基于刊教融合的“應(yīng)用固體力學(xué)”教學(xué)方法與實(shí)踐

李世遠(yuǎn) 劉福江 馬桂霞 董雪林 王宴濱

[摘 要] 通過(guò)討論如何在石油天然氣工程研究生的“應(yīng)用固體力學(xué)”課程教學(xué)中運(yùn)用科研期刊資源，進(jìn)而拓展研究生對(duì)“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中重要概念的認(rèn)知理解。以《石油科學(xué)通報(bào)》為例，綜述性論文和實(shí)例研究論文的引入，有助于學(xué)生增強(qiáng)對(duì)抽象概念的理解，特別是如何將其應(yīng)用于石油工程問(wèn)題。培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)及解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)有助于增加課程的實(shí)用性、創(chuàng)新性及趣味性。

[關(guān)鍵詞] 期刊資源；應(yīng)用固體力學(xué)；刊教融合；工程問(wèn)題

[基金項(xiàng)目] 2020年度中國(guó)石油大學(xué)（北京）研究生教育質(zhì)量與創(chuàng)新工程項(xiàng)目“基于科教融合與刊教融合的‘應(yīng)用固體力學(xué)’課程建設(shè)”（yjs2020024）；2019年度中國(guó)石油大學(xué)（北京）研究生精品示范課程建設(shè)項(xiàng)目“應(yīng)用彈塑性力學(xué)”（ypk201903）

[作者簡(jiǎn)介] 李世遠(yuǎn)（1983—），男，上海人，地質(zhì)力學(xué)博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院副教授，主要從事石油工程巖石力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)等研究。

[中圖分類號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）06-0117-04 [收稿日期] 2021-06-24

引言

應(yīng)用固體力學(xué)是以固體材料或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變理論及在工程中的應(yīng)用為主要對(duì)象的一門基礎(chǔ)性、實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科，在石油工程、航天航空工程、船舶與海洋工程、汽車工程、電力工程等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)為在強(qiáng)化固體材料/結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變理論基礎(chǔ)的同時(shí)，關(guān)注彈性力學(xué)模型的建立、分析與應(yīng)用，并進(jìn)一步建立塑性理論分析[1]。在深度和廣度上力求體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)發(fā)展的前沿，使研究生掌握彈性理論專門知識(shí)，了解塑性理論的思想和方法，并著重在基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用兩方面進(jìn)行科研能力的培養(yǎng)，使研究生能夠進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)彈塑性安全評(píng)價(jià)與穩(wěn)定性分析。作為研究型大學(xué)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）主辦的期刊《石油科學(xué)通報(bào)》，出版單位為清華大學(xué)出版社有限公司。主要發(fā)表石油地質(zhì)、石油地球物理、石油工程、石油機(jī)械、石油化工、石油經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域的新思想與新成果，綜合反映石油自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)多學(xué)科交叉基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，為石油科學(xué)研究者提供高水平的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。如何在石油天然氣工程研究生“應(yīng)用固體力學(xué)”課程教學(xué)中運(yùn)用《石油科學(xué)通報(bào)》科研期刊資源，拓展研究生對(duì)“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中重要概念的認(rèn)知理解；如何結(jié)合研究型大學(xué)期刊資源，探索出一條“刊教融合”的創(chuàng)新式教學(xué)方法，是本課程的新探索和新實(shí)踐。

一、《石油科學(xué)通報(bào)》期刊資源在教學(xué)中的應(yīng)用

推動(dòng)期刊與人才培養(yǎng)的結(jié)合，如何形成具體的“刊教融合”研究生培養(yǎng)模式，是本課程教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的重要內(nèi)容?！妒涂茖W(xué)通報(bào)》期刊文章包括兩種類型：一種是綜述性論文，一種是研究性論文。就教學(xué)素材而言，《石油科學(xué)通報(bào)》中相當(dāng)比例的論文是石油工程領(lǐng)域論文，石油工程領(lǐng)域論文中相當(dāng)比例涉及油氣井和油氣田開(kāi)發(fā)工程中與固體力學(xué)結(jié)合的研究。尤其是《石油科學(xué)通報(bào)》中不乏油氣領(lǐng)域兩院院士、中石油、中石化和中海油的一級(jí)專家等親自撰寫的綜述性論文，也有包括課程團(tuán)隊(duì)教師在內(nèi)的青年教師的科研論文。這都是課程學(xué)習(xí)的生動(dòng)素材和案例來(lái)源，是課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展課程教學(xué)的重要支撐資料。就教學(xué)方法而言，通過(guò)以《石油科學(xué)通報(bào)》為主要參考，引導(dǎo)研究生主動(dòng)學(xué)會(huì)科技論文的查詢、檢索，并在科技論文中找到“養(yǎng)分”，為后續(xù)論文撰寫打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，把研究生培養(yǎng)成忠實(shí)的期刊讀者和潛在的期刊投稿群體。就教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)而言，可以通過(guò)布置幾篇典型論文的閱讀，開(kāi)展課堂內(nèi)討論或者課堂外研究報(bào)告。總之，通過(guò)“應(yīng)用固體力學(xué)”課程建設(shè)，結(jié)合《石油科學(xué)通報(bào)》的有利資源，率先在學(xué)校實(shí)踐“刊教融合”的理念，探索期刊與育人相結(jié)合的研究生培養(yǎng)模式。

二、《石油科學(xué)通報(bào)》中運(yùn)用于課程教學(xué)的實(shí)例

我國(guó)石油資源豐富，目前石油儲(chǔ)量增長(zhǎng)的主要領(lǐng)域在西部和海上。然而隨著油氣田的開(kāi)發(fā)不斷向深地和深水發(fā)展，其存在的力學(xué)問(wèn)題也日益凸顯，急需一批專業(yè)人才來(lái)解決這些問(wèn)題，以提高我國(guó)油氣資源開(kāi)采技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。石油工程及海洋油氣工程領(lǐng)域存在大量管柱結(jié)構(gòu)和巖石地層研究對(duì)象[2-4]，其受力變形行為都可歸結(jié)為固體力學(xué)問(wèn)題，特別是彈塑性力學(xué)問(wèn)題。充分利用《石油科學(xué)通報(bào)》中相關(guān)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容，將石油工程與海洋油氣工程中的固體力學(xué)實(shí)例引入課程教學(xué)，以增加學(xué)生在解決工程實(shí)際問(wèn)題方面的知識(shí)儲(chǔ)備。以下列舉幾個(gè)例子加以說(shuō)明。

實(shí)例1：在石油、天然氣開(kāi)采過(guò)程中鉆桿的拉伸。鉆桿不僅是鉆井液的循環(huán)通道，而且在旋轉(zhuǎn)鉆井中需要傳遞扭矩，承受內(nèi)外壓力、軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種載荷的共同作用，同時(shí)還受到鉆井液、地層水及油氣中腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，在鉆井過(guò)程中常常發(fā)生失效，造成井下事故[5]。當(dāng)前，管柱力學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)是深水鉆桿作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)行為，對(duì)深水鉆井隔水管力學(xué)行為進(jìn)行研究，是深水鉆井研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

《石油科學(xué)通報(bào)》2016年第1期中由中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高德利院士和王宴濱副教授撰寫的論文《深水鉆井管柱力學(xué)與設(shè)計(jì)控制技術(shù)研究新進(jìn)展》，是鉆柱應(yīng)用固體力學(xué)教學(xué)的案例素材[6]。深水鉆井隔水管力學(xué)分析模型如圖1所示。該研究著眼于深水鉆井隔水管的頂張力控制、縱橫彎曲變形、橫向振動(dòng)特性、縱向振動(dòng)特性、耦合振動(dòng)特性及渦激振動(dòng)特性等主要力學(xué)問(wèn)題，從載荷計(jì)算、控制方程、邊界條件及求解方法等方面入手，總結(jié)了深水鉆井隔水管系統(tǒng)在力學(xué)與設(shè)計(jì)控制技術(shù)方面取得的新進(jìn)展，對(duì)目前研究中仍然存在的問(wèn)題進(jìn)行了剖析和探討。這一案例緊密結(jié)合“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中的第三章，即《固體材料變形與應(yīng)變》。在教學(xué)中結(jié)合此案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題研究與應(yīng)用的理解和認(rèn)知。

實(shí)例2：石油套管的彎曲變形。石油套管是用于支撐油、氣井井壁的鋼管，以保證鉆井過(guò)程進(jìn)行和完井后整個(gè)油井的正常運(yùn)行[7]。每一口井根據(jù)不同的鉆井深度和地質(zhì)情況，要使用幾層套管。然而地殼內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)、地層（油層）的非均質(zhì)性、油層傾向、巖石性質(zhì)、地層斷層活動(dòng)、地層腐蝕等將導(dǎo)致井下服役石油套管損壞。套管中的彎曲現(xiàn)象是非常普遍的，可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可以伴隨著變形或錯(cuò)斷一起出現(xiàn)。

《石油科學(xué)通報(bào)》2020年第3期中由中國(guó)石油股份有限公司西南油氣田分公司范宇高工和中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司陳朝偉高工等撰寫的論文《四川頁(yè)巖氣水力壓裂誘發(fā)斷層滑動(dòng)和套管變形風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估》，是套管變形及地層激活方面的教學(xué)案例素材。該研究以四川盆地長(zhǎng)寧—威遠(yuǎn)區(qū)塊H平臺(tái)為實(shí)例研究對(duì)象，旨在厘清套管變形問(wèn)題緣由，探尋解決途徑，觀察該平臺(tái)的套管變形分布情況，識(shí)別斷層產(chǎn)狀，建立地質(zhì)力學(xué)模型，并分析水力壓裂施工下斷層滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)概率[7]?！妒涂茖W(xué)通報(bào)》2017年第4期中由中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院劉偉副教授、鄧金根教授等撰寫的論文《致密油儲(chǔ)層水平井體積壓裂套管變形失效機(jī)理數(shù)值模擬研究》，是另一個(gè)套管變形的典型素材[8]。天然裂縫、小型斷層滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致套管變形的典型工況計(jì)算結(jié)果如圖2所示。這兩個(gè)案例緊密結(jié)合“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中的第四章，即《固體材料的本構(gòu)方程》，涉及巖石和金屬材料屈服準(zhǔn)則。在教學(xué)中結(jié)合這兩個(gè)案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題研究與應(yīng)用的理解和認(rèn)知。

實(shí)例3：鉆柱屈曲主要是指鉆柱的失穩(wěn)，通?？梢苑譃榫植壳c整體屈曲兩種形式。局部屈曲是指在內(nèi)外壓、軸力、沖擊等載荷的作用下產(chǎn)生的局部失穩(wěn)形式；整體屈曲又叫歐拉屈曲，即把整個(gè)鉆柱看成歐拉桿，在軸向力作用下發(fā)生的失穩(wěn)形式。按屈曲的方向，分成側(cè)向屈曲與垂向屈曲（隆起屈曲）兩種形式。隆起屈曲屬于整體屈曲，當(dāng)鉆柱發(fā)生隆起屈曲時(shí)，鉆柱會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩以及較大的塑性變形，甚至可能進(jìn)一步出現(xiàn)裂紋、疲勞、局部屈曲。

《石油科學(xué)通報(bào)》2020年第1期中由中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃文君副教授和高德利院士等撰寫的論文《大位移井規(guī)律性阻卡力學(xué)機(jī)理與控制措施研究》，是鉆柱受扭和屈曲變形的教學(xué)案例素材[9]。鉆柱接頭在裸眼鍵槽中的示意圖如圖3所示。該研究以南海大位移井鉆柱規(guī)律性阻卡為實(shí)例研究對(duì)象，旨在揭示大位移井規(guī)律性阻卡的力學(xué)機(jī)理并建立控制措施。這一案例緊密結(jié)合“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中的第二章，即《應(yīng)力分析及平衡方程》。在教學(xué)中結(jié)合此案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題研究與應(yīng)用的理解和認(rèn)知。

實(shí)例4：壓裂過(guò)程中水泥環(huán)完整性分析。頁(yè)巖氣井工程實(shí)踐表明，套管壓裂易導(dǎo)致水泥環(huán)完整性破壞。壓裂過(guò)程中容易造成水泥環(huán)的破壞，從固體力學(xué)特別是彈塑性平面問(wèn)題給予求解。

《石油科學(xué)通報(bào)》2010年第4期中由中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院李軍教授和柳貢慧教授等撰寫的論文《頁(yè)巖氣水平井壓裂過(guò)程中水泥環(huán)完整性分析》，是水泥環(huán)彈塑性力學(xué)問(wèn)題的教學(xué)案例素材[10]。該研究以西南油氣田頁(yè)巖氣井工程套管壓裂及水泥環(huán)完整性分析為實(shí)例研究對(duì)象，旨在建立合理的力學(xué)模型描述壓裂工程實(shí)際產(chǎn)生的溫度-應(yīng)力耦合作用下水泥環(huán)力學(xué)行為。這一案例緊密結(jié)合“應(yīng)用固體力學(xué)”課程中的第五章，即《彈塑性平面問(wèn)題解法》。在教學(xué)中結(jié)合此案例，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程問(wèn)題研究與應(yīng)用的理解和認(rèn)知。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，“刊教融合”是石油與天然氣工程研究生“應(yīng)用固體力學(xué)”課程的創(chuàng)新方法，也是研究生教育人才培養(yǎng)和科研期刊資源相結(jié)合的新型模式探究。本課程選取《石油科學(xué)通報(bào)》中的相關(guān)綜述性或研究性論文，結(jié)合到課程教學(xué)之中，努力實(shí)現(xiàn)科研素材、期刊素材與課程內(nèi)容的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。課程改革需要任課教師精通課程內(nèi)容，包括每章節(jié)的思想體系和精華，把握科研素材和期刊素材選擇的科學(xué)性、合理性和協(xié)調(diào)性，力求達(dá)到有機(jī)融合的良好效果。

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On the Teaching Methods and Teaching Practice of Applied Solid Mechanics Course Based on the Integration of Periodical Resources and Teaching

LI Shi-yuana， LIU Fu-jianga， MA Gui-xiab， DONG Xue-lina， WANG Yan-bina

（a. College of Petroleum Engineering， b. Periodical Office， China University of Petroleum〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： This paper mainly discusses how to use scientific research periodical resources in the teaching of Applied Solid Mechanics course for graduate students of petroleum and natural gas engineering， so as to expand graduate students’ cognition and understanding of the important concepts in the course. Taking Petroleum Science Bulletin as an example， the introduction of review papers and case study papers can help students enhance their understanding of abstract concepts， especially how to apply them to petroleum engineering problems. Cultivating students’ engineering awareness and ability to solve practical engineering problems can help students meet the training goal of cultivating compound innovative talents. At the same time it helps to increase the practicality， innovation and interest of the course.

Key words： periodical resources； Applied Solid Mechanics； integration of periodical resources and teaching； engineering problems

3769500589264