石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合設(shè)計(jì)探索

譚強(qiáng)

［摘 要］實(shí)驗(yàn)教學(xué)是石油工程巖石力學(xué)課程教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法上存在前沿性不足、實(shí)踐性不足和創(chuàng)新性不足等問題。為了進(jìn)一步優(yōu)化巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，建議以石油工程中典型的巖石力學(xué)問題為主線，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。作者以油氣鉆井工程中的井壁穩(wěn)定問題為例，組織學(xué)生將相關(guān)的地層巖心力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)、地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和鉆井液對(duì)地層巖心的影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以班級(jí)為單位分組完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于實(shí)際工程問題分析。這種與工程問題緊密結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和提高其解決實(shí)際問題的能力，優(yōu)化巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］巖石力學(xué)；石油工程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

［中圖分類號(hào)］ G642.423 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）11-0061-04

巖石力學(xué)是一門研究巖石受到外界力的作用時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和自身是否發(fā)生破壞的科學(xué)，屬于固體力學(xué)的分支。在本科教育階段，巖石力學(xué)課程主要講授巖石在載荷、流體、溫度等外在因素發(fā)生變化時(shí)的變形和破壞特性及其在工程中的應(yīng)用，是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程。巖石力學(xué)在礦山開采、古跡保護(hù)、水利水電、路橋建設(shè)、石油鉆采等領(lǐng)域均可發(fā)揮重要作用。對(duì)石油工程專業(yè)的本科生來說，巖石力學(xué)課程既是前面理論力學(xué)、材料力學(xué)、地質(zhì)學(xué)等課程的延伸，同時(shí)又有助于后續(xù)鉆井工程、采油工程和油藏工程等課程的學(xué)習(xí)。

開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程科學(xué)最基本的教學(xué)手段之一，在教學(xué)中至關(guān)重要[1]。在巖石力學(xué)課程教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，讓學(xué)生直觀地了解巖石的物理特性與力學(xué)特性，學(xué)習(xí)相關(guān)參數(shù)的分析方法，加強(qiáng)巖石力學(xué)理論與實(shí)踐的結(jié)合。開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是為了加深學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論的理解，更重要的是為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的拓展應(yīng)用能力。因此，在工科專業(yè)的專業(yè)課講授過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必不可少的環(huán)節(jié)，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得合理與否影響到課程教學(xué)效果。

一、石油工程巖石力學(xué)課程開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的

在石油工程巖石力學(xué)課程中開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的主要是讓學(xué)生直觀地了解巖石的性質(zhì)，鍛煉動(dòng)手能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，將理論知識(shí)與實(shí)踐緊密結(jié)合起來，學(xué)習(xí)和鞏固巖石力學(xué)的相關(guān)知識(shí)。具體來說，其目的主要有以下幾點(diǎn)。

其一，直觀地了解巖石的物理特性和力學(xué)特性。石油工程巖石力學(xué)課程的研究對(duì)象是深埋于地下的各類巖石，學(xué)生僅僅通過課堂講授和理論學(xué)習(xí)難以真正理解與掌握課程中的某些概念。因此需要借助巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生得以直接觀察不同巖性的巖樣，對(duì)巖石物理性質(zhì)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)；通過對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)量分析，使學(xué)生獲得對(duì)巖石物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)關(guān)系的基本認(rèn)識(shí)。

其二，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。在國(guó)內(nèi)外高等教育中，很多高校都把實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為推動(dòng)創(chuàng)新的重要工作[2]，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和實(shí)踐技能的重要手段[3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展過程中應(yīng)盡量保證學(xué)生能夠親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

其三，通過理論聯(lián)系實(shí)際，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是引導(dǎo)學(xué)生將書本上的理論知識(shí)與實(shí)際相聯(lián)系的重要機(jī)會(huì)，這里的“實(shí)際”不僅指實(shí)驗(yàn)本身，還指與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有關(guān)的工程問題。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠成為連接已學(xué)理論知識(shí)和石油工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

總之，巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)是讓學(xué)生全面掌握巖石力學(xué)知識(shí)的重要環(huán)節(jié)，但想達(dá)到上述教學(xué)目的，僅僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書照本宣科還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要認(rèn)真研究目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

二、石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的主要問題

目前工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中仍存在一些問題，較普遍的問題是教學(xué)內(nèi)容先進(jìn)性不夠以及教學(xué)模式和考核方式過于單一等[4-5]。與之相似，石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

其一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，前沿性不足。巖石力學(xué)相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展日新月異，如何把新的理論技術(shù)及時(shí)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一項(xiàng)重要課題。以巖石力學(xué)參數(shù)的求取和強(qiáng)度準(zhǔn)則的確定為例，目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)大都仍以均質(zhì)各向同性力學(xué)參數(shù)的分析為主，對(duì)于強(qiáng)度準(zhǔn)則的應(yīng)用一般也只要求通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則中的相關(guān)參數(shù)，對(duì)于巖石的不連續(xù)性、各向異性等特點(diǎn)均未體現(xiàn)，這就使學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析的過程中無法鞏固這部分理論知識(shí)。

其二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合較少，實(shí)踐性不足。工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)是促進(jìn)理論知識(shí)相互關(guān)聯(lián)加強(qiáng)的重要環(huán)節(jié)[6]，但目前的巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般僅針對(duì)巖石物理特性或力學(xué)特性及相關(guān)理論，未延伸到工程實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于石油工程巖石力學(xué)課程來說，實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)與工程緊密結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)理論在工程中應(yīng)用的理解和掌握。

其三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的方法和手段單一，創(chuàng)新性不足。先進(jìn)的教學(xué)方法和新穎的教學(xué)手段有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前的實(shí)施辦法主要還是教師講授實(shí)驗(yàn)原理、演示實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)、重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程。受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和使用時(shí)間的限制，在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的參與性明顯不足，這就有悖于以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，也不利于學(xué)生掌握相關(guān)知識(shí)。

三、石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綜合設(shè)計(jì)

為了解決石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，筆者針對(duì)石油工程巖石力學(xué)課程的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)。以油氣鉆井工程中典型的巖石力學(xué)問題“井壁穩(wěn)定性分析”為例，該問題涉及巖石力學(xué)課程中的“巖石的力學(xué)特性”“地應(yīng)力大小及方向”“井眼周圍應(yīng)力分布的”“巖石的強(qiáng)度準(zhǔn)則”等理論知識(shí)，同時(shí)還與鉆井液對(duì)地層的侵入作用等工程因素有關(guān)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，與井壁穩(wěn)定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如巖心單軸三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)確定地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、巖心抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)等，大都是分別單獨(dú)進(jìn)行的，而且不涉及鉆井液與巖心的相互作用。對(duì)于巖心的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，一般也遵循均質(zhì)各向同性假設(shè)，未考慮巖石的各向異性，而這些因素往往是工程實(shí)踐需要關(guān)注的。

因此，在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者將與井壁穩(wěn)定性有關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。首先明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)，即通過實(shí)驗(yàn)、結(jié)合理論知識(shí)分析典型地層鉆井過程的井壁穩(wěn)定性。圍繞這一目標(biāo)，堅(jiān)持以學(xué)生為中心和以問題為導(dǎo)向，提高學(xué)生的自主性，引導(dǎo)學(xué)生在達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)或改進(jìn)部分實(shí)驗(yàn)并利用相關(guān)數(shù)據(jù)解決工程實(shí)踐問題。

（一）巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

開展巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是獲得特定地層的強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，為井壁穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。筆者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)課程相關(guān)理論知識(shí)，針對(duì)不同巖心設(shè)計(jì)不同的力學(xué)實(shí)驗(yàn)程序。對(duì)于常規(guī)巖心，假設(shè)為各向同性介質(zhì)，可以通過開展不同圍壓下的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，獲取巖心抗壓強(qiáng)度隨圍壓變化的規(guī)律，利用莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算巖心的黏聚力和內(nèi)摩擦角。針對(duì)同一井深的巖心，可以設(shè)計(jì)在等差升高的三種圍壓下的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。常規(guī)巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

對(duì)于層理、裂縫發(fā)育的具有各向異性特性的巖心，考慮巖心的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在與層理面法線成不同角度的方向上鉆取巖心后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，取心示意圖如圖1所示。

各向異性巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。通過與層理面法線成不同角度的方向上鉆取巖心后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，根據(jù)包含弱面的強(qiáng)度準(zhǔn)則分析巖心整體強(qiáng)度參數(shù)和弱面強(qiáng)度參數(shù)，用于井壁穩(wěn)定性計(jì)算。

（二）地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

直接確定地應(yīng)力大小的方法有兩類，分別是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，可以通過差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)或聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)實(shí)驗(yàn)確定地應(yīng)力大小[7]。由于差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)過程較為復(fù)雜，對(duì)巖樣要求比較高，因此大都采用聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行地應(yīng)力大小分析。開展該實(shí)驗(yàn)需要在原始地層巖心的基礎(chǔ)上進(jìn)行定向取心，取心要求見圖2。在巖樣垂直方向鉆取1塊巖心，標(biāo)記為“V”，在水平方向鉆取3塊巖心，標(biāo)記為“0”“45”“90”。對(duì)鉆取的巖心分別進(jìn)行重復(fù)加載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)加載過程中的聲發(fā)射信號(hào)變化情況。在聲發(fā)射信號(hào)曲線上識(shí)別突變點(diǎn)（Kaiser效應(yīng)點(diǎn)），認(rèn)為對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力即為巖心在地層條件下受到的有效壓應(yīng)力。為了保證Kaiser效應(yīng)點(diǎn)在巖心破壞前出現(xiàn)，對(duì)于較深的巖心還需要施加圍壓。利用聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)評(píng)價(jià)地應(yīng)力大小的理想情況是在不同深度、多個(gè)井段鉆取符合要求的巖心，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和取心情況所進(jìn)行的地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

通過實(shí)驗(yàn)識(shí)別出Kaiser效應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力后，可以通過應(yīng)力變換獲得井下條件下的三向主應(yīng)力大小[8]，為井壁穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)參數(shù)。

（三）鉆井液影響因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鉆井中井眼鉆開后，井壁巖石因受鉆井液浸泡而強(qiáng)度下降，將對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。為了描述鉆井液對(duì)地層強(qiáng)度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆井液浸泡巖心一定時(shí)間后的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，主要是為了確定巖心吸水規(guī)律和力學(xué)參數(shù)在被鉆井液浸泡不同時(shí)間后的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4。利用鉆井液浸泡后的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合得出巖心抗壓強(qiáng)度隨吸水率和浸泡時(shí)間的變化規(guī)律，可以用于井眼鉆開一段時(shí)間后的井壁穩(wěn)定性分析。

筆者通過設(shè)計(jì)巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和鉆井液對(duì)巖心的影響實(shí)驗(yàn)，以井壁穩(wěn)定性分析中的相關(guān)要素為主線，完成與石油工程巖石力學(xué)課程綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于綜合實(shí)驗(yàn)整體工作量較大，因此建議以班級(jí)為單位組織學(xué)生分工合作，利用4至6個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，不拘泥于課本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)框架，補(bǔ)充必要的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中的自主性、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是石油工程巖石力學(xué)課程教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)，開展巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生鍛煉動(dòng)手能力、加深理解理論知識(shí)以及加強(qiáng)理論與實(shí)際的聯(lián)系。如何進(jìn)一步提高石油工程巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性仍是目前需要解決的問題。建議以石油工程中的一些典型工程問題為主線，引導(dǎo)學(xué)生以班級(jí)為單位進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。以油氣井工程中的井壁穩(wěn)定問題為例，將相關(guān)的巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、地應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和鉆井液對(duì)巖石的影響等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，鼓勵(lì)學(xué)生通過在不同實(shí)驗(yàn)中的協(xié)作與數(shù)據(jù)共享解決工程中的具體問題。開展與工程實(shí)際問題緊密結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)，有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和提高其解決實(shí)際問題的能力，優(yōu)化巖石力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：龐丹丹］