含油氣盆地沉積學(xué)課程實驗教學(xué)創(chuàng)新探索

馬奔奔 周江羽 石萬忠 沈傳波

摘? 要：“雙一流”建設(shè)背景下，實驗教學(xué)是高等院校培養(yǎng)復(fù)合創(chuàng)新型人才的重要環(huán)節(jié)。含油氣盆地沉積學(xué)是資源勘查工程專業(yè)核心課程之一，為解決該課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)與行業(yè)發(fā)展趨勢不匹配的問題，聚焦行業(yè)科學(xué)研究新技術(shù)，開展科教一體化融合的實驗教學(xué)創(chuàng)新探索。該實踐教學(xué)探索最大特色之處是把成巖過程的物理-數(shù)值模擬一體化實驗加入到教學(xué)體系中，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的自主思考與創(chuàng)新能力；以創(chuàng)新型實驗學(xué)習(xí)為核心，將專業(yè)理論與實驗技能有機(jī)結(jié)合，對于地質(zhì)工科類教學(xué)具有適用性與示范性；以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，助力高質(zhì)量復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：成巖模擬；創(chuàng)新實驗教學(xué)；科教一體化；人才培養(yǎng)；含油氣盆地沉積學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0030-04

Abstract： Teaching practice is a key step of cultivating compound and innovative talents in the colleges and universities under the background of first-rate universities and disciplines. Hydrocarbon Basin Sedimentology is the key course for the students majored in resource exploration and engineering. In order to resolve the mismatching problem between traditional teaching practice and the development trend of industry， teaching practice exploration in integration of science and education is conducted and focused on new technologies in the industry. The prominence characteristic of the teaching practice exploration is that integration of diagenetic laboratory experiments and numerical modeling is incorporated into the teaching system， cultivating independent thinking and creative ability based on students' autonomous learning， taking creative experiential learning as the core， making organic combination of professional theory and practical skill， and providing applicability and demonstration for teaching in geology engineering course， making cultivation of innovative talents as the goal and providing assistance in training high-quality， composite-type innovative talents.

Keywords： diagenetic simulation; innovative experiment teaching; integration of science and education; talent cultivation; Hydrocarbon Basin Sedimentology

高校“雙一流”建設(shè)是我國于2017年在高等教育領(lǐng)域提出的一項國家戰(zhàn)略，旨在提升我國高等教育的綜合實力與人才國際競爭力[1-3]。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)資源與地質(zhì)工程為國家高校“雙一流”學(xué)科建設(shè)A+學(xué)科，“雙一流”建設(shè)背景下，作為地質(zhì)類人才孵化基地，培養(yǎng)具有實踐能力的復(fù)合型人才是工科地質(zhì)類專業(yè)的目標(biāo)要求[4]。

地質(zhì)學(xué)是研究地球系統(tǒng)形成演化的基礎(chǔ)學(xué)科，往往具有概念模型抽象、理論體系復(fù)雜的特點。因此，本科教學(xué)過程中，學(xué)生對地球科學(xué)知識體系的理解與掌握需要借助于多類型、多手段的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)[5-10]。以往的課堂實驗教學(xué)常以單一教材為核心的知識學(xué)習(xí)，實驗環(huán)節(jié)較為刻板，難以調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性與創(chuàng)造性，已不能適應(yīng)“雙一流”建設(shè)背景下高等院校學(xué)科發(fā)展與人才培養(yǎng)要求。因此，革新實驗教學(xué)理念、加強(qiáng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)并保障實驗教學(xué)質(zhì)量，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用并勇于創(chuàng)新探索，是落實工科地質(zhì)學(xué)教育與人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）（以下簡稱“我校”）一流學(xué)科建設(shè)過程中，結(jié)合資源勘查工程（油氣方向）一流本科課程含油氣盆地沉積學(xué)的成巖模擬實驗教學(xué)經(jīng)驗，詳細(xì)闡述新形勢下實驗教學(xué)改革的必要性與探索舉措，為我國工科類地質(zhì)學(xué)專業(yè)的學(xué)科建設(shè)與復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供一定借鑒。

一? 實驗室建設(shè)及功能配置

成巖模擬實驗室主要依托于我校“構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室”建設(shè)完成，可開展深部儲層成巖物理模擬與成巖數(shù)值模擬實驗。實驗室配備了自主研發(fā)的成巖物理模擬系統(tǒng)（圖1），主要包括4大系統(tǒng)：①高溫高壓釜系統(tǒng)；②控制系統(tǒng)；③測量系統(tǒng)；④力學(xué)系統(tǒng)。高壓釜內(nèi)巖樣尺寸的最大直徑為25 mm，高度100 mm。模擬溫度范圍在0～600 ℃，上覆壓力范圍在0～200 MPa，孔隙流體壓力范圍在0～100 MPa。運用該成巖物理模擬系統(tǒng)，能夠設(shè)置并模擬不同溫度、上覆壓力、孔隙流體壓力、礦物組分與流體介質(zhì)條件下的成巖過程。此外，實驗室配備了偏光顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析，可為實驗前后成巖礦物的巖相學(xué)與地球化學(xué)分析提供支撐。

成巖數(shù)值模擬實驗是深入理解地表或地下巖石發(fā)生各種成巖作用過程的有效手段，再現(xiàn)了成巖作用的時空演化路徑[11-12]。成巖數(shù)值模擬的基本技術(shù)流程包括如下步驟：①進(jìn)行巖石樣品分析（包括巖相類型、礦物組分與物性特征等）；②成巖環(huán)境約束下選取成巖礦物熱力學(xué)與動力學(xué)參數(shù)，厘定流體介質(zhì)類型與溫壓條件；③建立相關(guān)數(shù)值模型（有限元差分法、離散元法等），合理進(jìn)行網(wǎng)格剖分與邊界條件設(shè)置，并進(jìn)行數(shù)學(xué)迭代計算；④模擬結(jié)果輸出，厘定水巖路徑、礦物溶蝕與沉淀過程與孔隙演化規(guī)律（圖2）。實驗室具備目前主流的成巖數(shù)值模擬軟件（TOUGHREACT、PHREEQC等）。這些軟件是基于等溫或非等溫條件下孔隙介質(zhì)中多相多組分反應(yīng)溶質(zhì)運移進(jìn)行設(shè)計的，可開展不同溫壓環(huán)境、流體組分、氧化還原條件以及開放-封閉體系下的溶質(zhì)遷移過程，查明成巖礦物沉淀與溶蝕的時空變化規(guī)律。

二? 本科成巖模擬實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

“雙一流”建設(shè)背景下，實驗教學(xué)在資源勘探工程專業(yè)中將發(fā)揮更加重要的作用。科-教融合的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不僅可以鞏固加深學(xué)生的理論知識體系，還能鍛煉學(xué)生的實驗操作技能及創(chuàng)新能力[1，5，13-16]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)外地質(zhì)院所資源勘查工程專業(yè)的本科油氣地質(zhì)教學(xué)中普遍設(shè)立了與成巖作用有關(guān)的專業(yè)課程，這些課程主要是介紹碎屑巖和碳酸鹽巖成巖作用的基本概念、主要類型、成巖階段劃分標(biāo)志及成巖演化對儲層質(zhì)量的影響。但是，現(xiàn)有成巖作用的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)僅限于通過巖石薄片的定性觀察成巖作用靜態(tài)特征，缺少成巖過程定量表征與模擬實驗方面的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。

實際上，儲層形成過程中經(jīng)歷了漫長而復(fù)雜的成巖作用，成巖演化路徑受到地層溫壓以及流體介質(zhì)等多種因素控制[17]。因此，僅通過現(xiàn)今薄片的觀察與分析，難以讓學(xué)生認(rèn)識成巖礦物膠結(jié)與溶蝕的內(nèi)在規(guī)律，導(dǎo)致深入理解地質(zhì)歷史時期的儲層孔隙演化過程存在困難。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確認(rèn)識成巖作用的動態(tài)演化特征、儲層形成機(jī)制以及控制因素，是目前本科相關(guān)專業(yè)成巖作用實驗教學(xué)的重點也是難點。近年來，隨著含油氣儲層地質(zhì)學(xué)科的迅速發(fā)展，儲層成巖過程的恢復(fù)評價與定量表征技術(shù)取得了飛速發(fā)展，尤其是成巖物理模擬實驗系統(tǒng)和計算機(jī)成巖數(shù)值模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大促進(jìn)了儲層成巖過程的準(zhǔn)確再現(xiàn)[18-19]。此外，我國目前的油氣勘探目標(biāo)已逐步走向深層與超深層系，這些層系的儲層成巖改造過程更為多樣，儲層成儲機(jī)制也更為復(fù)雜[20]，更需要專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人才攻堅克難，有力接替與支撐行業(yè)更好地發(fā)展。因此，“雙一流”建設(shè)背景下，資源勘查工程專業(yè)的本科成巖模擬實驗教學(xué)應(yīng)聚焦目前油氣勘探的新領(lǐng)域與新方向，緊密跟蹤油氣儲層成巖模擬最新技術(shù)成果，有效進(jìn)行科教一體化融合，培養(yǎng)適應(yīng)新時代發(fā)展要求的專業(yè)技術(shù)人才。

三? 本科成巖模擬實驗教學(xué)的創(chuàng)新探索

以我校一流學(xué)科建設(shè)下資源勘查工程專業(yè)（油氣方向）的主干必修課程含油氣盆地沉積學(xué)為依托，充分利用教學(xué)平臺開展成巖模擬教學(xué)的創(chuàng)新實驗，探索提高實驗教學(xué)的質(zhì)量效果。作為油氣儲層地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，含油氣盆地沉積學(xué)課程主要是介紹沉積巖分類、成巖作用類型及特征、儲層時空分布的一門學(xué)科，具有很強(qiáng)的實踐性。實驗教學(xué)是我校沉積學(xué)教學(xué)團(tuán)隊一直重視和強(qiáng)調(diào)的教學(xué)環(huán)節(jié)。含油氣盆地沉積學(xué)以沉積學(xué)基本概念、方法和專業(yè)理論為依托，以實驗沉積學(xué)為紐帶，培養(yǎng)和提高學(xué)生利用所學(xué)知識分析問題和解決實際問題的能力。

目前該課程教學(xué)共72學(xué)時，實驗教學(xué)為28學(xué)時，其中8學(xué)時為成巖模擬實驗教學(xué)（成巖物理模擬與數(shù)值模擬實驗各占4學(xué)時）。為保證該實驗教學(xué)質(zhì)量，需指導(dǎo)學(xué)生明確實驗?zāi)康摹⒁?guī)范實驗流程，并制定詳細(xì)的教學(xué)計劃，并提交實驗報告，具體如下。

（一）? 教學(xué)實驗?zāi)康?/p>

引導(dǎo)學(xué)生掌握儲層成巖作用的基本概念，通過成巖模擬實驗教學(xué)，使學(xué)生加強(qiáng)對成巖演化過程的理解，培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計實驗的動手能力以及分析問題的能力，鼓勵學(xué)生進(jìn)一步對比分析成巖過程中礦物溶蝕與膠結(jié)規(guī)律及其主控因素。

（二）? 實驗教學(xué)計劃

1? 典型成巖現(xiàn)象分析

選取典型的碎屑巖（或碳酸鹽巖）儲層進(jìn)行鑄體薄片與掃描電鏡觀察，分析成巖礦物類型及含量，總結(jié)主要成巖礦物的膠結(jié)、交代以及溶解-充填特征，初步分析成巖礦物膠結(jié)與溶蝕的期次以及成巖演化序列。

2? 成巖物理模擬實驗

以實際儲層樣品的地層溫度和壓力為約束，利用成巖物理模擬實驗裝置，設(shè)計不同礦物類型及含量的人造砂巖樣品，開展不同類型成巖物理模擬實驗（不同時長、不同溫壓、不同流體介質(zhì)條件），觀察對比模擬過程中成巖礦物（如長石、碳酸鹽類礦物等）膠結(jié)與溶蝕的變化（圖3）。

3? 成巖數(shù)值模擬實驗

運用TOUGHREACT與PHREEQC數(shù)值模擬軟件，開展多種地球化學(xué)條件（不同溫度壓力與流體組分）的成巖礦物的熱力學(xué)、動力學(xué)特征以及溶質(zhì)遷移過程模擬，觀察成巖礦物溶蝕過程中的溶質(zhì)遷移路徑，分析礦物膠結(jié)與溶蝕的主控因素，進(jìn)一步對比分析成巖礦物的時空分布規(guī)律（圖4）。

4? 實驗結(jié)果分析

引導(dǎo)學(xué)生分析模擬實驗中礦物的溶蝕與沉淀條件、強(qiáng)度變化及其控制因素，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生分析實際儲層樣品的成巖作用的發(fā)生過程。將實際成巖現(xiàn)象與成巖模擬實驗結(jié)果對比，兩者相互驗證與補充，從而使學(xué)生充分認(rèn)識與理解成巖作用的動態(tài)過程與發(fā)生機(jī)制，并分析不同成巖過程的主控因素。

（三）? 教學(xué)實驗報告

以班級學(xué)習(xí)小組為單元（每個小組不超過5名同學(xué)為宜），落實小組成員在實驗過程的分工與定位，鼓勵小組成員相互交叉學(xué)習(xí)，對兩組實驗過程中的現(xiàn)象、結(jié)果進(jìn)行充分討論，探討成巖作用發(fā)生的機(jī)理過程。小組成員對實驗過程可能存在的疑問，可與老師溝通后進(jìn)一步通過實驗驗證，形成一致性結(jié)論后，編寫小組實驗報告。

四? 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的“老師講解、學(xué)生觀察記錄”的教學(xué)模式不同，本次實驗教學(xué)的創(chuàng)新探索能夠更好地聚焦科學(xué)前沿研究現(xiàn)狀，緊密跟蹤油氣儲層成巖模擬最新技術(shù)成果，更注重師生之間、學(xué)生之間的溝通互動，更精準(zhǔn)對接關(guān)注學(xué)生的科學(xué)研究興趣，對促進(jìn)專業(yè)課程的實驗教學(xué)改革以及復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要推廣意義。本次實驗教學(xué)的特色之處是把成巖過程的物理-數(shù)值模擬一體化的實驗教學(xué)加入到含油氣盆地沉積學(xué)實驗教學(xué)課程中，具有如下特征。

第一，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，鼓勵學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、科學(xué)分析問題以及合理解決問題，有助于提升學(xué)生對成巖作用基本理論的理解能力、成巖物理-數(shù)值模擬過程的設(shè)計能力以及實驗數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主思考與創(chuàng)新能力。

第二，以創(chuàng)新型實驗學(xué)習(xí)為核心，將專業(yè)理論與實驗技能知識有機(jī)結(jié)合起來，充分利用實驗教學(xué)平臺，進(jìn)一步完善資源勘查工程（油氣方向）地質(zhì)類的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，不斷探索提高實驗教學(xué)的質(zhì)量效果，推進(jìn)專業(yè)課程實驗教學(xué)改革，對于地質(zhì)工科類教學(xué)具有廣泛的適用性與示范作用。

第三，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標(biāo)，推動并完善科學(xué)的含油氣儲層地質(zhì)學(xué)實驗教學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方案，進(jìn)一步加大非常規(guī)油氣領(lǐng)域的本科創(chuàng)新人才的育人舉措，助力非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)的高層次和復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

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基金項目：湖北高校省級本科教學(xué)改革研究項目“含油氣儲層成巖過程的物理-數(shù)值模擬一體化實踐教學(xué)的創(chuàng)新探索”（2021145）；中國地質(zhì)大學(xué)本科一般教學(xué)改革項目“含油氣儲層成巖過程的物理-數(shù)值模擬一體化實踐教學(xué)的創(chuàng)新探索”（2021A04）

第一作者簡介：馬奔奔（1988-），男，漢族，安徽亳州人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向為儲層地質(zhì)學(xué)方面的教學(xué)和科研。