融入課程思政的“油藏?cái)?shù)值模擬”教學(xué)探討與實(shí)踐

吳正彬，謝叢姣，高復(fù)陽

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〔武漢〕資源學(xué)院，湖北 武漢 430074）

引言

油藏?cái)?shù)值模擬作為油氣田開發(fā)的一項(xiàng)重要手段，是一門綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。在理論上用來探索多孔介質(zhì)中各種復(fù)雜的滲流問題，在工程上作為開發(fā)方案設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、開發(fā)調(diào)整、提高采收率的有效手段，能為油氣田開發(fā)技術(shù)措施的制定提供理論依據(jù)。

油藏?cái)?shù)值模擬是一門多學(xué)科交叉的學(xué)科，學(xué)好“油藏?cái)?shù)值模擬”課程，需要先學(xué)習(xí)較多的先修課程，包括數(shù)學(xué)類（“線性代數(shù)”“微分方程”“計(jì)算方法”“數(shù)值分析”）、專業(yè)類（“油氣田開發(fā)地質(zhì)學(xué)”“油層物理”“滲流力學(xué)”“油藏工程”“采油工程”）、計(jì)算機(jī)類（“計(jì)算機(jī)原理”“程序語言”）等課程。

通過“油藏?cái)?shù)值模擬”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能了解并掌握油藏?cái)?shù)值模擬的基本概念、主要內(nèi)容、基本步驟及基本原理，結(jié)合課堂上機(jī)實(shí)踐進(jìn)行油藏?cái)?shù)值模擬實(shí)例演示和分析，做到將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到具體油藏并進(jìn)行模擬分析。

一、“油藏?cái)?shù)值模擬”課程融入思政元素的必要性及可行性

培養(yǎng)什么樣的人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題。落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體。全面推進(jìn)課程思政建設(shè)，就是要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、價(jià)值觀與人生觀。課程思政是新時(shí)代對(duì)高等教育提出的新要求，是高等教育工作者的新任務(wù)，因此，授課教師應(yīng)主動(dòng)在學(xué)校的教學(xué)活動(dòng)中，圍繞教學(xué)任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，以課程為立足點(diǎn)，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，將德育元素合理滲透到專業(yè)知識(shí)中，充分認(rèn)識(shí)課程思政的重要意義。

“油藏?cái)?shù)值模擬”課程的主要教授內(nèi)容包括：（1）緒論及油藏?cái)?shù)值模擬在油氣田開發(fā)中的作用；（2）油藏?cái)?shù)值模擬基本數(shù)學(xué)模型；（3）差分方程的建立；（4）差分方程組的數(shù)值解法；（5）油藏?cái)?shù)值模擬方法；（6）油藏?cái)?shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)；（7）實(shí)驗(yàn)教學(xué)。課程內(nèi)容涵蓋了油藏從開發(fā)初期方案制定到開發(fā)晚期方案調(diào)整的整個(gè)過程，結(jié)合了理論與實(shí)踐的教學(xué)。結(jié)合油藏?cái)?shù)值模擬的發(fā)展和解決實(shí)際問題的方法步驟，可以充分挖掘課程思政資源，如石油精神、愛國(guó)情懷、辯證思維、理論與實(shí)踐結(jié)合、學(xué)科交叉與創(chuàng)新。在課程思政的實(shí)踐路徑方面，應(yīng)做好課程思政的教學(xué)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化教師作用，在實(shí)施過程中要如春雨潤(rùn)物，采用適合課程思政的教學(xué)方式，以實(shí)現(xiàn)石油工程專業(yè)立德樹人的育人目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)專業(yè)教育與思想政治教育的有效融合。

二、“油藏?cái)?shù)值模擬”課程教學(xué)融入思政元素的具體方案

（一）緒論及油藏?cái)?shù)值模擬在油氣田開發(fā)中的作用

在緒論部分，教師主要介紹國(guó)內(nèi)石油工業(yè)的發(fā)展和油氣開采現(xiàn)狀及油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用和作用。在授課過程中，為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)石油事業(yè)的熱愛及投入石油勘探開發(fā)的熱情，首先向?qū)W生介紹我國(guó)石油工業(yè)崛起的基石——大慶油田松基三井。松基三井，即松遼平原第三口基準(zhǔn)井，是大慶長(zhǎng)垣構(gòu)造帶上的第一口探井，也是大慶油田的發(fā)現(xiàn)井。1959年9月26日，松基三井喜獲工業(yè)油流，標(biāo)志著大慶油田的發(fā)現(xiàn)，拉開了大慶油田會(huì)戰(zhàn)的序幕。大慶油田的發(fā)現(xiàn)，徹底改變了我國(guó)石油工業(yè)落后的面貌，促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。結(jié)合目前的新冠肺炎疫情防控，在口罩和防護(hù)服的生產(chǎn)中不可缺少的一種基礎(chǔ)原料是聚丙烯。同時(shí)，聚丙烯是一種聚合物，由丙烯聚合而成，是生產(chǎn)熔噴布的主要原料。問題來了，丙烯從哪里來？丙烯的主要來源之一就是石油。石油經(jīng)過分餾，分餾之后的產(chǎn)品通過裂化與裂解，得到烯烴，進(jìn)而得到丙烯。啟發(fā)學(xué)生思考石油在抗疫中的重要作用，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的熱愛和自豪感。

另外，在課堂緒論部分，任課教師向?qū)W生介紹目前常用的油藏?cái)?shù)值模擬軟件，主要包括ECLIPSE和CMG。這兩款軟件已經(jīng)發(fā)展了近40年，對(duì)于常規(guī)油藏模擬原理沒有本質(zhì)差別，技術(shù)早已成熟。但是在油藏工程師的實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)于兩款軟件的使用也有相對(duì)的偏向性。ECLIPSE一般和地質(zhì)建模軟件PETREL一起使用，PETREL建模后導(dǎo)入ECLIPSE動(dòng)態(tài)模擬，一般用在黑油模型上。CMG則一般在熱采、化學(xué)驅(qū)運(yùn)用比較多。這說明針對(duì)不同的問題，要選擇合適的方式。每個(gè)人都有自己的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，所以教師在教授學(xué)生時(shí)，也應(yīng)當(dāng)因材施教，把握學(xué)生的特點(diǎn)，給予針對(duì)性的教學(xué)。不過，不管是ECLIPSE還是CMG，畢竟只是解決油藏模擬問題時(shí)所使用的工具，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，更取決于油藏工程師的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析能力及對(duì)油藏?cái)?shù)值模擬軟件的使用熟練程度等。如果專業(yè)基礎(chǔ)不牢、處理數(shù)據(jù)能力欠缺，只會(huì)導(dǎo)致“Rubbish in,rubbish out”。因此，人的主觀能動(dòng)性在解決專業(yè)問題的過程中起著重要作用。欲善其事，必利其器。練好基本功，修煉好自己，才能無往不利。

（二）油藏?cái)?shù)值模擬基本數(shù)學(xué)模型

油藏?cái)?shù)值模擬基本數(shù)學(xué)模型的建立包含守恒方程（質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程）、運(yùn)動(dòng)方程、狀態(tài)方程、輔助方程、定解條件等。其中，質(zhì)量守恒方程考慮的是流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問題。我們把地層條件下黏度大于50mPa·s或地面標(biāo)況條件下黏度大于100mPa·s的原油稱為稠油。稠油的儲(chǔ)集空間一般屬于高孔高滲儲(chǔ)層，但是稠油自身黏度大，流動(dòng)性差；目前比較熱門也是未來油氣資源主要來源的非常規(guī)石油資源（包括致密油、頁巖油等），原油黏度低，自身流動(dòng)性較好，但是非常規(guī)儲(chǔ)層往往致密，孔隙度、滲透率低，從而造成了非常規(guī)石油資源開采的困難。由此可見，矛盾不僅存在于人與人之間，也存在于石油開采過程之中。面對(duì)矛盾，需要做的是“對(duì)癥下藥”。針對(duì)稠油油藏的開發(fā)，一般對(duì)原油采用提高采收率的措施，以提高稠油自身的流動(dòng)性；而對(duì)于非常規(guī)原油，則需要對(duì)儲(chǔ)層采取改造措施如壓裂，從而提高儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率等。另外，單一的連續(xù)性方程還不足以建立完整的數(shù)學(xué)模型，還需要結(jié)合其他原理和輔助條件。在社會(huì)活動(dòng)中，個(gè)體的力量畢竟有限，善于整合和團(tuán)結(jié)有利的資源，才有可能辦成事情。

在理論介紹的過程中，結(jié)合上機(jī)實(shí)踐，通過油藏?cái)?shù)值模擬實(shí)例訓(xùn)練，可以使學(xué)生更好地理解“油藏?cái)?shù)值模擬”這門課程，更好地掌握油藏?cái)?shù)值模擬這門技術(shù)。圖1～圖6展示了利用油藏?cái)?shù)值模擬方法開展實(shí)際油藏開發(fā)的實(shí)例。理論與實(shí)踐相輔相成，缺一不可。課堂上只教授理論，會(huì)過于抽象，不利于學(xué)生理解；但是如果只強(qiáng)調(diào)操作與上機(jī)實(shí)踐，學(xué)生的理論基礎(chǔ)不牢，也會(huì)出現(xiàn)知其然而不知其所以然的后果。

圖1 泌淺10區(qū)全區(qū)日產(chǎn)液、日產(chǎn)油歷史擬合圖

圖2 IV91層蒸汽吞吐結(jié)束時(shí)含油飽和度場(chǎng)圖

圖3 IV91層蒸汽吞吐結(jié)束時(shí)剩余儲(chǔ)量豐度場(chǎng)圖

圖4 IV91層蒸汽吞吐結(jié)束時(shí)地層壓力場(chǎng)圖

圖5 IV91層蒸汽吞吐結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)圖

圖6 IV9層生產(chǎn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

（三）油藏?cái)?shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)

油藏?cái)?shù)值模擬的基本步驟主要包括：擬定油藏模擬目標(biāo)、基礎(chǔ)資料的準(zhǔn)備、建立油藏模擬模型、歷史擬合、油藏動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)等。由于計(jì)算機(jī)性能及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來油藏?cái)?shù)值模擬的發(fā)展是與人工智能的結(jié)合。目前，人工智能在油氣田開發(fā)的替代模型設(shè)計(jì)、產(chǎn)量預(yù)測(cè)、生產(chǎn)方案優(yōu)化等方面具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)于油藏?cái)?shù)值模擬，歷史擬合是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。一般來說，歷史擬合的精確程度取決于油藏工程師的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在已有專家開發(fā)了將內(nèi)部數(shù)值模擬程序包和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)相結(jié)合的神經(jīng)模擬協(xié)議，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法加快歷史擬合的計(jì)算速度、提高歷史擬合的精度。隨著油氣田開發(fā)復(fù)雜程度的不斷增加，油藏?cái)?shù)值模擬的難度也將會(huì)不斷增加，相應(yīng)的油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)也會(huì)不斷發(fā)展。技術(shù)是不斷發(fā)展的，要用發(fā)展的眼光看問題。舊的、落后的技術(shù)必將被淘汰，新的、先進(jìn)的技術(shù)必將興起。

“油藏?cái)?shù)值模擬”課程是石油工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在從理論和實(shí)踐兩方面培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，能夠運(yùn)用油藏?cái)?shù)值模擬方法解決油氣田開發(fā)中存在的常規(guī)動(dòng)態(tài)分析和方案設(shè)計(jì)等具體問題。推進(jìn)“油藏?cái)?shù)值模擬”課程思政建設(shè)，是落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的舉措。專業(yè)和思政的結(jié)合，更能激勵(lì)年輕學(xué)子刻苦攻讀專業(yè)知識(shí)，為將來學(xué)以致用、為國(guó)攻關(guān)，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。