“水力压裂理论与技术”教学分析与探索

摘"要：本文探讨了“水力压裂理论与技术”课程在石油工程专业中的教学现状及存在的问题，并提出相应的教学改革与探索方法。“水力压裂理论与技术”是石油工程专业的一门重要课程，对于培养学生专业知识和技能至关重要，但学生在学习过程中存在认知程度不够、理论与实践脱节等一些问题，影响了教学效果和学生对技术的掌握。为此，文章提出一系列教学改革与探索措施，旨在提高学生对水力压裂技术的理解和应用能力，培养具备扎实理论基础和实践能力的复合型人才，为石油工程领域输送高素质专业人才。

关键词：水力压裂理论与技术；教学分析与改革；石油工程；压裂设计

“水力压裂理论与技术”是石油工程专业的一门专业选修课，重点介绍了水力压裂基本原理、工艺流程、压裂液类型和选择、支撑剂选择、压裂设计与施工及环境影响与安全措施等。通过课程学习，学生具备综合运用水力压裂相关知识来解决非常规油气开发过程中关键问题的能力，能够综合考虑经济、安全、环境等因素，制订最佳水力压裂方案。这是一门知识点众多且应用性极强的专业基础课程，如何切实增强教学成效，使学生真正掌握概念学以致用，需要教师在教学中不断探索，尝试新的教学方法、教学设计及对学生学习行为的指引。

1"“水力压裂理论与技术”教学中的问题

1.1"学生认知程度不够，对水力压裂技术理解不深

在现代石油工程领域，水力压裂技术是一种重要增产手段，应用广泛。但学生对其认知不足，尤其在水力压裂技术的理解上，主要反映为理论与实践脱节、跨学科知识掌握不全及环境影响认知薄弱。学生在课堂上接触到的大多是理论概念，缺少实践经验和案例分析，且对高压流体注入、岩石破裂及裂缝形成［1］等复杂过程理解困难，对设计水力压裂方案和选择压裂液等问题上通常只停留在表面。行业内的技术更新迅速，导致学生对新发展和新理论了解不足，知识体系难以与时俱进。

1.2"水力压裂是现场应用类技术，与纯理论教学有差距

水力压裂技术作为一种高效的油气田增产手段，其应用的复杂性和实操性远胜于课堂上纯理论教学，需要深厚的理论知识和丰富的实践经验。在实际操作中［2］，压裂作业的前期准备、压裂液选择与配制及裂缝监测与评估等环节都需要现场工程师具备扎实的专业知识和经验。例如，选择压裂液时，需要考虑油藏的地质条件、储层渗透率、温度压力等因素，选择合适的压裂液类型及添加剂，并精确配比［3］，这些技能难以仅通过理论教学获得。此外，在课堂上难以预见实际状况和问题，压裂作业现场往往环境恶劣，容易发生突发情况，需要工作人员依靠实践经验和临场应变能力迅速处理。

1.3"水力压裂内容量大且枯燥，难以抓住重点

水力压裂技术涉及多个学科领域，知识点的交叉使教学内容繁杂，学生难以理清头绪。实施过程中包括大量技术细节，如配置压裂液、选择压裂设备及设置施工工艺参数等，这些细节在教学中会占据较多篇幅，导致理论与实践脱节，学生可能在课堂上理解了压裂的基本原理，但在实际操作中无法应用理论知识［4］。水力压裂过程中需要进行大量数据处理与分析，如井下压力、温度、流量等参数的实时监测与记录，处理数据需要借助专业软件和工具［5］，学生在没有实操经验的情况下，很难直观理解数据背后的意义。

1.4"有关压裂设计的知识点不易掌握

压裂设计是水力压裂技术实施的关键环节，涉及多个复杂计算和技术参数，学生在学习时感到困难，不易掌握。学习压裂设计时，学生往往缺乏实践经验和实际案例的引导，该知识体系庞大，内容繁杂，在学习过程中无从下手。理论的计算公式和设计准则在实际操作中可能因多种因素而变化［6］，导致学生面对实际问题时，不能灵活运用课堂知识。该部分涉及大量专业术语，对于初学者而言，需要花费大量时间和精力，增加了学生认知负担。很多时候，教师在授课时的讲解无法及时与行业最新动态同步，导致学生无法理解理论与实践的结合，增加了学习难度。

2"“水力压裂理论与技术”课程改革与探索

“水力压裂理论与技术”课程教学中出现的问题不可避免，因此针对上述问题提出下列对应方案（下图），以提升学生对水力压裂技术的认知与掌握程度，达到学生能够将理论与实际结合的目的。

“水力压裂理论与技术”教学探索方案图

2.1"用美国页岩气革命引入水力压裂的发展、非常规油气的意义，体现其重要性

水力压裂最初是在20世纪60年代开发的，主要用于常规油气藏的增产作业。然而，随着技术不断进步，特别是在21世纪初，水力压裂技术在页岩气开发中的应用取得了突破性进展。通过与水平钻井技术结合，水力压裂能有效开发原本难以开采的页岩气藏。而美国拥有丰富的页岩气资源，水力压裂技术普及使得这些资源得以开发，迅速释放出之前认为无法经济开采的天然气。因此，水力压裂技术的引入与发展，极大地推动了美国页岩气革命，使得这一非常规能源资源开发成为可能，进而改变了美国能源格局。

深入了解页岩气革命和非常规油气开发后，不难发现水力压裂技术不仅是页岩气开采的技术基础，更是推动全球能源转型的重要动力，不仅改变了世界能源格局，更让我们看到科技的力量，推动能源革命。由此，教师通过科普美国页岩气革命的相关知识，让学生对水力压裂技术有更深刻的理解，激发他们学习该课程的兴趣。通过结合实际案例，学生认识到水力压裂技术不仅是理论上的突破，更是实践中的创新，从而增强他们对石油工程专业的认同感和使命感。

2.2"播放视频，远程沟通，引入理论知识

如今，大多实用性强的课程都强调营造互动与实践的教学环境，通过引入先进技术手段增强学习体验，而不只是靠教师讲解把知识机械地传递给学生。水力压裂内容教学过程中，教师在课堂上播放相关视频能直观地展示水力压裂的流程和细节，让学生直观感受到井场环境和设备，从而深刻理解理论知识。视频内容包括从设备运输、现场布置到压裂液注入、监测反馈的全过程，这种细致入微的展示使学生能够更好地理解理论知识背后的实际应用场景，特别是一些技术难点和工艺细节。通过播放高质量的视频资料，课堂变得更加生动活泼，提高学生的参与度。学生看完行业内部视频，有助于他们直观地接触到现场应用的最新技术和工艺，这样更贴近实际。

同时，教师安排学生与现场施工人员视频连线，一方面，可以实时问答，迅速解决学生在观看视频时产生的疑问，提高课堂专注度；另一方面，施工人员的专业解答可以为学生提供直接、准确的反馈，加深对技术和工艺的理解。例如，某些设备的具体操作原理、施工中可能遇到的问题以及行业的最新技术发展，施工人员都能提供精准的解答。通过这种直接沟通的方式，引入实际工程中的真实案例，使教学更加贴近实际，并丰富课堂内容，教师在一旁辅助讲解其中技术细节，将书本知识与实际操作紧密联系起来，形成系统学习。

2.3"教师整合知识点，学生探索讨论，课堂课后相结合

对于水力压裂这一技术性较强的课程，教师可以将重点知识凝练整合，并以作业的形式让学生自主探索讨论，实现课堂课后有机结合，从而提升教学效果，形成一种在教师指导下的学生自主学习模式，注重培养学生自主学习能力和批判性思维。从水力压裂技术的核心内容着手，包括理论基础、技术流程及设备与材料等方面。其中，理论基础要求学生了解岩石力学、孔隙介质流体动力学等，技术流程重点掌握压裂设计、压裂液注入及裂缝扩展监测等［7］，设备与材料需要学生明白压裂泵车、支撑剂、化学添加剂等组成和应用。

教师将上述关键概念和原理制作成思维导图，帮助学生理清思路，理解各知识点之间的逻辑关系。为了让学生更好地掌握该课程，教师在每次授课前，布置相关预习作业，如阅读指定章节、观看相关视频、思考特定问题等。课后，通过作业来检验学生掌握情况，要求学生按照指定主题，以小组为单位，进行汇报和讨论、交流学习心得和研究成果，锻炼学生自主探索能力和团队合作精神。在汇报和讨论结束后，教师给出点评和反馈，指出优点和不足，及时补充，提出改进意见。这种即时反馈机制有助于学生及时纠正错误，加深学生对重点内容的记忆。教师通过凝练水力压裂重点内容，以作业形式启发学生思考讨论，形成一种在教师指导下的学生自主学习模式，它注重培养学生自主学习能力和批判性思维，实现课堂课后相结合。这种教学模式不仅能够提升学生的学术水平，还能培养他们解决实际问题的能力，为未来的职业发展打下坚实的基础。

2.4"教师重点讲解，设计多样化作业

压裂设计是水力压裂技术中的关键环节，它不仅涉及复杂的理论计算，还需要考虑实际工程中的诸多情况。因此，对于学生来说，理解和掌握这一部分内容具有一定的挑战性。传统的教学模式往往侧重于理论讲解，而缺乏实际应用的指导，这可能导致学生难以将所学知识与实际工程问题相结合，因此，教师在讲解时要改变传统模式。压裂设计步骤包括地质分析、压裂模拟及压裂液选择等部分，要求学生在学习之前掌握必要的物理和工程理论知识。教师可以在课前将该内容涉及的岩石力学、流体力学、渗流力学及多相流理论等相关内容整合，让学生自主学习，在上课时集中解决疑问，以便学生更好地理解压裂设计的内容。

压裂设计是通过地质资料了解储层地质特性，使用数值模拟软件预测压裂液流动和裂缝扩展规律，根据储层特性选择合适的压裂液，并确定其配方，选择合适的支撑剂并确定其粒径和添加量，设计压裂施工参数，如注入压力、排量、加砂浓度等，评估压裂设计经济效益，优化设计方案。学生不仅要掌握这些理论知识，还要灵活运用，考虑经济效益，根据实际情况合理设计不同的压裂方案。这种以项目为基础的学习方式，通过亲自动手进行压裂设计和模拟，学生能够更加深刻地理解压裂设计的复杂性和重要性。

教师将学生分成小组，每个小组负责一个压裂设计项目，小组成员各自负责上述不同的设计任务，在此过程中通过讨论、分析，最终整合成完整报告。教师提供压裂模拟软件的操作指南［8］，让学生通过软件进行压裂模拟，要求学生根据地质资料，进行不同压裂方案模拟，分析效果并撰写模拟报告。学生虽然不能到现场试验，但借助软件可以让他们直观感受到方案的可行性，也方便他们发现方案中的不足。教师在这一过程中扮演着引导者和辅导者的角色，及时给予学生指导和反馈，帮助他们不断提升设计能力和技术水平。

3"结论

“水力压裂理论与技术”是石油工程专业领域的一门核心课程。本文探讨了当前水力压裂教学中存在的问题，针对性地提出一系列改革与探索措施，强调以实践为导向，从实际出发。随着科技的不断进步和能源行业的持续发展，“水力压裂理论与技术”的教学需要不断深化和完善。教师需要不断更新教学内容和方法，紧跟行业前沿动态，确保学生能够掌握最新的技术和理论。

“水力压裂理论与技术”的教学改革与创新是一个长期过程。学生在上课时紧跟教师节奏，认真听讲，课后及时完成作业；学校和教师始终坚持以学生为中心，以实践为导向，不断探索和尝试新的教学方法与手段。在教师的精心指导和学生的积极配合下，一定会涌现出更多具备扎实理论基础和丰富实践经验的人才，为我国能源安全和可持续发展提供有力保障。

参考文献：

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［4］侯建英.综采工作面初采放顶水力压裂控制技术研究与应用［J］当代化工研究.2020（10）：99100.

［5］李沁，代朝辉，卢渊，等.复杂应力条件下岩心水力压裂实验装置设计及验证［J］.实验技术与管理，2024，41（11）：131136.

［6］施达，晏金灿，蔺华林，等.应用型高校化学工艺学课程教学方法的探讨与分析［J］.当代化工研究，2022（23）：142144.

［7］王磊，万绪新，史洪兵，等.大排列微地震实时监测技术在页岩油水力压裂中的应用［J］.石油地球物理勘探，2024，59（03）：52332.

［8］陈骞，王志良，申林方，等.基于热力耦合的近场动力学方法高温岩石水力压裂数值模拟［J］.岩土力学，2024，45（08）：25022514.

基金项目：常州大学研究生优质课程建设项目——高等油气藏工程（QZX24020462）；常州大学2023年校级教育教学研究课题——“新工科”及“双碳”背景下的多学科交叉融合人才培养模式探索与实践（GJY23020028）；2023年常州大学研究生课程思政示范课程——高等油气藏工程（QZX23020528）；2024年常州大学课程思政示范课程——石油工程概论（QZX24020433）

作者简介：吴小军（1991—"），男，汉族，江苏泰州人，博士，讲师，研究方向：油气田开发。

*通信作者：窦祥骥（1990—"），男，汉族，安徽滁州人，博士，副教授，研究方向：油气田开发。