“水力壓裂理論與技術(shù)”教學(xué)分析與探索

摘"要：本文探討了“水力壓裂理論與技術(shù)”課程在石油工程專業(yè)中的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的教學(xué)改革與探索方法。“水力壓裂理論與技術(shù)”是石油工程專業(yè)的一門重要課程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)和技能至關(guān)重要，但學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在認(rèn)知程度不夠、理論與實(shí)踐脫節(jié)等一些問(wèn)題，影響了教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)技術(shù)的掌握。為此，文章提出一系列教學(xué)改革與探索措施，旨在提高學(xué)生對(duì)水力壓裂技術(shù)的理解和應(yīng)用能力，培養(yǎng)具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力的復(fù)合型人才，為石油工程領(lǐng)域輸送高素質(zhì)專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：水力壓裂理論與技術(shù)；教學(xué)分析與改革；石油工程；壓裂設(shè)計(jì)

“水力壓裂理論與技術(shù)”是石油工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課，重點(diǎn)介紹了水力壓裂基本原理、工藝流程、壓裂液類型和選擇、支撐劑選擇、壓裂設(shè)計(jì)與施工及環(huán)境影響與安全措施等。通過(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生具備綜合運(yùn)用水力壓裂相關(guān)知識(shí)來(lái)解決非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中關(guān)鍵問(wèn)題的能力，能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境等因素，制訂最佳水力壓裂方案。這是一門知識(shí)點(diǎn)眾多且應(yīng)用性極強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，如何切實(shí)增強(qiáng)教學(xué)成效，使學(xué)生真正掌握概念學(xué)以致用，需要教師在教學(xué)中不斷探索，嘗試新的教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)計(jì)及對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的指引。

1"“水力壓裂理論與技術(shù)”教學(xué)中的問(wèn)題

1.1"學(xué)生認(rèn)知程度不夠，對(duì)水力壓裂技術(shù)理解不深

在現(xiàn)代石油工程領(lǐng)域，水力壓裂技術(shù)是一種重要增產(chǎn)手段，應(yīng)用廣泛。但學(xué)生對(duì)其認(rèn)知不足，尤其在水力壓裂技術(shù)的理解上，主要反映為理論與實(shí)踐脫節(jié)、跨學(xué)科知識(shí)掌握不全及環(huán)境影響認(rèn)知薄弱。學(xué)生在課堂上接觸到的大多是理論概念，缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和案例分析，且對(duì)高壓流體注入、巖石破裂及裂縫形成［1］等復(fù)雜過(guò)程理解困難，對(duì)設(shè)計(jì)水力壓裂方案和選擇壓裂液等問(wèn)題上通常只停留在表面。行業(yè)內(nèi)的技術(shù)更新迅速，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)新發(fā)展和新理論了解不足，知識(shí)體系難以與時(shí)俱進(jìn)。

1.2"水力壓裂是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用類技術(shù)，與純理論教學(xué)有差距

水力壓裂技術(shù)作為一種高效的油氣田增產(chǎn)手段，其應(yīng)用的復(fù)雜性和實(shí)操性遠(yuǎn)勝于課堂上純理論教學(xué)，需要深厚的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際操作中［2］，壓裂作業(yè)的前期準(zhǔn)備、壓裂液選擇與配制及裂縫監(jiān)測(cè)與評(píng)估等環(huán)節(jié)都需要現(xiàn)場(chǎng)工程師具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。例如，選擇壓裂液時(shí)，需要考慮油藏的地質(zhì)條件、儲(chǔ)層滲透率、溫度壓力等因素，選擇合適的壓裂液類型及添加劑，并精確配比［3］，這些技能難以僅通過(guò)理論教學(xué)獲得。此外，在課堂上難以預(yù)見(jiàn)實(shí)際狀況和問(wèn)題，壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往環(huán)境惡劣，容易發(fā)生突發(fā)情況，需要工作人員依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和臨場(chǎng)應(yīng)變能力迅速處理。

1.3"水力壓裂內(nèi)容量大且枯燥，難以抓住重點(diǎn)

水力壓裂技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，知識(shí)點(diǎn)的交叉使教學(xué)內(nèi)容繁雜，學(xué)生難以理清頭緒。實(shí)施過(guò)程中包括大量技術(shù)細(xì)節(jié)，如配置壓裂液、選擇壓裂設(shè)備及設(shè)置施工工藝參數(shù)等，這些細(xì)節(jié)在教學(xué)中會(huì)占據(jù)較多篇幅，導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生可能在課堂上理解了壓裂的基本原理，但在實(shí)際操作中無(wú)法應(yīng)用理論知識(shí)［4］。水力壓裂過(guò)程中需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理與分析，如井下壓力、溫度、流量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與記錄，處理數(shù)據(jù)需要借助專業(yè)軟件和工具［5］，學(xué)生在沒(méi)有實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的情況下，很難直觀理解數(shù)據(jù)背后的意義。

1.4"有關(guān)壓裂設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)不易掌握

壓裂設(shè)計(jì)是水力壓裂技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及多個(gè)復(fù)雜計(jì)算和技術(shù)參數(shù)，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感到困難，不易掌握。學(xué)習(xí)壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生往往缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際案例的引導(dǎo)，該知識(shí)體系龐大，內(nèi)容繁雜，在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)從下手。理論的計(jì)算公式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在實(shí)際操作中可能因多種因素而變化［6］，導(dǎo)致學(xué)生面對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)，不能靈活運(yùn)用課堂知識(shí)。該部分涉及大量專業(yè)術(shù)語(yǔ)，對(duì)于初學(xué)者而言，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，增加了學(xué)生認(rèn)知負(fù)擔(dān)。很多時(shí)候，教師在授課時(shí)的講解無(wú)法及時(shí)與行業(yè)最新動(dòng)態(tài)同步，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法理解理論與實(shí)踐的結(jié)合，增加了學(xué)習(xí)難度。

2"“水力壓裂理論與技術(shù)”課程改革與探索

“水力壓裂理論與技術(shù)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題不可避免，因此針對(duì)上述問(wèn)題提出下列對(duì)應(yīng)方案（下圖），以提升學(xué)生對(duì)水力壓裂技術(shù)的認(rèn)知與掌握程度，達(dá)到學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際結(jié)合的目的。

“水力壓裂理論與技術(shù)”教學(xué)探索方案圖

2.1"用美國(guó)頁(yè)巖氣革命引入水力壓裂的發(fā)展、非常規(guī)油氣的意義，體現(xiàn)其重要性

水力壓裂最初是在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的，主要用于常規(guī)油氣藏的增產(chǎn)作業(yè)。然而，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，特別是在21世紀(jì)初，水力壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展。通過(guò)與水平鉆井技術(shù)結(jié)合，水力壓裂能有效開(kāi)發(fā)原本難以開(kāi)采的頁(yè)巖氣藏。而美國(guó)擁有豐富的頁(yè)巖氣資源，水力壓裂技術(shù)普及使得這些資源得以開(kāi)發(fā)，迅速釋放出之前認(rèn)為無(wú)法經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的天然氣。因此，水力壓裂技術(shù)的引入與發(fā)展，極大地推動(dòng)了美國(guó)頁(yè)巖氣革命，使得這一非常規(guī)能源資源開(kāi)發(fā)成為可能，進(jìn)而改變了美國(guó)能源格局。

深入了解頁(yè)巖氣革命和非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)后，不難發(fā)現(xiàn)水力壓裂技術(shù)不僅是頁(yè)巖氣開(kāi)采的技術(shù)基礎(chǔ)，更是推動(dòng)全球能源轉(zhuǎn)型的重要?jiǎng)恿Γ粌H改變了世界能源格局，更讓我們看到科技的力量，推動(dòng)能源革命。由此，教師通過(guò)科普美國(guó)頁(yè)巖氣革命的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生對(duì)水力壓裂技術(shù)有更深刻的理解，激發(fā)他們學(xué)習(xí)該課程的興趣。通過(guò)結(jié)合實(shí)際案例，學(xué)生認(rèn)識(shí)到水力壓裂技術(shù)不僅是理論上的突破，更是實(shí)踐中的創(chuàng)新，從而增強(qiáng)他們對(duì)石油工程專業(yè)的認(rèn)同感和使命感。

2.2"播放視頻，遠(yuǎn)程溝通，引入理論知識(shí)

如今，大多實(shí)用性強(qiáng)的課程都強(qiáng)調(diào)營(yíng)造互動(dòng)與實(shí)踐的教學(xué)環(huán)境，通過(guò)引入先進(jìn)技術(shù)手段增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，而不只是靠教師講解把知識(shí)機(jī)械地傳遞給學(xué)生。水力壓裂內(nèi)容教學(xué)過(guò)程中，教師在課堂上播放相關(guān)視頻能直觀地展示水力壓裂的流程和細(xì)節(jié)，讓學(xué)生直觀感受到井場(chǎng)環(huán)境和設(shè)備，從而深刻理解理論知識(shí)。視頻內(nèi)容包括從設(shè)備運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)布置到壓裂液注入、監(jiān)測(cè)反饋的全過(guò)程，這種細(xì)致入微的展示使學(xué)生能夠更好地理解理論知識(shí)背后的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，特別是一些技術(shù)難點(diǎn)和工藝細(xì)節(jié)。通過(guò)播放高質(zhì)量的視頻資料，課堂變得更加生動(dòng)活潑，提高學(xué)生的參與度。學(xué)生看完行業(yè)內(nèi)部視頻，有助于他們直觀地接觸到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的最新技術(shù)和工藝，這樣更貼近實(shí)際。

同時(shí)，教師安排學(xué)生與現(xiàn)場(chǎng)施工人員視頻連線，一方面，可以實(shí)時(shí)問(wèn)答，迅速解決學(xué)生在觀看視頻時(shí)產(chǎn)生的疑問(wèn)，提高課堂專注度；另一方面，施工人員的專業(yè)解答可以為學(xué)生提供直接、準(zhǔn)確的反饋，加深對(duì)技術(shù)和工藝的理解。例如，某些設(shè)備的具體操作原理、施工中可能遇到的問(wèn)題以及行業(yè)的最新技術(shù)發(fā)展，施工人員都能提供精準(zhǔn)的解答。通過(guò)這種直接溝通的方式，引入實(shí)際工程中的真實(shí)案例，使教學(xué)更加貼近實(shí)際，并豐富課堂內(nèi)容，教師在一旁輔助講解其中技術(shù)細(xì)節(jié)，將書本知識(shí)與實(shí)際操作緊密聯(lián)系起來(lái)，形成系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

2.3"教師整合知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生探索討論，課堂課后相結(jié)合

對(duì)于水力壓裂這一技術(shù)性較強(qiáng)的課程，教師可以將重點(diǎn)知識(shí)凝練整合，并以作業(yè)的形式讓學(xué)生自主探索討論，實(shí)現(xiàn)課堂課后有機(jī)結(jié)合，從而提升教學(xué)效果，形成一種在教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和批判性思維。從水力壓裂技術(shù)的核心內(nèi)容著手，包括理論基礎(chǔ)、技術(shù)流程及設(shè)備與材料等方面。其中，理論基礎(chǔ)要求學(xué)生了解巖石力學(xué)、孔隙介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)等，技術(shù)流程重點(diǎn)掌握壓裂設(shè)計(jì)、壓裂液注入及裂縫擴(kuò)展監(jiān)測(cè)等［7］，設(shè)備與材料需要學(xué)生明白壓裂泵車、支撐劑、化學(xué)添加劑等組成和應(yīng)用。

教師將上述關(guān)鍵概念和原理制作成思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生理清思路，理解各知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。為了讓學(xué)生更好地掌握該課程，教師在每次授課前，布置相關(guān)預(yù)習(xí)作業(yè)，如閱讀指定章節(jié)、觀看相關(guān)視頻、思考特定問(wèn)題等。課后，通過(guò)作業(yè)來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生掌握情況，要求學(xué)生按照指定主題，以小組為單位，進(jìn)行匯報(bào)和討論、交流學(xué)習(xí)心得和研究成果，鍛煉學(xué)生自主探索能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。在匯報(bào)和討論結(jié)束后，教師給出點(diǎn)評(píng)和反饋，指出優(yōu)點(diǎn)和不足，及時(shí)補(bǔ)充，提出改進(jìn)意見(jiàn)。這種即時(shí)反饋機(jī)制有助于學(xué)生及時(shí)糾正錯(cuò)誤，加深學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的記憶。教師通過(guò)凝練水力壓裂重點(diǎn)內(nèi)容，以作業(yè)形式啟發(fā)學(xué)生思考討論，形成一種在教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)模式，它注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和批判性思維，實(shí)現(xiàn)課堂課后相結(jié)合。這種教學(xué)模式不僅能夠提升學(xué)生的學(xué)術(shù)水平，還能培養(yǎng)他們解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為未來(lái)的職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4"教師重點(diǎn)講解，設(shè)計(jì)多樣化作業(yè)

壓裂設(shè)計(jì)是水力壓裂技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅涉及復(fù)雜的理論計(jì)算，還需要考慮實(shí)際工程中的諸多情況。因此，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，理解和掌握這一部分內(nèi)容具有一定的挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往側(cè)重于理論講解，而缺乏實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)，這可能導(dǎo)致學(xué)生難以將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程問(wèn)題相結(jié)合，因此，教師在講解時(shí)要改變傳統(tǒng)模式。壓裂設(shè)計(jì)步驟包括地質(zhì)分析、壓裂模擬及壓裂液選擇等部分，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)之前掌握必要的物理和工程理論知識(shí)。教師可以在課前將該內(nèi)容涉及的巖石力學(xué)、流體力學(xué)、滲流力學(xué)及多相流理論等相關(guān)內(nèi)容整合，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，在上課時(shí)集中解決疑問(wèn)，以便學(xué)生更好地理解壓裂設(shè)計(jì)的內(nèi)容。

壓裂設(shè)計(jì)是通過(guò)地質(zhì)資料了解儲(chǔ)層地質(zhì)特性，使用數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)壓裂液流動(dòng)和裂縫擴(kuò)展規(guī)律，根據(jù)儲(chǔ)層特性選擇合適的壓裂液，并確定其配方，選擇合適的支撐劑并確定其粒徑和添加量，設(shè)計(jì)壓裂施工參數(shù)，如注入壓力、排量、加砂濃度等，評(píng)估壓裂設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。學(xué)生不僅要掌握這些理論知識(shí)，還要靈活運(yùn)用，考慮經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)不同的壓裂方案。這種以項(xiàng)目為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)方式，通過(guò)親自動(dòng)手進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)和模擬，學(xué)生能夠更加深刻地理解壓裂設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和重要性。

教師將學(xué)生分成小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)一個(gè)壓裂設(shè)計(jì)項(xiàng)目，小組成員各自負(fù)責(zé)上述不同的設(shè)計(jì)任務(wù)，在此過(guò)程中通過(guò)討論、分析，最終整合成完整報(bào)告。教師提供壓裂模擬軟件的操作指南［8］，讓學(xué)生通過(guò)軟件進(jìn)行壓裂模擬，要求學(xué)生根據(jù)地質(zhì)資料，進(jìn)行不同壓裂方案模擬，分析效果并撰寫模擬報(bào)告。學(xué)生雖然不能到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，但借助軟件可以讓他們直觀感受到方案的可行性，也方便他們發(fā)現(xiàn)方案中的不足。教師在這一過(guò)程中扮演著引導(dǎo)者和輔導(dǎo)者的角色，及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)和反饋，幫助他們不斷提升設(shè)計(jì)能力和技術(shù)水平。

3"結(jié)論

“水力壓裂理論與技術(shù)”是石油工程專業(yè)領(lǐng)域的一門核心課程。本文探討了當(dāng)前水力壓裂教學(xué)中存在的問(wèn)題，針對(duì)性地提出一系列改革與探索措施，強(qiáng)調(diào)以實(shí)踐為導(dǎo)向，從實(shí)際出發(fā)。隨著科技的不斷進(jìn)步和能源行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，“水力壓裂理論與技術(shù)”的教學(xué)需要不斷深化和完善。教師需要不斷更新教學(xué)內(nèi)容和方法，緊跟行業(yè)前沿動(dòng)態(tài)，確保學(xué)生能夠掌握最新的技術(shù)和理論。

“水力壓裂理論與技術(shù)”的教學(xué)改革與創(chuàng)新是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程。學(xué)生在上課時(shí)緊跟教師節(jié)奏，認(rèn)真聽(tīng)講，課后及時(shí)完成作業(yè)；學(xué)校和教師始終堅(jiān)持以學(xué)生為中心，以實(shí)踐為導(dǎo)向，不斷探索和嘗試新的教學(xué)方法與手段。在教師的精心指導(dǎo)和學(xué)生的積極配合下，一定會(huì)涌現(xiàn)出更多具備扎實(shí)理論基礎(chǔ)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才，為我國(guó)能源安全和可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

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基金項(xiàng)目：常州大學(xué)研究生優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)項(xiàng)目——高等油氣藏工程（QZX24020462）；常州大學(xué)2023年校級(jí)教育教學(xué)研究課題——“新工科”及“雙碳”背景下的多學(xué)科交叉融合人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐（GJY23020028）；2023年常州大學(xué)研究生課程思政示范課程——高等油氣藏工程（QZX23020528）；2024年常州大學(xué)課程思政示范課程——石油工程概論（QZX24020433）

作者簡(jiǎn)介：吳小軍（1991—"），男，漢族，江蘇泰州人，博士，講師，研究方向：油氣田開(kāi)發(fā)。

*通信作者：竇祥驥（1990—"），男，漢族，安徽滁州人，博士，副教授，研究方向：油氣田開(kāi)發(fā)。