一体化油田化学特色实验平台搭建及实施效果

黄维安，王业飞，吕开河，刘德新，徐加放，曹 杰，任 熵

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580）

随着经济全球化、科学技术进步、高等教育大众化的发展以及就业方式的变革，高等教育理念的内涵和外延均在不断地丰富和发展，并且在石油工程专业大学生的培养中赋予了特殊的含义［1－5］，“以学生为本，创新能力、工程实践能力培养，素质提高、协调发展”的教育理念始终体现在石油工程专业学生培养中［6］。油田化学为化学与油气田勘探开发技术结合的研究方向，涉及无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、胶体与表面化学等化学知识和地质、钻井、采油、渗流力学等专业或学科，油田化学方向课程体系对于石油工程专业学生知识结构完善，创新能力、工程实践能力培养具有极重要作用。在多年的油田化学方向实验教学中，逐步形成了“以创新能力、工程实践能力培养为核心”的实验教学观念［7］，以此观念为指导，通过多年努力，搭建了教学、科研一体化油田化学特色创新实验平台，并在石油工程专业大学生、研究生培养，师资队伍建设、学科建设等方面发挥了积极作用，取得了显著效果。

1 搭建油田化学特色创新实验平台的背景及出发点

1.1 油田化学实验教学存在的主要问题

油田化学方向主要承担的实验教学任务有省级精品课“油田化学”以及“化学原理Ⅱ”、“钻井液工艺原理”的实验教学，以前受教育理念和实验条件限制，开设的实验项目主要以验证性实验为主，偏向于化学学科，与石油工程勘探开发技术新进展结合不紧密，不利于学生创新能力和工程实践能力的培养。例如，“油田化学”课程开设的实验项目主要有：

（1）常用API仪器的使用；

（2）六速旋转粘度计测泥浆的流变曲线；

（3）钙侵及处理；

（4）固相含量的测定；

（5）膨润土含量的测定；

（6）碱在原油乳化中的作用；

（7）堵水剂的制备与性质；

（8）金属的缓蚀；

（9）絮凝剂在污水处理中的应用。

其中，常用API仪器的使用、六速旋转粘度计测泥浆的流变曲线、钙侵及处理、固相含量的测定和膨润土含量的测定主要为验证性实验，金属的缓蚀与大学化学实验有交叉，碱在原油乳化中的作用、堵水剂的制备与性质、絮凝剂在污水处理中的应用与油田三次采油及油田污水处理技术有一定结合，但主要是定性的检验性实验，与学生将来从事的油田化学领域生产和研究工作相差较远。“化学原理Ⅱ”和“钻井液工艺原理”课程也存在类似的问题。因此，有必要开展油田化学方向实验教学改革，以实验项目更新为出发点，以建设实验平台为保障，以实验开出率为落脚点，以提高学生创新能力和工程实践能力为最终目标。然而，每一项新实验项目的推出，需要编制实验讲义、培训实验教师、制定实验规程，更重要的是需要购置实验装置、搭建实验平台。特别是，具有创新性、设计性、综合性的三性实验项目，涉及的实验仪器往往是高精尖或综合模拟实验装置，实验中心或学校基本教学投入均不能满足购置仪器所需的经费。

另一方面，油田化学方向的生产实习与实践目前主要融合在钻井、采油、油藏3个方向中，有时流于形式，存在“走马观花”现象，该方向实习效果不理想；毕业设计存在“闭门造车”或者简单拼凑模仿，创新性不足。

1.2 改革油田化学实验教学的主要措施

油田化学方向研究生导师反映，招收的新一届研究生进入实验室后的适应较慢，对实验方案的理解、对实验仪器的正确操作、对实验现象的敏锐程度、对实验数据分析的准确性几方面均需要进一步培养才能承担部分实验研究任务，认为学生在大学阶段的实验技能、创新能力和工程实践能力需要加强。而且，科研实验室仪器的使用依据不同研究课题，使用率参差不齐，使用时间具有机动性，有的仪器甚至利用率偏低。

鉴于以上3个方面的因素，我们提出并制定了教学科研一体化油田化学特色创新实验平台搭建的措施，其出发点主要如下：

（1）增加创新性、设计性、综合性实验项目，增强本科生创新能力、工程实践能力培养；

（2）为开展大学生创新创业训练计划提供平台，鼓励本科生积极参与课外科技创新活动；

（3）提供必要的实验操作技能、专业技能和专业实训，夯实基础，提高就业竞争力；

（4）为教师科研工作提供联合实验平台，提升实验手段，特别是为青年教师的科研启动提供辅助；

（5）整合教学科研资源，节约教学投入，提高科研实验室仪器利用率。

2 油田化学特色创新实验平台的搭建

基于“以学生为中心，以创新能力、工程实践能力培养为核心”的实验实践教学理念，结合我国高校现状的分析和国外教学成果经验的研究，针对石油工程专业创新人才培养需要，提出搭建油田化学特色创新实验平台，并针对创新实验平台各层次功能，搭建多元化实验实践平台，主要包含以下3个层次。

2.1 本科生“四性”教学创新实验平台

首先，为满足油田化学方向课程实验实践教学需要，搭建第一层次创新实验平台。通过搭建本科生“四性”教学创新实验平台，既保证理论教学验证性实验开设，又满足创新性、设计性、综合性的实验需要。主要立足于实验室现有场所、实验仪器、器皿和药品的条件，通过学生、实验教师和理论教学教师群策群力对实验项目进行改进，对实验仪器进行组合、完善。例如，王增宝老师通过理论分析各种试剂的溶解性随温度、压力、浓度的变化关系和大量复配实验，实现了液－液三组分相图实验的绿色化。

2.2 本科生创新创业训练创新实验平台

每一项本科生创新创业训练计划均有课外指导教师或实验教学教师指导。为满足油田化学方向本科生创新创业训练需要，搭建第二层次创新实验平台，主要满足各种级别、类型本科生创新创业训练需要。这个层次的油田化学创新实验平台主要通过将教学实验室平台与部分科研实验平台结合的方式搭建起来。教学实验室平台为本科生创新创业训练提供部分实施场所，并用于简单、基础性测试；科研实验平台为本科生创新创业训练提供样品合成、制备条件，高精尖仪器设备和模拟装置，用于化学剂、工作液的表征、评价和机理分析。例如，通过引入工作液驱替可视化模拟装置（见图1和图2），大大提升了学生对工作液躯替过程的了解和作用机理的认识。

图1 工作液驱替可视化模拟装置

图2 工作液驱替可视化模型

2.3 研究生实训与研究创新实验平台

随着全日制专业硕士研究生招生规模的扩大，对他们校内实训的规范化成为目前研究生培养中的重大难题之一，特别是油田化学方向涉及实验研究或验证，实训场所、实验仪器购置经费等均很难及时落实。为满足全日制专业硕士研究生校内实训需要，我们创造性搭建了教学科研一体化研究生实训与研究创新实验平台，以科研实验室为主、教学实验室为辅。例如，通过引入钻井液完井液研究室的钻井液循环及浅层井壁稳定模拟实验装置（见图3），有效支持了2012级石油与天然气工程专业全日制专业硕士研究生钻井液优化设计校内实训，硕士生对钻井液循环流程、井下环境下的井壁稳定评价方法有了充分了解，并参与实验操作。通过引入调剖堵水综合模拟实验装置（见图4），硕士生对调剖封堵过程、调剖机理，工作液渗流路径以及油井堵水原理有了充分认识，并掌握了该设备的操作流程。

图3 钻井液循环及浅层井壁稳定模拟实验装置

图4 调剖堵水综合模拟实验装置

2.4 科学研究创新实验平台

由于油田化学为化学与石油工程的结合，涉及多个学科，面临的油田化学问题众多，目前构筑团结协作的大型科研团队的工作正在实施中，还是以单兵团作战的局面为主，然而科研中需要用到的实验手段较多，“单兵团”很难建立完备的实验平台。为此，油田化学方向将科研团队之间实验条件、设备资源进行整合与共享，搭建了科学研究创新实验平台。各研究团队之间可以相互共享高精尖仪器和能进行现场工况条件下实验的各种模拟设备（见图5），大大改善了油田化学方向科研实验条件，提升了科研项目完成能力和获取高级项目的支持率，提高了整体科研水平。

图5 油田化学特色科学研究创新实验平台仪器

3 油田化学特色创新实验平台的运行机制

管理，是一切组织正常发挥作用的前提，任何一个有组织的集体活动，不论其性质如何，都只有在管理者对它加以管理的条件下，才能按照所要求的方向进行［8－12］。管理在创新平台的搭建和发展过程中，具有同样重要的地位和作用。然而，现阶段的油田化学特色创新实验平台与国家倡导的实体化高校的创新平台有所区别，目前主要实现了科研对教学的辅助、补充，科研团队之间实验条件、设备资源的共享，教学对科研的积极作用主要体现在对油田化学方向硕士、博士研究生的生源质量的提高，对教师、特别是青年教师研究思路的拓展。油田化学特色创新实验平台的搭建模式决定了其特殊的运行机制，目前为保证该平台良性运行，在油田化学方向教学科研中发挥积极作用，主要制定了以下措施：

（1）创新实验平台运行基本保障措施。由油田化学系主管科研、人事的主任牵头，系里各研究团队一起签订实验仪器共享协议，通过加强领导和发挥大家的协作精神，确保创新实验平台高质量搭建起来。

（2）创新实验平台公平运行措施。科研实验室对教学的辅助作用主要为义务性行为，教师参与指导实验教学或创新创业训练项目指导的，部分贡献可以体现在实践环节教学工作量中；各研究团队之间的仪器共享公平性主要用内部测试计费来体现和衡量。

（3）创新实验平台日常运行保障措施。创新实验平台内的教学实验条件主要由实验中心教师维护，参与共享的科研实验条件由各研究团队自行维护；各研究团队之间的协作主要遵行签订的协议，异议由主管系主任协调，或提交系教职工会议协商。

4 实施效果

针对油田化学方向教学、科研的特殊性，为满足石油工程专业本科生、研究生创新能力、工程实践能力培养以及科学研究、师资队伍建设需要，我们创造性提出并实施了“教学科研一体化油田化学特色创新实验平台的搭建”，经过多年的运作和完善，在教学、科研、师资队伍建设、学科建设中发挥了积极作用。其效果可以归纳为以下几个方面。

4.1 本科实验实践教学方面

通过实施改革，搭建教学科研一体化油田化学特色创新实验平台，促进并保障了本科实验实践环节教学工作：

（1）油田化学方向目前实验项目中，创新性、设计性、综合性实验占到90%，并且开出率100%，有力保障了石油工程卓越班创新模块课程的开设。

（2）油田化学方向承担了我校大量大学生创新创业训练计划，特别是国家级和校级计划，2013年油田化学方向承担了石油工程学院一半的国家级大学生创新创业训练计划。学生王东英负责的“非均质油藏井网注采参数优化的可视化模拟驱替实验”获2013年中国本科生创新性实验竞赛优秀成果二等奖。

4.2 研究生实训与研究方面

（1）通过搭建教学科研一体化油田化学特色创新实验平台，在新增油田化学方向校内实训模块的第一年，就顺利完成了2012级全日制石油与天然气工程专业硕士生校内实训。

（2）教学科研一体化油田化学特色创新实验平台促进了油田化学方向研究生高水平科研论文的发表，统计表明，近年来油田化学方向研究生发表的高影响因子SCI论文位于全院、乃至全校前茅，油田化学方向研究生每年都能获得校、院优秀论文奖。

4.3 师资队伍建设与学科建设方面

依托教学科研一体化油田化学特色创新实验平台，油田化学方向近年在师资队伍建设与学科建设方面取得较显著成绩：近5年油田化学方向获得国家科技进步二等奖2项，省部级一等奖6项，1人获得中国青年科技发明奖，2人获山东省有突出贡献中青年专家，1人入选教育部新世纪优秀人才支持计划；来我系工作的青年教师，均在3年内获得国家自然科学基金支持；油田化学方向教师为我校仅有的2个教育部创新团队“海洋油气井钻完井理论与工程”和“复杂油藏开发和提高采收率的理论与技术”团队的骨干成员。

5 结束语

实践表明，搭建的“教学科研一体化油田化学特色创新实验平台”，在石油工程专业本科生、研究生的创新能力、工程实践能力培养方面，油田化学方向师资队伍建设，油气井工程学科及油气田开发工程学科建设方面，均发挥了积极作用。提高了学生的创新意识、团队协作精神、自主学习能力、实践动手能力、创新能力，提升了油田化学方向教职工的科研水平，促进了师资队伍建设和油气井工程学科、油气田开发工程学科发展。我们将进一步稳定、完善油田化学特色创新实验平台。但同时，教学科研一体化油田化学特色创新实验平台运行中也暴露出仪器使用冲突、科研与教学未能协同发展、管理不够专业化和制度化等一些问题［13－14］，有的问题是平台搭建形式决定的。为此，我们呼吁建设更高层次的创新实验平台，并加强创新实验平台的规模化、实体化、独立化以及管理的规范化工作，在大学生培养、师资队伍建设、学科建设以至学校发展中发挥更大的作用。

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