油氣層滲流力學課程啟發式教學方法探究

［摘 要］油氣層滲流力學課程是石油工程專業的核心專業基礎課程。然而，該課程具有理論性強、邏輯嚴密、公式多且復雜的特點，學生學習難度大，教學效果不佳。因此，文章從油氣層滲流理論的意識培養、強化理解和深化領悟三個方面探討該課程啟發式教學改進問題，通過引入生活案例、營造課堂教學情境、滲透前沿成果來豐富課程的教學內容和教學手段，不斷激發學生的學習熱情，培養學生主動思考的意識，提高課程教學效果。

［關鍵詞］油氣層滲流力學；教學方法；啟發式教學；教學效果

［中圖分類號］G642.4 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）12-0050-04

滲流力學是流體力學的一個重要分支，涉及內容廣泛，比如有工程滲流、生物滲流、地下滲流[1]。而油氣層滲流力學屬于地下滲流力學的一部分，只涉及地下流體在油氣層中的滲流形態和滲流規律的研究[2]。油氣層滲流力學作為油氣田開發與開采的理論基礎，是國內外相關石油高校石油工程專業的核心專業基礎課程[3]，內容涉及數學、物理、化學、力學等多個學科[4]。教學實踐表明，由于該課程理論性強、邏輯嚴密、公式多且復雜，學生往往學習難度大，聽課興趣低，教學效果不佳。因此，如何有效提高油氣層滲流力學課程的教學質量，讓學生更加積極主動思考油氣地下滲流問題，是當前油氣層滲流力學課程教學所面臨的一個重要難題。

隨著教育教學改革與創新的發展，一系列激發學生學習熱情的教學模式被不斷提出，如研討式、互動式、實踐式、啟發式、探究式、易位式、案例式、混合式、情境式、問題式等[5]。本文基于油氣層滲流力學課程特點，結合石油工程專業學科背景，從啟發式教學的角度對推動學生提高學習油氣層滲流力學的興趣和效果的教學方法進行了探索。

一、油氣層滲流力學課程的內容特點

油氣層滲流力學課程通常是將復雜的油氣滲流實際問題近似處理為一維的單向流、二維的平面徑向流或三維的球面向心流問題，其中，流體主要包括油、氣單相和油水、油氣、油氣水多相。由于不考慮時間和流體壓縮性的滲流數學模型更易于推導求解，因此，本科階段的課程以單相液體穩定滲流理論學習為主。盡管該課程已對復雜實際情況進行了簡化，但仍具有理論性強、邏輯嚴密、公式多且復雜等特點，學生往往不易理解，缺乏學習興趣。

（一）理論性強，學生掌握難度大

油氣層滲流力學課程不僅涉及石油地質、流體力學、油層物理等多門學科專業知識，比如滲透率、孔隙度、彈性壓縮系數、導壓系數、黏度、體積系數等物理參數概念，而且涉及高等數學、數學物理方程等求解方法，因此該課程理論性較強。除了有較多的基本概念需要學生記憶，學生還需具有較強的分析能力。以流體滲流過程中的力學分析為例，流體在巖石孔隙中的滲流是各種力的綜合作用結果，通?？砂ㄓ闪黧w重力引起的重力勢能、質量引起的慣性力、黏度引起的黏滯力、巖石與流體壓縮性引起的彈性力以及多相流引起的毛管力。這些力學分析是建立油氣滲流數學模型的基礎，比如在研究單相氣體滲流時，重力勢能和毛管力就可以忽略，但研究氣水兩相滲流時毛管力則必須考慮在內，并且還要引入含氣飽和度與含水飽和度之和始終等于1的附加條件。

（二）邏輯嚴密，學生理解能力不足

比如重慶科技大學本科教學采用張建國等人編制的《油氣層滲流力學》[1]教材，主要包括滲流的基本概念和基本規律、油氣滲流的數學模型、單相液體穩定滲流理論、彈性微可壓縮液體的不穩定滲流、氣體滲流理論、油水兩相滲流理論、油氣兩相滲流理論、雙重介質滲流、復雜滲流理論簡介共九章。初次學習該課程的學生因缺少滲流理論基礎而理解能力不足，難以建立起各章節間的邏輯關系。因此，明確各章節間的邏輯關系是學生學習該課程的重要前提。油氣滲流過程通常十分復雜，按儲層類型可分為單重介質、雙重介質、三重介質，按流體類型可分為單相流體和多相流體，按是否考慮時間影響可分為穩態流和非穩態流，目前常采用“儲層類型+流體類型+時間”的組合方式來描述不同條件下的流體滲流過程。以教材為例，前兩章分別從滲流理論和數學模型進行總體概述，第三章到第五章介紹單相油和單相氣的穩定滲流和不穩定滲流（流體類型+時間），第六章和第七章則介紹油水、油氣兩相的穩定滲流與不穩定滲流（流體類型+時間）。盡管第三章至第七章未提到單重介質模型，但實際上是研究與第八章雙重介質模型相對應的單重介質模型。第九章介紹了更加復雜的滲流情況，如非牛頓流體滲流、非等溫滲流，這些特殊的滲流方式主要與現在油氣田開發工藝有關，目前不作為本科階段的學習任務。

（三）公式多且復雜，學生學習興趣低

油氣滲流規律常采用油氣滲流力學模型進行描述。數學模型的一般結構包括運動方程、狀態方程、質量守恒方程（或連續性方程）、能量方程、其他附加的特征方程（如擴散方程等）、有關的邊界條件和初始條件。在建立數學模型的過程中，主要有七大步驟：確定建立模型的目的和要求、研究各物理量的條件和情況、確定未知量和其他物理量直接的關系、推導數學模型所需的綜合微分方程組、分析數學模型的量綱、確定數學模型的適定性、給出問題的邊界條件和初始條件。不同的流體滲流過程構建出的數學模型類型也不同。本科階段盡管以單相液體（油）滲流研究為主，但根據是否考慮時間和巖石、流體壓縮性的影響，還可分為單相液體穩定滲流和彈性微可壓縮液體不穩定滲流兩大類數學模型。其中，單相液體穩定滲流根據滲流方式、邊界效應、多井同時工作等不同情況，還可進一步建立單向流、平面徑向流、球面向心流、等產量一源一匯、等產量兩匯、直線供給邊緣附近一口生產井的反映（匯源反映法）、直線不滲透邊界附近一口生產井的反映（匯點反映法）、多排井滲流等一系列滲流數學模型。由于影響因素不同，油氣滲流數學模型具有類型多、求解難度大且解的結構復雜等特征，使得學生學習的難度大、興趣低。

二、油氣層滲流力學課程的啟發式教學探究

啟發式教學是教師根據特定的教學目的、教材特點和學生實際情況，選取相應的啟發因素進行邏輯組合的一種教學方法[6]。它可促使學生帶著比較強的主動性參與問題的思考，而不僅僅是被動接受知識。因此，本文結合油氣層滲流力學特點，基于啟發式教學方法從油氣層滲流理論的意識培養、強化理解和深化領悟三大方面進行該課程的教學方法改革探究。

（一）引入生活案例，培養滲流理論感性認識

油氣層滲流力學這門課程主要研究地下流體滲流規律，有些概念較為抽象，學生不易理解。因此，將生活案例引入具體的教學活動當中，引導學生積極思考，可以幫助學生更好地理解相關的課程內容和培養相關感性認識。以“多孔介質”為例，它是貫穿油氣層滲流力學這門課程始終的重要概念，課本將其定義為由毛細管體或微毛細管結構組成的固體介質[1]。初次接觸該課程的學生，很難將抽象的地下固體介質與毛細管體系組合起來，但如果將其與富含多孔的面包做類比，學生很快就會對多孔介質有了感性認識。又如在講授“等壓線”時，可與初中地理上講的“等高線”相比較；講授“兩相滲流”時，可將其與輸液管中含有氣泡的情況相比較。通過巧妙引入一些生活案例對學生進行思維啟發，將抽象的地下概念轉化為學生已有的生活常識或知識概念，在此基礎上進行科學解釋，可使學生更易理解，提高聽課興趣。

（二）營造課堂教學情境，強化滲流理論理解

“好的先生不是教書，不是教學生，乃是教學生學?！眰鹘y的授課方式以教師講、學生聽為主，但實踐表明，學生學習的注意力會隨著上課時長的增加而下降，在課堂中后期可能有部分學生出現注意力不集中、困倦等情況。此外，大學開設的課程比較多，不像高中有著嚴格的課后管理制度，部分學生不會主動復習，在學習課程后面內容時會出現前面的知識點已經遺忘的情況。因此，可通過營造豐富的課堂教學情境來調動學生聽課的積極性，強化學生對滲流理論的理解。

1.設問啟發法

不憤不啟，不悱不發。針對課程的重難點內容，可通過設置帶有啟發性質的提問，促使學生思考，主動參與課堂學習，而不只是知識的接收器。比如在講達西公式時，由于學生很容易將公式中的負號遺忘，因此，在分析達西規律時，可通過設置問題“隨著滲流方向距離的加大，壓力是如何變化的？”來引導學生理解負號產生的原因，引起學生對模型中數學符號的重視，讓學生即便時間久了記不清，也可通過自己的分析找出正確的符號表達方式。

2.反面啟發法

溫故知新，學思并重。課程中后期內容的學習往往涉及前面章節的知識點，此時可有意將易犯的錯誤展示出來，通過觀察學生的反應來判斷學生對該知識點的掌握情況。比如，在學習單相液體穩定滲流基本方程的解及其應用時，教師有意將質量守恒微分方程的正負號寫錯。若學生沒反應則表明學生對該知識點已遺忘，此時可通過提醒，如“請大家查閱課本，看看這個方程是否正確？”等，引導學生發現錯誤。學生也可通過自己翻書查閱，進一步熟悉課本內容，加深對知識點的掌握。

3.小組討論法

學而不思則罔，思而不學則殆。課堂時間有限往往會使學生只能跟著教師的講課思路疲于學習，缺少充分思考、理解的過程。即便要求學生課前預習和課后復習，但由于課程的理論性強，大部分學生會因學習困難而使其后期學習興趣下降，難以堅持下來。因此，可要求學生在班里以4～6人為一組開展小組學習，通過課下布置學習任務、課上抽查學習效果來促使小組中的成員都積極參與學習。特別是課下布置學習任務時，可圍繞理論背景、建模思路、求解方法等關鍵環節，通過設置啟發性問題，讓學生主動查閱資料來尋找答案。對于課下學習仍然解決不了的問題，則可將問題難點帶到課堂上相互討論或聽教師講解來進行有針對性的學習。

4.操作啟發法

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。圍繞課堂內容設計一個簡單的應用題，比如在講完平面徑向流的產量公式后，教師可以油田生產為背景，通過給定模型中所有參數值，讓學生當堂進行代數計算；在此基礎上，進一步把模型中某一關鍵參數值設置為一組數，如供給半徑，將計算結果繪制成曲線圖，通過讓學生自己計算分析參數對產量的影響規律，從而幫助學生加深對公式的理解。

5.圖示啟發法

圖像化思維是一種將抽象的概念和信息轉化為具體形象的思維方式，即讓思維可視化，促使學生能夠更好地理解和記憶學習內容。常用的方式包括創造形象聯想、制作思維導圖、利用圖像和圖表、利用空間記憶、利用動畫和視頻等。如講在低速下滲流規律時，教師可以在黑板上把油與壁面、水與壁面和氣與壁面的情況分別繪制出來，通過對比分析液固、氣固間微觀作用機理的不同，闡明吸附膜、水化膜、氣體滑脫效應的差異性。

6.演示啟發法

油氣層滲流力學課程通常會在講完相關知識點后開設實驗課，對理論進行驗證。然而，課程實驗通常課時有限，且會有一定的滯后性，無法及時解答學生在課堂理論學習中的困惑。若在理論學習之前上實驗課，則學生可能會因缺乏相關理論基礎而無法較好地完成實驗方案設計、操作和結果分析。因此，除了開展必要的課程實驗，在課堂理論學習過程中還可適當增設簡單的課堂實驗，通過實驗現象激發學生的好奇心，進而引出背后的理論問題。以達西定律為例，可在課堂上準備注射器、細砂、碎石塊、水和漿糊等物品，引導學生分別觀察在注射器內無填充物時水和糨糊的射流情況，以及在注射器內分別填充細砂和碎石塊后水的射流情況，帶領學生一起歸納總結實驗現象，升華實驗結論，加深學生對達西定律的理解。

（三）滲透相關學術前沿成果，深化學生對滲流理論領悟

油氣層滲流力學這門課程有大量的公式推導，為了讓學生從枯燥的公式中感受到知識的力量，就要打破“照本宣科念講稿，墨守成規搞教學”的授課模式，在課堂上圍繞相關知識點適當滲透學術前沿成果，深化學生對滲流理論的領悟。

1.引入前沿研究手段，模擬油氣滲流規律

目前，能夠模擬油氣滲流的軟件較多，比如商業軟件有Eclipse、CMG、tNavigator、Comsol等，開源軟件有MRST、OpenFOAM等。這些軟件通常用于科研項目研究，能夠模擬復雜儲層條件下油、氣單相或油水、氣水、油氣水多相流動規律，為油氣田開發方案的制訂提供可靠的依據。由于軟件的操作需要操作者有豐富的專業理論與實踐經驗，因此，現階段很少被用于本科教學，但常被用于研究生學術能力的培養。然而，這些軟件具有能夠將抽象的地下壓力等各個物理場數值化，并通過時間序列模擬出流體流動規律的特征，因此，在給本科生講課時，可將這些前沿的研究手段作為輔助工具，把流體流動過程制作成動畫呈現在學生眼前，讓學生“看得見”油氣在地下的滲流規律。比如在講井的干擾現象時，可結合數值模擬技術分別模擬單井、兩口生產井和一采一注井的壓降漏斗的形成過程。如果開展過相關的科研項目研究，還可以進一步通過實際油田案例來展示分析由井間干擾導致的區塊壓力場的分布特征。

2.引入前沿生產技術，解釋油氣滲流認識

理論與實踐具有相互依存、相互作用、相互促進的辯證統一關系。理論來源于實踐，又反作用于實踐，可指導實踐的開展。油氣層滲流力學是理論與實踐結合十分緊密的一門課程，開展理論的教學就是為了讓學生在今后從事油田工作時，能夠運用相關滲流理論去分析現場難題，并正確指導油田生產。因此，在課堂上適當引入前沿生產技術，利用課本知識啟發學生學會分析實際問題，不僅能讓學生學以致用，深化學生對知識點的領悟，而且可以進一步培養學生的工程應用能力。比如講完達西定律后，可從礦場上是如何增加動力和減少滲流阻力來簡單解釋當前應用廣泛的壓裂水平井增產技術的原理。

三、結語

油氣層滲流力學是理論與實踐結合十分緊密的一門課程，具有理論性強、邏輯嚴密、公式多且復雜的特點。因此，教師在教學過程中，可從油氣層滲流理論的意識培養、強化理解和深化領悟三個方面完善該課程的教學方法，即通過引入生活案例、營造課堂教學情境、滲透相關學術前沿成果來啟發學生，讓學生勤于思考、善于思考，積極參與到課程教學中來，引導學生形成良好的油氣滲流思維和工程應用能力，從而提高課程教學效果。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 張建國，杜殿發，侯健，等. 油氣層滲流力學[M]. 2版.青島：中國石油大學出版社，2010.

[2］ 袁迎中，戚志林，嚴文德，等. “滲流力學”課程創新思維教學方法探索[J]. 中國地質教育，2014，23（2）：60-62.

[3］ 郭晶晶，王海濤. 互動式教學模式在油氣層滲流力學教學中的探索[J]. 吉林省教育學院學報，2016，32（6）：99-101.

[4］ 陳軍斌. “油氣滲流力學”課程教學改革的研究與實踐[J]. 石油教育，2016（3）：32-35.

[5］ 郭小哲. 問題式教學方法在石油工程專業基礎課中的應用[J]. 科技視界，2021（19）：61-62.

[6］ 馮其紅. 油藏工程教學中啟發式教學方法的探索與實踐[J]. 中國石油大學勝利學院學報，2007（2）：55-56.

［責任編輯：龐丹丹］