含油气盆地沉积学课程实验教学创新探索

马奔奔 周江羽 石万忠 沈传波

摘  要：“双一流”建设背景下，实验教学是高等院校培养复合创新型人才的重要环节。含油气盆地沉积学是资源勘查工程专业核心课程之一，为解决该课程传统实验教学环节与行业发展趋势不匹配的问题，聚焦行业科学研究新技术，开展科教一体化融合的实验教学创新探索。该实践教学探索最大特色之处是把成岩过程的物理-数值模拟一体化实验加入到教学体系中，以学生自主学习为基础，培养学生的自主思考与创新能力；以创新型实验学习为核心，将专业理论与实验技能有机结合，对于地质工科类教学具有适用性与示范性；以创新人才培养为目标，助力高质量复合型创新人才的培养。

关键词：成岩模拟；创新实验教学；科教一体化；人才培养；含油气盆地沉积学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0030-04

Abstract： Teaching practice is a key step of cultivating compound and innovative talents in the colleges and universities under the background of first-rate universities and disciplines. Hydrocarbon Basin Sedimentology is the key course for the students majored in resource exploration and engineering. In order to resolve the mismatching problem between traditional teaching practice and the development trend of industry， teaching practice exploration in integration of science and education is conducted and focused on new technologies in the industry. The prominence characteristic of the teaching practice exploration is that integration of diagenetic laboratory experiments and numerical modeling is incorporated into the teaching system， cultivating independent thinking and creative ability based on students' autonomous learning， taking creative experiential learning as the core， making organic combination of professional theory and practical skill， and providing applicability and demonstration for teaching in geology engineering course， making cultivation of innovative talents as the goal and providing assistance in training high-quality， composite-type innovative talents.

Keywords： diagenetic simulation; innovative experiment teaching; integration of science and education; talent cultivation; Hydrocarbon Basin Sedimentology

高校“双一流”建设是我国于2017年在高等教育领域提出的一项国家战略，旨在提升我国高等教育的综合实力与人才国际竞争力[1-3]。中国地质大学（武汉）地质资源与地质工程为国家高校“双一流”学科建设A+学科，“双一流”建设背景下，作为地质类人才孵化基地，培养具有实践能力的复合型人才是工科地质类专业的目标要求[4]。

地质学是研究地球系统形成演化的基础学科，往往具有概念模型抽象、理论体系复杂的特点。因此，本科教学过程中，学生对地球科学知识体系的理解与掌握需要借助于多类型、多手段的实验教学环节[5-10]。以往的课堂实验教学常以单一教材为核心的知识学习，实验环节较为刻板，难以调动学生自主学习的积极性与创造性，已不能适应“双一流”建设背景下高等院校学科发展与人才培养要求。因此，革新实验教学理念、加强实验教学环节并保障实验教学质量，引导学生学以致用并勇于创新探索，是落实工科地质学教育与人才培养的关键环节。

在中国地质大学（武汉）（以下简称“我校”）一流学科建设过程中，结合资源勘查工程（油气方向）一流本科课程含油气盆地沉积学的成岩模拟实验教学经验，详细阐述新形势下实验教学改革的必要性与探索举措，为我国工科类地质学专业的学科建设与复合型创新人才培养提供一定借鉴。

一  实验室建设及功能配置

成岩模拟实验室主要依托于我校“构造与油气资源教育部重点实验室”建设完成，可开展深部储层成岩物理模拟与成岩数值模拟实验。实验室配备了自主研发的成岩物理模拟系统（图1），主要包括4大系统：①高温高压釜系统；②控制系统；③测量系统；④力学系统。高压釜内岩样尺寸的最大直径为25 mm，高度100 mm。模拟温度范围在0～600 ℃，上覆压力范围在0～200 MPa，孔隙流体压力范围在0～100 MPa。运用该成岩物理模拟系统，能够设置并模拟不同温度、上覆压力、孔隙流体压力、矿物组分与流体介质条件下的成岩过程。此外，实验室配备了偏光显微镜、扫描电镜及能谱分析，可为实验前后成岩矿物的岩相学与地球化学分析提供支撑。

成岩数值模拟实验是深入理解地表或地下岩石发生各种成岩作用过程的有效手段，再现了成岩作用的时空演化路径[11-12]。成岩数值模拟的基本技术流程包括如下步骤：①进行岩石样品分析（包括岩相类型、矿物组分与物性特征等）；②成岩环境约束下选取成岩矿物热力学与动力学参数，厘定流体介质类型与温压条件；③建立相关数值模型（有限元差分法、离散元法等），合理进行网格剖分与边界条件设置，并进行数学迭代计算；④模拟结果输出，厘定水岩路径、矿物溶蚀与沉淀过程与孔隙演化规律（图2）。实验室具备目前主流的成岩数值模拟软件（TOUGHREACT、PHREEQC等）。这些软件是基于等温或非等温条件下孔隙介质中多相多组分反应溶质运移进行设计的，可开展不同温压环境、流体组分、氧化还原条件以及开放-封闭体系下的溶质迁移过程，查明成岩矿物沉淀与溶蚀的时空变化规律。

二  本科成岩模拟实验教学现状分析

“双一流”建设背景下，实验教学在资源勘探工程专业中将发挥更加重要的作用。科-教融合的实验教学环节不仅可以巩固加深学生的理论知识体系，还能锻炼学生的实验操作技能及创新能力[1，5，13-16]。

据不完全统计，目前国内外地质院所资源勘查工程专业的本科油气地质教学中普遍设立了与成岩作用有关的专业课程，这些课程主要是介绍碎屑岩和碳酸盐岩成岩作用的基本概念、主要类型、成岩阶段划分标志及成岩演化对储层质量的影响。但是，现有成岩作用的实验教学环节仅限于通过岩石薄片的定性观察成岩作用静态特征，缺少成岩过程定量表征与模拟实验方面的实验教学环节。

实际上，储层形成过程中经历了漫长而复杂的成岩作用，成岩演化路径受到地层温压以及流体介质等多种因素控制[17]。因此，仅通过现今薄片的观察与分析，难以让学生认识成岩矿物胶结与溶蚀的内在规律，导致深入理解地质历史时期的储层孔隙演化过程存在困难。因此，如何引导学生准确认识成岩作用的动态演化特征、储层形成机制以及控制因素，是目前本科相关专业成岩作用实验教学的重点也是难点。近年来，随着含油气储层地质学科的迅速发展，储层成岩过程的恢复评价与定量表征技术取得了飞速发展，尤其是成岩物理模拟实验系统和计算机成岩数值模拟技术的广泛应用，极大促进了储层成岩过程的准确再现[18-19]。此外，我国目前的油气勘探目标已逐步走向深层与超深层系，这些层系的储层成岩改造过程更为多样，储层成储机制也更为复杂[20]，更需要专业领域的技术人才攻坚克难，有力接替与支撑行业更好地发展。因此，“双一流”建设背景下，资源勘查工程专业的本科成岩模拟实验教学应聚焦目前油气勘探的新领域与新方向，紧密跟踪油气储层成岩模拟最新技术成果，有效进行科教一体化融合，培养适应新时代发展要求的专业技术人才。

三  本科成岩模拟实验教学的创新探索

以我校一流学科建设下资源勘查工程专业（油气方向）的主干必修课程含油气盆地沉积学为依托，充分利用教学平台开展成岩模拟教学的创新实验，探索提高实验教学的质量效果。作为油气储层地质学的基础专业课程，含油气盆地沉积学课程主要是介绍沉积岩分类、成岩作用类型及特征、储层时空分布的一门学科，具有很强的实践性。实验教学是我校沉积学教学团队一直重视和强调的教学环节。含油气盆地沉积学以沉积学基本概念、方法和专业理论为依托，以实验沉积学为纽带，培养和提高学生利用所学知识分析问题和解决实际问题的能力。

目前该课程教学共72学时，实验教学为28学时，其中8学时为成岩模拟实验教学（成岩物理模拟与数值模拟实验各占4学时）。为保证该实验教学质量，需指导学生明确实验目的、规范实验流程，并制定详细的教学计划，并提交实验报告，具体如下。

（一）  教学实验目的

引导学生掌握储层成岩作用的基本概念，通过成岩模拟实验教学，使学生加强对成岩演化过程的理解，培养学生自主设计实验的动手能力以及分析问题的能力，鼓励学生进一步对比分析成岩过程中矿物溶蚀与胶结规律及其主控因素。

（二）  实验教学计划

1  典型成岩现象分析

选取典型的碎屑岩（或碳酸盐岩）储层进行铸体薄片与扫描电镜观察，分析成岩矿物类型及含量，总结主要成岩矿物的胶结、交代以及溶解-充填特征，初步分析成岩矿物胶结与溶蚀的期次以及成岩演化序列。

2  成岩物理模拟实验

以实际储层样品的地层温度和压力为约束，利用成岩物理模拟实验装置，设计不同矿物类型及含量的人造砂岩样品，开展不同类型成岩物理模拟实验（不同时长、不同温压、不同流体介质条件），观察对比模拟过程中成岩矿物（如长石、碳酸盐类矿物等）胶结与溶蚀的变化（图3）。

3  成岩数值模拟实验

运用TOUGHREACT与PHREEQC数值模拟软件，开展多种地球化学条件（不同温度压力与流体组分）的成岩矿物的热力学、动力学特征以及溶质迁移过程模拟，观察成岩矿物溶蚀过程中的溶质迁移路径，分析矿物胶结与溶蚀的主控因素，进一步对比分析成岩矿物的时空分布规律（图4）。

4  实验结果分析

引导学生分析模拟实验中矿物的溶蚀与沉淀条件、强度变化及其控制因素，进一步启发学生分析实际储层样品的成岩作用的发生过程。将实际成岩现象与成岩模拟实验结果对比，两者相互验证与补充，从而使学生充分认识与理解成岩作用的动态过程与发生机制，并分析不同成岩过程的主控因素。

（三）  教学实验报告

以班级学习小组为单元（每个小组不超过5名同学为宜），落实小组成员在实验过程的分工与定位，鼓励小组成员相互交叉学习，对两组实验过程中的现象、结果进行充分讨论，探讨成岩作用发生的机理过程。小组成员对实验过程可能存在的疑问，可与老师沟通后进一步通过实验验证，形成一致性结论后，编写小组实验报告。

四  结束语

与传统的“老师讲解、学生观察记录”的教学模式不同，本次实验教学的创新探索能够更好地聚焦科学前沿研究现状，紧密跟踪油气储层成岩模拟最新技术成果，更注重师生之间、学生之间的沟通互动，更精准对接关注学生的科学研究兴趣，对促进专业课程的实验教学改革以及复合型创新人才的培养具有重要推广意义。本次实验教学的特色之处是把成岩过程的物理-数值模拟一体化的实验教学加入到含油气盆地沉积学实验教学课程中，具有如下特征。

第一，以学生自主学习为基础，鼓励学生主动发现问题、科学分析问题以及合理解决问题，有助于提升学生对成岩作用基本理论的理解能力、成岩物理-数值模拟过程的设计能力以及实验数据分析的应用能力，培养学生的自主思考与创新能力。

第二，以创新型实验学习为核心，将专业理论与实验技能知识有机结合起来，充分利用实验教学平台，进一步完善资源勘查工程（油气方向）地质类的实验教学环节，不断探索提高实验教学的质量效果，推进专业课程实验教学改革，对于地质工科类教学具有广泛的适用性与示范作用。

第三，以创新人才培养为目标，推动并完善科学的含油气储层地质学实验教学的创新型人才培养方案，进一步加大非常规油气领域的本科创新人才的育人举措，助力非常规油气勘探与开发的高层次和复合型创新人才的培养。

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基金项目：湖北高校省级本科教学改革研究项目“含油气储层成岩过程的物理-数值模拟一体化实践教学的创新探索”（2021145）；中国地质大学本科一般教学改革项目“含油气储层成岩过程的物理-数值模拟一体化实践教学的创新探索”（2021A04）

第一作者简介：马奔奔（1988-），男，汉族，安徽亳州人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为储层地质学方面的教学和科研。