“岩石力学”课程科研

许成元 佘继平 张浩

[摘 要]如何处理好科研与教学的关系是每个高校教师都要面临的问题。利用科研过程中面临的现场工程问题，形成经典教学案例，提高课程教学的生动性和启发性，既培养了学生解决复杂工程问题的能力，又能在教学的过程中加深对基础科学问题的思考。该文基于科研—教学一体化思想，提出了面向石油工程专业学生岩石力学课程的案例教学改革对策，指出经典案例选取和探讨式教学是岩石力学课程案例教学改革需要重点关注的两个方面。油气勘探开发中的井壁稳定、井漏和储层损害等复杂工程问题可作为经典案例选取的对象。

[关键词]科研—教学一体化;岩石力学;案例教学;复杂工程问题;探讨式教学

[基金项目]2018年度西南石油大学石油与天然气工程学院教改项目“提高学生解决石油工程复杂岩石力学问题能力的案例教学探索与实践”;2018年度西南石油大学教改项目“探讨式‘保护储层技术案例教学探索与实践”（X2018KZ071）;2018年度西南石油大学教改项目“科研成果深度融入工科专业课程教学的研究与实践”（X2018JGZDI002）

[作者简介]许成元（1988—），男，河北沧州人，工学博士，西南石油大学石油与天然气工程学院副教授，主要从事储层保护理论与技术、工作液漏失控制、颗粒物质力学与颗粒流领域的教学与研究;佘继平（1986—），男，四川通江人，工学博士，成都理工大学能源学院副教授，硕士生导师，主要从事油气储层保护技术研究;张 浩（1976—），男（土家族），湖南永顺人，工学博士，成都理工大学能源学院石油工程系副主任，教授，博士生导师，主要从事油气储层保护技术研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）28-0165-02[收稿日期] 2020-04-09

一、引言

绝大多数的高校教师在科研和教学实践过程中具有双重身份，一是以产出科研成果为标志的学者，二是以教书育人、传道授业解惑为特征的师者[1]。但目前高校普遍出现了重科研、轻教学的现象，如何处理好这两个身份之间的关系，是每个教师都要面临的问题[2]。科研—教学一体化思想为解决这一问题提供了很好的思路。利用科研过程中面临的现场工程问题，形成经典教学案例，提高课程教学的生动性和启发性，既培养了学生解决复杂工程问题的能力，又能在教学过程中使学生加深对基础科学问题的思考[3]。基于科研—教学一体化的思想，提出了面向石油工程专业学生岩石力学课程的案例教学改革对策。

二、岩石力学课程案例教学改革对策

岩石力学是石油工程专业的一门应用基础课程。随着油气工业面向对象越来越复杂（由浅层、中深层逐渐走向深层，从常规油气资源到非常规油气资源），地层的岩石力学特性已成为安全高效开发油气资源必须考虑的重要方面，成为井眼轨迹优化、钻井方式优选、钻井井壁稳定技术、完井方式及完井管柱优化、储层压裂改造等工程技术建立的基础及复杂油气藏开发方案编制的重要依据，其应用贯穿油气田开发的全部过程。同时，对石油工程专业学生来说，岩石力学知识是其学习后继钻井与完井工程、采油工程、油藏工程、气藏工程等专业主干课程必须具备的基础知识。

由于岩石力学研究对象、研究内容的复杂性，作为石油工程专业本科生培养体系中的一门专业基础课程，根据课堂教学时数要求，本课程教学将紧密结合后继课程的教学内容需要及油气工业岩石力学的特殊性，以岩石力学的基本概念、基本理论、基本方法和基本原理为讲授重点，以直井井眼稳定性等石油工程岩石力学的典型应用为依托，深入浅出地系统介绍岩石力学理论、原理、方法及基本参数等在石油工程中的应用。理论与应用相结合，逐步培养学生应用石油工程岩石力学知识分析问题和解决问题的能力，以及以此为基础进行自主学习获取新知识的能力。通过本课程的教学，使学生达到以下课程目标：系统地掌握石油工程岩石力学涉及的重要基本概念、基本理论、基本方法和基本原理，具备石油工程专业所需的岩石力学基础理论知识;能够进行深部地层不同岩石的变形、破坏特征的评价和分析，并应用岩石力学强度准则、井周应力分析等理论识别、评价深部地应力、井壁稳定等岩石力学相关的复杂石油工程问题;能够应用岩石力学专业知识、原理对石油工程复杂问题开展专业研究，包括实验设计、数据分析、理论计算。经典案例选取和探讨式教学是岩石力学课程案例教学改革需要重要关注的两个方面。

根据科研过程中面对的实际工程问题，岩石力学课程案例可以从以下几个方面选取经典案例。

（一）经典案例选取

1.井壁失稳问题。约90%的井壁失稳发生在深部硬脆性泥页岩地层，在钻井过程中极易发生掉块、井塌等井下复杂情况，导致卡钻、掩埋钻具、井径扩大等，是影响高效钻井的重要因素。深部泥页岩地层具有高地应力、强水敏、裂隙发育及地层压力系统复杂等特征。2006—2009年，塔里木盆地某地区的统计数据显示，因为井筒复杂引起的钻井复杂情况占75%，其中因泥页岩井壁失稳而发生的掉块、卡钻事故频率达到38%，造成了难以估量的经济损失。井壁失稳问题是一个典型的石油工程岩石力学问题，是岩石剪切破坏在井壁地层的体现。通过井壁失稳工程案例，既能进一步提高学生对岩石强度、破坏准则、地应力等基本概念的掌握程度，又能提高学生对坍塌压力、安全钻井液密度窗口等工程概念的理解。

2.井漏问题。井漏问题一直是困扰国内外石油勘探、开发的重大工程技术难题。井漏的危害包括：增加非生产时间，延长建井周期，严重影响勘探开发进程;消耗大量堵漏和钻井液材料，造成重大经济损失;引发卡钻和井喷等严重安全事故，严重影响安全生产。罗家2井喷、漏同层，漏失13000m3钻井液并与邻井发生窜流，导致井下井喷和地表地层破裂，距井口4.5km内出现多处气/液窜出地面，并出现滑坡迹象。井漏在中國各油气产区普遍存在，尤其是川渝页岩气、塔里木库车山前、准噶尔南缘及海外中东中亚等主力增储上产区域，裂缝性地层发育，恶性漏失频发，国内外技术均难以解决。井漏问题也是一个典型的岩石力学问题，井漏按成因类型可分为诱导破裂型漏失、裂缝扩展延伸型漏失和大中裂缝型漏失，其中诱导破裂型漏失是岩石张性破坏在井壁地层的体现。根据井漏问题工程案例，可进一步提高学生对岩石强度、破坏准则、应力强度因子、地应力等基本概念的掌握程度，又能加深学生对破裂压力、钻井液密度、地层压力等工程概念的理解。

3.储层损害问题。储层保护是保障油气资源被及时发现、准确评价和高效开发的重要技术之一。在不同钻井作业条件下，会涉及不同的损害方式。氮气钻开条件下：应力敏感损害、岩爆损害、油相圈闭损害，干湿交替（钻遇水层、压井、转换完井液）致液相圈闭损害，压井及完井液转换漏失损害，酸敏损害、液相圈闭损害。水基液钻开条件下：水相圈闭损害、流体敏感性损害，完井液漏失損害，压裂水相圈闭损害。油基液钻开条件下：油相圈闭损害，油基完井液漏失损害，压裂水相圈闭损害。通过储层损害问题的经典案例，可加强学生对粘土矿物、岩石水理性、蠕变等基本概念的掌握。

（二）采用探讨式教学模式

改进传统“教师讲、学生听”的教学模式，通过与学生沟通、交流、探讨工程案例，增强教师与学生的互动，通过经典案例提高学生兴趣。解决复杂工程问题能力是石油工程专业本科生培养的重要目标之一。岩石力学问题是石油工程专业学生走上工作岗位后所要面临的主要工程问题之一。石油工程岩石力学课程涉及学科广、理论性强，目前该课程面临教学课时减少与教学内容增多的矛盾;教学课件陈旧，缺乏生动性;教学模式单一，学生学习积极性差。工程案例剖析是掌握理论知识最有效的途径，通过引入科研实践中的经典岩石力学案例，增强本科生跨学科解决石油工程问题的能力。采用探讨式教学方式，通过探讨工程案例教学效果，进而在案例的设计和实施方案上不断完善。

三、结语

本文从经典案例选取和探讨式教学两个方面入手，简述了如何在岩石力学这门课程中进行案例教学改革，提高学生学习的主观能动性，培养学生解决复杂工程问题的能力，可以为其他课程教学提供借鉴。

参考文献

[1]魏涛.科研反哺教学，教学也可以反哺科研[J].科技风，2020， （10）：31-32.

[2]刘倩，董爱琴，戴润英，等.构建理论、实践与科研一体化教学模式的措施[J].教育教学论坛，2019，（39）：180-181.

[3]罗平亚，赵敏，张开洪，等.“保护油气层技术”继续工程教育[J].石油教育，1996，50（7）：5-7+39.

Case Teaching Reform of Rock Mechanics Course Based on the Integration of

Scientific Research and Teaching

XU Cheng-yuan1， SHE Ji-ping2， ZHANG Hao2

（1. School of Oil and Natural Gas Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610500， China;2.College of Energy， Chengdu University of Technology， Chengdu， Sichuan 610059， China）

Abstract： How to deal with the relationship between scientific research and teaching is a problem that every university teacher must face. Use the field engineering problems faced in the scientific research process to form classic teaching cases， improving the vividness and enlightenment of the course teaching， cultivating the students' ability to solve complex engineering problems， deepening the thinking of basic science problems in the teaching process. Based on the integration of scientific research and teaching， this paper proposes countermeasures for case teaching reform of Rock Mechanics course for petroleum engineering students. It points out that classic case selection and exploratory teaching are two aspects that need to be focused on in case teaching reform. Complex engineering problems such as wellbore stability， lost circulation， and reservoir damage in oil and gas exploration and development can be selected as classic cases.

Key words： research-teaching integration; Rock Mechanics; case teaching; complex engineering problems; exploratory teaching