基于典型案例的測井儀器課程教學(xué)改革探析

盧俊強(qiáng),門百永,柯式鎮(zhèn),王 兵,謝然紅

［中國石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院,北京,102249]

一、引言

測井被譽(yù)為“地質(zhì)家的眼睛”,是一種現(xiàn)代地下勘探與資源開發(fā)的重要地球物理技術(shù)。在石油探測領(lǐng)域,地球物理測井又被稱為“油礦地球物理”或者“礦場地球物理”,簡稱“測井”。［1］在石油天然氣勘探開發(fā)的油氣井未下套管之前、油氣井下完套管進(jìn)行固井之后以及油氣井開發(fā)的整個周期,都要開展不同目的的測井作業(yè)。在此過程中,測井儀器是重要的作業(yè)工具,在一定程度上決定了測井作業(yè)的質(zhì)量和測井資料的計算解釋結(jié)果。

測井技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了模擬測井、數(shù)字化測井、數(shù)控測井、成像測井等多個階段。分析各個階段的技術(shù)特征可以看出,測井儀器的技術(shù)發(fā)展特征很大程度上代表了測井技術(shù)的發(fā)展水平。近十年來,隨著國家地球深部探測計劃的落實和逐步推進(jìn)［2-3］,對井下探測儀器提出了更高要求。特別是我國首口萬米深井深地塔科1井正式開鉆,這對地球深部井下探測儀器追求突破和發(fā)展提出了急迫需求。［4］鉆探能力開啟“萬米時代”,高校人才培養(yǎng)要為我國面向深層探測的科學(xué)研究和油氣資源開發(fā)提供重要支持。測井儀器課程肩負(fù)著推進(jìn)目標(biāo)實現(xiàn)的重大使命,課程教學(xué)改革順勢而為。

勘查技術(shù)與工程專業(yè)是中國石油大學(xué)(北京)(以下簡稱我校)在2019年入選的首批國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點之一。測井儀器是為勘查技術(shù)與工程專業(yè)(測井方向)本科生開設(shè)的一門專業(yè)必修課,同時,該課程也是測控技術(shù)與儀器、電子工程等專業(yè)本科生的選修課。測井儀器課程的主要內(nèi)容包括電測井儀器、聲波測井儀器和核測井儀器的使用,通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握測井儀器的基本原理、電路組成框圖和典型單元電路,培養(yǎng)學(xué)生對基本電路圖的閱讀、分析和初步設(shè)計能力,使其能夠適應(yīng)現(xiàn)場測井儀器使用、維護(hù)和開發(fā)的需要。這些內(nèi)容是從事油氣勘探和開發(fā)工作必不可少的專業(yè)技能?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)是我校最早開設(shè)的石油主干專業(yè)之一。測井儀器課程隨著我?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)的建設(shè)得到了長足發(fā)展,目前是我校的本科生院級品牌課程。但課程建設(shè)也面臨新挑戰(zhàn),即課程如何適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)的需求。以往的課程建設(shè)經(jīng)驗表明,深入分析教學(xué)案例是提高測井儀器課程教學(xué)效果的重要措施之一。本研究精選課程教學(xué)中的一個教學(xué)案例作為研究資料,分析課程教學(xué)的改革措施及初步取得的成效。

二、課程教學(xué)存在的問題

(一)知識難度較大影響學(xué)生學(xué)習(xí)動力

測井儀器的研發(fā)水平與測井方法原理、微電子技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、計算機(jī)接口、計算機(jī)軟件等基礎(chǔ)理論和現(xiàn)代IT技術(shù)的進(jìn)步有極大的關(guān)聯(lián),這就要求學(xué)生了解或者掌握測井方法原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微機(jī)原理(計算機(jī)接口)、單片機(jī)原理、程序設(shè)計(C、C++等)、復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)(硬件、嵌入式操作系統(tǒng))、數(shù)字信息傳輸、傳感器原理及應(yīng)用、信號檢測技術(shù)以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等多方面知識。授課教師于2021年秋季學(xué)期面向勘查技術(shù)與工程專業(yè)(測井)的36名學(xué)生開展了問卷調(diào)查。結(jié)果顯示,80%以上的學(xué)生認(rèn)為測井儀器課程難度大,不容易學(xué)好。學(xué)生抱著難以學(xué)好的心理預(yù)期,可能產(chǎn)生“反正學(xué)不好,差不多就行”的心理暗示。學(xué)生的學(xué)習(xí)動力不足,對課程教學(xué)的有效開展造成了無形障礙。

(二)知識內(nèi)容較多要求學(xué)生付出更多時間

測井儀器課程涉及了測井學(xué)科中多種方法,對應(yīng)了多類型儀器,主要包括電流聚焦測井儀器、普通感應(yīng)測井儀器、陣列感應(yīng)測井儀器、井壁電成像測井儀器等電測井儀器(14學(xué)時),常規(guī)聲波測井儀、多極子陣列聲波測井儀、超聲波掃描成像測井儀等聲波測井儀器(12學(xué)時),自然伽馬能譜測井儀器、補(bǔ)償中子測井儀器、巖性密度測井儀器等核測井儀器(12學(xué)時),還包括測井地面系統(tǒng)以及測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸(8學(xué)時)等內(nèi)容。較多的學(xué)習(xí)內(nèi)容要求學(xué)生在學(xué)習(xí)中付出更多的時間和精力,否則無法跟上教學(xué)進(jìn)度或及時消化教學(xué)內(nèi)容。這在一定程度上影響了課程教學(xué)的效果。

(三)理論聯(lián)系實際較少導(dǎo)致學(xué)習(xí)存在盲目性

受限于教學(xué)時長以及實踐條件等,測井儀器課程的教學(xué)以講授理論知識為主,理論與實踐之間的聯(lián)系不夠緊密。但該課程又是一門對實踐性有一定要求的課程。經(jīng)常會有學(xué)生與任課教師討論“測井儀器地面系統(tǒng)與井下儀器如何連接”“電測井儀器的電極是什么樣的”“多極子陣列聲波測井儀器單極子換能器、偶極子換能器有什么區(qū)別”等問題。在課程教學(xué)中,學(xué)生在識記或理解部分理論知識時,因缺乏實踐支撐或?qū)嵺`探索,難以理解理論知識的應(yīng)用場景。

(四)開設(shè)節(jié)點特殊易受其他因素干擾

如前所述,測井儀器課程的前導(dǎo)課程較多。在正式開展課程學(xué)習(xí)前,學(xué)生需要掌握較多的基礎(chǔ)知識,故將該課程安排在學(xué)生本科學(xué)習(xí)階段的后期。該課程作為我?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)(測井方向)的主修課程,修讀時間是大四第一學(xué)期(秋季學(xué)期)。但大四學(xué)生作為應(yīng)屆畢業(yè)生,處于從校園走向社會或繼續(xù)追求學(xué)習(xí)深造的轉(zhuǎn)折時期,多忙于畢業(yè)論文,并根據(jù)個人不同的畢業(yè)去向規(guī)劃投身于考研學(xué)習(xí)或找工作。在多重壓力下,部分學(xué)生難以全身心投入課程學(xué)習(xí)。

面對以上問題,常規(guī)的教學(xué)方法較難取得好的教學(xué)效果。因此,課程教學(xué)改革需要秉持問題導(dǎo)向原則,設(shè)立以下改革行動目標(biāo)。一是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,幫助學(xué)生緩解難學(xué)的心理壓力。二是梳理測井儀器基本構(gòu)成原理的共同點,幫助學(xué)生歸納總結(jié),以點帶面學(xué)習(xí)知識。三是打造有針對性的學(xué)習(xí)內(nèi)容,追求理論聯(lián)系實際。四是合理安排教與學(xué)的方式,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。而課程改革的具體實施有賴于教師的一線教學(xué),這對教師實施教學(xué)提出了更高要求。且測井儀器課程為48學(xué)時,考慮到教學(xué)內(nèi)容的豐富性,課程總學(xué)時較不充裕。授課教師如何合理安排教學(xué),高效利用學(xué)時,也是開展課程教學(xué)改革的問題之一。

本研究在測井儀器課程教學(xué)中引入典型案例,以案例推動教學(xué)改革?；诎咐慕虒W(xué)可行性已在其他專業(yè)課程教學(xué)中取得較好論證。［5］該方法既可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的激情,調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,又可以使學(xué)生在掌握某個案例的同時領(lǐng)悟測井儀器原理的共同點,實現(xiàn)融會貫通的效果,提高學(xué)習(xí)效率。

三、教學(xué)案例設(shè)計

(一)分析測井儀器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代測井儀器的實質(zhì)是搭建起地球物理場(模擬環(huán)境)與應(yīng)用終端(數(shù)字環(huán)境)之間的橋梁。圖1為測井儀器系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)示意圖。通過控制人工源產(chǎn)生源信號,源信號作用于地層產(chǎn)生地球物理場,由測井探頭(由傳感器組成的探測器)接收經(jīng)過地層傳播的地球物理信息,測井探測器一般輸出模擬形式的電信號。探測器輸出的模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)過處理后通過電纜傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng),由地面系統(tǒng)對電纜傳輸信號進(jìn)行處理并通過數(shù)據(jù)采集得到數(shù)字化的測井?dāng)?shù)據(jù)。地面同時要對深度、電纜張力等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,由車載計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理并實現(xiàn)作業(yè)控制、顯示、繪圖、數(shù)據(jù)文件記錄等工作。分析測井系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作過程是測井儀器系統(tǒng)的核心功能之一,也是系統(tǒng)中多個環(huán)節(jié)的必要構(gòu)成環(huán)節(jié)。理解了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理,就對測井儀器的工作原理有了最基本的掌握,并且可以應(yīng)用到大多數(shù)類型的測井儀器上。

圖1 測井儀器系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)示意圖

在掌握數(shù)據(jù)采集原理的基礎(chǔ)上,學(xué)生需要將原理應(yīng)用于不同類型的儀器,據(jù)此分析儀器的整體工作原理和功能,并進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在該類儀器中的作用及其特殊點,以此做到觸類旁通。

(二)設(shè)計測井儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型模型

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測井儀器中的應(yīng)用要求和特點,課程設(shè)計了一種能夠應(yīng)用于大多數(shù)測井儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型,圖2為原理示意圖。模型設(shè)計的原則如下。一是通俗易懂。學(xué)生能夠較好理解和掌握模型,模型能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。二是構(gòu)成典型。模型能夠應(yīng)用于大多數(shù)儀器的數(shù)據(jù)采集模型。三是深入淺出。學(xué)生通過模型既能夠體會到儀器科學(xué)的深度,又能通過示意圖簡要分析工作原理。四是理論聯(lián)系實際。模型內(nèi)容既能涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、微處理器接口以及程序設(shè)計等理論基礎(chǔ)知識,又能將這些知識有機(jī)集合形成一套比較完整的應(yīng)用系統(tǒng)。五是專業(yè)性強(qiáng)。模型既能體現(xiàn)測井儀器中多種基礎(chǔ)知識之間的銜接,又能解決測井專業(yè)的基礎(chǔ)測量問題。

圖2 測井儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型模型

(三)基于典型模型規(guī)劃教學(xué)方案

表1為案例各部分教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的基礎(chǔ)知識、課程目標(biāo)、目標(biāo)達(dá)成指標(biāo)點、解決的問題以及教學(xué)方式等。教學(xué)內(nèi)容涵蓋測井儀器課程的所有知識點。課程目標(biāo)可分為認(rèn)知、理解、應(yīng)用三個層面,具體的課程目標(biāo)如下。

表1 案例設(shè)計與教學(xué)的對應(yīng)關(guān)系

課程目標(biāo)1:掌握測井儀器原理。培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)已學(xué)知識掌握常用測井儀器的基本工作原理,提高結(jié)合測井方法原理對測井儀器原理的綜合分析能力。

課程目標(biāo)2:掌握電、聲、核井下儀器電路框圖和基本單元電路。培養(yǎng)學(xué)生對基本單元電路的分析能力,以及從整體分析儀器電路構(gòu)成的能力。

課程目標(biāo)3:學(xué)會測井儀器基本電路圖的閱讀分析和初步設(shè)計。在分析常用測井儀器電路基本構(gòu)成原理的基礎(chǔ)上能夠開展電路的初步設(shè)計,為綜合設(shè)計測井儀器電路圖打下基礎(chǔ)。

四、教學(xué)案例應(yīng)用

教學(xué)案例的應(yīng)用主要分為以下幾個步驟。

第一步,教師分析測井儀器的基本功能,說明測井儀器系統(tǒng)在測井學(xué)科中發(fā)揮的作用,以及測井儀器與測井方法和測井解釋之間的聯(lián)系和區(qū)別,讓學(xué)生明確測井儀器是測井方法和測井解釋的橋梁。

第二步,教師分析測井儀器系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu),從井下地球物理場的建立、傳感器的作用、傳感器信號的基本處理方法和流程、模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換方法、數(shù)字接口原理、數(shù)字信號的傳輸、程序設(shè)計和微機(jī)接口等方面展開分析,并聯(lián)系學(xué)生已有的基礎(chǔ)知識,如測井方法、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)原理、C語言程序設(shè)計以及微機(jī)原理等,幫助學(xué)生從宏觀層面建立起測井儀器系統(tǒng)與多種已學(xué)基礎(chǔ)知識之間的關(guān)系,但暫不涉及具體理論、電路設(shè)計、程序設(shè)計等內(nèi)容,減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。學(xué)生在此過程中可習(xí)得測井儀器系統(tǒng)的基本概念,習(xí)得基礎(chǔ)理論知識在測井儀器系統(tǒng)中的應(yīng)用方法,同時有助于減輕學(xué)習(xí)壓力帶來的心理負(fù)擔(dān)。

第三步,教師引導(dǎo)學(xué)生分析測井儀器系統(tǒng)中傳感器模擬信號與數(shù)字化信號、井下信息與地面接口系統(tǒng)、地面接口系統(tǒng)和地面輔助信號(深度、張力等)處理系統(tǒng)與車載計算機(jī)之間的關(guān)系,了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測井儀器系統(tǒng)中的作用。

第四步,教師根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用引出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本構(gòu)成原理,并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識解決具體的問題。

第五步,教師帶領(lǐng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分功能,并分別利用已學(xué)知識設(shè)計各個構(gòu)成部件,在此過程中積極引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)原理、C語言程序設(shè)計、微機(jī)原理等基礎(chǔ)知識。

第六步,教師指導(dǎo)學(xué)生將設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于實際的測井儀器,解決實際的設(shè)計問題。以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多極子陣列聲波測井儀器中的應(yīng)用為例,圖3是應(yīng)用示意圖?？梢钥吹?該儀器主要包括換能器激勵系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和儀器接口總線。換能器激勵系統(tǒng)是聲波測井儀器的共有部分,可以作為聲波測井儀器的通用教學(xué)案例。儀器接口總線是所有測井儀器的必需部件,可以作為測井儀器系統(tǒng)中的通用教學(xué)案例。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

可見,學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理再去學(xué)習(xí)其他教學(xué)案例,可以較好地掌握多極子陣列聲波測井儀器的工作原理。這種精心設(shè)計并合理運(yùn)用的教學(xué)案例既有利于學(xué)生理解和掌握儀器的工作原理和設(shè)計方法,又可鍛煉其擴(kuò)展思維。學(xué)生在較好地掌握各種儀器原理的同時,又能做到以點帶面、融會貫通,進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)的積極性,鍛煉綜合分析的能力。

五、結(jié)語

測井儀器課程是勘查技術(shù)與工程專業(yè)(測井方向)本科生的核心專業(yè)必修課,課程教學(xué)質(zhì)量與專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量高度關(guān)聯(lián)。測井儀器課程適應(yīng)新形勢下國家對專業(yè)人才培養(yǎng)的指導(dǎo)和行業(yè)對專業(yè)人才的需求。對其積極開展教學(xué)改革,提升教學(xué)質(zhì)量,能夠更好地服務(wù)于國家級一流本科專業(yè)建設(shè)?；诘湫桶咐_展的測井儀器課程教學(xué)改革,克服了課程教學(xué)中存在的部分問題,能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力,提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率,鍛煉學(xué)生對所學(xué)知識的綜合分析和綜合應(yīng)用能力。