基于OBE 理念的油藏數值模擬課程教學方法改革與實踐

劉 峰，張 益，馬先林，秦國偉，王 妍

（1.西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；2.陜西師范大學教師發展學院（陜西教師發展研究院），西安 710062）

油藏數值模擬是石油工程專業本科生的學科基礎課，立足于多孔介質中的滲流理論，通過數學物理方程、科學計算方法和軟件編程，利用計算機求解油藏滲流問題。通過油藏數值模擬，可為油藏開發方案設計、生產動態分析和開發方案調整提供理論依據和參考，以達到獲得最佳經濟效益的目的[1-3]。因此，油藏數值模擬是一門實踐性強、學科背景要求高的重要課程。

OBE 的教育理念和油藏數值模擬課程的培養目標高度一致，通過油藏數值模擬課程的學習，能夠應用油藏數值模擬方法和軟件解決實際油田開發存在的問題，建立一個油田全生命周期開發的概念，能對自身所學專業知識及油藏數值模擬所起作用及其重要性有一個初步認識，注重學生是教學的主體[4-6]，使學生掌握油藏數值模擬的基本原理和解決實際問題的步驟，培養正確的科學思維方法和分析問題、解決問題的能力。學生在學完高等數學、油藏地質學、計算機基礎、油藏工程、滲流力學和油層物理等專業基礎課后，對石油工程專業知識思維框架和如何應用仍不清楚，而油藏數值模擬課程的學習均用到以上課程知識，更加強調石油工程專業知識的綜合應用，達到學以致用的目的。

一 油藏數值模擬課程教學存在的問題

在油藏數值模擬課程教學的過程中，發現學生學習積極性不高、學習效果不佳、考試成績不理想等問題，學生自主學習能力和軟件實際操作能力的缺乏，造成油藏數值模擬課程教與學均存在較大的困難。總結油藏數值模擬課程學習過程中，學生學習難度大、效果不佳的原因主要有3 個方面。

（一）油藏數值模擬課程是建立在多學科基礎之上的專業應用課

在學習本課程之前，學生需要掌握油層物理、油藏工程、滲流力學、高等數學和線性代數等相關知識，任何一門課程的缺失都將導致學生在學習過程中困難重重。課程包含了大量的專業概念和復雜的方程，且理論推導和求解過程較復雜，如上游權法、傳導系數、過泡點壓力、模型初始化和網格取向現象等概念，涉及油層物理的基本概念。黑油模型的隱壓顯飽求解方法，包括油相、水相和氣相的數學模型，內邊界和外邊界條件，網格的位置等，涉及滲流力學、線性代數等專業知識。綜合性和難度大，給學生理解油藏數值模擬教材內容帶來了一定的障礙。

（二）油藏數值模擬課程教學模式的局限性，導致“學”與“用”之間存在著明顯的鴻溝

老師在課堂上賣力地講，學生在下面靜靜地聽，一定程度上忽略了學生的創新能力。當老師提問時，絕大多數同學都回答不上來，隨著課程的進行，課程內容的加深，學生學習的難度更大，學習效果更差。為了應付考試，學生只能被動地記住基本概念和大量的理論公式，而關于公式背后的物理含義，在油藏數值模擬中的應用則不去深究。如黑油模型，學生不清楚為什么要學，各個符號的物理含義和應用條件不清楚，學后在軟件中如何應用、面對什么樣的油藏時應用等問題不明白。油藏數值模擬中最重要的歷史擬合，學生只掌握了歷史擬合的概念，不會在軟件中操作，遇到擬合效果較差的井，不知道如何處理，學生操作軟件機會少，缺乏有效的指導，更無法完成合理開發方案的制定，嚴重偏離了油藏數值模擬課程的培養目標。

（三）油藏數值模擬課程的抽象性導致學生學習效果不佳

如何將復雜的油藏地質、生產動態、滲流規律用數學公式描述，描述后的公式如何進行求解，求解后的參數又如何跟預測的生產動態相結合，建立的滲流數學模型如何跟數值模型和三維網格模型結合起來，不同步驟之間的聯系使學生學習和理解比較費力。

二 OBE 理念的內涵與教學改革目標

OBE 是Outcome-based education 的縮寫，意思是成果導向教育，是著名教育家Spady 于20 世紀90 年代在其著作《以成果為本的教育：爭議和答案》首次提出，并很快被人們接受和推廣，成為美國、英國等歐美發達國家高等教育改革的主流思想[7-10]。其在我國也被稱為學習效果導向教育、目標導向教育和需求導向教育，主要著眼于培養學生的能力和素質，面向市場需要的一種教育理念[11-16]。OBE 理念是“以學生為中心”的輸出型教學模式，以學生的學習成果作為教師制定教學內容和教學計劃的依據，因此，OBE 教育理念是專業認證和新工科人才培養目標的重要支撐[17-24]。

高等教育的任務是培養具有創新能力和實踐能力的優秀人才，在OBE 教育理念的指導下，對油藏數值模擬的課程教學進行改革，強調學生是學習的主體，教師是教學內容的設計者、講解者和引導者，提高教學質量，培養學生掌握正確的學習方法和科研思路[25-27]，為學生畢業后從事石油開發生產和科學研究打下堅實基礎，符合石油工程專業的教學大綱和石油行業對畢業生的要求，更好地服務于國家戰略和石油行業發展的需求。

三 OBE 模式的教學內容改革

（一）課程教學內容的改革

油藏數值模擬課程基本概念抽象，公式推導過程復雜。在教學的過程中，按照油藏數值模擬的課程內容，建立數值模擬課程的思路圖，建立數學模型—偏微分方程組—有限差分方程組—線性代數方程組—得到壓力和飽和度參數，逐層遞進，主抓重點內容，進行詳細的講解和復習，并鼓勵學生在講臺上對重點內容進行講述，同時，對重點內容及時進行復習。如前四章，在物質平衡概念的指導下，重點講述直角坐標系中單向流的數學模型，鼓勵學生從物質平衡模型推導到拉普拉斯方程，該內容將對學生學習網格加密、差分方程的建立等內容建立良好的基礎。后四章重點講述隱壓顯飽法（IMPES）建立差分方程組，并對二維油水兩相滲流數學模型進行求解，IMPES法對后面章節黑油模型的學習起到良好的促進作用。針對重點內容，鼓勵學生編寫二維油水兩相滲流模擬程序，加深學生對數模的計算過程和計算方法的理解。

（二）油藏數值模擬軟件機理模型的學習

在Eclipse 油藏數值模擬軟件中，共計有11 個實例，主要選擇實例1“標準操作用法”和實例2“建立簡單模型”2 個實例，進行反復操作，指導學生了解軟件的操作流程，記住關鍵詞的意思。針對軟件操作中遇到的錯誤，先給學生講明白錯誤的原因，教學生如何查詢操作手冊，并鼓勵引導學生自己去解決錯誤，實現學生實踐與創新能力的提升。并布置不同韻律和底水油藏等機理模型，要求學生完成不同地質和生產制度條件下，機理模型生產動態的預測和開發效果的評價。油藏數值模擬機理模型與油藏工程理論相結合，不僅有助于學生復習油藏工程的知識，而且提高了數值模擬軟件操作的能力。

（三）油藏數值模擬實例的學習

建立油藏數值模擬實例庫，包括低滲透油藏、凝析氣藏、縫洞型油藏和頁巖氣藏等，將實際油藏模型引入教學中，以實際的油藏地質模型為例，指導學生將地質模型導入到數值模擬軟件中，引導學生完善相滲數據、PVT 數據、生產動態數據等，建立三維數值模型。以教師指導為輔，學生實際操作軟件為主，完成三維模型地質儲量的擬合、全區的擬合及單井的擬合。針對油藏開發目前存在的問題，設計調整方案，預測不同方案的生產動態，并提出最優的開發方案。油藏數值模擬的學習要求兼顧書本知識和軟件應用，完成軟件實例的練習后，鼓勵學生再復習書中第八章油藏數值模擬在油氣田開發中的應用，將數值模擬軟件實際操作和書本理論知識相對照，加深學生對油藏數值模擬課本知識的了解，尤其是歷史擬合部分理論和實際操作的結合，通過軟件實際操作鞏固課本知識，課本知識指導軟件操作，兩者相輔相成，使得學生掌握油藏數值模擬理論知識的同時，提高了應用數值模擬軟件解決實際油藏問題的能力。

（四）構建互動式的教學平臺

建立QQ 群、微信群，學生不僅可以隨時向老師請教所遇到的困難，也可以方便和同學之間交流。避免碰到一個難題卡住，無法進行軟件下一步操作或遇到錯誤無法解決。同時，建立了智慧樹網絡課程，學生可以針對課堂上未聽懂的部分，進行反復觀看和充分理解。

通過以上4 個方面的教學改革與實踐，持續改進教學質量，以油藏開發中的實際問題為導向，幫助學生全面了解油藏數值模擬的原理和用途，熟悉數值模擬軟件的操作，鍛煉學生操作軟件的技能，并對實際油藏模型進行開發方案的調整和制定，培養學生的工程素質，引導學生自主學習，鼓勵學生發現、分析和糾正自己的錯誤，積極發揮學生的主觀能動性和創新創造性，實現學生自我學習能力、主觀能動性和綜合素質的提升，實現灌輸型教學模式向教學科研型模式的轉變，達到培養具備較強實踐能力的石油工程類高素質人才的目標，滿足教學大綱和油田現場對石油工程類專業人才培養的要求，也符合“雙一流”高校建設的目標。

四 OBE 模式的教學實踐和成效

（一）改革后學生學習成績對比

石工（卓越班）1901 班的成績相比石工（卓越班）1801 班有了明顯的提高，優秀率、良好率均明顯提升，不合格率大幅降低，由原來的5 人（16.13%）下降到目前的2 人（6.45%）（表1）。

表1 改革前后學生成績對比 %

（二）改革后學生實踐成果對比

改革后，學生學習的積極性和參與大賽的熱情明顯提高。根據課后題二維兩相流的數值模擬程序，以該題的相關參數為基礎，編制了五點井網水驅油數值模擬軟件，并申請軟件著作權1 項（圖1）。學生積極參加全國石油工程設計大賽，獲得全國二等獎2 項，三等獎1 項。

圖1 五點井網水驅油數值模擬軟件

（三）油藏數值模擬實例

以實際三維地質模型為例，H 區為多層系低滲透油藏，目前面臨的主要問題有，平面上井網控制程度低、注采對應率低、注水見效程度低和油井開井率低。以該油田的三維地質模型和生產數據作為實例（圖2），指導學生完成H 區的歷史擬合（圖3）、合理開發方案的制定和未來20 年的生產動態預測（圖4）。設計的最優開發方案為：H 區劃分為3 個層系進行開發，優化關停井和高含水井65 口，加密井35 口，注采比1.1，進行預測20年。20 年累產油155.50 萬m3，采出程度26.07%，較目前基礎方案提高8.75 個百分點。

圖2 H 區三維地質模型

圖3 全區生產動態擬合

圖4 合理開發方案的制定

通過實施基于OBE 的油藏數值模擬教學模式改革，學生的學習成績、應用數模軟件解決油藏實際問題和編寫數模軟件的能力明顯提高，參加石油工程設計大賽的人數也明顯增多，表明學生較熟練掌握了油藏數值模擬軟件的操作，理解了油藏數值模擬課本的內容，具備了油藏工程師的基本素質。

五 結束語

油藏數值模擬是石油工程本科教學的重要專業課，基于OBE 教育理念，按照石油工程專業教學大綱的要求，通過油藏數值模擬軟件，以學生的學習成果為導向，提高學生解決油藏生產問題的能力為目標，較好地解決了學生在學習油藏數值模擬課程中學習難度大，學習積極性不高，重理論輕實踐的難題，充分利用油藏數值模擬軟件和現代教育教學平臺，制定合理的教學計劃和教學內容，引導學生自主學習，同時，鼓勵學生發現問題，自己解決問題，提高學生的學習積極性和解決油藏實際開發困難的能力，注重學生實踐能力和綜合素質的培養，使學生的自我學習、實踐和創新能力通過實踐教學得到有效提升。