖的閱讀分析和初步設計。在分析常用測井儀器電路基本構成原理的基礎上能夠開展電路的初步設計,為綜合設計測井儀器電路圖打下基礎。

四、教學案例應用

教學案例的應用主要分為以下幾個步驟。

第一步,教師分析測井儀器的基本功能,說明測井儀器系統在測井學科中發揮的作用,以及測井儀器與測井方法和測井解釋之間的聯系和區別,讓學生明確測井儀器是測井方法和測井解釋的橋梁。

第二步,教師分析測井儀器系統的基本組成結構,從井下地球物理場的建立、傳感器的作用、傳感器信號的基本處理方法和流程、模擬信號與數字信號之間的轉換方法、數字接口原理、數字信號的傳輸、程序設計和微機接口等方面展開分析,并聯系學生已有的基礎知識,如測井方法、模擬電子技術、數字電子技術、單片機原理、C語言程序設計以及微機原理等,幫助學生從宏觀層面建立起測井儀器系統與多種已學基礎知識之間的關系,但暫不涉及具體理論、電路設計、程序設計等內容,減輕學生學習負擔。學生在此過程中可習得測井儀器系統的基本概念,習得基礎理論知識在測井儀器系統中的應用方法,同時有助于減輕學習壓力帶來的心理負擔。

第三步,教師引導學生分析測井儀器系統中傳感器模擬信號與數字化信號、井下信息與地面接口系統、地面接口系統和地面輔助信號(深度、張力等)處理系統與車載計算機之間的關系,了解數據采集系統在測井儀器系統中的作用。

第四步,教師根據數據采集系統的作用引出數據采集系統的基本構成原理,并引導學生運用模擬電子技術和數字電子技術的基礎知識解決具體的問題。

第五步,教師帶領學生分析數據采集系統的各部分功能,并分別利用已學知識設計各個構成部件,在此過程中積極引導學生運用模擬電子技術、數字電子技術、單片機原理、C語言程序設計、微機原理等基礎知識。

第六步,教師指導學生將設計的數據采集系統應用于實際的測井儀器,解決實際的設計問題。以數據采集系統在多極子陣列聲波測井儀器中的應用為例,圖3是應用示意圖。可以看到,該儀器主要包括換能器激勵系統、數據采集系統和儀器接口總線。換能器激勵系統是聲波測井儀器的共有部分,可以作為聲波測井儀器的通用教學案例。儀器接口總線是所有測井儀器的必需部件,可以作為測井儀器系統中的通用教學案例。

圖3 數據采集系統應用示意圖

可見,學生掌握數據采集系統的原理再去學習其他教學案例,可以較好地掌握多極子陣列聲波測井儀器的工作原理。這種精心設計并合理運用的教學案例既有利于學生理解和掌握儀器的工作原理和設計方法,又可鍛煉其擴展思維。學生在較好地掌握各種儀器原理的同時,又能做到以點帶面、融會貫通,進一步提高學習的積極性,鍛煉綜合分析的能力。

五、結語

測井儀器課程是勘查技術與工程專業(測井方向)本科生的核心專業必修課,課程教學質量與專業人才的培養質量高度關聯。測井儀器課程適應新形勢下國家對專業人才培養的指導和行業對專業人才的需求。對其積極開展教學改革,提升教學質量,能夠更好地服務于國家級一流本科專業建設。基于典型案例開展的測井儀器課程教學改革,克服了課程教學中存在的部分問題,能夠有效激發學生學習的內生動力,提高學生學習效率,鍛煉學生對所學知識的綜合分析和綜合應用能力。