“巖石力學(xué)”課程科研

許成元 佘繼平 張浩

[摘 要]如何處理好科研與教學(xué)的關(guān)系是每個(gè)高校教師都要面臨的問題。利用科研過程中面臨的現(xiàn)場(chǎng)工程問題，形成經(jīng)典教學(xué)案例，提高課程教學(xué)的生動(dòng)性和啟發(fā)性，既培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，又能在教學(xué)的過程中加深對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)問題的思考。該文基于科研—教學(xué)一體化思想，提出了面向石油工程專業(yè)學(xué)生巖石力學(xué)課程的案例教學(xué)改革對(duì)策，指出經(jīng)典案例選取和探討式教學(xué)是巖石力學(xué)課程案例教學(xué)改革需要重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)方面。油氣勘探開發(fā)中的井壁穩(wěn)定、井漏和儲(chǔ)層損害等復(fù)雜工程問題可作為經(jīng)典案例選取的對(duì)象。

[關(guān)鍵詞]科研—教學(xué)一體化;巖石力學(xué);案例教學(xué);復(fù)雜工程問題;探討式教學(xué)

[基金項(xiàng)目]2018年度西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院教改項(xiàng)目“提高學(xué)生解決石油工程復(fù)雜巖石力學(xué)問題能力的案例教學(xué)探索與實(shí)踐”;2018年度西南石油大學(xué)教改項(xiàng)目“探討式‘保護(hù)儲(chǔ)層技術(shù)案例教學(xué)探索與實(shí)踐”（X2018KZ071）;2018年度西南石油大學(xué)教改項(xiàng)目“科研成果深度融入工科專業(yè)課程教學(xué)的研究與實(shí)踐”（X2018JGZDI002）

[作者簡(jiǎn)介]許成元（1988—），男，河北滄州人，工學(xué)博士，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院副教授，主要從事儲(chǔ)層保護(hù)理論與技術(shù)、工作液漏失控制、顆粒物質(zhì)力學(xué)與顆粒流領(lǐng)域的教學(xué)與研究;佘繼平（1986—），男，四川通江人，工學(xué)博士，成都理工大學(xué)能源學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事油氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究;張 浩（1976—），男（土家族），湖南永順人，工學(xué)博士，成都理工大學(xué)能源學(xué)院石油工程系副主任，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）28-0165-02[收稿日期] 2020-04-09

一、引言

絕大多數(shù)的高校教師在科研和教學(xué)實(shí)踐過程中具有雙重身份，一是以產(chǎn)出科研成果為標(biāo)志的學(xué)者，二是以教書育人、傳道授業(yè)解惑為特征的師者[1]。但目前高校普遍出現(xiàn)了重科研、輕教學(xué)的現(xiàn)象，如何處理好這兩個(gè)身份之間的關(guān)系，是每個(gè)教師都要面臨的問題[2]。科研—教學(xué)一體化思想為解決這一問題提供了很好的思路。利用科研過程中面臨的現(xiàn)場(chǎng)工程問題，形成經(jīng)典教學(xué)案例，提高課程教學(xué)的生動(dòng)性和啟發(fā)性，既培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，又能在教學(xué)過程中使學(xué)生加深對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)問題的思考[3]?；诳蒲小虒W(xué)一體化的思想，提出了面向石油工程專業(yè)學(xué)生巖石力學(xué)課程的案例教學(xué)改革對(duì)策。

二、巖石力學(xué)課程案例教學(xué)改革對(duì)策

巖石力學(xué)是石油工程專業(yè)的一門應(yīng)用基礎(chǔ)課程。隨著油氣工業(yè)面向?qū)ο笤絹?lái)越復(fù)雜（由淺層、中深層逐漸走向深層，從常規(guī)油氣資源到非常規(guī)油氣資源），地層的巖石力學(xué)特性已成為安全高效開發(fā)油氣資源必須考慮的重要方面，成為井眼軌跡優(yōu)化、鉆井方式優(yōu)選、鉆井井壁穩(wěn)定技術(shù)、完井方式及完井管柱優(yōu)化、儲(chǔ)層壓裂改造等工程技術(shù)建立的基礎(chǔ)及復(fù)雜油氣藏開發(fā)方案編制的重要依據(jù)，其應(yīng)用貫穿油氣田開發(fā)的全部過程。同時(shí)，對(duì)石油工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說，巖石力學(xué)知識(shí)是其學(xué)習(xí)后繼鉆井與完井工程、采油工程、油藏工程、氣藏工程等專業(yè)主干課程必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)。

由于巖石力學(xué)研究對(duì)象、研究?jī)?nèi)容的復(fù)雜性，作為石油工程專業(yè)本科生培養(yǎng)體系中的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，根據(jù)課堂教學(xué)時(shí)數(shù)要求，本課程教學(xué)將緊密結(jié)合后繼課程的教學(xué)內(nèi)容需要及油氣工業(yè)巖石力學(xué)的特殊性，以巖石力學(xué)的基本概念、基本理論、基本方法和基本原理為講授重點(diǎn)，以直井井眼穩(wěn)定性等石油工程巖石力學(xué)的典型應(yīng)用為依托，深入淺出地系統(tǒng)介紹巖石力學(xué)理論、原理、方法及基本參數(shù)等在石油工程中的應(yīng)用。理論與應(yīng)用相結(jié)合，逐步培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用石油工程巖石力學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力，以及以此為基礎(chǔ)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)獲取新知識(shí)的能力。通過本課程的教學(xué)，使學(xué)生達(dá)到以下課程目標(biāo)：系統(tǒng)地掌握石油工程巖石力學(xué)涉及的重要基本概念、基本理論、基本方法和基本原理，具備石油工程專業(yè)所需的巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí);能夠進(jìn)行深部地層不同巖石的變形、破壞特征的評(píng)價(jià)和分析，并應(yīng)用巖石力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)則、井周應(yīng)力分析等理論識(shí)別、評(píng)價(jià)深部地應(yīng)力、井壁穩(wěn)定等巖石力學(xué)相關(guān)的復(fù)雜石油工程問題;能夠應(yīng)用巖石力學(xué)專業(yè)知識(shí)、原理對(duì)石油工程復(fù)雜問題開展專業(yè)研究，包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算。經(jīng)典案例選取和探討式教學(xué)是巖石力學(xué)課程案例教學(xué)改革需要重要關(guān)注的兩個(gè)方面。

根據(jù)科研過程中面對(duì)的實(shí)際工程問題，巖石力學(xué)課程案例可以從以下幾個(gè)方面選取經(jīng)典案例。

（一）經(jīng)典案例選取

1.井壁失穩(wěn)問題。約90%的井壁失穩(wěn)發(fā)生在深部硬脆性泥頁(yè)巖地層，在鉆井過程中極易發(fā)生掉塊、井塌等井下復(fù)雜情況，導(dǎo)致卡鉆、掩埋鉆具、井徑擴(kuò)大等，是影響高效鉆井的重要因素。深部泥頁(yè)巖地層具有高地應(yīng)力、強(qiáng)水敏、裂隙發(fā)育及地層壓力系統(tǒng)復(fù)雜等特征。2006—2009年，塔里木盆地某地區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，因?yàn)榫矎?fù)雜引起的鉆井復(fù)雜情況占75%，其中因泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)而發(fā)生的掉塊、卡鉆事故頻率達(dá)到38%，造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。井壁失穩(wěn)問題是一個(gè)典型的石油工程巖石力學(xué)問題，是巖石剪切破壞在井壁地層的體現(xiàn)。通過井壁失穩(wěn)工程案例，既能進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)巖石強(qiáng)度、破壞準(zhǔn)則、地應(yīng)力等基本概念的掌握程度，又能提高學(xué)生對(duì)坍塌壓力、安全鉆井液密度窗口等工程概念的理解。

2.井漏問題。井漏問題一直是困擾國(guó)內(nèi)外石油勘探、開發(fā)的重大工程技術(shù)難題。井漏的危害包括：增加非生產(chǎn)時(shí)間，延長(zhǎng)建井周期，嚴(yán)重影響勘探開發(fā)進(jìn)程;消耗大量堵漏和鉆井液材料，造成重大經(jīng)濟(jì)損失;引發(fā)卡鉆和井噴等嚴(yán)重安全事故，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。羅家2井噴、漏同層，漏失13000m3鉆井液并與鄰井發(fā)生竄流，導(dǎo)致井下井噴和地表地層破裂，距井口4.5km內(nèi)出現(xiàn)多處氣/液竄出地面，并出現(xiàn)滑坡跡象。井漏在中國(guó)各油氣產(chǎn)區(qū)普遍存在，尤其是川渝頁(yè)巖氣、塔里木庫(kù)車山前、準(zhǔn)噶爾南緣及海外中東中亞等主力增儲(chǔ)上產(chǎn)區(qū)域，裂縫性地層發(fā)育，惡性漏失頻發(fā)，國(guó)內(nèi)外技術(shù)均難以解決。井漏問題也是一個(gè)典型的巖石力學(xué)問題，井漏按成因類型可分為誘導(dǎo)破裂型漏失、裂縫擴(kuò)展延伸型漏失和大中裂縫型漏失，其中誘導(dǎo)破裂型漏失是巖石張性破壞在井壁地層的體現(xiàn)。根據(jù)井漏問題工程案例，可進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)巖石強(qiáng)度、破壞準(zhǔn)則、應(yīng)力強(qiáng)度因子、地應(yīng)力等基本概念的掌握程度，又能加深學(xué)生對(duì)破裂壓力、鉆井液密度、地層壓力等工程概念的理解。

3.儲(chǔ)層損害問題。儲(chǔ)層保護(hù)是保障油氣資源被及時(shí)發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和高效開發(fā)的重要技術(shù)之一。在不同鉆井作業(yè)條件下，會(huì)涉及不同的損害方式。氮?dú)忏@開條件下：應(yīng)力敏感損害、巖爆損害、油相圈閉損害，干濕交替（鉆遇水層、壓井、轉(zhuǎn)換完井液）致液相圈閉損害，壓井及完井液轉(zhuǎn)換漏失損害，酸敏損害、液相圈閉損害。水基液鉆開條件下：水相圈閉損害、流體敏感性損害，完井液漏失損害，壓裂水相圈閉損害。油基液鉆開條件下：油相圈閉損害，油基完井液漏失損害，壓裂水相圈閉損害。通過儲(chǔ)層損害問題的經(jīng)典案例，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)粘土礦物、巖石水理性、蠕變等基本概念的掌握。

（二）采用探討式教學(xué)模式

改進(jìn)傳統(tǒng)“教師講、學(xué)生聽”的教學(xué)模式，通過與學(xué)生溝通、交流、探討工程案例，增強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，通過經(jīng)典案例提高學(xué)生興趣。解決復(fù)雜工程問題能力是石油工程專業(yè)本科生培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一。巖石力學(xué)問題是石油工程專業(yè)學(xué)生走上工作崗位后所要面臨的主要工程問題之一。石油工程巖石力學(xué)課程涉及學(xué)科廣、理論性強(qiáng)，目前該課程面臨教學(xué)課時(shí)減少與教學(xué)內(nèi)容增多的矛盾;教學(xué)課件陳舊，缺乏生動(dòng)性;教學(xué)模式單一，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差。工程案例剖析是掌握理論知識(shí)最有效的途徑，通過引入科研實(shí)踐中的經(jīng)典巖石力學(xué)案例，增強(qiáng)本科生跨學(xué)科解決石油工程問題的能力。采用探討式教學(xué)方式，通過探討工程案例教學(xué)效果，進(jìn)而在案例的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案上不斷完善。

三、結(jié)語(yǔ)

本文從經(jīng)典案例選取和探討式教學(xué)兩個(gè)方面入手，簡(jiǎn)述了如何在巖石力學(xué)這門課程中進(jìn)行案例教學(xué)改革，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，可以為其他課程教學(xué)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]魏濤.科研反哺教學(xué)，教學(xué)也可以反哺科研[J].科技風(fēng)，2020， （10）：31-32.

[2]劉倩，董愛琴，戴潤(rùn)英，等.構(gòu)建理論、實(shí)踐與科研一體化教學(xué)模式的措施[J].教育教學(xué)論壇，2019，（39）：180-181.

[3]羅平亞，趙敏，張開洪，等.“保護(hù)油氣層技術(shù)”繼續(xù)工程教育[J].石油教育，1996，50（7）：5-7+39.

Case Teaching Reform of Rock Mechanics Course Based on the Integration of

Scientific Research and Teaching

XU Cheng-yuan1， SHE Ji-ping2， ZHANG Hao2

（1. School of Oil and Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China;2.College of Energy， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059， China）

Abstract： How to deal with the relationship between scientific research and teaching is a problem that every university teacher must face. Use the field engineering problems faced in the scientific research process to form classic teaching cases， improving the vividness and enlightenment of the course teaching， cultivating the students' ability to solve complex engineering problems， deepening the thinking of basic science problems in the teaching process. Based on the integration of scientific research and teaching， this paper proposes countermeasures for case teaching reform of Rock Mechanics course for petroleum engineering students. It points out that classic case selection and exploratory teaching are two aspects that need to be focused on in case teaching reform. Complex engineering problems such as wellbore stability， lost circulation， and reservoir damage in oil and gas exploration and development can be selected as classic cases.

Key words： research-teaching integration; Rock Mechanics; case teaching; complex engineering problems; exploratory teaching