石油地质学实验教学建设与改革探析

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［摘要］“石油地质学”作为资源勘查工程专业的核心课程，在能源地质类高校广泛开设。该课程理论性和实践性都很强，但各高校该课程的实验教学均严重缺乏。针对这一不足，中国石油大学（北京）石油地质教学团队在资源勘查工程专业工程教育专业认证和油气勘探与开发国家级实验教学示范中心建设的共同推动和促进下，通过新建石油地质教学实验室，完善了课程的实验教学体系；利用自主设计研制的实验设备，开创性地新增油气成藏模拟特色实验内容；针对不同类型的实验，改革实验教学模式。实验教学实践提高了课程的创新性和挑战度，培养了大学生的综合实践能力及创新能力。

［关键词］实验教学；建设与改革；创新能力；石油地质学

实验教学是高等学校教学体系的重要组成部分，是培养创新型人才不可或缺的途径，在培养学生实践能力、分析解决实际问题能力以及严谨的科学态度方面，具有其他教学环节无法替代的作用[1-4]。“石油地质学”是中国石油大学（北京）资源勘查工程专业的核心专业课，也是国家级精品课程，具有理论性和实践性强的特点[5，6]。但长期以来，由于实验室面积较小及实验设备缺乏，只能开设2个观察和演示实验，实验教学严重不足。国内其他高校“石油地质学”实验教学也存在类似的问题[6，7]。中国石油大学（北京）资源勘查工程专业2014年虽通过工程教育专业认证，但突出石油地质特色的实验欠缺，成为认证中的一个弱项。认证报告指出：“中国石油大学（北京）本科资源勘查工程专业实验教学需要进一步提升，迫切需要加强油气地质专业领域的实验教学平台的建设”。工程教育专业认证是一种在国际上被广泛采纳的保障高等工程教育质量的重要手段[8]，受到各高校的普遍重视。为确保学校资源勘查工程专业2017年工程教育专业认证复核认证顺利达标，进一步完善学校油气勘探与开发国家级实验教学示范中心建设，学校批复了实验室建设面积，并向教育部申请实验室建设专项经费，新建石油地质教学实验室。学校石油地质学教学团队以该实验室建设为契机，精心设计实验教学内容，研制实验教学设备，改革实验教学模式。通过四年的教学实践，学校形成了较完备的课程实验教学体系，提高了课程的创新性和挑战度，有效地激发了学生的创造性思维，培养了学生的综合实践能力，从而取得了很好的教学效果。本教学改革对国内兄弟院校“石油地质学”课程的教学具有一定的借鉴指导作用。

一、制定实验室建设方案，完善课程实验教学体系

新建一个实验室，整体方案的设计和制定尤为关键。石油地质教学实验室的建设有北京市优秀教学团队———石油地质学教学团队的支撑，团队有10多位教师，大家群策群力。通过对国内外相关课程实验教学的调研[6]，以及对中国地质大学、成都理工大学、西南石油大学、中国石油大学（华东）等相关院校实验室的实地调研，针对“石油地质学”教学内容和特点，教学团队经过多次研讨，设计了详细的实验内容，并安排熟悉该课程的主讲教师具体负责实验室建设。根据实验内容，购买及研制一系列相关实验仪器设备，完成实验室基础装修及水电改造，编写实验指导书，开展实验教学实践。实验室建成前，我们只能开设原油、烃源岩、储集岩样品观察与描述实验和烃源岩部分有机地化指标萃取过程演示实验。实验室建成后，增加到10个实验，整体涵盖石油地质学的教学重点和难点问题。实验包括：（1）原油样品的观察及原油主要物理性质的测定实验；（2）烃源岩样品观察及有机组分的显微镜下观察与鉴定实验；（3）烃源岩可溶有机质提取及有机地化指标求取演示实验；（4）储集岩样品观察及储集岩孔隙度、渗透率测定实验；（5）储层流体包裹体的观察与鉴定实验；（6）达西定律演示实验；（7）测压面观测实验；（8）系列背斜圈闭聚气过程动态模拟实验；（9）石油运移过程中动力、阻力分析实验；（10）油气运聚二维物理模拟实验。实验类型也更为多样化，原先仅有观察、演示型实验，现增设分析测试型、验证型、设计研究型实验。每种实验设备有6～10台，每次实验一个自然班，3～5人组成一个实验小组，从而保证每位学生都能够亲自动手进行实验操作。新编的实验指导书中除了明确每个实验的实验目的、实验原理、实验操作步骤、实验注意事项外，还设计相应的实验分析思考题。如比较不同温度下同一原油样品密度、黏度值的差异，讨论温度对原油样品密度、黏度的影响；观察和鉴别烃源岩样本中干酪根的显微组分特征，分析其生物来源，判断其生烃潜力；分析水动力强弱对背斜圈闭聚气特征的影响；观察石油在不同粗细粒径石英砂中的运移特点，分析浮力、毛细管力在石油二次运移过程中的作用。由此促使学生带着问题、带着思考完成实验，深化学生对课堂所学理论的理解，提高学生分析问题的能力，从而达到课堂教学和实验教学相互促进的目的。

二、自主研制实验设备，新增特色实验内容

油气运移、聚集成藏的动态过程发生在地下深处，看不见、摸不着，内容非常抽象，但又是石油地质学的核心内容。如何通过实验使学生形象、直观地观察到这些过程，加深对理论的理解非常关键。但相关实验鲜有开设，也没有现成的实验设备可借鉴。为此，我们自主设计研制了三种实验设备，其中两种已获得实用新型专利的授权，两项发明专利的申请均已进入发明专利申请公布及进入实质审查阶段。研制的设备及创新性增加的油气成藏物理模拟特色实验内容，在2017年工程教育专业认证复核认证、教育部对我校的本科教学评估，以及与中国地质大学、吉林大学、东北石油大学等同行教师的交流中，赢得了专家的高度评价和认可。利用测压面及系列背斜圈闭观测实验设备（图1）可以开展两个实验：一是测压面观测实验，分别在静水条件、动水条件下开展实验，通过不同位置处水压头的观测，对比两种条件测压面的差异，加深对油气二次运移的重要动力———水动力的理解，理解水动力产生的原因以及对油气二次运移的作用；二是静水条件、动水条件下系列背斜圈闭中天然气运移和聚集过程的动态模拟实验，加强学生对圈闭基本概念及圈闭度量要素（溢出点、闭合高度）的直观认识，以及对系列背斜圈闭聚气过程的理解，通过直观观察水动力强弱对背斜圈闭聚气特征的影响，帮助学生理解水动力强弱对圈闭有效性的影响及气藏的保存与破坏等教学难点。利用石油运移动力-阻力观察实验设备（图2），在不同玻璃管中填充不同粗细粒径的石英砂，以模拟不同孔隙度、渗透率的砂岩储层，并用蠕动泵缓慢注入等量的油，然后观察油在粗沙、细沙中运移的难易程度。粗沙中，油受到的毛细管阻力小，在浮力的作用下可以上浮，而且由于沙体的非均质性，会形成石油运移的优势路径。细沙中，油受到的毛细管阻力很大，浮力不足以克服阻力，因此会出现稳定的油水倒置现象。通过这个实验，可以加深学生对浮力、毛细管力等在石油二次运移过程中所起作用以及常规油气藏与非常规致密砂岩油气藏成藏机理的理解和认识。利用油气运聚二维物理模拟实验设备（图3），可以根据教学或科研需求构筑任意地质模型，如背斜圈闭、断层圈闭、地层圈闭、岩性圈闭等，进行石油运移聚集过程动态物理模拟实验。学生可从装置的透明表面直观地观察石油在砂体、断层、不整合等输导通道中的运移过程及难易程度，观察石油在不同类型圈闭中的聚集过程，从而深化对油气运移聚集成藏的认识。

三、改革实验教学模式，培养学生的创新能力

传统的实验教学模式通常是先由教师讲解，学生再按规定的步骤操作，进而得出实验结果[4，9]。观察演示型、分析测试型及验证型实验仍采用这种教学模式，但要求“教师讲解为辅，学生动手操作为主”，注重培养学生的实验技能及对实验现象观察、描述、分析的能力。然而，传统的实验教学模式难以发挥学生的主观能动性，因此我们增加开放式实验教学。开放式实验教学的重点是针对设计研究型实验[10]。开放式实验教学模式，要求教师首先依据石油地质学中的一些热点、难点问题，确立一些探索性、创新性实验题目。例如，断层封闭性差异对断层圈闭中石油聚集高度的影响、油气优势运移通道对油气输导效率的影响、砂岩透镜体油藏成藏实验现象观察及成藏影响因素分析、深盆气成藏实验现象观察及成藏机理分析等，让学生自由组成实验小组，自主选题，根据课程所学理论知识，小组内的学生充分讨论交流，自行设计实验地质模型，制定具体的实验方案，并共同协作组织实验实施，对实验中观察到的一些现象或存在的问题，独立分析、判断和解决。在整个实验过程中，学生遇到问题可以与教师请教，教师对学生进行启发和引导，真正贯彻“以学生为主体、以教师为主导”的教学理念。我们研制的油气运聚二维物理模拟实验设备、石油运移动力-阻力观察实验设备也为这类设计研究型实验的开展提供了设备保障。这类实验花费时间长，学生可以向实验室管理人员预约开放时间，利用课外时间开展实验。实验教学方式的改革，有效地激发了学生学习的积极性，提高了学习成果的探究性，培养了学生的综合实践能力和创新能力。

四、结语

通过石油地质教学实验室的建设及实验教学实践改革，学校进一步完善了油气勘探与开发国家实验教学示范中心建设，有效地支撑了资源勘查工程专业本科教学的审核评估及工程教育认证复审工作，既满足了教学的需求，同时又为大学生科技创新、学科竞赛、全国油气地质大赛等提供了优质的实践平台。

作者:李潍莲 李平平 孙明亮 柳广弟 陈冬霞 单位:中国石油大学〔北京〕地球科学学院 中国石油大学〔北京〕油气勘探与开发国家级实验教学示范中心