油气运聚模拟实验室建设 实践与成效

陈中红, 查 明, 蒋有录, 张卫海, 任拥军, 曲江秀

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)



·实验室建设与科学管理·

油气运聚模拟实验室建设 实践与成效

陈中红, 查 明, 蒋有录, 张卫海, 任拥军, 曲江秀

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

为满足资源勘查工程专业本科生、研究生的工程实践能力、创新能力培养和学科建设、科研发展的需要，我校建设了教学、科研一体化的油气运聚模拟实验室。该实验室将专业教学-研究综合功能作为定位和目标，在此基础上合理规划，搭建多层次实验创新平台，完善运行机制。经过实践，这些实验室的建设提高了学生的自主学习能力、实践动手能力、创新创造能力、团队协作精神，也提升了资源勘查工程专业科研团队的科研水平，促进了资源勘查工程学科的良好发展。

资源勘查工程; 油气成藏机理; 实践教育; 实验教学

0 引 言

随着我国高等教育对质量工程的实施以及对工程学科工程教育专业认证的基本要求，探索新形势下的实验室平台建设已变得越来越重要，因为在高校实践教学和研究中实验室建设是至关重要的组成部分，是培养学生动手实践能力和提高思维创新能力的有效手段[1]。周济同志在中外大学校长会议上指出“高水平实验室是培养创新人才的重要阵地，是科技创新的主要场所，实验室的数量和水平是一所大学科技创新能力的基本标志”。作为专业课教学实验室，不仅为高年级本科生专业课实验提供实验场所和实验设备，同时亦满足一些科学研究探索工作要求，如本科生、研究生从事毕业论文和教师从事科学研究[2]。

近年来，中国石油大学(华东)资源勘查工程专业坚持“突出特色、内涵发展、发挥优势、立足创新”的总体思路，坚持以学生为本、强化工程实践能力、培养创新能力、提高工程素质、协调全面发展的教育理念，依托资源勘查工程特色创新实验平台，在学科建设和科研成果方面取得较显著成绩[3-4]。油气运聚模拟实验室是该校资源勘查工程专业的重要实验室之一，2006年立项建设，通过多年积极探索和实践，不断发展和完善，目前已形成特色鲜明的教学科研一体化专业实验室。本文即以该油气运聚模拟实验室为例，分析如何建设专业课实验室，使其更好地为创新人才培养服务。

1 油气运聚模拟实验室建设的背景和意义

1.1 工科专业认证和对应用型工程师人才的要求

进入21世纪以来，我国石油工业逐渐走向海外、海洋、西部等复杂领域，理论、技术创新要求迫切，对人才培养提出了更高的要求。近年来，学校也积极向研究型大学目标转型，着力建设国际一流石油学科[5]。社会需求变化和学校建设目标的定位调整使得着力培养研究型、创新型、技能型人才成为本专业建设的历史责任。在以提高质量为核心，推动高等教育内涵式发展的过程中，专业建设的内涵式发展起着决定性的作用。在推进我国工程教育专业认证与国际接轨的进程中，中国工程教育认证协会(筹)制订了我国专业认证通用标准。“以学生为中心”、“目标导向”和“持续改进”，是工程教育专业认证的基本理念。根据专业认证工作的总体规划，资源勘查工程专业作为首批专业接受国际工科专业认证的考核。面对新形势和新要求，我校资源勘查工程专业建设一直以优势学科为依托，不断优化培养方案，不断完善实践教学体系，增强对学生工程实践能力和创新能力的培养。油气运聚实验室的建设是其中的一个重要内容。

1.2 促进学科建设，培养实践能力

石油天然气地质是资源勘查工程专业的一门核心专业课程，是硕士生和博士生入学考试必考科目，而实验研究在石油天然气地质课程中占有非常重要的地位。油气成藏机理是石油天然气地质领域的一个重要分支，也是石油天然气地质课程教学的核心内容。油气运聚模拟是应用油气成藏机理和现代模拟实验技术在实验室中模拟自然条件下的油气运聚过程，研究油气运聚过程中油气运移、聚集需要的路径条件、运载层的物性条件、动力条件、圈闭条件。

油气运聚模拟实验室不仅为石油天然气地质的理论和假说提供了实验证据，而且为油气成藏过程数学模拟提供参数，它对石油天然气地质学乃至资源勘查工程专业的发展有着重要作用。对于石油地质学本科生，通过油气运聚过程模拟实验，不仅可以了解实验装置的设计原理、结构和工作流程，还可以通过实际的实验操作，比如设计不同形态和配置关系的输导层砂体和断层，认识地下地质过程中的油气运聚行为。所以，通过油气运聚实验模拟不仅有助于学生加深理解书本知识，更是使学生的动手实践能力在实验过程中能够得到训练，同时还为相关的科学研究创造了条件。

2 油气运聚模拟实验室建设与实践

2.1 依托学科和创新平台建设作为基础

我校主干学科覆盖石油石化领域上游、中游到下游的全部产业链。其中“地质资源与地质工程”和“地质学”2个博士授权一级学科是石油石化上游学科，二级学科“矿产普查与勘探”为国家重点学科，二级学科“地球探测与信息技术”为国家重点(培育)学科。油气运聚模拟实验室正是依托这些传统优势石油学科而建设，具有强大的学科支撑。该研究室还依托于2个山东省重点学科“构造地质学”和“矿物学、岩石学、矿床学”以及2个一级博士点学科和博士后流动站“地质资源与地质工程”和“地质学”。同时，学校创新平台建设项目“油气资源勘探开发与转化”中的子平台“复杂地质油气资源勘探理论与技术”创新平台建设为该实验室建设奠定了基础。

2.2 专业教学-研究综合功能作为定位和目标

油气运聚模拟实验室的设置首先考虑到是否能具有教学功能，是否能满足专业课实验的教学要求，这是实验室建设的基础。因此在设备的研制和设计过程中考虑到实验的易操作性和可视化性。但作为专业课教学实验室其功能定位与基础课教学实验室有所不同[6]。专业课的实验更具有综合性，实验过程也相对较复杂，实验过程不仅可以再现教材的有关知识，而且要求学生能够在所学知识的基础上对实验过程进行设计，并对实验中可能遇到的问题进行分析和思考，因此更能培养学生的实践能力和创新意识。

其次，专业实验室设计应从学科建设和发展的需要，必须具有先进的科研服务功能[7-8]，教学和科研一体、相辅相成、相互促进[9]。只有掌握前沿的科学成果和技术创新，才能引领学生开拓视野，走到学科前沿。因此，专业课实验室设计应当立足于当前学科已有的成熟知识，并着眼于学科发展的前沿，使得专业课的实验教学可以随着学科发展有一定的弹性空间，而不能因为学科发展而受到明显的限制或约束[10-11]。

因此服务于学科专业教学和科学研究是对现代化专业实验室建设考虑的重要内容[12-13]。油气运聚模拟实验室在成立初期的研究方向为针对隐蔽油气藏等复杂油气成藏机理(特别是地层-岩性油气藏)及物理模拟中存在的关键科学和技术问题开展基础和基础应用研究，形成相关创新性理论成果和具有明显优势、特色的研究与实验技术。总体目标是通过研制开发拥有自主知识产权、具有国内一流水平的油气运聚实验模拟装置，达到物理模型和实验技术的双突破，实现以下具体目标：①发展1项理论——复杂断陷盆地隐蔽油气藏的成藏机理和主控因素分析理论；②形成2项技术——油气运聚模拟及断层封堵性能模拟实验新技术；③建设1个基地——形成油气成藏实验-研究及专门人才培养基地。

2.3 自主设计实验装置，突出动态过程特色

我校在油气地质学方面具有自己的研究特色。大多数资源勘查工程专业的毕业生将进入到石油行业就业。针对这种情况，我们在进行油气运聚实验模拟系统设计的时候，就考虑到了如何结合含油气盆地的地质条件，比如要考虑含油气盆地的压力条件，油气运移的输导条件以及油气运移的动态特征，还要考虑到如何使设备具有可视化并具有可操作性。

例如，油气运移是油气成藏的重要环节，然而地下烃类流体的运移是看不见的，如何展现地下流体运移过程，从而让学生能深入地掌握这一概念，这是实验室建设需要考虑的一个问题。据此，我们自主研制设计了可视化油气运聚模拟装置，可开展油气二次运移动态过程等模拟实验研究。整个实验包括油气成藏物理模拟实验和油气成藏数值模拟实验，其中前者是主体(见图1)。油气运聚物理模拟实验装置系统主要由圈闭模拟器、多相流体注入系统、多相流体输出控制系统、先导试验及试样预处理系统、安全保障系统、温度压力控制系统、储层及流体参数测量系统、样品自动采集分析系统和数据处理解释系统组成。物理模拟实验装置具有模块化、人性化、广泛实用性及可视化的特点，其中圈闭模拟器是实验装置的核心。

图1 油气运聚模拟实验室系统设计

该套模拟系统可开展油气二次运移机理、输导层及输导体系控油机理、不同圈闭条件下油气的运聚动力学机理、断层封闭性及其对油气成藏的影响等模拟实验研究。通过建设该油气运聚模拟实验室，力求解决目前油气成藏过程中关于透镜体砂岩隐蔽油气藏的成藏机理，推动该领域基础理论和技术方法的进展，指导我国油气勘探工作，提高我国在国际油气勘探中的竞争力。

该装置不仅可以满足资源勘查工程专业的油气成藏模拟实验的要求，也可以为资源勘查工程专业开设油气运移、聚集及油气成藏机理方面的实验课。该装置还可以开展原油输导体系、不同压力充注条件下的油气运移路径等方面的模拟实验，实现了多环境、多类型、动静结合、可视化程度高、扩展空间大的综合性研究平台。可以根据生产实际确定模拟研究模型，取得实验依据，解决实际问题；又可以根据实验模拟成果，开展理论创新，建立“实验模拟-理论研究-软件开发-实际应用”多轨研发模式。

2.4 搭建多层次实验创新平台、完善运行机制

针对不同教学和科研活动的需要，油气运聚模拟实验室构建了多层次实验实践平台，针对创新实验平台实行多层次功能运行机制。目前主要包含四个层次的功能设置：本科生专业教学创新实验实践平台、本科优异生创新创业实验实践平台、研究生实训与研究创新实验实践平台、教师科学研究创新实验平台。

本科生专业教学创新实验实践平台是为全体本科生教学服务，是最基础和最大众化的第一层次创新实验平台[14]。本科优异生创新创业实验实践平台是面向学习优秀、对科研有浓厚兴趣的本科优异生，为他们创新创业活动创造条件。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。

研究生实训与研究创新实验实践平台是为满足全日制专业硕士研究生校内实训需要，以科研实验为主，教学实验为辅。该模拟实验室有效地支持了资源勘查工程专业研究生在油气运聚过程内容的校内实训，使他们对油气运聚的过程和控制因素有了充分了解，并参与实验操作，掌握了该设备的操作流程，训练了实际动手实验能力。如在该实验平台培养的博士生赵卫卫，完成的博士论文正是以此实验室为依托，发表了几篇相关的科研论文[15-16]。目前他已成为西安石油大学的副教授，仍然在做与油气运聚有关的科学研究。

该实验室建设的一个重要意义在于建立良好的科研实验平台，培养优秀的中青年科研技术骨干，建立一支高水平的科研队伍，为我国的油气勘探事业输送优秀人才。该实验室的建立大大改善了资源勘查工程专业科研实验条件，提升了教师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。

3 实验室建设成效

3.1 提高了本科实验实践教学质量

通过油气运聚模拟实验室的建设，促进并保障了资源勘查工程专业实验实践环节教学工作，提高了本科教学质量。完成教学任务是实验室的最基本的要求，尽管仪器数量有限，但通过分组分次实验，基本可以让所有学生动手参加实验过程。近些年油气运聚模拟实验室帮助不少大学生承担了校级以上的大学生创新创业训练计划。在该实验室的推动下，通过长期的规划和不断完善，资源勘查工程已成为教育部首批“卓越工程师教育培养计划”和“国家大学生创新性实验计划”实施的特色专业。资源勘查工程专业本科教学成果“以专业课程建设为核心，构建资源勘查工程特色专业优质教学平台”获得2014年国家教学成果二等奖。另外，还获得省级教学成果一等奖2项，省级优秀教材3项，校级教学成果一等奖4项。

3.2 研究生实训与研究能力提高

油气运聚模拟实验室帮助资源勘查工程专业硕士生完成校内实训，并在指导老师的参与下，利用实验室的设备，完成了多名矿产普查与勘探学科研究生的论文计划和培养。使他们对油气运聚的过程和控制因素有了充分了解，并参与实验操作，掌握了该设备的操作流程，训练了实际动手实验能力。同时，平台促进了资源勘查工程方向研究生高水平科研成果的产生。统计表明，近年来资源勘查工程专业研究生发表的高水平论文明显增加，并处于全院前茅。2人获全国优秀博士学位论文提名奖。研究生教学成果“突出石油特色，加强实践创新，提升地质工程领域专业学位研究生培养质量”获第二届山东省研究生教育省级教学成果一等奖(2014年)。

3.3 科研成果颇丰

油气运聚模拟实验室承担并支持了国家自然科学基金、国家油气重大专项等多层次项目的相关研究工作15项，成绩斐然。值得一提的是，油气地质与勘探研究团队紧紧围绕中国复杂油气藏勘探中的关键成藏机理问题开展科研攻关，取得了一系列研究成果，部分研究领域取得了重大突破，形成了研究特色和优势。该团队2008 年入选首批山东省优秀创新团队，并被山东省人民政府记集体一等功。

4 结 语

实践表明，油气运聚模拟实验室的建设在资源勘查工程专业本科生、研究生的工程实践能力和创新能力培养方面发挥了重要的作用，同时也积极推动了资源勘查工程专业学科建设及高水平科研成果的产生。结果是提高了学生的自主学习能力、实践动手能力、创新创造能力和团队协作精神，提升了资源勘查工程专业科研团队的科研水平，促进了资源勘查工程学科的良好发展。目前已初步形成整体布局合理、实验设施较完备、管理体制科学、效果良好的教学和研究平台。

油气运聚模拟实验室的实践成效表明，对于专业课教学实验室的建设应首先明确其功能定位，在此基础上合理规划，建成后要同时为教学实践和科学研究服务。搭建多元化实验创新平台、完善运行机制，可以使有限教学科研资源在人才培养、科研产出中发挥最大的效益。所以，注重质量、内涵、创新、实践等新的教学理念基础上，高校专业课教学实验室要注重建设的目标化和特色化、运行机制的多层次化和有效化、管理的科学化和规范化，以求形成高质量的教学-科研一体化实验服务体系。

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Construction and Practice of an Oil and Gas Migration and Accumulation Simulation Laboratory

CHENZhong-hong,ZHAMing,JIANGYou-lu,ZHANGWei-hai,RENYong-jun,QUJiang-xiu

(School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

To meet the requirement of training engineering practice ability and innovation ability of undergraduate and graduate students, and to meet the requirement of discipline construction and the development of scientific research, unified laboratory system for teaching and scientific research in oil and gas migration and accumulation was explored and constructed. The laboratory aimed to integrate the functions of professional teaching and research, and made a reasonable planning on the basis of the target, then built a multi-level experiment innovation platform, and perfected the operating systems. The practice result showed that the platform has promoted the students’ autonomous learning ability, practical ability, innovation ability and team cooperation spirit, and improved the scientific research level of the research team of resource exploration engineering scientific discipline, advanced development of the discipline “resources exploration engineering”.

resource exploration engineering; oil and gas accumulation mechanism; practical education; experiment teaching

2015-03-28

国家自然科学基金项目(41272140);中央高校基本科研业务费专项基金资助

陈中红(1976-)，男，安徽怀宁人，博士，副教授，主要从事油气地质与勘探的教学与研究工作。

Tel.：15966825759；E-mail：hongczh@163.com

TE 122.1,G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0233-04