MATLAB軟件在地球物理測(cè)井教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：測(cè)井是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，傳統(tǒng)的測(cè)井教學(xué)以教師講授為主，這在很大程度上限制了本門課程的教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)這一情況，筆者將MATLAB軟件引入測(cè)井教學(xué)之中，收獲了很好的效果。

關(guān)鍵詞：地球物理測(cè)井；MATLAB；教學(xué)研究

地球物理學(xué)是利用各種物理學(xué)原理研究地球及地球內(nèi)部礦藏資源的綜合性學(xué)科。該學(xué)科下轄多門課程，地球物理測(cè)井則是其中之一。地球物理測(cè)井，簡(jiǎn)稱測(cè)井，是用各種專門的儀器設(shè)備沿井身測(cè)量井剖面上巖層的各種地球物理參數(shù)，以此研究巖層及有關(guān)工程問題的方法。在進(jìn)行測(cè)井課程的教學(xué)過程中，需要將數(shù)學(xué)、物理學(xué)及地質(zhì)學(xué)相關(guān)知識(shí)相結(jié)合，計(jì)算相關(guān)地層參數(shù)。但是，單純讓學(xué)生進(jìn)行紙面上的計(jì)算極易產(chǎn)生一種現(xiàn)象：高分低能。也就是說，學(xué)生在處理問題的時(shí)候，只會(huì)套公式，而對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)的處理流程一知半解，難以在實(shí)踐中應(yīng)用所學(xué)到的東西。本文針對(duì)這一情況，提出將MATLAB軟件融入測(cè)井教學(xué)，一方面使學(xué)生對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理的流程有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)；另一方面激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的編程能力，從而使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)際相結(jié)合，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)綜合能力的目的。

一、傳統(tǒng)的測(cè)井教學(xué)存在的問題

首先，傳統(tǒng)的教學(xué)以教師講授為主，這樣的教學(xué)方式只能把相關(guān)理論簡(jiǎn)單灌輸給學(xué)生，難以使學(xué)生對(duì)該理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有清晰的認(rèn)識(shí)。

其次，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)具有一定的特殊性。在采集的時(shí)候，由絞車將儀器吊入井下，然后一邊向上拉，一邊測(cè)量。因此，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是在一定深度范圍內(nèi)通過連續(xù)測(cè)量所得到的。在教學(xué)過程中，學(xué)生課堂練習(xí)所用到的數(shù)據(jù)往往是單一的，這是因?yàn)榧埫娴挠?jì)算不可能要求太繁瑣；而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)則是大量而連續(xù)的，最終需要得到一條在幾百甚至幾千米深度范圍內(nèi)某項(xiàng)指標(biāo)變化的曲線。這樣一來，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，學(xué)生所掌握的知識(shí)與實(shí)踐中遇到的問題無法很好地銜接起來。

最后，測(cè)井各種指標(biāo)的定量計(jì)算公式往往包含很多參數(shù)，而不同的地質(zhì)條件對(duì)不同的參數(shù)有不同的影響，從而最終對(duì)各指標(biāo)產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的教學(xué)方式，只能讓學(xué)生對(duì)這些影響死記硬背，而不能讓學(xué)生親自探究。

部分學(xué)校在進(jìn)行測(cè)井課程教學(xué)時(shí)，教師會(huì)對(duì)目前的一些測(cè)井商業(yè)軟件進(jìn)行演示，讓學(xué)生親手操作。這樣的教學(xué)方式在一定程度上對(duì)上述三個(gè)問題的解決有一定的推動(dòng)作用，可以使學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理流程有一定的了解。但是，一般的測(cè)井軟件在操作時(shí)都是這樣一種形式：輸入→輸出，即輸入數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果。這樣的形式對(duì)實(shí)際生產(chǎn)很有好處，但對(duì)教學(xué)來說就存在一定的問題。學(xué)生只能看到輸入的數(shù)據(jù)和輸出的結(jié)果，而無法知曉數(shù)據(jù)的計(jì)算流程。因此，筆者將MATLAB軟件引入地球物理測(cè)井的教學(xué)工作中。

二、MATLAB軟件

MATLAB是matrix和laboratory的組合，即矩陣實(shí)驗(yàn)室。它是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算，繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)算法，創(chuàng)建用戶界面，連接其他編程語言的程序，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的C語言、FORTRAN語言等，MATLAB程序的編寫更符合數(shù)學(xué)公式的運(yùn)算邏輯，所以也更容易被學(xué)生掌握。地球物理測(cè)井中涉及大量的矩陣計(jì)算及成圖的問題。筆者認(rèn)為，為了使學(xué)生理順測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果三者之間的關(guān)系，將MATLAB軟件引入測(cè)井課堂是非常有必要的。

三、MATLAB軟件引入測(cè)井課堂的應(yīng)用

目前，很多高等院校的理工科專業(yè)都開設(shè)了MATLAB這門課程，但是一般都是教授該軟件的使用方法，很少將其與學(xué)生所學(xué)的其他課程進(jìn)行結(jié)合。而筆者通過與學(xué)生的交流以及個(gè)人的一些體會(huì)，實(shí)踐了一種新的教學(xué)方法：將MATLAB軟件與地球物理測(cè)井課程相結(jié)合。這種結(jié)合并非完全用上機(jī)代替以講授為主的授課方式，而是對(duì)課程中數(shù)學(xué)、物理知識(shí)比較豐富且實(shí)踐性比較強(qiáng)的部分，通過MATLAB軟件以演示和編程的方式進(jìn)行授課。下面以聲波測(cè)井孔隙度計(jì)算為例，對(duì)該方法進(jìn)行闡述。

首先，這一教學(xué)方法可以將MATLAB與測(cè)井兩門課程所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，使學(xué)生將在MATLAB這門課程中所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用在測(cè)井課程的實(shí)踐中。一方面，學(xué)生可以借此機(jī)會(huì)溫習(xí)MATLAB的編程方法；另一方面，通過編程，可以對(duì)聲波測(cè)井孔隙度的計(jì)算原理有一個(gè)更清晰的認(rèn)識(shí)。

其次，MATLAB軟件可以使學(xué)生對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行批量化處理，而非對(duì)單一的數(shù)據(jù)進(jìn)行紙面上的計(jì)算。

聲波測(cè)井的實(shí)際數(shù)據(jù)由深度數(shù)據(jù)和儀器測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)成。傳統(tǒng)的教學(xué)方法要求學(xué)生在練習(xí)時(shí)，選取其中的一個(gè)深度的測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算孔隙度。這樣的練習(xí)存在兩個(gè)問題。第一，無法使學(xué)生了解聲波測(cè)井孔隙度的計(jì)算方式，而只能學(xué)會(huì)類似中學(xué)時(shí)期的紙面計(jì)算的方法。筆者認(rèn)為，這樣無法真正培養(yǎng)出高素質(zhì)的大學(xué)生。第二，利用聲波測(cè)井所計(jì)算出來的某一深度的孔隙度，是由該深度附近地層所決定的，而非簡(jiǎn)單地只由該深度地層決定。因此，單一某一深度的孔隙度計(jì)算結(jié)果對(duì)于聲波測(cè)井工作來說沒有太大的意義，而真正需要的結(jié)果應(yīng)該是孔隙度隨深度變化的曲線。但是由于聲波測(cè)井的數(shù)據(jù)量非常大，這一曲線通過手動(dòng)計(jì)算幾乎是無法完成的。目前，市面上有多種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理的軟件，但是，這類軟件普遍價(jià)格昂貴，而且即使能讓學(xué)生用上這類軟件，也無法真正了解計(jì)算過程，從而使學(xué)生失去了將書本上的理論應(yīng)用于實(shí)踐的機(jī)會(huì)。因此，筆者認(rèn)為，可以將MATLAB軟件引入課堂，通過教師的演示及學(xué)生親手編程，將理論與實(shí)際結(jié)合起來，這樣不但使學(xué)生在編程中掌握了計(jì)算原理，而且提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

最后，通過公式可以看出聲波測(cè)井孔隙度計(jì)算公式涉及很多參數(shù)，當(dāng)這些參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，孔隙度的計(jì)算結(jié)果也會(huì)發(fā)生變化。以巖石骨架的聲波時(shí)差Δtma為例，地層的巖石骨架分別取砂巖、灰?guī)r和白云巖時(shí)，孔隙度計(jì)算結(jié)果會(huì)發(fā)生變化。傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能通過公式分析巖石骨架改變時(shí)孔隙度的變化情況，而不能通過具體的實(shí)例為學(xué)生展示這些變化規(guī)律。若將MATLAB軟件引入測(cè)井課堂，學(xué)生自己對(duì)巖石骨架參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以得到圖1中的a（巖石骨架為砂巖）、b（巖石骨架為灰?guī)r）、c（巖石骨架為白云巖）三幅圖，繼而利用這三幅圖，親自探究巖石骨架的變化對(duì)孔隙度大小的影響規(guī)律。

四、結(jié)論和建議

本文提出了將MATLAB軟件引入地球物理測(cè)井教學(xué)，對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)充和改進(jìn)，解決了傳統(tǒng)測(cè)井教學(xué)中存在的幾個(gè)問題。第一，編程提升了授課質(zhì)量，加深了學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理相關(guān)公式的理解；第二，學(xué)生除了掌握書本上的方法、原理等內(nèi)容以外，還能對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)踐有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)；第三，學(xué)生通過編程自行探索某些測(cè)井參數(shù)隨地質(zhì)條件變化的規(guī)律，提升了自學(xué)和創(chuàng)新能力。但是需要注意的是，地球物理測(cè)井本身才是本門課程的核心。在授課時(shí)，教師應(yīng)更加側(cè)重于應(yīng)用MATLAB軟件解決實(shí)際的測(cè)井問題，提高學(xué)生對(duì)各種原理的認(rèn)識(shí)水平，而不是以練習(xí)編程為核心。在接下來的教學(xué)工作中，筆者還會(huì)對(duì)該教學(xué)方法進(jìn)行探索和優(yōu)化，進(jìn)一步提高測(cè)井課程的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的聽課效果。

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