信息背景下的控压钻井课程“创新发散实用教学”方法探讨

孔祥伟，孙腾飞

(1.长江大学 石油工程学院，武汉 430101；2.北京化工大学 机电工程学院，北京 100027)

随着国家及社会科技的快速发展，传统的研究生教学模式不能很好地适应国家及社会对油田企业创新型人才的需求。近几年，长江大学为培养迎合石油企业发展需求的人才，学校逐渐加强了教师队伍相关建设，在岗位上设立了教学科研并重型教师岗位，旨在提高研究生在企业中的攻难克艰水平，满足企业自主创新的需求。

控压钻井课程的专业性很强，涉及到计算科学理论知识比较复杂，依靠单一的课堂讲授很难达到信息背景下控压钻井课程的教学效果，课堂教学模式需要完全变革，以迎合信息化背景条件下的教学要求。

近年来，一些计算机专业的高校已经进行了信息化工业教学的较多改革和创新，较多学校基本都配备有现代化的机房，以供学生上课实践使用。然而对于石油高校信息背景下的控压钻井课，实验互动较少，一般钻井专业课，只配备了2～4 个学时的实验课，单纯使用计算机编程的实验课几乎没有，借助钻井模拟器模拟控压钻井作业的实践更是少见，这对未来信息化背景下的控压钻井课的实战效果不利。目前，课堂上具有代表性的教学方法，包括互动式教学、实践式教学、案例式教学、启发式教学、混合式教学、探究式教学、易位式教学、研讨式教学、情景式教学和问题式教学等。

根据笔者多年的教学经验，和对控压钻井项目的研究及教学经验，结合信息背景下的石油控压钻井课程，提出了5 步教学法，该方法最终通过油田企业的满意度灰色关联度分析，可以关联出油田企业满意度与高校考核因素的关联度，经过近年的研究生教学实践，证明该方法切实可行。

一、控压钻井特点及发展历程

随着油田企业对石油天然气勘探开发力度加大，各地区超深井钻井风险日益增多，应用常规井控技术不能很好地解决超深井窄密度窗口安全钻井、含HS 气体、高密度泥浆漏失引起的钻井复杂和相关的井控风险等问题，控压钻井技术是国际钻井工程前沿技术之一，能够及时发现，并有效地控制井涌和漏失，降低非生产时间和钻井成本，并提高钻井井控安全性。

精细控压钻井技术包括井下参数测量与地面压力自动控制等系统，在设定安全窗口内确保安全钻井，降低井控风险的前提下，精细控压钻井技术是目前解决窄密度窗口安全钻井的最先进技术。该技术集机、电、液、信息和自动控制等技术为一体的前沿钻井技术，是钻井工程压力控制技术发展的方向。

国内外控压钻井技术发展现状如图1 所示。

图1 国内外控压钻井技术发展现状

二、控压钻井研究生教学存在的问题

(一)所学知识解决生产实际问题能力不强

控压钻井分为钻井基础知识、控压钻井操作及全自动控压技术创新开发3 大内容，虽然学生在高校学习过程中，对控压钻井知识点也能记住，考试也可以达到及格，但学习的知识点无法应用到解决生产实际问题中，不能达到学以致用的良好效果，这就导致了所学知识解决生产实际问题能力不强。

(二)在课堂中激发学生创新思维是难点

由于控压钻井课程是比较抽象的石油工程拔高课程之一，现有的井控知识是井筒压力的计算分析、井筒压力计算的相关概念理解，均是从井底压力平衡地层三压力剖面的角度出发，属于正向思维，然而油田企业的控压钻井属于逆向思维技术，不仅仅是计算井底有效压力，还要具有如何控制井底有效压力的能力，以适应窄密度窗口的需求，如何在现有井控技术上做到提升控制井筒压力的能力，提出具体创新思维是研究生学习的难点。

(三)达到快速为油田企业攻难克艰较弱

常规的教学模式是在高校开展钻井基础知识学习，控压钻井操作及自动控压技术创新在毕业生入职培训、实际工作岗位中锻炼，这样就增大了企业用人的成本，同时也缩短了毕业生为企业作贡献的时间。结合控压钻井的优缺点，如果在油田中快速地解决现场钻井的溢漏等复杂井控事故，培养的学生达到快速为油田企业攻难克艰水平较弱。

三、5 步“创新发散实用”教学体系构建

笔者从培养创新发散实用型人才角度出发，通过油田具体信息化项目研究及相关控压钻井专业的教学实践，课程内容既要考虑到控压钻井与其他专业学科的相关性，又要考虑到控压钻井如何具体解决现场问题，提高学生的创新发散思维，做到实用教学。达到为油田企业培养切实可用的高层次人才的目标，提出了5 步教学法。

(一)提出三重目标教学理念

三重目标教学理念实现思路如图2 所示。

图2 三重目标教学理念实现思路

提出企业难题需求目标、教学知识任务目标，在课堂教学开始前，需将三重目标抛给学生，课堂上学生带着三重目标，有目的地学习，能达到较好的学习效果。

以具体油田科研项目为例，表1 具体讲述三重目标教学体系中地目标交叉及思维发散课堂内容。

表1 三重目标教学体系实现具体内容

(二)建立螺旋反哺发散教学模式

所谓螺旋反哺，是指教学内容的知识点有一系列的循环连接构成，不是知识点之间平铺直叙，而是迂回曲折、环环相扣。所谓螺旋上升过程是指每一个循环都比前一个循环的知识点更接近教学目标，更进一步，并且最终教学目标反哺各个钻井知识点。

图3 为螺旋反哺示意图，它阐明了新旧事物交替中的辩证联系，以及发展过程的波浪式前进、螺旋式上升的性质。它指出事物发展的方向是前进的，道路是曲折的，事物的发展是前进性和曲折性的统一。每一次否定都是质变，都把事物推到新阶段；每一周期都是开放的，不存在不被否定的终点。

图3 螺旋反哺示意图

螺旋反哺法的实质来源于自然辩证法，这是辩证法中否定之否定规律的具体表现。否定之否定规律又称肯定否定规律，也就是肯定与否定的对立统一的规律，它是教学目标各知识点之间对立统一规律的印证。随着控压钻井授课的进行，从否定之否定角度，经过两次辩证的否定，克服了前两个阶段知识点的局限性和片面性，保留了前两个阶段知识点的确定因素，又增加了新的知识内容，以达到从创新的角度解决目标设定问题。

图4 为螺旋反哺发散三维控压钻井教学模式，在控压钻井课堂上，培养学生创新思维能力，主要是培养学生发现钻井问题、分析钻井问题和解决钻井问题的能力。而学生分析钻井问题、解决钻井问题能力又是计算能力、逻辑思维能力和空间观念的集中反映。

图4 螺旋反哺发散三维控压钻井教学模式

培养学生分析问题、解决问题的能力，主要通过解答钻井应用题和自编应用题来培养。钻井实践应用题是从钻井现场和生产的安全关系中提出的问题。通过对钻井应用题的分析解答，不仅可以使学生理解钻井知识在实际钻井中应用的情况，而且还能通过对钻井问题的分析、解答，集中培养学生对钻井知识的注意力，达到用心观察、认真思考和运用所学知识解决钻井问题的目的。这样不仅提高了学习能力，也使学生的心理得到了充分的发展。对于带有公式及数学模型的教学章节，需要学生自行编程解决钻井应用题，对培养学生解决实际钻井问题的能力，有着更重要的作用。

(三)个性化经典案例深入教学

图5 为建立钻头选型适应性数据库(目标)，笔者近期完成了油田企业合同任务内容之一是建立钻头选型适应性数据库(含国内外)。完成的内容如下：基于EXCESS 数据库，构建了川东北、国外区块、玛湖区块、玛页区块、南缘区块和渭北6 个区块的数据表(416 组数据)。数据库涵盖了钻头使用情况、岩性和岩石力学参数、相应的钻井参数及可钻性级值等数据，为待钻地层提供钻头选型提高参考。

图5 建立钻头选型适应性数据库(目标)

图6 为个性化经典案例深入教学思路，课堂前期让学生理解机械钻速、进尺、钻头磨损程度、钻进深度和钻头成本等数据库参数含义，并在课前及课上均设定建立钻头选型适应性数据库建设目标，课堂上着重启发学生如何结合转速、钻压和泵排量这3 种钻头使用条件参数，建立钻头非线性模糊优选聚类模糊数学模型。在课后，让学生深度思考知识拓展点——如何结合数据库参数优选钻头类型，在下次课堂开始前需要检查学生对拓展点知识的理解及深度思考情况，并积极引导启发学生的创新思维。

图6 个性化经典案例深入教学思路

(四)构建逆向课堂拓展教学模式

图7 为逆向课堂拓展教学模式，逆向课堂也称颠倒课堂，是指在信息化背景下的钻井环境中，课程教师提供以钻井教学视频、钻井实践模拟为主要形式的学习资源，学生在上课前观看和学习钻井教学视频等学习资源，师生在课堂上完成钻井作业、答疑、钻井知识点的协作探究和互动交流等活动的新型教学模式。

图7 逆向课堂拓展教学模式

图8 为逆向课堂与传统教学的区别。

图8 逆向课堂与传统教学的区别

逆向课堂注重激励、反馈与调整；注重多方面发展的潜能，注重个别差异，从单一转向多元；注重学生对钻井知识点的自我评价，从钻井学习目标的终结性转向过程性、发展性，由传统的考试模式单一笔试到后续发展的考试多样化，并提出钻井课堂自主创新“三三六”：三是立体式、大容量和快节奏；三是预习、展示和反馈；六是预习交流、明确目标、分组合作、展现提升、穿插巩固和达标测评。

(五)建立主客结合的实战考核体系

控压钻井课程成绩由期末考评成绩和平时考评成绩两部分组成。一般期末成绩占70%，平时考评占30%。本文实战考核体系突出平时讨论成绩的比重，将平时主观成绩比例提高到40%，客观成绩降低至60%，提高研究讨论分析在最终成绩中所占的比重。从成绩构成上让学生认识到平时科研过程的重要性。

1.考核体系建立

表2 为主客结合的实战考核体系，学校应加强科研成果的奖励，同时加强对教学和科研融合的支持。一方面重点支持教学与科研融合教改项目，另一方面给予在教学和科研融合方面获得重要成果的个人和单位一定的奖励，最大限度地调动教师参与教学与科研融合的积极性，真正促进教学与科研的共同发展。

表2 主客结合的实战考核体系

2.灰色关联评价法体系建立

按灰色关联评析法，以用人单位满意度相关指标为参考因素，其测试值序列为

以U={u，u，…，u}中各因素u(j=1，2，…，m)即影响满意度组成对比因素，其相应的测试序列为

式中：i=1，2，…，n。

为了保证参考因素和对比因素的可比性，按式(3)对其进行无量纲化处理

式中：i=0，1，2，…，n；j=1，2，…，m。

计算Y(j)对Y(j)在第j 个点的关联度

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

关联系数的平均值

此即影响满意度的各单因素对满意度的关联度，其反映了各单因素对满意度的影响程度，最后对r进行归一处理

以表3 中企业满意度的相关因素为参考因素，按式(1)—(6)进行数据处理。

表3 企业满意度关联因素关联性分析

从10 名毕业学生及企业满意度关联分析得到主观成绩中创新体现大于基本概念大于作业情况大于基本运算等于学习态度大于逻辑推理大于解决能力。

四、科研成果转化为教学资源的实践

笔者在2021 年开展了中石化科技有限公司的《川渝地区裂缝性气藏钻井井控风险评价技术》中的《基于信息融合的钻井工程风险预警软件开发》，形成一套基于地面录井数据的钻井井下复杂风险预警软件，达到计算机自动判断、识别钻井复杂早期征兆和提前发出风险预警的目的，图9 为逆向课堂教学实施方法。

图9 逆向课堂教学实施方法

笔者在课堂讲授中重点向学生介绍了信息融合的概念，目标是完成信息融合的钻井工程风险预警软件开发。结合研究工作的具体实践经验，引导学生学习掌握信息控压钻井的编程方法。针对钻井风险提前预警的问题，引导学生如何通过钻井工程参数的征兆来解决问题，构建风险预警新模型，开发预警软件，针对油田具体研究项目，笔者课前制订了相应的教学方案，从用人单位满意度来看，取得了较好的反馈。

五、结束语

随着科技的快速发展，传统的教学模式已经无法满足现代社会对创新型人才的需要。在高等学校科研成果丰富的背景下，结合科研成果融入研究生教学的初步实践，笔者提出的5 步教学法适合工科院校研究生阶段的学习方案，探索科研成果反哺教学的形式和发展趋势，将科研成果融入本科教学内容，提高教学内容和教学方法的创新性，可以达到培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，能够实现教学和科研的融合，达到共同促进高等学校教学和科研的发展目的，从而为油田企业培养合格的创新型人才打下坚实基础。