含油氣盆地沉積學課程實驗教學創新探索

馬奔奔 周江羽 石萬忠 沈傳波

摘? 要：“雙一流”建設背景下，實驗教學是高等院校培養復合創新型人才的重要環節。含油氣盆地沉積學是資源勘查工程專業核心課程之一，為解決該課程傳統實驗教學環節與行業發展趨勢不匹配的問題，聚焦行業科學研究新技術，開展科教一體化融合的實驗教學創新探索。該實踐教學探索最大特色之處是把成巖過程的物理-數值模擬一體化實驗加入到教學體系中，以學生自主學習為基礎，培養學生的自主思考與創新能力；以創新型實驗學習為核心，將專業理論與實驗技能有機結合，對于地質工科類教學具有適用性與示范性；以創新人才培養為目標，助力高質量復合型創新人才的培養。

關鍵詞：成巖模擬；創新實驗教學；科教一體化；人才培養；含油氣盆地沉積學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：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”建設是我國于2017年在高等教育領域提出的一項國家戰略，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]。中國地質大學（武漢）地質資源與地質工程為國家高校“雙一流”學科建設A+學科，“雙一流”建設背景下，作為地質類人才孵化基地，培養具有實踐能力的復合型人才是工科地質類專業的目標要求[4]。

地質學是研究地球系統形成演化的基礎學科，往往具有概念模型抽象、理論體系復雜的特點。因此，本科教學過程中，學生對地球科學知識體系的理解與掌握需要借助于多類型、多手段的實驗教學環節[5-10]。以往的課堂實驗教學常以單一教材為核心的知識學習，實驗環節較為刻板，難以調動學生自主學習的積極性與創造性，已不能適應“雙一流”建設背景下高等院校學科發展與人才培養要求。因此，革新實驗教學理念、加強實驗教學環節并保障實驗教學質量，引導學生學以致用并勇于創新探索，是落實工科地質學教育與人才培養的關鍵環節。

在中國地質大學（武漢）（以下簡稱“我校”）一流學科建設過程中，結合資源勘查工程（油氣方向）一流本科課程含油氣盆地沉積學的成巖模擬實驗教學經驗，詳細闡述新形勢下實驗教學改革的必要性與探索舉措，為我國工科類地質學專業的學科建設與復合型創新人才培養提供一定借鑒。

一? 實驗室建設及功能配置

成巖模擬實驗室主要依托于我校“構造與油氣資源教育部重點實驗室”建設完成，可開展深部儲層成巖物理模擬與成巖數值模擬實驗。實驗室配備了自主研發的成巖物理模擬系統（圖1），主要包括4大系統：①高溫高壓釜系統；②控制系統；③測量系統；④力學系統。高壓釜內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，能夠設置并模擬不同溫度、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與地球化學分析提供支撐。

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

二? 本科成巖模擬實驗教學現狀分析

“雙一流”建設背景下，實驗教學在資源勘探工程專業中將發揮更加重要的作用。科-教融合的實驗教學環節不僅可以鞏固加深學生的理論知識體系，還能鍛煉學生的實驗操作技能及創新能力[1，5，13-16]。

據不完全統計，目前國內外地質院所資源勘查工程專業的本科油氣地質教學中普遍設立了與成巖作用有關的專業課程，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、成巖階段劃分標志及成巖演化對儲層質量的影響。但是，現有成巖作用的實驗教學環節僅限于通過巖石薄片的定性觀察成巖作用靜態特征，缺少成巖過程定量表征與模擬實驗方面的實驗教學環節。

實際上，儲層形成過程中經歷了漫長而復雜的成巖作用，成巖演化路徑受到地層溫壓以及流體介質等多種因素控制[17]。因此，僅通過現今薄片的觀察與分析，難以讓學生認識成巖礦物膠結與溶蝕的內在規律，導致深入理解地質歷史時期的儲層孔隙演化過程存在困難。因此，如何引導學生準確認識成巖作用的動態演化特征、儲層形成機制以及控制因素，是目前本科相關專業成巖作用實驗教學的重點也是難點。近年來，隨著含油氣儲層地質學科的迅速發展，儲層成巖過程的恢復評價與定量表征技術取得了飛速發展，尤其是成巖物理模擬實驗系統和計算機成巖數值模擬技術的廣泛應用，極大促進了儲層成巖過程的準確再現[18-19]。此外，我國目前的油氣勘探目標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，儲層成儲機制也更為復雜[20]，更需要專業領域的技術人才攻堅克難，有力接替與支撐行業更好地發展。因此，“雙一流”建設背景下，資源勘查工程專業的本科成巖模擬實驗教學應聚焦目前油氣勘探的新領域與新方向，緊密跟蹤油氣儲層成巖模擬最新技術成果，有效進行科教一體化融合，培養適應新時代發展要求的專業技術人才。

三? 本科成巖模擬實驗教學的創新探索

以我校一流學科建設下資源勘查工程專業（油氣方向）的主干必修課程含油氣盆地沉積學為依托，充分利用教學平臺開展成巖模擬教學的創新實驗，探索提高實驗教學的質量效果。作為油氣儲層地質學的基礎專業課程，含油氣盆地沉積學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科，具有很強的實踐性。實驗教學是我校沉積學教學團隊一直重視和強調的教學環節。含油氣盆地沉積學以沉積學基本概念、方法和專業理論為依托，以實驗沉積學為紐帶，培養和提高學生利用所學知識分析問題和解決實際問題的能力。

目前該課程教學共72學時，實驗教學為28學時，其中8學時為成巖模擬實驗教學（成巖物理模擬與數值模擬實驗各占4學時）。為保證該實驗教學質量，需指導學生明確實驗目的、規范實驗流程，并制定詳細的教學計劃，并提交實驗報告，具體如下。

（一）? 教學實驗目的

引導學生掌握儲層成巖作用的基本概念，通過成巖模擬實驗教學，使學生加強對成巖演化過程的理解，培養學生自主設計實驗的動手能力以及分析問題的能力，鼓勵學生進一步對比分析成巖過程中礦物溶蝕與膠結規律及其主控因素。

（二）? 實驗教學計劃

1? 典型成巖現象分析

選取典型的碎屑巖（或碳酸鹽巖）儲層進行鑄體薄片與掃描電鏡觀察，分析成巖礦物類型及含量，總結主要成巖礦物的膠結、交代以及溶解-充填特征，初步分析成巖礦物膠結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）膠結與溶蝕的變化（圖3）。

3? 成巖數值模擬實驗

運用TOUGHREACT與PHREEQC數值模擬軟件，開展多種地球化學條件（不同溫度壓力與流體組分）的成巖礦物的熱力學、動力學特征以及溶質遷移過程模擬，觀察成巖礦物溶蝕過程中的溶質遷移路徑，分析礦物膠結與溶蝕的主控因素，進一步對比分析成巖礦物的時空分布規律（圖4）。

4? 實驗結果分析

引導學生分析模擬實驗中礦物的溶蝕與沉淀條件、強度變化及其控制因素，進一步啟發學生分析實際儲層樣品的成巖作用的發生過程。將實際成巖現象與成巖模擬實驗結果對比，兩者相互驗證與補充，從而使學生充分認識與理解成巖作用的動態過程與發生機制，并分析不同成巖過程的主控因素。

（三）? 教學實驗報告

以班級學習小組為單元（每個小組不超過5名同學為宜），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習，對兩組實驗過程中的現象、結果進行充分討論，探討成巖作用發生的機理過程。小組成員對實驗過程可能存在的疑問，可與老師溝通后進一步通過實驗驗證，形成一致性結論后，編寫小組實驗報告。

四? 結束語

與傳統的“老師講解、學生觀察記錄”的教學模式不同，本次實驗教學的創新探索能夠更好地聚焦科學前沿研究現狀，緊密跟蹤油氣儲層成巖模擬最新技術成果，更注重師生之間、學生之間的溝通互動，更精準對接關注學生的科學研究興趣，對促進專業課程的實驗教學改革以及復合型創新人才的培養具有重要推廣意義。本次實驗教學的特色之處是把成巖過程的物理-數值模擬一體化的實驗教學加入到含油氣盆地沉積學實驗教學課程中，具有如下特征。

第一，以學生自主學習為基礎，鼓勵學生主動發現問題、科學分析問題以及合理解決問題，有助于提升學生對成巖作用基本理論的理解能力、成巖物理-數值模擬過程的設計能力以及實驗數據分析的應用能力，培養學生的自主思考與創新能力。

第二，以創新型實驗學習為核心，將專業理論與實驗技能知識有機結合起來，充分利用實驗教學平臺，進一步完善資源勘查工程（油氣方向）地質類的實驗教學環節，不斷探索提高實驗教學的質量效果，推進專業課程實驗教學改革，對于地質工科類教學具有廣泛的適用性與示范作用。

第三，以創新人才培養為目標，推動并完善科學的含油氣儲層地質學實驗教學的創新型人才培養方案，進一步加大非常規油氣領域的本科創新人才的育人舉措，助力非常規油氣勘探與開發的高層次和復合型創新人才的培養。

參考文獻：

[1] 褚海霞.雙一流“建設中實踐創新型地質類人才培養探索-加拿大里賈納大學地質學專業實踐教學模式及啟示[J].中國地質教育，2023，32（1）：23-27.

[2] 朱韌之，秦江鋒.雙一流”背景下“巖漿巖巖石學”課程教材的建設與思考[J].中國地質教育，2023，32（1）：38-45.

[3] 能源，張津寧，馬驍，等.新工科背景下打造“構造地質學”金課的探索與實踐[J].中國地質教育，2022，31（1）：40-43.

[4] 潘思東，周國華.專創融合下的地學人才培養路徑研究[J].中國地質教育，2023，32（1）：28-33.

[5] 梁曉，張宏遠，鄧紅菱，等.物理模擬實驗在“構造地質學”課程教學中的應用現狀及意義[J].中國地質教育，2022，31（3）：72-76.

[6] 王艷忠，操應長，葸克來，等.沉積學實驗教學改革和創新人才培養[J].實驗室研究與探索，2018，37（11）：173-176.

[7] 鄢繼華，陳世悅，袁靜，等.物理沉積模擬在“沉積學”實踐教學改革中的探索[J].中國地質教育，2010，19（2）：36-39.

[8] 魏婷，唐靜，李金霞，等.強化以應用為目的的透射電鏡實驗教學探索[J].實驗室研究與探索，2023，42（9）：196-200.

[9] 趙浩，郭鑫，吳忠云，等.顯微拉曼光譜儀在本科實驗教學中的搭建及應用[J].實驗室研究與探索，2023，42（5）：251-254.

[10] 常鳴，向蘭蘭，蔡國軍，等.泥石流實驗教學任務驅動模式的探究[J].實驗室研究與探索，2023，42（6）：179-181.

[11] 何東博，應鳳祥，鄭浚茂，等.碎屑巖成巖作用數值模擬及其應用[J].石油勘探與開發，2004，31（6）：66-69.

[12] 孟元林，梁洪濤，魏巍，等.濁沸石溶蝕過程的熱力學計算與次生孔隙發育帶預測——以徐家圍子斷陷深層為例[J].沉積學報，2013，31（3）：59-66.

[13] 田有，李洪麗.基于科研融入實踐教學的學生創新能力培養[J].實驗室研究與探索，2023，42（3）：177-180.

[14] 李靜，吳明楊，孟曉宇，等.科研成果驅動式的實驗教學探索-以儲層裂縫導流能力測試為例[J].實驗室研究與探索，2023，42（1）：204-207.

[15] 陳友媛，楊世迎，趙陽國，等.“科教+產教”雙融合的實踐教育資源整合模式探索[J].實驗室研究與探索，2023，42（7）：200-204.

[16] 張娟，許力，張文鵬，等.固相微萃取-氣相色譜檢測多環芳烴的儀器分析教學實驗設計[J].實驗室研究與探索，2023，42（7）：156-160.

[17] 姜在興.沉積學[M].1版.北京：石油工業出版社，2003.

[18] 林承焰，王文廣，董春梅，等.儲層成巖數值模擬研究現狀及進展[J].中國礦業大學學報，2017，46（5）：1084-1101.

[19] 靳軍，鮮本忠，連麗霞，等.晚期快速埋藏過程中微裂縫對深層不同成巖強度碎屑巖儲集層的改造作用——來自準噶爾盆地南緣白堊系清水河組成巖物理模擬的啟示[J].石油勘探與開發，2023，50（2）：309-321.

[20] 李忠.沉積盆地深層-超深層成巖動力學：若干研究進展與專屬問題[J].沉積學報，2023，41（6）：1768-1780.

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

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