基于3D打印技術的石油運聚實驗教學研究

摘 要：地下的原油運移和聚集成藏是石油高校的核心教學內容。由于單純理論授課和缺少實物模型模擬實驗，導致學生對石油在地下的運移機理和聚集模式認識模糊，因此需要借助高科技手段進行嘗試和探索。作者利用3D打印技術完成教材中的經典石油運聚模式，以差異聚集模型、斷層運移模型和蓋層封閉模型為例，注入油氣觀察實驗過程和分析原油運聚模式，闡述3D打印技術與石油專業實驗教學的交叉融合。經實踐證明，該研究可以為石油地質核心課程提供典型的實驗教學內容，突破學生對抽象油氣運聚模式的理解瓶頸，不僅提高學生的實驗興趣，還能激發其主動探索的創新思維，對于培養學生的工程實踐能力與創新能力具有重要意義。

關鍵詞：3D打印；原油運移；創新思維；石油地質學；實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）26-0015-04

Abstract： Underground crude oil migration and accumulation are the core teaching contents of petroleum colleges and universities. Due to the simple theoretical teaching and the lack of physical model simulation experiment， students have a vague understanding of the underground migration mechanism and accumulation mode of oil， so it is necessary to try and explore with the help of high-tech technical means. The author applied 3D printing technology to complete the classic oil migration and accumulation mode in the textbook，and takes differential accumulation model， fault migration model and cap seal model as examples to observe the experimental process of oil injection and analyze the crude oil migration and accumulation model， and expounds the cross integration of 3D printing technology and experimental teaching of petroleum major. The practice has proved that this study can provide typical experimental teaching content for the core courses of petroleum geology， break through the bottleneck of students'understanding of abstract oil and gas migration and accumulation mode， not only improve students' interest in experiments， but also stimulate their innovative thinking of active exploration， which is of great significance for cultivating students' engineering practice ability and innovation ability.

Keywords： 3D print; oil migration; innovative thinking; petroleum geology; experimental teaching

3D打印技術也被稱作快速成型技術，誕生于20世紀80年代后期，是一種新型的制造和加工工藝，以數字模型（3D設計文件）為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過3D打印機，逐層打印的方式來構造物體的制造技術[1-2]。由于其在產品設計、生產、應用等領域的廣泛性得到快速發展，并逐步向工業生產領域過渡，它被譽為“第三次工業革命最具標志性的生產工具”[3-5]。作為前沿熱點制造技術，3D打印技術已逐步應用于航天、軍工、石油和醫療等領域[3-6]。早在2013年，中國石化工程技術人員就曾使用3D打印技術制作地下氣層通道的精細模型，預測和指導普光天然氣田的開發，使鉆井成功率明顯提高，克服了世界性難題，也證明了3D打印技術應用于油氣資源領域的準確性和可行性。實驗教學內容和方法改革要緊跟工業界發展形勢，因此3D打印實驗教學也將在教育領域的手段和思維方面帶來重大變革[6-7]。實體模型是實驗研究最直接有效的工具，3D打印技術制作模型具有可個性化設計，制作過程相比于傳統工藝簡便，生產周期短等優勢，在培養學生自主學習能力和創新實踐能力等方面能起到關鍵的作用[8-10]。2012年，《教育部、財政部關于實施高等學校創新能力提升計劃的意見》（教技〔2012〕6號）明確指出改進和加強工科專業大學生創新創業教育，著重培養大學生創新思維和工程實踐能力。原油和天然氣作為能源戰略的核心，各個國家均已認識到人才培養和隊伍建設是油氣勘探的首要任務，高層次應用型人才成為了重要競爭力，因此深入研究如何將高新技術融入到實驗教學和培養學生的自主創造能力具有重要的現實意義。

一 3D打印技術在石油地質教學中的重要意義

石油的賦存條件和產出狀態以及油藏的富集分布規律是指導石油勘探和開發的理論基礎[11]，搞清楚油氣藏形成和分布規律對石油勘探有非常重要的意義。地質學家對石油與天然氣在地下究竟是怎樣運移和形成油氣藏的認識并不十分準確[12-13]，地下石油運移和聚集成藏往往需要經歷百萬年的時間，地質學家很難直觀地觀測到石油的運移方向和聚集模式，目前主要依靠實驗分析化驗數據進行推測。現階段的3D打印技術在油氣資源的應用主要體現在油氣儲層評價方面，在石油勘探開發前期，3D打印將為開展成巖成因機理、沉積學理論、巖石聲學物理測量等基礎問題的研究提供實驗手段[10]。目前正在探索和完善油氣儲層成巖機制、巖石物質組成、沉積相沉積環境、內部孔喉結構分布及流體流動規律、巖石力學聲學的物理響應機理、解釋方法及含油氣性評價方法[14]。在課堂教學中石油的運移和聚集過程顯得非常抽象且空洞，同學們普遍反映在學習過程中存在困難。

近年來，培養掌握石油地質工程專業理論知識，具有較強解決實際問題能力的創新復合型人才成為石油高校教育研究重點。學生創新創業教育是工科專業重中之重，培養大學生創新思維和工程實踐能力需要加強。實驗教學對于培養學生自主學習能力和創新實踐能力等方面起著關鍵作用[15-16]，在培養大學生自主學習動手實踐能力、激發創新思維方面起到至關重要的作用。通過對國外高校相關專業人才培養方案調研，各知名高校培養方式多樣化，更側重于個人與團隊合作能力的塑造，目的直接指向現代工業的需求，隨著在校學生規模的不斷擴大以及優質科研資源的快速積累，如何提高自主設計實驗比例、及時將石油開發新技術融入到實驗教學中、積極探索石油專業實驗教學新模式成為學校實驗教學適應創新人才培養需求的研究熱點[17-18]。本次研究通過將3D打印技術引入專業地質實驗教學中，使地下油氣藏由“想象”變為“現實”。教育實踐證明，3D打印技術的研究型實驗教學新模式不僅能夠幫助學生理解教材中的概念模型，還極大地提高了學生實驗興趣，激發學生主動探索的創新思維，對于培養學生的工程實踐能力與創新能力具有重要意義。

二 3D打印技術在實踐教學中的應用

石油在地下運移和聚集的模型有很多，在《石油地質學》課本及油田實際勘探中，石油有多種運移通道和油氣聚集模式。選擇什么樣的模型讓學生能在有限的時間內完成，且便于后期直觀的實驗觀察，綜合各種因素考慮，本次研究選取三種較簡單又具有代表性的模型進行研究。實驗繪圖用到SOLIDWORKS機械制圖軟件，3D打印耗材為PLA材料，3D打印機型號為創想三維CR-5060。

（一） 油氣差異聚集實驗

油氣的差異聚集原理是石油地質學課程中油氣運移的重點內容，如圖1（a）所示在區域性的傾斜背景下，連通的儲集層存在一系列溢出點海拔依次增高的圈閉，則會形成油氣差異聚集現象。在油田勘探過程中，也發現較多的此類油氣運移聚集模式，由下往上分別為純氣藏、油氣藏、純油藏。學生通過軟件繪制出模型示意圖，并通過3D打印機打印出模型進行組裝，模擬地質條件，最后進行注油和注氣實驗（圖1（b）），第一階段在模型底部慢慢充注原油，原油首先沖滿第一個圈閉，持續充注，原油依次沖滿2號、3號、4號圈閉，整個過程可清晰地觀察到原油的運移過程。第二階段充注氣體，發現氣體的運移與實驗充注的速度有關系，觀察實驗現象，得出與油田實際勘探中相似的結論。實驗過程中也存在與教材有出入的情況，給實驗人員留下思考的空間，為進一步實驗設計奠定基礎，培養學生的動手能力和創新思考能力。

（二） 斷層運移實驗

斷層中石油運移模型能非常直觀地觀察石油的運移過程。當地下構造活動強烈，巖層所受的力超過了巖層所能承受的強度，巖體就會破裂，只有當斷裂兩側的巖體沿斷裂面發生明顯的錯動和位移時，稱之為斷層（圖2（a））。斷層是油氣運移的主要通道和高速通道，但是斷層也可以封堵油氣形成斷層圈閉油氣藏[13]。斷層相對于油氣的運移和封堵是油氣地質學家研究的重難點，可利用不同角度的斷層模型實驗，探討不同產狀斷層對石油運移和聚集的影響因素。實驗過程比較簡單，在斷層底部注入原油，原油沿著斷層往上運移，觀察不同角度斷層對原油的不同疏導作用（圖2（b））。斷層角度較小，原油沿著斷層全部運移到儲層中，并沒有沿著斷層頂部散失。斷層角度稍大時，部分原油沿著斷層運移到儲層中，部分原油沿著斷層頂部散失。斷層角度調高，大部分原油沿著斷層頂部流失，幾乎很少原油能運移到儲層中。本次實驗效果較好，能夠清晰地觀察到原油運移的整個運移過程，考察了實際地質體中不同產狀的斷層對石油運移的影響。

（三） 不同孔隙封閉油氣突破實驗

蓋層的封閉性模擬實驗模型石油勘探中蓋層的封閉能力非常重要，地下儲集層中的原油具有浮力向上運動的趨勢，需要不滲透層向上蓋住才能保證油氣得以保存不至于散失掉，這樣的不滲透層就是蓋層，即蓋層為油氣藏保存的保護層[12]。蓋層也具有一定的孔隙，原油受到油水界面張力引起的毛細管力而被封閉在儲層中（圖3（a）），蓋層毛細管力的大小與毛細管半徑和潤濕角有關系，蓋層的孔隙半徑越小，封閉能力越強。本次實驗重點測試不同半徑的蓋層對原油和氣體的封閉能力，打印不同的錐形模型，錐形模具中分別為不同半徑的連通孔（圖3（b）），將大孔模型放入透明水槽中，慢慢注入水，可觀察到模型中的水與水槽中的水上升速度相同，直到水全部淹沒模型，模型中沒有氣體，說明大孔對氣體沒有封閉能力。繼續在模型底部注入原油，原油沿著模型底部向上運移，當原油在模型充注的厚度越來越高時，原油開始往外滲流，直到剩下約1 cm的油柱，說明大孔產生的毛細管力不能封閉天然氣，只能封閉少量的原油。采用相同的方法對小孔模型進行實驗，發現小孔模型上部為氣體，下部為原油，說明小孔模型不僅能封閉氣體，還能封閉更高的油柱。本實驗模具能夠分析不同孔隙半徑的蓋層對原油的封閉高度，依此分析不同半徑的蓋層對原油和氣體的封閉能力。

油氣運移和聚集模式被深埋在地下，對于初學者甚至石油地質學家均有一定的理解難度。對于相同的內容，實踐操作往往比理論授課耗時更少，效果更佳。實驗教學建立在理論知識之上，老師先通過課堂授課，利用石油地質學等經典課程讓同學們對埋藏于地下的原油聚集有一個初步的概念，再利用已有模式圖引導和激發學生的實驗興趣，接下來就是以學生自身為主體進行的軟件建模、打印實體、模型處理、注油實驗和總結報告等具體工作。本次研究將3D打印技術與油氣的運聚模式交叉融合，通過實驗手段進行模擬實驗，讓學生直觀形象地觀察油氣在地下的運移和聚集過程，并總結所學專業知識，對實驗結果進行解釋，提高學生實驗興趣，激發學生主動探索的創新思維，對于培養學生的工程實踐能力與創新能力具有重要意義。資源勘查工程專業（以下簡稱“本專業”）學生在專業老師的指導下，應用3D打印技術制作課堂教具和實驗模型，累計參加科創類項目和競賽4項，其中自治區級1項，國家級1項。

三 實驗優勢和應用前景

3D打印技術引進和應用，由于不需要生產線，極大地削減了制作教具的成本，同時也可以制作傳統工藝無法完成的膠結、溶蝕等特殊模型，優化了實驗創新類競賽的思路，同時也降低了教師在實驗指導過程中的難度，形成了良好的教學和科研氛圍。在抓好經典理論課程授課之外，結合現在工業發展和技術革新，學校愈加重視實踐性和創新性的實驗項目，目前實驗室內設備項目齊全，對全院老師和學生開設各類實驗項目。上文所述的3種模型僅為眾多實驗中的少部分，利用該技術，油氣藏的運移過程、油氣藏保存形態、物理特征等均可以實現“可視化”和“實體化”，依此可以看出3D打印技術可以很好地融入本專業的教學實踐當中，能夠提升石油高校已有核心課程的水平。由于操作步驟簡單易學，實驗過程趣味性強，在專業及校內產生了很好的輻射和示范作用，實驗創新型項目報名踴躍，并取得較為滿意的實驗創新成果，形成了學生自主學習，自主實驗的良好科研局面。

我國持久處于油氣資源缺口巨大的境況，其中油氣勘探領域的人才培養是重中之重，人才培養應適應于長遠的資源戰略和社會科技的發展。近年來國家和企業對創新型和工匠型人才格外重視，以應用實踐能力為導向的工作理念指導下，盡早培養學生的實踐能力和創新思維成為本專業乃至全國石油高校的重要教學目標。石油院校應該始終堅持以國家能源戰略需求為導向，堅持創新驅動發展戰略和“搭建平臺、凝聚團隊、承擔項目、形成成果、作出貢獻”的科研發展思路。為積極響應國家號召和國家能源戰略的迫切需要，校區教育教學以新工科建設為指導，強化科技創新和理論實踐結合，注重深化產教融合，推進校企合作，極大發揮協同育人機制，助力行業高校培養服務國家發展戰略的創新型、應用型人才，從挖掘創新潛力、激發科研熱情、提升科研能力三個方面發力，扎實有序地推動學院創新平臺建設，“以學促能”，引導學生弘揚好石油精神，為國家能源事業高質量發展作出新貢獻。隨著3D打印技術的不斷成熟和廣泛應用，其在理論和實驗間的“橋梁”作用和優勢也愈加凸顯，能很好地解決制約研究型實驗教學開展的物理模型制作瓶頸問題。我們也將不斷完善實驗教學平臺建設，持續深化教育教學改革，充分發揮石油地質專業學生的主觀能動性，不斷提升人才培養質量，為學生以后成為油氣行業及相關領域的頂尖人才和技術骨干打下堅實基礎。

3D打印技術能夠在石油勘探實驗教學中起到創新革新的重要作用，未來在解決材料和設備條件的基礎上會有更大的應用前景：①材料問題，由于需要觀察原油的運移過程，所以實驗模型的透明度至關重要，但是現在市面可見的PLA、ABS等常見打印耗材的透明度并不是很高，隨著技術的發展和成熟，透明度較高的材料能夠帶來更好的實驗效果。②打印尺寸，由于原油的排出和聚集是在漫長的地質演化過程中發生的，所以實驗在大尺寸的模具中進行會更具有說服力，雖然本實驗使用了工業級3D打印機，但是模型尺寸還是不能滿足實驗需求。目前已有能夠應用于建筑領域的3D打印技術，若盡早引入教育行業，將會帶來更佳的效果。

四 結束語

把“想象”變為“現實”。3D打印技術與石油地質學科的深度融合，實現了任意實際地質模型的個性化制備，用現實模型引出深埋地下的抽象地質概念，將實驗教學中的抽象概念或者科學過程進行可視化展現，使學生可以基于物理模型自主設計實驗，獲得更多的認知體驗，培育創新思維。

將科研轉化為教學資源。3D打印技術為學生提供了自主設計、制備地質模型的途徑，有利于研究型實驗教學的開展。隨著在校學生規模的不斷擴大以及優質科研資源的快速積累，如何提高自主設計實驗比例，及時將石油勘探新技術融入到實驗教學中，積極探索石油工程專業實驗教學新模式成為學校實驗教學適應創新人才培養需求的研究熱點。

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基金項目：新疆維吾爾自治區高校本科教育教學研究和改革項目“石油地質實習基地建設”（XJGXPTJG-202299）

第一作者簡介：鄒賢利（1986-），男，漢族，四川隆昌人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為油氣運移及油氣成藏。