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摘要:地下的原油运移和聚集成藏是石油高校的核心教学内容。由于单纯理论授课和缺少实物模型模拟实验,导致学生对石油在地下的运移机理和聚集模式认识模糊,因此需要借助高科技手段进行尝试和探索。作者利用3D打印技术完成教材中的经典石油运聚模式,以差异聚集模型、断层运移模型和盖层封闭模型为例,注入油气观察实验过程和分析原油运聚模式,阐述3D打印技术与石油专业实验教学的交叉融合。经实践证明,该研究可以为石油地质核心课程提供典型的实验教学内容,突破学生对抽象油气运聚模式的理解瓶颈,不仅提高学生的实验兴趣,还能激发其主动探索的创新思维,对于培养学生的工程实践能力与创新能力具有重要意义。
3D打印技术也被称作快速成型技术,诞生于20世纪80年代后期,是一种新型的制造和加工工艺,以数字模型(3D设计文件)为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过3D打印机,逐层打印的方式来构造物体的制造技术[1-2]。由于其在产品设计、生产、应用等领域的广泛性得到快速发展,并逐步向工业生产领域过渡,它被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”[3-5]。作为前沿热点制造技术,3D打印技术已逐步应用于航天、军工、石油和医疗等领域[3-6]。早在2013年,中国石化工程技术人员就曾使用3D打印技术制作地下气层通道的精细模型,预测和指导普光天然气田的开发,使钻井成功率明显提高,克服了世界性难题,也证明了3D打印技术应用于油气资源领域的准确性和可行性。实验教学内容和方法改革要紧跟工业界发展形势,因此3D打印实验教学也将在教育领域的手段和思维方面带来重大变革[6-7]。实体模型是实验研究最直接有效的工具,3D打印技术制作模型具有可个性化设计,制作过程相比于传统工艺简便,生产周期短等优势,在培养学生自主学习能力和创新实践能力等方面能起到关键的作用[8-10]。2012年,《教育部、财政部关于实施高等学校创新能力提升计划的意见》(教技[2012]6号)明确指出改进和加强工科专业大学生创新创业教育,着重培养大学生创新思维和工程实践能力。原油和天然气作为能源战略的核心,各个国家均已认识到人才培养和队伍建设是油气勘探的首要任务,高层次应用型人才成为了重要竞争力,因此深入研究如何将高新技术融入到实验教学和培养学生的自主创造能力具有重要的现实意义。
一、3D打印技术在石油地质教学中的重要意义
石油的赋存条件和产出状态以及油藏的富集分布规律是指导石油勘探和开发的理论基础[11],搞清楚油气藏形成和分布规律对石油勘探有非常重要的意义。地质学家对石油与天然气在地下究竟是怎样运移和形成油气藏的认识并不十分准确[12-13],地下石油运移和聚集成藏往往需要经历百万年的时间,地质学家很难直观地观测到石油的运移方向和聚集模式,目前主要依靠实验分析化验数据进行推测。现阶段的3D打印技术在油气资源的应用主要体现在油气储层评价方面,在石油勘探开发前期,3D打印将为开展成岩成因机理、沉积学理论、岩石声学物理测量等基础问题的研究提供实验手段[10]。目前正在探索和完善油气储层成岩机制、岩石物质组成、沉积相沉积环境、内部孔喉结构分布及流体流动规律、岩石力学声学的物理响应机理、解释方法及含油气性评价方法[14]。在课堂教学中石油的运移和聚集过程显得非常抽象且空洞,同学们普遍反映在学习过程中存在困难。
近年来,培养掌握石油地质工程专业理论知识,具有较强解决实际问题能力的创新复合型人才成为石油高校教育研究重点。学生创新创业教育是工科专业重中之重,培养大学生创新思维和工程实践能力需要加强。实验教学对于培养学生自主学习能力和创新实践能力等方面起着关键作用[15-16],在培养大学生自主学习动手实践能力、激发创新思维方面起到至关重要的作用。通过对国外高校相关专业人才培养方案调研,各知名高校培养方式多样化,更侧重于个人与团队合作能力的塑造,目的直接指向现代工业的需求,随着在校学生规模的不断扩大以及优质科研资源的快速积累,如何提高自主设计实验比例、及时将石油开发新技术融入到实验教学中、积极探索石油专业实验教学新模式成为学校实验教学适应创新人才培养需求的研究热点[17-18]。本次研究通过将3D打印技术引入专业地质实验教学中,使地下油气藏由“想象”变为“现实”。教育实践证明,3D打印技术的研究型实验教学新模式不仅能够帮助学生理解教材中的概念模型,还极大地提高了学生实验兴趣,激发学生主动探索的创新思维,对于培养学生的工程实践能力与创新能力具有重要意义。
二、3D打印技术在实践教学中的应用
石油在地下运移和聚集的模型有很多,在《石油地质学》课本及油田实际勘探中,石油有多种运移通道和油气聚集模式。选择什么样的模型让学生能在有限的时间内完成,且便于后期直观的实验观察,综合各种因素考虑,本次研究选取三种较简单又具有代表性的模型进行研究。实验绘图用到SOLIDWORKS机械制图软件,3D打印耗材为PLA材料,3D打印机型号为创想三维CR-5060。
(一)油气差异聚集实验
油气的差异聚集原理是石油地质学课程中油气运移的重点内容,如图1(a)所示在区域性的倾斜背景下,连通的储集层存在一系列溢出点海拔依次增高的圈闭,则会形成油气差异聚集现象。在油田勘探过程中,也发现较多的此类油气运移聚集模式,由下往上分别为纯气藏、油气藏、纯油藏。学生通过软件绘制出模型示意图,并通过3D打印机打印出模型进行组装,模拟地质条件,最后进行注油和注气实验(图1(b)),第一阶段在模型底部慢慢充注原油,原油首先冲满第一个圈闭,持续充注,原油依次冲满2号、3号、4号圈闭,整个过程可清晰地观察到原油的运移过程。第二阶段充注气体,发现气体的运移与实验充注的速度有关系,观察实验现象,得出与油田实际勘探中相似的结论。实验过程中也存在与教材有出入的情况,给实验人员留下思考的空间,为进一步实验设计奠定基础,培养学生的动手能力和创新思考能力。
图1连通圈闭中油气差异聚集模拟实验
(二)断层运移实验
断层中石油运移模型能非常直观地观察石油的运移过程。当地下构造活动强烈,岩层所受的力超过了岩层所能承受的强度,岩体就会破裂,只有当断裂两侧的岩体沿断裂面发生明显的错动和位移时,称之为断层(图2(a))。断层是油气运移的主要通道和高速通道,但是断层也可以封堵油气形成断层圈闭油气藏[13]。断层相对于油气的运移和封堵是油气地质学家研究的重难点,可利用不同角度的断层模型实验,探讨不同产状断层对石油运移和聚集的影响因素。实验过程比较简单,在断层底部注入原油,原油沿着断层往上运移,观察不同角度断层对原油的不同疏导作用(图2(b))。断层角度较小,原油沿着断层全部运移到储层中,并没有沿着断层顶部散失。断层角度稍大时,部分原油沿着断层运移到储层中,部分原油沿着断层顶部散失。断层角度调高,大部分原油沿着断层顶部流失,几乎很少原油能运移到储层中。本次实验效果较好,能够清晰地观察到原油运移的整个运移过程,考察了实际地质体中不同产状的断层对石油运移的影响。
图2模拟地下断层原油运移实验过程
(三)不同孔隙封闭油气突破实验
盖层的封闭性模拟实验模型石油勘探中盖层的封闭能力非常重要,地下储集层中的原油具有浮力向上运动的趋势,需要不渗透层向上盖住才能保证油气得以保存不至于散失掉,这样的不渗透层就是盖层,即盖层为油气藏保存的保护层[12]。盖层也具有一定的孔隙,原油受到油水界面张力引起的毛细管力而被封闭在储层中(图3(a)),盖层毛细管力的大小与毛细管半径和润湿角有关系,盖层的孔隙半径越小,封闭能力越强。本次实验重点测试不同半径的盖层对原油和气体的封闭能力,打印不同的锥形模型,锥形模具中分别为不同半径的连通孔(图3(b)),将大孔模型放入透明水槽中,慢慢注入水,可观察到模型中的水与水槽中的水上升速度相同,直到水全部淹没模型,模型中没有气体,说明大孔对气体没有封闭能力。继续在模型底部注入原油,原油沿着模型底部向上运移,当原油在模型充注的厚度越来越高时,原油开始往外渗流,直到剩下约1 cm的油柱,说明大孔产生的毛细管力不能封闭天然气,只能封闭少量的原油。采用相同的方法对小孔模型进行实验,发现小孔模型上部为气体,下部为原油,说明小孔模型不仅能封闭气体,还能封闭更高的油柱。本实验模具能够分析不同孔隙半径的盖层对原油的封闭高度,依此分析不同半径的盖层对原油和气体的封闭能力。
图3原油运移毛细管力与浮力的模拟实验
油气运移和聚集模式被深埋在地下,对于初学者甚至石油地质学家均有一定的理解难度。对于相同的内容,实践操作往往比理论授课耗时更少,效果更佳。实验教学建立在理论知识之上,老师先通过课堂授课,利用石油地质学等经典课程让同学们对埋藏于地下的原油聚集有一个初步的概念,再利用已有模式图引导和激发学生的实验兴趣,接下来就是以学生自身为主体进行的软件建模、打印实体、模型处理、注油实验和总结报告等具体工作。本次研究将3D打印技术与油气的运聚模式交叉融合,通过实验手段进行模拟实验,让学生直观形象地观察油气在地下的运移和聚集过程,并总结所学专业知识,对实验结果进行解释,提高学生实验兴趣,激发学生主动探索的创新思维,对于培养学生的工程实践能力与创新能力具有重要意义。资源勘查工程专业(以下简称“本专业”)学生在专业老师的指导下,应用3D打印技术制作课堂教具和实验模型,累计参加科创类项目和竞赛4项,其中自治区级1项,国家级1项。
三、实验优势和应用前景
3D打印技术引进和应用,由于不需要生产线,极大地削减了制作教具的成本,同时也可以制作传统工艺无法完成的胶结、溶蚀等特殊模型,优化了实验创新类竞赛的思路,同时也降低了教师在实验指导过程中的难度,形成了良好的教学和科研氛围。在抓好经典理论课程授课之外,结合现在工业发展和技术革新,学校愈加重视实践性和创新性的实验项目,目前实验室内设备项目齐全,对全院老师和学生开设各类实验项目。上文所述的3种模型仅为众多实验中的少部分,利用该技术,油气藏的运移过程、油气藏保存形态、物理特征等均可以实现“可视化”和“实体化”,依此可以看出3D打印技术可以很好地融入本专业的教学实践当中,能够提升石油高校已有核心课程的水平。由于操作步骤简单易学,实验过程趣味性强,在专业及校内产生了很好的辐射和示范作用,实验创新型项目报名踊跃,并取得较为满意的实验创新成果,形成了学生自主学习,自主实验的良好科研局面。
我国持久处于油气资源缺口巨大的境况,其中油气勘探领域的人才培养是重中之重,人才培养应适应于长远的资源战略和社会科技的发展。近年来国家和企业对创新型和工匠型人才格外重视,以应用实践能力为导向的工作理念指导下,尽早培养学生的实践能力和创新思维成为本专业乃至全国石油高校的重要教学目标。石油院校应该始终坚持以国家能源战略需求为导向,坚持创新驱动发展战略和“搭建平台、凝聚团队、承担项目、形成成果、作出贡献”的科研发展思路。为积极响应国家号召和国家能源战略的迫切需要,校区教育教学以新工科建设为指导,强化科技创新和理论实践结合,注重深化产教融合,推进校企合作,极大发挥协同育人机制,助力行业高校培养服务国家发展战略的创新型、应用型人才,从挖掘创新潜力、激发科研热情、提升科研能力三个方面发力,扎实有序地推动学院创新平台建设,“以学促能”,引导学生弘扬好石油精神,为国家能源事业高质量发展作出新贡献。随着3D打印技术的不断成熟和广泛应用,其在理论和实验间的“桥梁”作用和优势也愈加凸显,能很好地解决制约研究型实验教学开展的物理模型制作瓶颈问题。我们也将不断完善实验教学平台建设,持续深化教育教学改革,充分发挥石油地质专业学生的主观能动性,不断提升人才培养质量,为学生以后成为油气行业及相关领域的顶尖人才和技术骨干打下坚实基础。
3D打印技术能够在石油勘探实验教学中起到创新革新的重要作用,未来在解决材料和设备条件的基础上会有更大的应用前景:(1)材料问题,由于需要观察原油的运移过程,所以实验模型的透明度至关重要,但是现在市面可见的PLA、ABS等常见打印耗材的透明度并不是很高,随着技术的发展和成熟,透明度较高的材料能够带来更好的实验效果。(2)打印尺寸,由于原油的排出和聚集是在漫长的地质演化过程中发生的,所以实验在大尺寸的模具中进行会更具有说服力,虽然本实验使用了工业级3D打印机,但是模型尺寸还是不能满足实验需求。目前已有能够应用于建筑领域的3D打印技术,若尽早引入教育行业,将会带来更佳的效果。
四、结束语
把“想象”变为“现实”。3D打印技术与石油地质学科的深度融合,实现了任意实际地质模型的个性化制备,用现实模型引出深埋地下的抽象地质概念,将实验教学中的抽象概念或者科学过程进行可视化展现,使学生可以基于物理模型自主设计实验,获得更多的认知体验,培育创新思维。
将科研转化为教学资源。3D打印技术为学生提供了自主设计、制备地质模型的途径,有利于研究型实验教学的开展。随着在校学生规模的不断扩大以及优质科研资源的快速积累,如何提高自主设计实验比例,及时将石油勘探新技术融入到实验教学中,积极探索石油工程专业实验教学新模式成为学校实验教学适应创新人才培养需求的研究热点。
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基金资助:新疆维吾尔自治区高校本科教育教学研究和改革项目“石油地质实习基地建设”(XJGXPTJG-202299);
文章来源:邹贤利,徐伯东,刘劲松,等.基于3D打印技术的石油运聚实验教学研究[J].高教学刊,2024,10(26):15-18.
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