科研成果驱动式的实验教学探...以储层裂缝导流能力测试为例_李静.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 040科 研 成 果 驱 动 式 的 实 验 教 学 探 索 以储层裂缝导流能力测试为例李静，吴明杨，孟晓宇，李春宝，刘伊帅，朱睿(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)摘要:为了解决部分传统实验教学与科研导向和实际应用脱节的问题，将科研成果融入岩石力学综合性实验教学，开展学研一体化科研成果驱动式的实验教学探索。设计了储层裂缝导流能力测试综合实验，包括实验设计原理、方案及内容，研究闭合压力与不同粒径支撑剂组合对裂缝导流能力的影响，并对其效果进行综合分析，为油气勘探开发与储层改造方案设计提供依据。实践表明，该实验教学探索巩固了学生理论知识及文献检索能力，激发学生自主学习兴趣和科研创新思维，加强了学生实践动手操作能力和创新能力。关键词:岩石力学;储层裂缝导流;科研成果驱动;学研一体化;实验教学中图分类号:G 642.423文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0204 04Exploration of esearch Achievements driven Experimental Teaching A Case Study of eservoir Fracture Diversion Capacity TestLI Jing，WU Mingyang，MENG Xiaoyu，LI Chunbao，LIU Yishuai，ZHU ui(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China)Abstract:In order to solve the problem of disconnection between traditional experimental teaching and scientificresearch orientation and practical application，scientific research achievements are integrated into comprehensiveexperimental teaching of rock mechanics，and experimental teaching driven by scientific research achievements is carriedout The comprehensive experiment of reservoir fracture conductivity test is designed，including the design principle，scheme and content of the experiment The influence of the combination of closure pressure and proppant with differentparticle sizes on fracture conductivity is studied，and its effect is comprehensively analyzed，providing a basis for thedesign of oil and gas exploration and development and reservoir reconstruction scheme The practical results show thatthe experiment has consolidated the students theoretical knowledge and literature research ability，stimulated thestudentsindependent learning and innovative thinking of scientific research，strengthened the students practical abilityand innovation ability，and adapted to the needs of the new era constructionKey words:rock mechanics;reservoir fracture conductivity;scientific achievements-driven;integration of study andresearch;experimental teaching收稿日期:2022-02-28基金项目:国家自然科学基金项目(41972138)作者简介:李静(1967 )，女，山东蓬莱人，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学方面的教学与科研工作。Tel:[phone];E-mail:lijing0681163 com0引言实验教学是提升学生实践能力、培养创新思维、实现理论联系实际的关键环节，科研项目则是学科前沿发展动态的重要反映，二者在高等教育中均发挥着举足轻重的作用1。传统模式的实验教学大多脱离科第 1 期李静，等:科研成果驱动式的实验教学探索研导向与实际应用，难以满足新工科建设需求。因此在科教、产教双融合的发展趋势下，探索并实践将科研成果2-4、科研项目5-7 引入课堂教学，实现实验教学与学科前沿的密切结合尤其重要。岩石力学是一门工程应用性、综合性较强的学科，创新性是其不断进步的重要特性。储层裂缝导流能力测试作为岩石力学课程的必修实验，目前的实验教学内容仅为重复分析单一支撑剂条件下裂缝导流能力随不同闭合压力的变化规律，属于已知结论的验证性实验，与油气藏开发需求存在较大出入，导致学生缺乏处理实际应用问题的能力。而科研项目本身就是一个天然实验，以科研成果驱动式教学为导向，科技前沿成果为辅，能够充分发挥课程的导向作用，并极大地提高学生的创新实践能力，是一种集高效、创新、综合为一体的教学形式，本研究依托国家自然科学基金项目，选取储层裂缝导流能力测试为选题，以实际应用问题作为切入点，探索科研成果驱动式的实验教学方法，可以促进前沿知识的渗透，实现科研成果和实验教学的有机融合。1实验设计背景及意义在致密油气藏开发过程中，储层裂缝导流能力作为一项重要参数，对于油气藏的勘探开发、优化设计以及裂缝导流能力的有效保持具有重要的指导意义8-9，逐渐引起了行业内的高度重视。其数值主要受循环压力、支撑剂粒径、铺置浓度和酸化处理时的酸液浓度等多种因素的影响10-12，明确各因素对导流能力的影响规律以及效果评价是目前研究的关键内容。以往的本科生实验教学内容单一陈旧，仅使学生对导流能力的概念以及实验操作有一定的认知，教学资源在前沿性、应用性上比较匮乏，不足以满足学生对实际生产需求、导向的认识和掌握。因此，以提高实验教学内容的先进性适用性和研究性为目的，选取科研成果中的部分内容转化为本科生实验教学资源，将验证性实验开发成具有综合性、创新性特点的探究性实验13-14。指导教师在课前安排学生分组进行导流能力测试方面的文献阅读，熟悉实验设备的操作，每组学生初步拟定不同影响因素的实验方案，不同组间实验过程相似但又不完全一致，从而保证每组学生独立开展实验;根据实验过程中出现的问题以及相应的实验结果进行优化，最终获得最优方案。通过该探究性实验，可以促使学生形成一定的合作意识，提高学生的学习积极性以及科研创新能力。2实验设计2.1实验目的基于储层裂缝导流能力测试实验，通过科研教学相结合的方式，力求达到以下教学研究目的:(1)掌握中外文献查阅方法，了解储层裂缝导流能力最新研究进展、影响因素及变化规律，学习裂缝长期导流能力评价系统工作原理，精通压力试验机及美国石油学会(API)标准导流岩板加工流程。(2)掌握储层裂缝导流能力实验基本原理，独立制定实验方案且能根据实验结果揭示内在机理，明确闭合压力和嵌入作用对导流能力的影响。(3)通过实验设计、改进等过程，培养学生自主发现、分析、解决、总结问题的思维，提升学生团队协作、科研创新及探索未知的能力。2.2实验原理测量不同出入口压力下的液体流量，再利用液体径向渗流达西公式即可计算裂缝的导流能力15。根据压裂支撑剂充填层导流能力评价标准16，实验采用面积为 65 cm2的 API 标准导流室。支撑裂缝渗透率、充填层导流能力表达式分别为:k=5 555QpWf(1)kWf=5 555Qp(2)式中:k 为支撑裂缝渗透率，m2;Q 为流量，cm3/s;为流体黏度，mPas;Wf为支撑剂填充厚度，cm;p 为测试段压力差，kPa。采用目标层位天然裂缝面上的闭合压力作为实验最大压力，其表达式为:=H+h2H h2cos 2(3)式中:为岩石内摩擦角，();H为地层的最大水平主应力，MPa;h为地层的最小水平主应力，MPa。2.3实验材料与设备实验设备采用图 1、2 所示的裂缝长期导流能力实验评价模拟系统和 TYE-2000B 型压力试验机，标准实验岩板见图 3，尺寸为 178 mm 38 mm 25 mm，两端加工成半圆形，岩心取自庄 109 井4 259.04 m，上覆岩层压力为 96 MPa，设计闭合压力为 95 MPa。图 1裂缝长期导流能力评价系统502第 42 卷图 2TYE-2000B 型压力试验机图 3API 标准加工实验岩板2.4实验方案实验采用 20/40、30/50、40/70 目陶粒，密度依次为 1.81、1.61 和1.59 g/cm3，液体黏度为1 mPas，最大闭合压力取 90 MPa。共设计 8 组实验，包括 2 组岩板及 6 组钢板。具体方案如下:(1)单粒径支撑裂缝导流能力实验。分别测试岩板、钢板在 30/50、40/70 单粒径支撑条件下的裂缝导流能力。(2)组合粒径支撑裂缝导流能力实验。将不同粒径支撑剂按照组合放置，并进行组合粒径优选，铺置形式如图 4 所示。图 4组合粒径铺置示意方案 120/40、30/50 和 40/70 3 种粒径按顺序铺置;方案 220/40、30/50 和 40/70 3 种粒径按倒序铺置;方案 320/40、30/50 和 40/70 3 种粒径均匀混合铺置;方案 430/50 和 40/70 2 种粒径按顺序铺置。2.5实验步骤实验步骤具体包括:确定闭合压力;设置实验流量2.5 mL/min;装填岩心试样，如图 5 所示;装载上下活塞以及流体进出口;将导流室装载在压力实验机上，由液压机对两端活塞进行加压;连接气体进出口管线以及测压管线;观察导流室与管路连接处是否泄露，若有应立即排除;检查两端活塞有无泄漏，若存在应终止实验，重新填充导流室;导流室两端装载位移传感器;检查完毕后压力加载至实验所需闭合压力值;根据式(1)(3)计算各个压力值下的导流能力、渗透率。(a)导流室涂胶(b)装底岩板(c)铺沙(d)装上岩板图 5导流室装填过程3实验结果与分析3.1单粒径支撑裂缝导流能力实验本组实验通过测试单粒径支撑下岩板与钢板的导流能力，分析闭合压力和嵌入作用对导流能力的影响，结果如图 6 所示。分析可知，相同粒径下钢板组的导流能力高于岩板组，且在闭合压力增大过程中均有所下降。分析是由于岩板较陶粒支撑剂的强度低，岩板受闭合压力作用破碎程度更大，并以小颗粒的形式填充于支撑剂孔隙中，孔隙体积减小，导致裂缝导流能力下降。602第 1 期李静，等:科研成果驱动式的实验教学探索图 6岩板、钢板单粒径支撑裂缝导流能力对比曲线30/50 目支撑剂提供的导流能力大于 40/70 目，但在闭合压力增大过程中下降较明显，两者间的差距逐渐缩小。这是由于大粒径支撑剂早期提供的导流能力较大，但其破碎率与嵌入作用随闭合压力增大而逐渐增强，导致大粒径支撑剂优势逐渐消失。同时，30/50 目支撑剂导流能力损伤比 40/70 目支撑剂更明显。3.2组合粒径支撑裂缝导流能力实验本组实验仅选用钢板进行试验，结果如图 7 所示。分析可知，导流能力排序为:方案 1 方案 2 方案 3 方案 4，且导流能力的下降速度基本一致。在闭合压力增大过程中，支撑剂破碎，方案 1、2 的导流能力差距逐渐缩小并在90 MPa 时达到一致;方案3 的裂缝导流能力小于方案 1、2，分析是由于支撑剂均匀混合后，大粒径支撑剂间空隙被填充，故导流能力减小;方案 4 的导流能力最小且下降趋势最为平缓，由于不存在 20/40 目大粒径支撑剂，初始导流能力较小，且在闭合压力增大过程中，破碎率较低，故裂缝导流能力下降速度最慢。图 7钢板组合粒径支撑裂缝导流能力对比曲线3.3实验结果分析为排除嵌入作用的影响，取 6 组钢板实验进行综合分析，以期得到最优导流能力下的粒径组合。结果如图 8 所示。分析可知，初始导流能力受支撑剂粒径的影响更明显。40/70 目单粒径支撑时的裂缝导流能力小于油田实际采用的 30/50、40/70 目粒径组合，30/50 目单粒径支撑条件下的裂缝导流能力远高于其余组合粒径。图 8支撑剂组合优选导流能力对比曲线基于实验结果，压裂施工过程中，支撑剂采用 30/50 目单粒径或 20/40、30/50 和 40/70 3 种粒径按顺序铺置等方案，压裂增产效果较好，故此两种方案为最优组合方案。4结语通过融入科研成果的储层裂缝导流能力测试实验教学探索，取得如下效果:(1)科研成果驱动式的实验教学模式，突破传统教学固有模式的约束，将科研成果融入本科生实验教学，促使实验内容更具研究性、创新性和探索性，可以显著提高学生的主观能动性以及创新能力，充分实现科研成果与实验教学的反哺循环，是新工科背景下实验教学模式的有益探索。(2)基于单粒径及组合粒径裂缝导流能力测试实验，培养了学生对裂缝长期导流能力评价系统、压力试验机等科研型仪器的操作能力;通过确定实验变量、设计方案、分析数据等实验流程，提升了学生独立发现问题以及科研探索的意识。(3)科研成果驱动式的储层裂缝导流能力测试实验教学，实现了科研与教学的相互促进与深度融合，一方面使学生了解行业前沿技术以及学科最新发展动态，激发学生科学研究兴趣;另一方面，通过该实验的锻炼与启发，提高了学生创新思维及综合实践能力的培养，为今后从事科学研究或技术工作奠定坚实的基础。参考文献(eferences):1李和平，龚波林，刘万毅 深化实验教学改革强化技能型人才培养 J 实验技术与管理，2013，30(2):159-1612张彦军，刘文怡 科研成果驱动式电子综合实践教改设计与实践 J 高等工程教育研究，2020(2):88-923董桂伟，赵国群，王桂龙，等 科研成果转化为实验教学资源的探索 J 实验技术与管理，2019，36(4):114-1174靳明，边刚，高一嫚，等 基于本科生科研创新能力的探索性实验设计 J 实验室研究与探索，2021，40(2):168-171(下转第 303 页)702第 1 期姜金良，等:人文科学虚拟仿真实验建设:现状、设计模式与应用场景破到“无限场”“虚拟场”，积极打造实验教学领域的线上线下“混合式金课”11。但也应该警惕虚拟仿真学习导致学生认知的不足，过于注重知识的具体操作，“人工智能、虚拟仿真和多媒体等技术的应用，为教师讲解知识、学生理解知识提供了有效的手段，在知识学习方面效果显著，但是在抽象思维能力培养方面，学生得到提升的机会可能越来越少”12。因此，虚拟仿真实验教学应与线下课程学习结合，线下教学具有互动性优势，在培养学生抽象思维能力上更胜一筹。(2)虚拟仿真实验为现实实践课程做准备。虚拟仿真实验虽具有优势，但学生不能对操作实物、社会场景进行感性认知，更不能提供无限多元场景。因此，现实实践课程仍具有不可代替性。人文学科实践课程中新闻采写、课堂教学实习、司法实务等实践性课程，涉及学科综合性知识运用，且注意事项较多，本科生初次进入实践场景难免存在紧张，实践实习适应期较长。通过虚拟仿真实验教学，为学生实习实践提供虚实结合的资源平台，让学生提前熟悉实践课程，为现实实践课程做好预习，以顺利实现知识运用的转型发展13。(3)应用资源共享。因虚拟仿真实验教学项目建设周期长，成本高。而国家级虚拟仿真实验平台中共享项目推广力度还不足，既要运用新闻传播规律加大推广，也要避免过于追求新奇影响教学效果 14。因此，从节省投资成本的角度考虑，可以有效利用现有建设成果，借助教育部虚拟仿真实验教学平台，以资源共享形式实现利用最大化，进一步推进教育资源分配的均衡化。4结语通过人文学科虚拟仿真实验教学课程的建设情况的实证分析，反映出这类课程建设方兴未艾，随着教育信息化向智能化发展，利用 V 技术等推进虚拟仿真从交互式应用到沉浸式，进一步推动现场场景生动性15。因此，在技术支持下虚拟仿真实验无疑会得到长足发展。在具体教学中将技术与教育原理、应用场景有机结合科学利用，不断提升教学效果。参考文献(eferences):1张俊宗 新文科:四个维度的解读J 西北师大学报(社会科学版)，2019，56(5):13-172熊澄宇 关于新文科建设及学科融合的相关思考J 上海交通大学学报(哲学社会科学版)，2021，29(2):22-263顾黎，周明华 国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台对现代远程教育实验教学的启示J 成人教育，2022，42(5):47-524贾文涛，李怡君 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