面向“雙碳”目標的油層物理教學內容體系探究

摘 要 油層物理是石油工程和海洋油氣工程專業的核心專業課。由于油層物理的教學內容經典、知識體系固化，導致課程知識難以適應石油行業綠色化、低碳化的發展趨勢，難以支撐“雙碳”目標亟須的技術革新。文章開展了面向“雙碳”目標的油層物理教學內容體系探究，以優化課程知識架構和內容體系，豐富“虛實結合”的教學資源，開展“項目制”的實驗教學改革，實現油層物理教學內容的低碳化轉型目標，為“雙碳”背景下石油領域工程人才的培養提供保障。

關鍵詞 “雙碳”目標；油層物理；教學內容；實驗教學

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.27.042

Study on the Teaching Content System of Petrophysics

Based on the "Dual Carbon" Goal

MO Fei， HUANG Xiaoliang

（School of Petroleum Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331）

Abstract Petrophysics is a core professional course in petroleum engineering and offshore oil and gas engineering. Due to the classic teaching content and rigid knowledge system of reservoir physics， the course knowledge is difficult to adapt to the green and low-carbon development trend of the petroleum industry， and it is difficult to support the urgent technological innovation needed for the "dual carbon" goal. The article explores the teaching content system of oil reservoir physics towards the "dual carbon" goal， optimizes the course knowledge structure and content system， enriches the teaching resources of "virtual real combination"， carries out the experimental teaching reform of "project-based"， achieves the low-carbon transformation goal of oil reservoir physics teaching content， and provides guarantees for the cultivation of engineering talents in the petroleum field under the "dual carbon" background.

Keywords "Dual Carbon" Goal; Petrophysics; teaching content; experiment teaching

碳達峰、碳中和是我國能源發展的重要趨勢[1-3]。我國各大油田企業以“雙碳”目標為引領，加快布局清潔生產和綠色發展 [4-6]。其中，CCUS（碳捕獲、利用與封存）是石油行業實現碳中和目標的重要技術，也是低滲透油藏提高采收率的核心技術[7-9]。隨著“雙碳”目標的提出，CCUS技術在石油行業的推廣利用前景十分廣闊[10-13]。

作為石油工程、海洋油氣工程專業的必修課，油層物理的教學是培養新型石油領域工程人才的重要環節[14-15]。油層物理教學內容包含了儲層巖石的物理特性、油氣藏流體的物理特性和多相流體的滲流機理等復雜、抽象且至關重要的教學內容，具有專業概念多、知識理論深、物理實驗多、與工程實際結合緊密等特點，需要學生在牢固掌握專業知識的基礎上，開展一定的理論分析、實驗操作、工程案例分析，最終達到解決實際工程問題的目的[16-17]。由于傳統的油層物理教學內容固化，知識體系傳統，導致現有的知識架構無法適應石油行業綠色化、低碳化的發展趨勢，難以支撐“雙碳”目標亟須的技術革新。

為此，本文開展面向“雙碳”目標的油層物理教學內容體系探究。通過重構課程教學內容體系，培養出能夠適應行業低碳化、綠色化發展需求的工程人才，為我國“雙碳”目標的實現提供助力。

1 油層物理教學中存在的問題

1.1 知識體系固化，教學內容傳統

現有的油層物理經典知識體系沒有涵蓋新興CCUS技術需要的CO2驅油、CO2封存等基礎知識，導致所培養的學生在未來的工作崗位上難以適應石油行業低碳化發展的趨勢與需求。

1.2 CCUS工程案例向教學資源的轉化不足

當前油層物理的教學案例均是針對傳統油氣田開發手段進行總結，沒有涉及“雙碳”背景下CCUS新技術的應用。目前，我國多數油田均對CCUS有一定的開發案例，但這些案例還沒有向油層物理課程教學資源進行轉化。

1.3 對后續專業課低碳化升級的支撐不夠

在“雙碳”目標背景下，隨著石油產業的升級，石油專業課在教學內容設置上也正積極向低碳化新技術轉型。作為石油專業的基礎課程，現有的油層物理教學內容難以為后續專業課中CCUS新技術的教學提供充分的支撐。

2 面向“雙碳”目標的油層物理教學體系重構

2.1 優化油層物理的教學內容體系

優化油層物理的教學內容體系，解決知識體系固化、教學內容傳統的問題。針對油層物理低碳化的內容升級，對教學大綱、授課計劃、教案，將CCUS涉及的基礎理論和方法融入課程知識體系，分別對每章教學內容作出如下優化。

第一章：儲層巖石的物理特性。增加儲層巖石比面、孔隙度、滲透率等物性參數對CO2驅油、CO2封存的影響等教學內容。例如，在講解儲層巖石的孔隙度時，強調孔隙度較大的儲層巖石對CO2的儲集性能更好，更有利于CO2的封存；在講解儲層巖石的滲透率時，強調對于滲透率較低的致密油藏，CO2驅油是目前的技術熱點。

第二章： 油氣藏流體的物理特性。增加CO2在高溫高壓儲層中的相態變化及物性特征等教學內容。例如，CO2在地面常溫常壓下為氣態，在封存至儲層中后，受高溫高壓影響其相態已成為超臨界態。在教學中向學生講解CO2的相變特征，以及高溫高壓下CO2的粘度、密度、體積系數、壓縮系數等物性參數的變化規律。

第三章：多相流體的滲流機理。融入CO2驅油以及CO2回注過程中滲流機理的教學。例如，在CO2驅油過程中，存在CO2與原油混相的情況，在教學中著重講解不同混相情況下的滲流特征；在CO2回注過程中，補充講解超臨界CO2與殘余油的多相滲流特征。

2.2 豐富“虛實結合”的教學資源

豐富“虛實結合”的教學資源，解決CCUS案例向教學資源轉化不足的問題。根據實際的油田CCUS真實工程案例，采用油藏數值模擬技術，制作CCUS過程的虛擬仿真教學案例，豐富“虛實結合”的教學資源。以CO2驅油和CO2封存為例，可以進行以下“虛實結合”的教學案例設計。

2.2.1 CO2驅油案例

在國內開展CO2驅油工程實踐的油田中，收集真實致密油藏的地質參數、流體參數、溫壓數據、CO2驅油的注入參數、生產歷史數據等，建立CO2驅油的地質模型和數值模擬模型。利用數值模擬模型開展CO2驅油過程的三維可視化虛擬仿真模擬，讓學生直觀地感受儲層中CO2和原油的動態滲流過程以及原油的開采過程。在虛擬仿真過程中，學生能夠更好地理解CO2驅油涉及的油層物理知識。

2.2.2 CO2封存案例

在國內開展CO2封存工程實踐的油田中，收集廢棄油氣儲層的地質參數、溫壓數據、CO2回注參數、流體分布參數等，利用油藏數值模擬技術可視化地模擬地面CO2回注到地下儲層中的動態過程，并在此過程中，讓學生利用油層物理知識分析CO2封存量的影響因素、不同蓋層巖石物性下CO2的逸散風險，以及CO2的相變特征等。

2.3 開展“項目制”的實驗教學改革

開展“項目制”的實驗教學改革，解決對后續專業課低碳化升級支撐不夠的問題。以現有的油田CCUS工程實踐為基礎，針對某個具體油田CO2利用或封存中存在的問題，以小組為單位開展“項目制”的一系列油層物理實驗，每個項目對應一個具體工程問題，采用這種方式，為后續專業課中該問題的最終解決提供思路。

例如，在CO2封存的工程實踐中，存在CO2封存量的計算問題。該問題的解決方案學生需要在學習了后續專業課油藏工程之后才能找到，但學生可以在油層物理的實驗課上，以“CO2封存量的影響因素”為課題開展“項目制”實驗。通過對目標油田區塊的巖心開展束縛水飽和度測定實驗和孔隙度測定實驗，學生利用油層物理知識就能分析出該油田區塊中束縛水飽和度和孔隙度對CO2封存量的影響程度，為后續課程中CO2封存量的最終計算提供有力的支撐。

3 組織實施

3.1 理論教學

課程組對油層物理知識框架進行梳理，結合行業綠色化、低碳化升級的要求，對油層物理教學大綱和授課計劃進行修訂，重新開展教學設計。在課程已有的儲層巖石、流體、多相滲流知識結構的基礎上，分別從儲層巖石對CO2封存的儲集性、CO2在儲層中的相態特征、CO2在儲層中的滲流機理三個方面，將CCUS的技術原理融入教學內容，實現油層物理教學內容體系的優化。根據科教融合的基本理念，充分利用石油企業真實的CCUS工程案例，利用油藏數值模擬技術，針對CO2驅油、CO2回注、CO2封存等物理過程，制作三維可視化油藏數值模擬模型，將實際的CCUS工程實踐與計算機模擬仿真相互結合，豐富“虛實結合”的油層物理教學資源。學生在理論課堂上根據優化后的教學內容，學習CCUS相關技術的理論、方法，并通過“虛實結合”的工程案例學習CCUS技術在實際工程中的應用，實現理論水平和工程應用能力的同步提升。

3.2 實驗教學

以某個特定油田的CCUS真實工程問題為基礎開展“項目制”實驗教學。圍繞油田CO2利用或CO2封存真實應用場景涉及的工程問題，提取油層物理相關內容，將其拆解為一系列油層物理實驗。學生以小組為單位開展這些實驗，通過實驗理論學習、實驗操作、數據處理和結論的凝練，為該問題的解決提供思路。“項目制”的實驗教學培養了學生的知識應用能力、動手實踐能力，以及分析和解決現場實際工程問題的能力。

4 教學評價體系

在油層物理原有的評價體系中融入“雙碳”化升級后的考核內容。在原有的評價體系中，學生成績=線上學習成績（15%）+階段測試成績（10%）+實驗成績（15%）+期末測試成績（60%）。“雙碳”化升級后，線上學習成績除了評價學生對傳統油層物理基礎知識的掌握情況以外，還新增了對CCUS相關技術涉及的油層物理基本原理、方法的考查。實驗成績需要從學生開展“項目制”實驗的設計、操作、數據處理、實驗結論，以及對實際工程問題的分析等多維度進行綜合評價。階段測試與期末測試考核學生對“雙碳”化升級后的油層物理基礎知識的掌握情況，以及學生分析解決復雜工程問題的能力。

5 結語

將“雙碳”目標下石油企業CCUS新技術的基本理論和方法融入油層物理的教學內容體系，將油田真實存在的CCUS工程開發案例制作為虛擬仿真教學資源，結合油田生產現場的實際問題開展“項目制”的實驗教學改革，使油層物理打破了傳統、固化的知識和教學體系，使學生更適應石油產業綠色低碳化升級的新需求，有助于提升學生的理論知識水平、動手實踐能力和工程應用能力。

基金項目：重慶市高等教育教學改革研究項目“面向‘雙碳’戰略的《油層物理》教學內容體系重構與實踐”（233427）；重慶科技學院本科教育教學改革研究項目“面向‘雙碳’戰略的《油層物理》教學內容體系重構與實踐”（202315）。

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