信息背景下的控壓鉆井課程“創(chuàng)新發(fā)散實(shí)用教學(xué)”方法探討

孔祥偉，孫騰飛

(1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，武漢 430101；2.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100027)

隨著國家及社會科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的研究生教學(xué)模式不能很好地適應(yīng)國家及社會對油田企業(yè)創(chuàng)新型人才的需求。近幾年，長江大學(xué)為培養(yǎng)迎合石油企業(yè)發(fā)展需求的人才，學(xué)校逐漸加強(qiáng)了教師隊伍相關(guān)建設(shè)，在崗位上設(shè)立了教學(xué)科研并重型教師崗位，旨在提高研究生在企業(yè)中的攻難克艱水平，滿足企業(yè)自主創(chuàng)新的需求。

控壓鉆井課程的專業(yè)性很強(qiáng)，涉及到計算科學(xué)理論知識比較復(fù)雜，依靠單一的課堂講授很難達(dá)到信息背景下控壓鉆井課程的教學(xué)效果，課堂教學(xué)模式需要完全變革，以迎合信息化背景條件下的教學(xué)要求。

近年來，一些計算機(jī)專業(yè)的高校已經(jīng)進(jìn)行了信息化工業(yè)教學(xué)的較多改革和創(chuàng)新，較多學(xué)?；径寂鋫溆鞋F(xiàn)代化的機(jī)房，以供學(xué)生上課實(shí)踐使用。然而對于石油高校信息背景下的控壓鉆井課，實(shí)驗(yàn)互動較少，一般鉆井專業(yè)課，只配備了2～4 個學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課，單純使用計算機(jī)編程的實(shí)驗(yàn)課幾乎沒有，借助鉆井模擬器模擬控壓鉆井作業(yè)的實(shí)踐更是少見，這對未來信息化背景下的控壓鉆井課的實(shí)戰(zhàn)效果不利。目前，課堂上具有代表性的教學(xué)方法，包括互動式教學(xué)、實(shí)踐式教學(xué)、案例式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、混合式教學(xué)、探究式教學(xué)、易位式教學(xué)、研討式教學(xué)、情景式教學(xué)和問題式教學(xué)等。

根據(jù)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，和對控壓鉆井項(xiàng)目的研究及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合信息背景下的石油控壓鉆井課程，提出了5 步教學(xué)法，該方法最終通過油田企業(yè)的滿意度灰色關(guān)聯(lián)度分析，可以關(guān)聯(lián)出油田企業(yè)滿意度與高校考核因素的關(guān)聯(lián)度，經(jīng)過近年的研究生教學(xué)實(shí)踐，證明該方法切實(shí)可行。

一、控壓鉆井特點(diǎn)及發(fā)展歷程

隨著油田企業(yè)對石油天然氣勘探開發(fā)力度加大，各地區(qū)超深井鉆井風(fēng)險日益增多，應(yīng)用常規(guī)井控技術(shù)不能很好地解決超深井窄密度窗口安全鉆井、含HS 氣體、高密度泥漿漏失引起的鉆井復(fù)雜和相關(guān)的井控風(fēng)險等問題，控壓鉆井技術(shù)是國際鉆井工程前沿技術(shù)之一，能夠及時發(fā)現(xiàn)，并有效地控制井涌和漏失，降低非生產(chǎn)時間和鉆井成本，并提高鉆井井控安全性。

精細(xì)控壓鉆井技術(shù)包括井下參數(shù)測量與地面壓力自動控制等系統(tǒng)，在設(shè)定安全窗口內(nèi)確保安全鉆井，降低井控風(fēng)險的前提下，精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是目前解決窄密度窗口安全鉆井的最先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)集機(jī)、電、液、信息和自動控制等技術(shù)為一體的前沿鉆井技術(shù)，是鉆井工程壓力控制技術(shù)發(fā)展的方向。

國內(nèi)外控壓鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 國內(nèi)外控壓鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

二、控壓鉆井研究生教學(xué)存在的問題

(一)所學(xué)知識解決生產(chǎn)實(shí)際問題能力不強(qiáng)

控壓鉆井分為鉆井基礎(chǔ)知識、控壓鉆井操作及全自動控壓技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)3 大內(nèi)容，雖然學(xué)生在高校學(xué)習(xí)過程中，對控壓鉆井知識點(diǎn)也能記住，考試也可以達(dá)到及格，但學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)無法應(yīng)用到解決生產(chǎn)實(shí)際問題中，不能達(dá)到學(xué)以致用的良好效果，這就導(dǎo)致了所學(xué)知識解決生產(chǎn)實(shí)際問題能力不強(qiáng)。

(二)在課堂中激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維是難點(diǎn)

由于控壓鉆井課程是比較抽象的石油工程拔高課程之一，現(xiàn)有的井控知識是井筒壓力的計算分析、井筒壓力計算的相關(guān)概念理解，均是從井底壓力平衡地層三壓力剖面的角度出發(fā)，屬于正向思維，然而油田企業(yè)的控壓鉆井屬于逆向思維技術(shù)，不僅僅是計算井底有效壓力，還要具有如何控制井底有效壓力的能力，以適應(yīng)窄密度窗口的需求，如何在現(xiàn)有井控技術(shù)上做到提升控制井筒壓力的能力，提出具體創(chuàng)新思維是研究生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

(三)達(dá)到快速為油田企業(yè)攻難克艱較弱

常規(guī)的教學(xué)模式是在高校開展鉆井基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，控壓鉆井操作及自動控壓技術(shù)創(chuàng)新在畢業(yè)生入職培訓(xùn)、實(shí)際工作崗位中鍛煉，這樣就增大了企業(yè)用人的成本，同時也縮短了畢業(yè)生為企業(yè)作貢獻(xiàn)的時間。結(jié)合控壓鉆井的優(yōu)缺點(diǎn)，如果在油田中快速地解決現(xiàn)場鉆井的溢漏等復(fù)雜井控事故，培養(yǎng)的學(xué)生達(dá)到快速為油田企業(yè)攻難克艱水平較弱。

三、5 步“創(chuàng)新發(fā)散實(shí)用”教學(xué)體系構(gòu)建

筆者從培養(yǎng)創(chuàng)新發(fā)散實(shí)用型人才角度出發(fā)，通過油田具體信息化項(xiàng)目研究及相關(guān)控壓鉆井專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐，課程內(nèi)容既要考慮到控壓鉆井與其他專業(yè)學(xué)科的相關(guān)性，又要考慮到控壓鉆井如何具體解決現(xiàn)場問題，提高學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)散思維，做到實(shí)用教學(xué)。達(dá)到為油田企業(yè)培養(yǎng)切實(shí)可用的高層次人才的目標(biāo)，提出了5 步教學(xué)法。

(一)提出三重目標(biāo)教學(xué)理念

三重目標(biāo)教學(xué)理念實(shí)現(xiàn)思路如圖2 所示。

圖2 三重目標(biāo)教學(xué)理念實(shí)現(xiàn)思路

提出企業(yè)難題需求目標(biāo)、教學(xué)知識任務(wù)目標(biāo)，在課堂教學(xué)開始前，需將三重目標(biāo)拋給學(xué)生，課堂上學(xué)生帶著三重目標(biāo)，有目的地學(xué)習(xí)，能達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

以具體油田科研項(xiàng)目為例，表1 具體講述三重目標(biāo)教學(xué)體系中地目標(biāo)交叉及思維發(fā)散課堂內(nèi)容。

表1 三重目標(biāo)教學(xué)體系實(shí)現(xiàn)具體內(nèi)容

(二)建立螺旋反哺發(fā)散教學(xué)模式

所謂螺旋反哺，是指教學(xué)內(nèi)容的知識點(diǎn)有一系列的循環(huán)連接構(gòu)成，不是知識點(diǎn)之間平鋪直敘，而是迂回曲折、環(huán)環(huán)相扣。所謂螺旋上升過程是指每一個循環(huán)都比前一個循環(huán)的知識點(diǎn)更接近教學(xué)目標(biāo)，更進(jìn)一步，并且最終教學(xué)目標(biāo)反哺各個鉆井知識點(diǎn)。

圖3 為螺旋反哺示意圖，它闡明了新舊事物交替中的辯證聯(lián)系，以及發(fā)展過程的波浪式前進(jìn)、螺旋式上升的性質(zhì)。它指出事物發(fā)展的方向是前進(jìn)的，道路是曲折的，事物的發(fā)展是前進(jìn)性和曲折性的統(tǒng)一。每一次否定都是質(zhì)變，都把事物推到新階段；每一周期都是開放的，不存在不被否定的終點(diǎn)。

圖3 螺旋反哺示意圖

螺旋反哺法的實(shí)質(zhì)來源于自然辯證法，這是辯證法中否定之否定規(guī)律的具體表現(xiàn)。否定之否定規(guī)律又稱肯定否定規(guī)律，也就是肯定與否定的對立統(tǒng)一的規(guī)律，它是教學(xué)目標(biāo)各知識點(diǎn)之間對立統(tǒng)一規(guī)律的印證。隨著控壓鉆井授課的進(jìn)行，從否定之否定角度，經(jīng)過兩次辯證的否定，克服了前兩個階段知識點(diǎn)的局限性和片面性，保留了前兩個階段知識點(diǎn)的確定因素，又增加了新的知識內(nèi)容，以達(dá)到從創(chuàng)新的角度解決目標(biāo)設(shè)定問題。

圖4 為螺旋反哺發(fā)散三維控壓鉆井教學(xué)模式，在控壓鉆井課堂上，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，主要是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)鉆井問題、分析鉆井問題和解決鉆井問題的能力。而學(xué)生分析鉆井問題、解決鉆井問題能力又是計算能力、邏輯思維能力和空間觀念的集中反映。

圖4 螺旋反哺發(fā)散三維控壓鉆井教學(xué)模式

培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，主要通過解答鉆井應(yīng)用題和自編應(yīng)用題來培養(yǎng)。鉆井實(shí)踐應(yīng)用題是從鉆井現(xiàn)場和生產(chǎn)的安全關(guān)系中提出的問題。通過對鉆井應(yīng)用題的分析解答，不僅可以使學(xué)生理解鉆井知識在實(shí)際鉆井中應(yīng)用的情況，而且還能通過對鉆井問題的分析、解答，集中培養(yǎng)學(xué)生對鉆井知識的注意力，達(dá)到用心觀察、認(rèn)真思考和運(yùn)用所學(xué)知識解決鉆井問題的目的。這樣不僅提高了學(xué)習(xí)能力，也使學(xué)生的心理得到了充分的發(fā)展。對于帶有公式及數(shù)學(xué)模型的教學(xué)章節(jié)，需要學(xué)生自行編程解決鉆井應(yīng)用題，對培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際鉆井問題的能力，有著更重要的作用。

(三)個性化經(jīng)典案例深入教學(xué)

圖5 為建立鉆頭選型適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫(目標(biāo))，筆者近期完成了油田企業(yè)合同任務(wù)內(nèi)容之一是建立鉆頭選型適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫(含國內(nèi)外)。完成的內(nèi)容如下：基于EXCESS 數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了川東北、國外區(qū)塊、瑪湖區(qū)塊、瑪頁區(qū)塊、南緣區(qū)塊和渭北6 個區(qū)塊的數(shù)據(jù)表(416 組數(shù)據(jù))。數(shù)據(jù)庫涵蓋了鉆頭使用情況、巖性和巖石力學(xué)參數(shù)、相應(yīng)的鉆井參數(shù)及可鉆性級值等數(shù)據(jù)，為待鉆地層提供鉆頭選型提高參考。

圖5 建立鉆頭選型適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫(目標(biāo))

圖6 為個性化經(jīng)典案例深入教學(xué)思路，課堂前期讓學(xué)生理解機(jī)械鉆速、進(jìn)尺、鉆頭磨損程度、鉆進(jìn)深度和鉆頭成本等數(shù)據(jù)庫參數(shù)含義，并在課前及課上均設(shè)定建立鉆頭選型適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫建設(shè)目標(biāo)，課堂上著重啟發(fā)學(xué)生如何結(jié)合轉(zhuǎn)速、鉆壓和泵排量這3 種鉆頭使用條件參數(shù)，建立鉆頭非線性模糊優(yōu)選聚類模糊數(shù)學(xué)模型。在課后，讓學(xué)生深度思考知識拓展點(diǎn)——如何結(jié)合數(shù)據(jù)庫參數(shù)優(yōu)選鉆頭類型，在下次課堂開始前需要檢查學(xué)生對拓展點(diǎn)知識的理解及深度思考情況，并積極引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

圖6 個性化經(jīng)典案例深入教學(xué)思路

(四)構(gòu)建逆向課堂拓展教學(xué)模式

圖7 為逆向課堂拓展教學(xué)模式，逆向課堂也稱顛倒課堂，是指在信息化背景下的鉆井環(huán)境中，課程教師提供以鉆井教學(xué)視頻、鉆井實(shí)踐模擬為主要形式的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生在上課前觀看和學(xué)習(xí)鉆井教學(xué)視頻等學(xué)習(xí)資源，師生在課堂上完成鉆井作業(yè)、答疑、鉆井知識點(diǎn)的協(xié)作探究和互動交流等活動的新型教學(xué)模式。

圖7 逆向課堂拓展教學(xué)模式

圖8 為逆向課堂與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別。

圖8 逆向課堂與傳統(tǒng)教學(xué)的區(qū)別

逆向課堂注重激勵、反饋與調(diào)整；注重多方面發(fā)展的潛能，注重個別差異，從單一轉(zhuǎn)向多元；注重學(xué)生對鉆井知識點(diǎn)的自我評價，從鉆井學(xué)習(xí)目標(biāo)的終結(jié)性轉(zhuǎn)向過程性、發(fā)展性，由傳統(tǒng)的考試模式單一筆試到后續(xù)發(fā)展的考試多樣化，并提出鉆井課堂自主創(chuàng)新“三三六”：三是立體式、大容量和快節(jié)奏；三是預(yù)習(xí)、展示和反饋；六是預(yù)習(xí)交流、明確目標(biāo)、分組合作、展現(xiàn)提升、穿插鞏固和達(dá)標(biāo)測評。

(五)建立主客結(jié)合的實(shí)戰(zhàn)考核體系

控壓鉆井課程成績由期末考評成績和平時考評成績兩部分組成。一般期末成績占70%，平時考評占30%。本文實(shí)戰(zhàn)考核體系突出平時討論成績的比重，將平時主觀成績比例提高到40%，客觀成績降低至60%，提高研究討論分析在最終成績中所占的比重。從成績構(gòu)成上讓學(xué)生認(rèn)識到平時科研過程的重要性。

1.考核體系建立

表2 為主客結(jié)合的實(shí)戰(zhàn)考核體系，學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)科研成果的獎勵，同時加強(qiáng)對教學(xué)和科研融合的支持。一方面重點(diǎn)支持教學(xué)與科研融合教改項(xiàng)目，另一方面給予在教學(xué)和科研融合方面獲得重要成果的個人和單位一定的獎勵，最大限度地調(diào)動教師參與教學(xué)與科研融合的積極性，真正促進(jìn)教學(xué)與科研的共同發(fā)展。

表2 主客結(jié)合的實(shí)戰(zhàn)考核體系

2.灰色關(guān)聯(lián)評價法體系建立

按灰色關(guān)聯(lián)評析法，以用人單位滿意度相關(guān)指標(biāo)為參考因素，其測試值序列為

以U={u，u，…，u}中各因素u(j=1，2，…，m)即影響滿意度組成對比因素，其相應(yīng)的測試序列為

式中：i=1，2，…，n。

為了保證參考因素和對比因素的可比性，按式(3)對其進(jìn)行無量綱化處理

式中：i=0，1，2，…，n；j=1，2，…，m。

計算Y(j)對Y(j)在第j 個點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值

此即影響滿意度的各單因素對滿意度的關(guān)聯(lián)度，其反映了各單因素對滿意度的影響程度，最后對r進(jìn)行歸一處理

以表3 中企業(yè)滿意度的相關(guān)因素為參考因素，按式(1)—(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

表3 企業(yè)滿意度關(guān)聯(lián)因素關(guān)聯(lián)性分析

從10 名畢業(yè)學(xué)生及企業(yè)滿意度關(guān)聯(lián)分析得到主觀成績中創(chuàng)新體現(xiàn)大于基本概念大于作業(yè)情況大于基本運(yùn)算等于學(xué)習(xí)態(tài)度大于邏輯推理大于解決能力。

四、科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源的實(shí)踐

筆者在2021 年開展了中石化科技有限公司的《川渝地區(qū)裂縫性氣藏鉆井井控風(fēng)險評價技術(shù)》中的《基于信息融合的鉆井工程風(fēng)險預(yù)警軟件開發(fā)》，形成一套基于地面錄井?dāng)?shù)據(jù)的鉆井井下復(fù)雜風(fēng)險預(yù)警軟件，達(dá)到計算機(jī)自動判斷、識別鉆井復(fù)雜早期征兆和提前發(fā)出風(fēng)險預(yù)警的目的，圖9 為逆向課堂教學(xué)實(shí)施方法。

圖9 逆向課堂教學(xué)實(shí)施方法

筆者在課堂講授中重點(diǎn)向?qū)W生介紹了信息融合的概念，目標(biāo)是完成信息融合的鉆井工程風(fēng)險預(yù)警軟件開發(fā)。結(jié)合研究工作的具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握信息控壓鉆井的編程方法。針對鉆井風(fēng)險提前預(yù)警的問題，引導(dǎo)學(xué)生如何通過鉆井工程參數(shù)的征兆來解決問題，構(gòu)建風(fēng)險預(yù)警新模型，開發(fā)預(yù)警軟件，針對油田具體研究項(xiàng)目，筆者課前制訂了相應(yīng)的教學(xué)方案，從用人單位滿意度來看，取得了較好的反饋。

五、結(jié)束語

隨著科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會對創(chuàng)新型人才的需要。在高等學(xué)校科研成果豐富的背景下，結(jié)合科研成果融入研究生教學(xué)的初步實(shí)踐，筆者提出的5 步教學(xué)法適合工科院校研究生階段的學(xué)習(xí)方案，探索科研成果反哺教學(xué)的形式和發(fā)展趨勢，將科研成果融入本科教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的創(chuàng)新性，可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)和科研的融合，達(dá)到共同促進(jìn)高等學(xué)校教學(xué)和科研的發(fā)展目的，從而為油田企業(yè)培養(yǎng)合格的創(chuàng)新型人才打下堅實(shí)基礎(chǔ)。