基于刊教融合的“应用固体力学”教学方法与实践

李世远 刘福江 马桂霞 董雪林 王宴滨

[摘 要] 通过讨论如何在石油天然气工程研究生的“应用固体力学”课程教学中运用科研期刊资源，进而拓展研究生对“应用固体力学”课程中重要概念的认知理解。以《石油科学通报》为例，综述性论文和实例研究论文的引入，有助于学生增强对抽象概念的理解，特别是如何将其应用于石油工程问题。培养学生的工程意识及解决工程实际问题的能力，有助于实现复合型创新人才的培养目标，同时有助于增加课程的实用性、创新性及趣味性。

[关键词] 期刊资源；应用固体力学；刊教融合；工程问题

[基金项目] 2020年度中国石油大学（北京）研究生教育质量与创新工程项目“基于科教融合与刊教融合的‘应用固体力学’课程建设”（yjs2020024）；2019年度中国石油大学（北京）研究生精品示范课程建设项目“应用弹塑性力学”（ypk201903）

[作者简介] 李世远（1983—），男，上海人，地质力学博士，中国石油大学（北京）石油工程学院副教授，主要从事石油工程岩石力学、地质力学等研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）06-0117-04 [收稿日期] 2021-06-24

引言

应用固体力学是以固体材料或结构的应力、应变理论及在工程中的应用为主要对象的一门基础性、实践性很强的应用学科，在石油工程、航天航空工程、船舶与海洋工程、汽车工程、电力工程等领域均有重要应用。教学目标为在强化固体材料/结构的应力、应变理论基础的同时，关注弹性力学模型的建立、分析与应用，并进一步建立塑性理论分析[1]。在深度和广度上力求体现学科专业发展的前沿，使研究生掌握弹性理论专门知识，了解塑性理论的思想和方法，并着重在基础理论和实践应用两方面进行科研能力的培养，使研究生能够进行工程结构弹塑性安全评价与稳定性分析。作为研究型大学，中国石油大学（北京）主办的期刊《石油科学通报》，出版单位为清华大学出版社有限公司。主要发表石油地质、石油地球物理、石油工程、石油机械、石油化工、石油经济等领域的新思想与新成果，综合反映石油自然科学与社会科学多学科交叉基础研究的进展，为石油科学研究者提供高水平的学术交流平台。如何在石油天然气工程研究生“应用固体力学”课程教学中运用《石油科学通报》科研期刊资源，拓展研究生对“应用固体力学”课程中重要概念的认知理解；如何结合研究型大学期刊资源，探索出一条“刊教融合”的创新式教学方法，是本课程的新探索和新实践。

一、《石油科学通报》期刊资源在教学中的应用

推动期刊与人才培养的结合，如何形成具体的“刊教融合”研究生培养模式，是本课程教学创新实践的重要内容。《石油科学通报》期刊文章包括两种类型：一种是综述性论文，一种是研究性论文。就教学素材而言，《石油科学通报》中相当比例的论文是石油工程领域论文，石油工程领域论文中相当比例涉及油气井和油气田开发工程中与固体力学结合的研究。尤其是《石油科学通报》中不乏油气领域两院院士、中石油、中石化和中海油的一级专家等亲自撰写的综述性论文，也有包括课程团队教师在内的青年教师的科研论文。这都是课程学习的生动素材和案例来源，是课程教学团队开展课程教学的重要支撑资料。就教学方法而言，通过以《石油科学通报》为主要参考，引导研究生主动学会科技论文的查询、检索，并在科技论文中找到“养分”，为后续论文撰写打下坚实的基础，把研究生培养成忠实的期刊读者和潜在的期刊投稿群体。就教学实践环节而言，可以通过布置几篇典型论文的阅读，开展课堂内讨论或者课堂外研究报告。总之，通过“应用固体力学”课程建设，结合《石油科学通报》的有利资源，率先在学校实践“刊教融合”的理念，探索期刊与育人相结合的研究生培养模式。

二、《石油科学通报》中运用于课程教学的实例

我国石油资源丰富，目前石油储量增长的主要领域在西部和海上。然而随着油气田的开发不断向深地和深水发展，其存在的力学问题也日益凸显，急需一批专业人才来解决这些问题，以提高我国油气资源开采技术的核心竞争力。石油工程及海洋油气工程领域存在大量管柱结构和岩石地层研究对象[2-4]，其受力变形行为都可归结为固体力学问题，特别是弹塑性力学问题。充分利用《石油科学通报》中相关领域的研究内容，将石油工程与海洋油气工程中的固体力学实例引入课程教学，以增加学生在解决工程实际问题方面的知识储备。以下列举几个例子加以说明。

实例1：在石油、天然气开采过程中钻杆的拉伸。钻杆不仅是钻井液的循环通道，而且在旋转钻井中需要传递扭矩，承受内外压力、轴向、弯曲、扭转等多种载荷的共同作用，同时还受到钻井液、地层水及油气中腐蚀性介质的腐蚀，在钻井过程中常常发生失效，造成井下事故[5]。当前，管柱力学的一个热点和难点是深水钻杆作业过程中产生复杂的力学行为，对深水钻井隔水管力学行为进行研究，是深水钻井研究的关键问题之一。

《石油科学通报》2016年第1期中由中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室高德利院士和王宴滨副教授撰写的论文《深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展》，是钻柱应用固体力学教学的案例素材[6]。深水钻井隔水管力学分析模型如图1所示。该研究着眼于深水钻井隔水管的顶张力控制、纵横弯曲变形、横向振动特性、纵向振动特性、耦合振动特性及涡激振动特性等主要力学问题，从载荷计算、控制方程、边界条件及求解方法等方面入手，总结了深水钻井隔水管系统在力学与设计控制技术方面取得的新进展，對目前研究中仍然存在的问题进行了剖析和探讨。这一案例紧密结合“应用固体力学”课程中的第三章，即《固体材料变形与应变》。在教学中结合此案例，增强学生对工程问题研究与应用的理解和认知。

实例2：石油套管的弯曲变形。石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行[7]。每一口井根据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。然而地壳内部的运动、地层（油层）的非均质性、油层倾向、岩石性质、地层断层活动、地层腐蚀等将导致井下服役石油套管损坏。套管中的弯曲现象是非常普遍的，可以单独出现，也可以伴随着变形或错断一起出现。

《石油科学通报》2020年第3期中由中国石油股份有限公司西南油气田分公司范宇高工和中国石油集团工程技术研究院有限公司陈朝伟高工等撰写的论文《四川页岩气水力压裂诱发断层滑动和套管变形风险评估》，是套管变形及地层激活方面的教学案例素材。该研究以四川盆地长宁—威远区块H平台为实例研究对象，旨在厘清套管变形问题缘由，探寻解决途径，观察该平台的套管变形分布情况，识别断层产状，建立地质力学模型，并分析水力压裂施工下断层滑动的风险概率[7]。《石油科学通报》2017年第4期中由中国石油大学（北京）石油工程学院刘伟副教授、邓金根教授等撰写的论文《致密油储层水平井体积压裂套管变形失效机理数值模拟研究》，是另一个套管变形的典型素材[8]。天然裂缝、小型断层滑移错动导致套管变形的典型工况计算结果如图2所示。这两个案例紧密结合“应用固体力学”课程中的第四章，即《固体材料的本构方程》，涉及岩石和金属材料屈服准则。在教学中结合这两个案例，增强学生对工程问题研究与应用的理解和认知。

实例3：钻柱屈曲主要是指钻柱的失稳，通常可以分为局部屈曲与整体屈曲两种形式。局部屈曲是指在内外压、轴力、冲击等载荷的作用下产生的局部失稳形式；整体屈曲又叫欧拉屈曲，即把整个钻柱看成欧拉杆，在轴向力作用下发生的失稳形式。按屈曲的方向，分成侧向屈曲与垂向屈曲（隆起屈曲）两种形式。隆起屈曲属于整体屈曲，当钻柱发生隆起屈曲时，钻柱会产生较大的弯矩以及较大的塑性变形，甚至可能进一步出现裂纹、疲劳、局部屈曲。

《石油科学通报》2020年第1期中由中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室黄文君副教授和高德利院士等撰写的论文《大位移井规律性阻卡力学机理与控制措施研究》，是钻柱受扭和屈曲变形的教学案例素材[9]。鉆柱接头在裸眼键槽中的示意图如图3所示。该研究以南海大位移井钻柱规律性阻卡为实例研究对象，旨在揭示大位移井规律性阻卡的力学机理并建立控制措施。这一案例紧密结合“应用固体力学”课程中的第二章，即《应力分析及平衡方程》。在教学中结合此案例，增强学生对工程问题研究与应用的理解和认知。

实例4：压裂过程中水泥环完整性分析。页岩气井工程实践表明，套管压裂易导致水泥环完整性破坏。压裂过程中容易造成水泥环的破坏，从固体力学特别是弹塑性平面问题给予求解。

《石油科学通报》2010年第4期中由中国石油大学（北京）石油工程学院李军教授和柳贡慧教授等撰写的论文《页岩气水平井压裂过程中水泥环完整性分析》，是水泥环弹塑性力学问题的教学案例素材[10]。该研究以西南油气田页岩气井工程套管压裂及水泥环完整性分析为实例研究对象，旨在建立合理的力学模型描述压裂工程实际产生的温度-应力耦合作用下水泥环力学行为。这一案例紧密结合“应用固体力学”课程中的第五章，即《弹塑性平面问题解法》。在教学中结合此案例，增强学生对工程问题研究与应用的理解和认知。

结语

综上所述，“刊教融合”是石油与天然气工程研究生“应用固体力学”课程的创新方法，也是研究生教育人才培养和科研期刊资源相结合的新型模式探究。本课程选取《石油科学通报》中的相关综述性或研究性论文，结合到课程教学之中，努力实现科研素材、期刊素材与课程内容的协调统一。课程改革需要任课教师精通课程内容，包括每章节的思想体系和精华，把握科研素材和期刊素材选择的科学性、合理性和协调性，力求达到有机融合的良好效果。

参考文献

[1]徐秉业，刘信声，沈新普.应用弹塑性力学（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2017：2.

[2]李军，薛永超，张辉.现代石油工程导论与前沿技术[M].青岛：中国石油大学出版社，2016：3.

[3]高德利.油气井管柱力学与工程[M].青岛：中国石油大学出版社，2012：1.

[4]陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学[M].北京：科学出版社，2008：3.

[5]邓宽海，林元华，郭海涛，等.G105钻杆的拉伸和扭转失效研究[J].石油钻采工艺，2013，35（6）：5-8+14.

[6]高德利，王宴滨.深水钻井管柱力学与设计控制技术研究新进展[J].石油科学通报，2016，1（1）：61-80.

[7]范宇，黄锐，曾波，等.四川页岩气水力压裂诱发断层滑动和套管变形风险评估[J].石油科学通报，2020，5（3）：366-375.

[8]刘伟，陶长洲，万有余，等.致密油储层水平井体积压裂套管变形失效机理数值模拟研究[J].石油科学通报，2017，2（4）：466-477.

[9]黄文君，高德利.大位移井规律性阻卡力学机理与控制措施研究[J].石油科学通报，2020，5（1）：49-57.

[10]席岩，李军，柳贡慧，等.页岩气水平井压裂过程中水泥环完整性分析[J].石油科学通报，2019，4（1）：57-68.

On the Teaching Methods and Teaching Practice of Applied Solid Mechanics Course Based on the Integration of Periodical Resources and Teaching

LI Shi-yuana， LIU Fu-jianga， MA Gui-xiab， DONG Xue-lina， WANG Yan-bina

（a. College of Petroleum Engineering， b. Periodical Office， China University of Petroleum〔Beijing〕， Beijing 102249， China）

Abstract： This paper mainly discusses how to use scientific research periodical resources in the teaching of Applied Solid Mechanics course for graduate students of petroleum and natural gas engineering， so as to expand graduate students’ cognition and understanding of the important concepts in the course. Taking Petroleum Science Bulletin as an example， the introduction of review papers and case study papers can help students enhance their understanding of abstract concepts， especially how to apply them to petroleum engineering problems. Cultivating students’ engineering awareness and ability to solve practical engineering problems can help students meet the training goal of cultivating compound innovative talents. At the same time it helps to increase the practicality， innovation and interest of the course.

Key words： periodical resources； Applied Solid Mechanics； integration of periodical resources and teaching； engineering problems

3769500589264