面向“雙碳”目標(biāo)的油層物理教學(xué)內(nèi)容體系探究

摘 要 油層物理是石油工程和海洋油氣工程專業(yè)的核心專業(yè)課。由于油層物理的教學(xué)內(nèi)容經(jīng)典、知識(shí)體系固化，導(dǎo)致課程知識(shí)難以適應(yīng)石油行業(yè)綠色化、低碳化的發(fā)展趨勢(shì)，難以支撐“雙碳”目標(biāo)亟須的技術(shù)革新。文章開展了面向“雙碳”目標(biāo)的油層物理教學(xué)內(nèi)容體系探究，以優(yōu)化課程知識(shí)架構(gòu)和內(nèi)容體系，豐富“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)資源，開展“項(xiàng)目制”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)現(xiàn)油層物理教學(xué)內(nèi)容的低碳化轉(zhuǎn)型目標(biāo)，為“雙碳”背景下石油領(lǐng)域工程人才的培養(yǎng)提供保障。

關(guān)鍵詞 “雙碳”目標(biāo)；油層物理；教學(xué)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.27.042

Study on the Teaching Content System of Petrophysics

Based on the "Dual Carbon" Goal

MO Fei， HUANG Xiaoliang

（School of Petroleum Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331）

Abstract Petrophysics is a core professional course in petroleum engineering and offshore oil and gas engineering. Due to the classic teaching content and rigid knowledge system of reservoir physics， the course knowledge is difficult to adapt to the green and low-carbon development trend of the petroleum industry， and it is difficult to support the urgent technological innovation needed for the "dual carbon" goal. The article explores the teaching content system of oil reservoir physics towards the "dual carbon" goal， optimizes the course knowledge structure and content system， enriches the teaching resources of "virtual real combination"， carries out the experimental teaching reform of "project-based"， achieves the low-carbon transformation goal of oil reservoir physics teaching content， and provides guarantees for the cultivation of engineering talents in the petroleum field under the "dual carbon" background.

Keywords "Dual Carbon" Goal; Petrophysics; teaching content; experiment teaching

碳達(dá)峰、碳中和是我國(guó)能源發(fā)展的重要趨勢(shì)[1-3]。我國(guó)各大油田企業(yè)以“雙碳”目標(biāo)為引領(lǐng)，加快布局清潔生產(chǎn)和綠色發(fā)展 [4-6]。其中，CCUS（碳捕獲、利用與封存）是石油行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)，也是低滲透油藏提高采收率的核心技術(shù)[7-9]。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，CCUS技術(shù)在石油行業(yè)的推廣利用前景十分廣闊[10-13]。

作為石油工程、海洋油氣工程專業(yè)的必修課，油層物理的教學(xué)是培養(yǎng)新型石油領(lǐng)域工程人才的重要環(huán)節(jié)[14-15]。油層物理教學(xué)內(nèi)容包含了儲(chǔ)層巖石的物理特性、油氣藏流體的物理特性和多相流體的滲流機(jī)理等復(fù)雜、抽象且至關(guān)重要的教學(xué)內(nèi)容，具有專業(yè)概念多、知識(shí)理論深、物理實(shí)驗(yàn)多、與工程實(shí)際結(jié)合緊密等特點(diǎn)，需要學(xué)生在牢固掌握專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，開展一定的理論分析、實(shí)驗(yàn)操作、工程案例分析，最終達(dá)到解決實(shí)際工程問(wèn)題的目的[16-17]。由于傳統(tǒng)的油層物理教學(xué)內(nèi)容固化，知識(shí)體系傳統(tǒng)，導(dǎo)致現(xiàn)有的知識(shí)架構(gòu)無(wú)法適應(yīng)石油行業(yè)綠色化、低碳化的發(fā)展趨勢(shì)，難以支撐“雙碳”目標(biāo)亟須的技術(shù)革新。

為此，本文開展面向“雙碳”目標(biāo)的油層物理教學(xué)內(nèi)容體系探究。通過(guò)重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容體系，培養(yǎng)出能夠適應(yīng)行業(yè)低碳化、綠色化發(fā)展需求的工程人才，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供助力。

1 油層物理教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 知識(shí)體系固化，教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)

現(xiàn)有的油層物理經(jīng)典知識(shí)體系沒有涵蓋新興CCUS技術(shù)需要的CO2驅(qū)油、CO2封存等基礎(chǔ)知識(shí)，導(dǎo)致所培養(yǎng)的學(xué)生在未來(lái)的工作崗位上難以適應(yīng)石油行業(yè)低碳化發(fā)展的趨勢(shì)與需求。

1.2 CCUS工程案例向教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化不足

當(dāng)前油層物理的教學(xué)案例均是針對(duì)傳統(tǒng)油氣田開發(fā)手段進(jìn)行總結(jié)，沒有涉及“雙碳”背景下CCUS新技術(shù)的應(yīng)用。目前，我國(guó)多數(shù)油田均對(duì)CCUS有一定的開發(fā)案例，但這些案例還沒有向油層物理課程教學(xué)資源進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

1.3 對(duì)后續(xù)專業(yè)課低碳化升級(jí)的支撐不夠

在“雙碳”目標(biāo)背景下，隨著石油產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，石油專業(yè)課在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置上也正積極向低碳化新技術(shù)轉(zhuǎn)型。作為石油專業(yè)的基礎(chǔ)課程，現(xiàn)有的油層物理教學(xué)內(nèi)容難以為后續(xù)專業(yè)課中CCUS新技術(shù)的教學(xué)提供充分的支撐。

2 面向“雙碳”目標(biāo)的油層物理教學(xué)體系重構(gòu)

2.1 優(yōu)化油層物理的教學(xué)內(nèi)容體系

優(yōu)化油層物理的教學(xué)內(nèi)容體系，解決知識(shí)體系固化、教學(xué)內(nèi)容傳統(tǒng)的問(wèn)題。針對(duì)油層物理低碳化的內(nèi)容升級(jí)，對(duì)教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、教案，將CCUS涉及的基礎(chǔ)理論和方法融入課程知識(shí)體系，分別對(duì)每章教學(xué)內(nèi)容作出如下優(yōu)化。

第一章：儲(chǔ)層巖石的物理特性。增加儲(chǔ)層巖石比面、孔隙度、滲透率等物性參數(shù)對(duì)CO2驅(qū)油、CO2封存的影響等教學(xué)內(nèi)容。例如，在講解儲(chǔ)層巖石的孔隙度時(shí)，強(qiáng)調(diào)孔隙度較大的儲(chǔ)層巖石對(duì)CO2的儲(chǔ)集性能更好，更有利于CO2的封存；在講解儲(chǔ)層巖石的滲透率時(shí)，強(qiáng)調(diào)對(duì)于滲透率較低的致密油藏，CO2驅(qū)油是目前的技術(shù)熱點(diǎn)。

第二章： 油氣藏流體的物理特性。增加CO2在高溫高壓儲(chǔ)層中的相態(tài)變化及物性特征等教學(xué)內(nèi)容。例如，CO2在地面常溫常壓下為氣態(tài)，在封存至儲(chǔ)層中后，受高溫高壓影響其相態(tài)已成為超臨界態(tài)。在教學(xué)中向?qū)W生講解CO2的相變特征，以及高溫高壓下CO2的粘度、密度、體積系數(shù)、壓縮系數(shù)等物性參數(shù)的變化規(guī)律。

第三章：多相流體的滲流機(jī)理。融入CO2驅(qū)油以及CO2回注過(guò)程中滲流機(jī)理的教學(xué)。例如，在CO2驅(qū)油過(guò)程中，存在CO2與原油混相的情況，在教學(xué)中著重講解不同混相情況下的滲流特征；在CO2回注過(guò)程中，補(bǔ)充講解超臨界CO2與殘余油的多相滲流特征。

2.2 豐富“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)資源

豐富“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)資源，解決CCUS案例向教學(xué)資源轉(zhuǎn)化不足的問(wèn)題。根據(jù)實(shí)際的油田CCUS真實(shí)工程案例，采用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，制作CCUS過(guò)程的虛擬仿真教學(xué)案例，豐富“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)資源。以CO2驅(qū)油和CO2封存為例，可以進(jìn)行以下“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)案例設(shè)計(jì)。

2.2.1 CO2驅(qū)油案例

在國(guó)內(nèi)開展CO2驅(qū)油工程實(shí)踐的油田中，收集真實(shí)致密油藏的地質(zhì)參數(shù)、流體參數(shù)、溫壓數(shù)據(jù)、CO2驅(qū)油的注入?yún)?shù)、生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)等，建立CO2驅(qū)油的地質(zhì)模型和數(shù)值模擬模型。利用數(shù)值模擬模型開展CO2驅(qū)油過(guò)程的三維可視化虛擬仿真模擬，讓學(xué)生直觀地感受儲(chǔ)層中CO2和原油的動(dòng)態(tài)滲流過(guò)程以及原油的開采過(guò)程。在虛擬仿真過(guò)程中，學(xué)生能夠更好地理解CO2驅(qū)油涉及的油層物理知識(shí)。

2.2.2 CO2封存案例

在國(guó)內(nèi)開展CO2封存工程實(shí)踐的油田中，收集廢棄油氣儲(chǔ)層的地質(zhì)參數(shù)、溫壓數(shù)據(jù)、CO2回注參數(shù)、流體分布參數(shù)等，利用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)可視化地模擬地面CO2回注到地下儲(chǔ)層中的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并在此過(guò)程中，讓學(xué)生利用油層物理知識(shí)分析CO2封存量的影響因素、不同蓋層巖石物性下CO2的逸散風(fēng)險(xiǎn)，以及CO2的相變特征等。

2.3 開展“項(xiàng)目制”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

開展“項(xiàng)目制”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，解決對(duì)后續(xù)專業(yè)課低碳化升級(jí)支撐不夠的問(wèn)題。以現(xiàn)有的油田CCUS工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，針對(duì)某個(gè)具體油田CO2利用或封存中存在的問(wèn)題，以小組為單位開展“項(xiàng)目制”的一系列油層物理實(shí)驗(yàn)，每個(gè)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)具體工程問(wèn)題，采用這種方式，為后續(xù)專業(yè)課中該問(wèn)題的最終解決提供思路。

例如，在CO2封存的工程實(shí)踐中，存在CO2封存量的計(jì)算問(wèn)題。該問(wèn)題的解決方案學(xué)生需要在學(xué)習(xí)了后續(xù)專業(yè)課油藏工程之后才能找到，但學(xué)生可以在油層物理的實(shí)驗(yàn)課上，以“CO2封存量的影響因素”為課題開展“項(xiàng)目制”實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)油田區(qū)塊的巖心開展束縛水飽和度測(cè)定實(shí)驗(yàn)和孔隙度測(cè)定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用油層物理知識(shí)就能分析出該油田區(qū)塊中束縛水飽和度和孔隙度對(duì)CO2封存量的影響程度，為后續(xù)課程中CO2封存量的最終計(jì)算提供有力的支撐。

3 組織實(shí)施

3.1 理論教學(xué)

課程組對(duì)油層物理知識(shí)框架進(jìn)行梳理，結(jié)合行業(yè)綠色化、低碳化升級(jí)的要求，對(duì)油層物理教學(xué)大綱和授課計(jì)劃進(jìn)行修訂，重新開展教學(xué)設(shè)計(jì)。在課程已有的儲(chǔ)層巖石、流體、多相滲流知識(shí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別從儲(chǔ)層巖石對(duì)CO2封存的儲(chǔ)集性、CO2在儲(chǔ)層中的相態(tài)特征、CO2在儲(chǔ)層中的滲流機(jī)理三個(gè)方面，將CCUS的技術(shù)原理融入教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)油層物理教學(xué)內(nèi)容體系的優(yōu)化。根據(jù)科教融合的基本理念，充分利用石油企業(yè)真實(shí)的CCUS工程案例，利用油藏?cái)?shù)值模擬技術(shù)，針對(duì)CO2驅(qū)油、CO2回注、CO2封存等物理過(guò)程，制作三維可視化油藏?cái)?shù)值模擬模型，將實(shí)際的CCUS工程實(shí)踐與計(jì)算機(jī)模擬仿真相互結(jié)合，豐富“虛實(shí)結(jié)合”的油層物理教學(xué)資源。學(xué)生在理論課堂上根據(jù)優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容，學(xué)習(xí)CCUS相關(guān)技術(shù)的理論、方法，并通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的工程案例學(xué)習(xí)CCUS技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)理論水平和工程應(yīng)用能力的同步提升。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以某個(gè)特定油田的CCUS真實(shí)工程問(wèn)題為基礎(chǔ)開展“項(xiàng)目制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。圍繞油田CO2利用或CO2封存真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景涉及的工程問(wèn)題，提取油層物理相關(guān)內(nèi)容，將其拆解為一系列油層物理實(shí)驗(yàn)。學(xué)生以小組為單位開展這些實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理和結(jié)論的凝練，為該問(wèn)題的解決提供思路?！绊?xiàng)目制”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)了學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力、動(dòng)手實(shí)踐能力，以及分析和解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)體系

在油層物理原有的評(píng)價(jià)體系中融入“雙碳”化升級(jí)后的考核內(nèi)容。在原有的評(píng)價(jià)體系中，學(xué)生成績(jī)=線上學(xué)習(xí)成績(jī)（15%）+階段測(cè)試成績(jī)（10%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（15%）+期末測(cè)試成績(jī)（60%）?！半p碳”化升級(jí)后，線上學(xué)習(xí)成績(jī)除了評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)油層物理基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況以外，還新增了對(duì)CCUS相關(guān)技術(shù)涉及的油層物理基本原理、方法的考查。實(shí)驗(yàn)成績(jī)需要從學(xué)生開展“項(xiàng)目制”實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)論，以及對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的分析等多維度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。階段測(cè)試與期末測(cè)試考核學(xué)生對(duì)“雙碳”化升級(jí)后的油層物理基礎(chǔ)知識(shí)的掌握情況，以及學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

將“雙碳”目標(biāo)下石油企業(yè)CCUS新技術(shù)的基本理論和方法融入油層物理的教學(xué)內(nèi)容體系，將油田真實(shí)存在的CCUS工程開發(fā)案例制作為虛擬仿真教學(xué)資源，結(jié)合油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題開展“項(xiàng)目制”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，使油層物理打破了傳統(tǒng)、固化的知識(shí)和教學(xué)體系，使學(xué)生更適應(yīng)石油產(chǎn)業(yè)綠色低碳化升級(jí)的新需求，有助于提升學(xué)生的理論知識(shí)水平、動(dòng)手實(shí)踐能力和工程應(yīng)用能力。

基金項(xiàng)目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向‘雙碳’戰(zhàn)略的《油層物理》教學(xué)內(nèi)容體系重構(gòu)與實(shí)踐”（233427）；重慶科技學(xué)院本科教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向‘雙碳’戰(zhàn)略的《油層物理》教學(xué)內(nèi)容體系重構(gòu)與實(shí)踐”（202315）。

參考文獻(xiàn)

[1] 李婉君，張錦威，袁小帥，等.“雙碳”目標(biāo)下化石能源低碳轉(zhuǎn)化方向探討[J].科學(xué)通報(bào)，2024，69（8）：990-996.

[2] 金之鈞，張川.面向碳中和的中國(guó)能源轉(zhuǎn)型路徑思考[J/OL].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1-9[2024-07-03].https：//doi.org/10.13209/j.0479-8023.2024.017.

[3] 孫耀唯，鄭冬.實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，推進(jìn)新型能源體系建設(shè)[J].經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2024（1）：76-78.

[4] 郭勝偉，門秀杰，張勝軍，等.中國(guó)海洋能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及協(xié)同發(fā)展思路[J].中國(guó)海上油氣，2024，36（3）：230-239.

[5] 張玉清.實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)構(gòu)建新型能源體系的初步思考[J/OL].石油科技論壇，2024，43（2）：8-14.

[6] 楊靜麗，王海生.逐綠前行推進(jìn)化石能源清潔化、低碳化[N].中國(guó)石化報(bào)，2024-04-15（08）.

[7] Li，Y.，Wang，Y.，Shi，Y.，et al.Grading Evaluation and Ranking of CO2 Sequestration Capacity in Place （CSCIP） in China's Major Oil Basins：Theoretical，Effective，Practical and CCUS-EOR[J].Acta Geologica Sinica （English Edition），2023，97（3）：873-888.

[8] Wang，F(xiàn).，Liao，G.，Su C.，et al.Carbon emission reduction accounting method for a CCUS-EOR project[J].Petroleum Exploration and Development，2023，50（4）：989-1000.

[9] 楊勇.中國(guó)碳捕集、驅(qū)油與封存技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展方向[J].石油學(xué)報(bào)，2024，45（1）：325-338.

[10] 康佳寧，張?jiān)讫?，彭凇，?實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的CCUS產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2024，26（2）：68-75.

[11] 葉曉東，陳軍，陳曦，等.“雙碳”目標(biāo)下的中國(guó)CCUS技術(shù)挑戰(zhàn)及對(duì)策[J].油氣藏評(píng)價(jià)與開發(fā)，2024，14（1）：1-9.

[12] 姚星，溫心，吳佳豪，等.面向碳中和的CCUS政策研究[J].能源環(huán)境保護(hù)，2024，38（3）：135-144.

[13] 譚新，羅大清，宋欣和.考慮驅(qū)油與碳減排雙重效益的CCUS-EOR經(jīng)濟(jì)性及發(fā)展模式分析與探討[J].油氣地質(zhì)與采收率，2024，31（2）：70-78.

[14] 黃世軍，趙鳳蘭.石油工程相關(guān)課程銜接關(guān)系分析及其應(yīng)用——以“油層物理”為例[J].教育教學(xué)論壇，2022（12）：129-132.

[15] 卞小強(qiáng)，郭黎明.新工科+工程教育認(rèn)證背景下油層物理教學(xué)模式探究[J].大學(xué)教育，2021（10）：36-39.

[16] 莫非，黃小亮，游君昱，等.新工科背景下油層物理線上線下混合式教學(xué)模式探究[J].科教導(dǎo)刊，2023（1）：111-113.

[17] 莫非，黃小亮，嚴(yán)文德，等.新工科背景下的油層物理慕課教學(xué)模式探究[J].大學(xué)，2023（14）：54-57.