樊泽霞, 王杰祥, 王业飞, 刘德新, 赵修太

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

仪器设备研制与应用

化学法提高原油采收率实验教学平台构建

樊泽霞, 王杰祥, 王业飞, 刘德新, 赵修太

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580)

介绍了化学法提高原油采收率实验教学平台的构建内容、实验装置的改进与完善，以及实验平台的管理模式。探索了提高学生知识运用与创新实践能力的具体方法,介绍了所取得的教学效果。

实验教学； 平台构建； 原油采收率； 化学法

石油作为核心能源,在国民经济发展和建设中占有重要地位。提高原油采收率是石油工业界最为关心的问题,是石油工业永恒不变的主题。提高原油采收率可用化学驱和混相驱、注水井调剖和油井堵水等化学方法[1]。以实验为基础 是研究化学法提高原油采收率的重要工具和有效途径。中国石油大学(华东)石油工程实验教学中心是国家级实验教学示范中心,化学法提高原油采收率实验室是其重要组成部分。为了适应当今社会对高素质创新人才的需求,2010年石油工程学院实验教学改革增加了综合性和创新性实验[2-3]。如何利用现有教学与科研资源,构建化学法提高原油采收率的实验教学平台,对于开拓石油工程专业学生视野和向社会输送具有实践能力的创新人才具有非常重要的现实意义。

1 实验教学平台构建内容

为了加强大学生科技创新能力的培养,石油工程学院根据专业特点和培养目标,充分利用现有教学与科研等有效资源,对化学法提高原油采收率实验教学进行了改革,在内容上缩减了部分验证型实验,加强了综合设计型实验,增加了研究创新型实验。依托石油工程国家级实验教学示范中心,构建了化学法提高原油采收率实验教学平台，该平台构建内容见图1。

图1 提高原油采收率实验教学平台构建内容

化学法提高原油采收率实验教学内容的设置以演示型实验为基础,引导学生进行自主性实验设计与实践,强化教学过程中教与学的互动,充分发挥学生主观能动性,多层次培养学生创新思维及能力。平台由3个层次构成:第1个层次为演示、验证和基本操作,目的是巩固课堂理论教学,培养学生基本实验能力；第2个层次是综合型实验,通过学生的自主设计,培养学生综合应用知识、科学分析和解决问题，学生能运用已掌握的知识自主完成实验的全过程并对结果进行科学分析和探讨；第3个层次是创新型实验。创新型实验体现内容的自主性、实验结果的未知性和实验方法的探索性。学生经过不断探索和实践,加强自身研究和学习,逐步提高创新思维和科学研究能力[4-5]。这3个层次设置的内容,能使学生对知识的掌握做到前后融会贯通,创新实践能力得到不断提升。

2 实验装置的改进与完善

为了培养和提高学生理论与实际结合的能力,我校加大了化学法提高原油采收率实验教学的硬件投入,购买了一些比较先进的科学仪器，如购买的流变性测定仪(见图2),可以用于测定聚合物溶液的黏弹性。聚合物驱是一种重要的 EOR 方法,在传统理论教学中,普遍认为聚合物驱提高原油采收率的重要原因是聚合物溶液黏度很大,能在油层中改善油水流度比,增加驱油剂的波及系数。但近些年有学者提出“聚合物溶液提高原油采收率不仅与其黏性相关,也与其弹性相关”的新观点。为了让学生及时了解和准确接受相关领域的新观点,在聚合物性能评价实验中,通过流变性测定仪测定聚合物溶液的黏性和弹性,进而判别该条件下的黏性与弹性究竟哪个因素在 EOR中占主要地位,以加深学生对聚合物驱提高原油采收率机理的新认识。黏弹性测定实验,使学生对聚合物提高原油采收率有了全面正确的认识。另外,化学法提高原油采收率实验教学中还增加了激光粒度分析仪(见图3)。激光粒度分析仪可用于测定物质的粒径大小及分布状况。注水井调剖和油井堵水是重要的提高原油采收率技术,同时也是其他提高原油采收率技术(如化学驱、混相驱、热采和微生物驱等)不可缺少的配套技术。调剖堵水效果关键靠堵剂性能。堵剂粒径大小及分布是优选堵剂的重要指标。通过对不同堵剂粒径及分布的测定,结合调剖堵水动态模拟实验,学生认识到堵剂粒径与地层孔喉结构匹配才会产生良好的调堵效果。学生会自觉地去进一步探讨：如粒径与地层孔喉怎样匹配堵水效果好，堵剂在地层中以怎样的形式进行封堵等问题，创新思维及实践能力随之得以提升。

图2 流变性测定仪

图3 激光粒度分析仪

为了培养学生综合运用知识解决实际问题的能力,我校对现有的设备根据需要进行了集成、升级和改造。图4是升级改造后的动态驱替模拟装置。这套装置根据生产实际主要进行了如下改造:一是把套在岩心夹持器上的胶皮材料全部用石墨条替换下来,加强了岩心夹持器的密封性和抗温性，装置改造后可以进行对温度和压力等条件要求较高的蒸汽驱、泡沫驱等模拟实验,扩大了适用范围；二是用细长管代替原来的短岩心,细管的长度可达30 m或更长,以利于更好地模拟和分析地层深部调堵过程。我校还整合集成现有科研资源,将部分用于科学研究的实验装置对学生开放,形成了6个创新性实验:调剖可视化平板模拟实验、堵水可视化平板模拟实验、聚合物驱可视化平板模拟实验、表活剂驱可视化平板模拟实验、复合驱可视化平板模拟实验、技术结合提高采收率可视化平板模拟实验。可视化平板模拟装置见图5。该装置由摄取台、录像机、监视器、计算机等部分组成。

图4 动态驱替模拟实验装置

图5 可视化模拟实验装置

化学法提高原油采收率研究是一个由实践到理论的不断升华过程。通过可视化实验,学生不但可以直观清晰地观察到实验的整个过程和细节,还能通过生动的实验现象及图像进一步从理论上去理解、分析和总结各种化学法提高原油采收率的技术原理,有利于科学指导后期的实践活动,激发学生进行更多创新。

实验教学平台第3个层次的设置,使学生在掌握了各项化学法提高原油采收率技术的基础上,利用技术结合产生的协同效用进一步提高原油采收率,目的在于引导学生进行创新。如通过“技术结合提高采收率可视化平板模拟实验”,学生能直接通过平台观察到稠油降黏与油井堵水结合技术实施的整个过程(见图6 — 图9)。图6模拟的是注入水沿高渗透层突进到油井(白色部分是水)。通过这部分实验的观察,学生会认识到:由于地层不均质,注入水容易沿高渗透层突进到油井,导致采出液含水量升高,故应采取堵水措施。另外,低渗透层中稠油因为黏度大不容易被水驱出,生产时需要对稠油降黏才能采出低渗透层中的稠油。通过对实验现象进行深入分析,结合所学理论知识,顺理成章地提出“稠油降黏与油井堵水结合”的EOR技术。图7模拟的是将降黏剂从油井注入到高渗透层,降黏剂储存在高渗透层中(蓝色部分是降黏剂)。图8模拟的是从油井注入堵剂,堵剂将降黏剂封堵在高渗透层,避免降黏剂在恢复注水时随水突入到油井(绿色部分是堵剂)。图9是注入堵剂后恢复注水,降黏剂被水带到低渗透层,低渗透层中的稠油被含有降黏剂的水驱出。然后通过图像分析软件对水驱过程、结合技术实施过程的采收率进行比较,结果一目了然,稠油降黏与油井堵水结合技术可以有效开采稠油,从而很大程度地提高稠油采收率。可视化平板模拟实验把看不见摸不着的复杂地层通过清晰的图像生动地展示在学生面前,计算机分析软件根据图像能自动采集数据并计算出原油最终采收率。这些先进的技术手段使学生对科学研究产生了浓厚的兴趣,促使他们产生更多、更深的思考，比如提高采收率的化学方法与技术的结合应用会不会产生协同效用？物理法和化学法结合提高采收率效果会不会更好？……在学生带着这些疑问进一步去思考和探究,必要时教师适当加以引导,学生的创新能力一定会被进一步提高。

图6 注入水沿高渗透层突进

图7 降黏剂优先进入高渗透层

图8 堵剂优先进入高渗透层

图9 稠油被含降黏剂的水驱出

3 实验教学平台的管理模式及成效

化学法提高原油采收率实验教学改革除了在内容上缩减了部分验证性实验、加强了综合设计性实验和增加了研究创新性实验外,在形式上还实行了开放性实验教学[6]。实行开放式实验教学使学生有了更多的灵活选择实验时间的机会,但对指导教师提出了更高的要求,教师工作量随之大大增加。为了调动教师对开放实验的积极性,保证开放实验顺利进行,学校根据实验室开放的工作量及成果情况对指导教师给以相应的补贴,并在年终评优、职称评定时予以优先考虑。另外,还通过聘请研究生做实验助理,来解决实验室队伍不足的问题。实验助理主要参与实验室的日常管理。采用实验助理的管理模式,解决了实验教学队伍数量暂时不足的问题,同时培养了研究生的管理能力。另外,学校根据实际情况,及时补充师资加入到实验指导队伍中。新增教师责任心要强、业务素质要高,以保障化学法提高原油采收率实验教学顺利进行。

教育心理学研究表明,任何知识的学习过程都包含着一系列复杂的心理活动,学习效果如何,与这些心理活动的发展水平有关[7-8]。学生学习是处于被动状态、依赖性强,还是主动积极、独立性强,在较大程度上制约了学习的成效。化学法提高原油采收率实验传统教学模式是以教师为主体,通常由教师提前准备好,学生只要按照实验步骤完成规定的实验程序,最后写一份报告交给教师就完事。这种模式不仅使学生缺乏自主思考的时间和空间,影响学生动手操作能力的提高,而且还制约了学生自主能力和创新能力的发展。实验教学改革后,实验主要以学生为主,学生可以选择自己比较感兴趣的实验题目,然后自行设计方案、自己进行实验探究。在实验探究过程中,学生提出的许多问题,教师要善于用引导和启发的教学方式,让学生利用所学知识去进行研究,而不是直接告诉他答案,授人以渔而非鱼。这个过程同时也是教师不断丰富和完善自我,与学生共同提高的过程[7-8]。实验过程中,除学生自主地发现问题外,教师更要通过各种途径创设问题情境,引导学生发现和提出问题。教师还要耐心地倾听学生对问题的讨论和见解,以体现对学生的尊重和信任。采用启发式和互动式教学方法,有利于调动学生的主动性,突出其主体地位,在化学法提高原油采收率实验中获得了理想的实验教学效果[9-10]。

高等教育信息化建设是国家级实验中心建设的重要内容,石工学院依托石油工程国家级实验中心,建立了化学法提高原油采收率实验教学信息化子平台。该信息化管理平台将实验教学、管理、考核等功能有机结合,实现了开放式、分散式、预约式、自助式实验教学。实验教学信息化能够满足实验室开放和师生互动交流的要求,保障了化学法提高原油采收率开放性实验顺利进行,提高了实验管理效率。

化学法提高原油采收率实验教学平台建立以来,通过实验教学改革和学校对优势学科创新平台建设经费投入的逐步加大,学生的实践能力和创新意识明显有了提高。近3年来,在平台上开展国家级和校院级大学生创新性实验项目共252项,获得全国大学生“挑战杯”一等奖8人次,参加全国大学生“节能减排”一等奖6人次,申请国家专利8项,发表学术研究论文12篇。这些成绩的取得都是对化学法提高原油采收率实验教学改革与建设的充分肯定。

4 结束语

高等素质教育的核心是创造性培养。要培养出有创造性的人才,就要优化创造环境、激发学生的创造欲望、发展学生的创造思维[11-12]。化学法提高原油采收率实验教学平台在提高大学生创新培养方面迈出了可喜的一步,随着科学技术的发展,该实验教学平台还需要进一步发展和完善,以满足社会对创新人才的更高要求。

References)

[1] 赵福麟.油田化学[M].山东东营:中国石油大学出版社,2010.

[2] 罗明良,温庆志,齐宁,等.基于学生创新能力培养的酸化压裂实验教学平台构建[J]. 实验技术与管理2014,31(9):77-80.

[3] 吕开河,樊泽霞,王业飞.石油工程专业化学课程实验教学效果改革[J].高等函授学报,2010(5):38-40.

[4] 马大中,崔瑾,梁军胜,等.基于创新型人才培养的创新实验[J]. 实验技术与管理,2014,31(9):33-36.

[5] 张红光.开放实验室,培养大学生的创新精神和实践能力[J].实验技术与管理,2011,28(6):16-19.

[6] 郝刚,侯燕芝,董小黎,等.跨学科、多平台综合设计性实验的探索与实践[J].实验技术与管理,2011,28(11):14-16.

[7] 刘洪艳,徐仰仓.海洋生物综合实验教学模式探索[J].实验室科学,2012,15(4):41-43.

[8] 杨丹.全面培养学生创新实践能力的举措[J].实验室研究与探索,2011,30(7):1-5.

[9] 龚淑玲,黄驰,侯安新,等.以学生为中心,激发学习兴趣,提高化学实验教学效果[J].实验技术与管理,2012,29(8):13-14.

[10] 高冬梅,张民生,洪波.环境微生物综合实验教学的改革和实践[J].实验室科学,2011,14(3):54-56.

[11] 孔宇,张雅利,莫晓燕.增强综合开放实验课程教学效果措施探索[J].实验技术与管理,2014,31(6):32-35.

[12] 樊泽霞. 以创造性教育为核心努力提高油田化学教学效果[J].中国石油大学学报,2007(增刊):155-157.

Constrction of EOR experimental teaching platform by using chemical methods

Fan Zexia, Wang Jiexiang, Wang Yefei, Liu Dexin, Zhao Xiutai

(College of Petroleum Engineering ,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China)

The experimental teaching plays an important role in the cultivation of students’ autonomous learning bility and the ability of innovation and practice.The laboratory of EOR enhanced oil recovery by chemical methods is one of the important experimental teaching platform of the Petroleum Engineering Experimental Teaching Center of China University of Petroleum(East China),which is a national experimental teaching demonstration center.The specific means and methods to improve the students’ knowledge application and innovative ability are explored from the constrction content of EOR experimental teaching platform,improvement and perfection of the experimental devices, the management mode of experimental platform, the teaching methods, the teaching effect,etc.

experimental teaching； constrction of platform； enhanced oil recovery(EOR)； chemical method

2015- 02- 20 修改日期：2015- 04- 07

山东省教学改革研究重点项目“打造优质资源平台，提高学生创新实践能力”(2013017)

樊泽霞(1966—)，女，山东青岛,博士，教授，硕士生导师，主要从事油田化学方面的教学与科研工作.

E-mail：fanzexia@upc.edu.cn

G484；TE327

A

1002-4956(2015)10- 0070- 04