全球數(shù)字化背景下的“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程數(shù)字化教學(xué)實(shí)踐

孫廷彬，王 玲，陳剛強(qiáng)

[中國(guó)石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000]

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重點(diǎn)方向[1]。在科技含量較高的油氣勘探開(kāi)發(fā)行業(yè)，油田企業(yè)具有投資大、折舊率高、人員隊(duì)伍龐大的特點(diǎn)，受到全球油價(jià)整體低迷、油氣生產(chǎn)成本攀升的影響，企業(yè)盈利困難，面臨很大挑戰(zhàn)。而數(shù)字化可以提高企業(yè)管理水平，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約大量成本，是現(xiàn)代油田企業(yè)的發(fā)展方向[2]。目前，油氣田研究、采油和集輸單位已經(jīng)配備了高計(jì)算性能的計(jì)算機(jī)及專(zhuān)業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的采油、集輸管理、實(shí)時(shí)調(diào)參、數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)網(wǎng)[3-5]，正在全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)管網(wǎng)、傳感器、流量計(jì)、流體分離器和數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)叫畔⒅行?，形成一個(gè)數(shù)據(jù)量龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，為研究人員提供數(shù)據(jù)，是調(diào)整部署指導(dǎo)下一步生產(chǎn)的重要依據(jù)。數(shù)字化的快速發(fā)展產(chǎn)生了大量的數(shù)字化工作崗位需求，尤其是在數(shù)字化油藏研究、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化設(shè)備維護(hù)、數(shù)字化數(shù)據(jù)傳輸與管理等方面急需大量的高水平人才。

面對(duì)油氣行業(yè)的快速發(fā)展，目前石油類(lèi)高等院校開(kāi)發(fā)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)方式仍主要以傳統(tǒng)課堂理論教學(xué)和紙質(zhì)繪圖方式為主，很難適應(yīng)油氣行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的需求，急需拓展和創(chuàng)新教學(xué)方式，培養(yǎng)能夠進(jìn)行數(shù)字化研究的高水平人才[6-7]。

一、“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及問(wèn)題

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”，也稱(chēng)“油礦地質(zhì)學(xué)”，是石油類(lèi)高等院校地質(zhì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)必修課，學(xué)科的發(fā)展緊密?chē)@我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)實(shí)際需求，重點(diǎn)研究油氣田開(kāi)發(fā)各個(gè)階段的地質(zhì)問(wèn)題。1953 年，北京石油學(xué)院成立并開(kāi)設(shè)“油礦地質(zhì)學(xué)”課程，其他高校也陸續(xù)開(kāi)設(shè)此課程，截至目前，學(xué)科發(fā)展已有70 多年歷史。

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程教學(xué)內(nèi)容分為兩部分，一是理論教學(xué)，主要講授油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)概念和研究方法，該部分內(nèi)容主要以板書(shū)為主，后期隨著投影技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主要采用多媒體與板書(shū)結(jié)合的方式；二是繪圖研究實(shí)踐環(huán)節(jié)，考查學(xué)生利用實(shí)際資料進(jìn)行地質(zhì)研究的實(shí)踐能力，主要利用紙質(zhì)圖件進(jìn)行考核。

對(duì)比油田數(shù)字化地質(zhì)研究的需求，“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程教學(xué)方式存在以下不足之處。（1）傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)主要介紹基本概念、主要研究方法和流程，對(duì)地質(zhì)與計(jì)算機(jī)和地質(zhì)與數(shù)學(xué)交叉領(lǐng)域的智能計(jì)算方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法缺少系統(tǒng)的介紹。（2）實(shí)踐教學(xué)以數(shù)據(jù)計(jì)算和紙質(zhì)繪圖為主，沒(méi)有采用目前比較前沿的大型三維地質(zhì)軟件。

二、數(shù)字化教學(xué)的特點(diǎn)

（一）數(shù)字化教學(xué)的基本含義

文章提到的數(shù)字化教學(xué)是在油氣行業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展引領(lǐng)下，為培養(yǎng)能夠適應(yīng)油田數(shù)字化發(fā)展崗位需求的人才而采用的教學(xué)活動(dòng)。主要是在原有課程理論知識(shí)基礎(chǔ)上增加地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、智能算法等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理相關(guān)理論知識(shí)，并選取完整的油田地質(zhì)實(shí)際資料，利用專(zhuān)業(yè)軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字化地質(zhì)研究，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化操作技能。具體來(lái)講，是要讓學(xué)生掌握如何利用大型專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行油氣田地質(zhì)研究，建立一個(gè)符合地下油藏實(shí)際的三維地質(zhì)模型。

（二）數(shù)字化教學(xué)的特點(diǎn)

1.與數(shù)學(xué)理論方法交叉融合度高

數(shù)字化教學(xué)的基礎(chǔ)是與地質(zhì)相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和智能算法，如用于油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理、相關(guān)性分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用于儲(chǔ)層類(lèi)型劃分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。這些方法的應(yīng)用可以提高工作效率，減少人為主觀(guān)性，使運(yùn)算結(jié)果更為客觀(guān)。

2.應(yīng)用大型專(zhuān)業(yè)軟件平臺(tái)

數(shù)字化教學(xué)在微機(jī)機(jī)房進(jìn)行，使用高性能的服務(wù)器和專(zhuān)業(yè)的大型軟件平臺(tái)Petrel。該軟件平臺(tái)由國(guó)際著名油田技術(shù)服務(wù)企業(yè)斯倫貝謝公司研發(fā)并維護(hù)，已有20 多年的歷史。該軟件平臺(tái)設(shè)置油氣盆地演化、三維地震處理與解釋、測(cè)井資料處理與解釋、油藏地質(zhì)研究、儲(chǔ)量計(jì)算、三維地質(zhì)建模、油藏?cái)?shù)值模擬等模塊，涵蓋了油氣生成—油藏地質(zhì)研究—油氣田開(kāi)發(fā)調(diào)整數(shù)字化研究的各環(huán)節(jié)，是一個(gè)數(shù)字化水平高、成熟且被業(yè)界普遍認(rèn)可和應(yīng)用的大型軟件平臺(tái)。目前，各大油田都在使用。與此同時(shí)，該軟件平臺(tái)基于Windows 系統(tǒng)運(yùn)行，具有目前主流計(jì)算機(jī)的硬件配置即可使用。該軟件平臺(tái)具有數(shù)據(jù)處理速度快，圖件繪制快、精度高，立體直觀(guān)的特點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾方面。（1）可以繪制三維立體圖，并可在三維空間內(nèi)隨意旋轉(zhuǎn)，使成果顯示更加立體直觀(guān)。（2）可以分層繪制，批量制圖，圖件繪制速度大幅度提升。（3）可綜合利用地震、測(cè)井和地質(zhì)資料進(jìn)行約束，選用合適插值算法進(jìn)行繪圖，平面繪圖精度高。（4）圖件線(xiàn)條樣式、顏色填充可自主設(shè)置，一鍵操作，后期圖件完善工作方便快捷。

3.實(shí)踐操作性強(qiáng)，有助于學(xué)生盡快適應(yīng)崗位需求

目前，油田企業(yè)急需懂專(zhuān)業(yè)、懂?dāng)?shù)字化研究的高水平人才。數(shù)字化教學(xué)主要針對(duì)油田單位需求，利用行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代化成熟專(zhuān)業(yè)軟件平臺(tái)，用油田實(shí)際資料進(jìn)行教學(xué)。這樣不僅使研究成果可以直接用于指導(dǎo)油田開(kāi)發(fā)部署，而且畢業(yè)生進(jìn)入工作單位后可直接上崗工作，縮短了崗位適應(yīng)期，大大提高了工作效率。

三、教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)目的

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程數(shù)字化教學(xué)的目的是通過(guò)講授油田數(shù)字化發(fā)展的起源、發(fā)展和現(xiàn)狀，以及系統(tǒng)講解油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)數(shù)字化研究?jī)?nèi)容、方法和實(shí)踐操作流程，培養(yǎng)學(xué)生掌握油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)數(shù)字化研究基本技能，創(chuàng)新探索能力，使學(xué)生畢業(yè)后能夠快速適應(yīng)油田企業(yè)數(shù)字化工作崗位需求。

（二）教學(xué)思路

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程數(shù)字化教學(xué)主要采用理論授課與實(shí)踐操作相結(jié)合的方式開(kāi)展。一方面，邀請(qǐng)油田企業(yè)專(zhuān)家、數(shù)字化教學(xué)名師現(xiàn)場(chǎng)講解油田數(shù)字化發(fā)展的起源、過(guò)程和現(xiàn)狀。另一方面，利用油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料，讓學(xué)生在專(zhuān)業(yè)軟件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)踐操作。在教學(xué)過(guò)程中，為了培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，考查學(xué)生創(chuàng)新能力，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生同步操作，并設(shè)置課堂能力提升知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新探索。

（三）內(nèi)容設(shè)計(jì)

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程重點(diǎn)對(duì)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、實(shí)踐操作與創(chuàng)新思維、課程思政進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.團(tuán)隊(duì)建設(shè)

油氣生產(chǎn)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的工作，需要油氣地質(zhì)研究人員、油藏工程技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)工作人員等多工種團(tuán)隊(duì)團(tuán)結(jié)協(xié)作。因此，“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程改革重點(diǎn)考慮培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。根據(jù)微機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)計(jì)算機(jī)數(shù)量，教師要求學(xué)生分為若干由2～3 人組成的小團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)由學(xué)生自發(fā)組建，也可以跨班級(jí)組合，目的是讓學(xué)生選擇最佳的團(tuán)隊(duì)伙伴，以期達(dá)到最好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作效果。

2.實(shí)踐操作與創(chuàng)新思維

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容涵蓋油藏地質(zhì)研究的整個(gè)流程，包括Petrel 軟件簡(jiǎn)介、數(shù)據(jù)加載及處理、地層對(duì)比、斷層模型建立、地層模型建立、相模型建立、屬性模型建立、流體模型建立、儲(chǔ)量計(jì)算和圖件制作10 個(gè)部分。除去Petrel 軟件簡(jiǎn)介之外，其余9 個(gè)部分內(nèi)容存在緊密聯(lián)系，每部分都需要以前一部分為基礎(chǔ)。

在地層對(duì)比環(huán)節(jié)，教師指定某一地層單元，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的地層對(duì)比方法，自主制定合理的地層單元細(xì)分方案，并進(jìn)行地層對(duì)比。這種開(kāi)放式的實(shí)踐訓(xùn)練能夠很好地鍛煉學(xué)生綜合思考和分析能力。

在地層模型建立環(huán)節(jié)，教師主要講授模型內(nèi)細(xì)分layers 的原則和方法，要求學(xué)生建立的layers 模型在后面相模型流程中能夠體現(xiàn)層內(nèi)薄夾層，此內(nèi)容考查學(xué)生的綜合分析能力。學(xué)生需要根據(jù)夾層厚度的分布情況，確定每個(gè)地層單元內(nèi)部細(xì)分layers 的方式和層數(shù)，以達(dá)到能夠體現(xiàn)夾層分布的效果。

在相模型建立環(huán)節(jié)，教師主要講授相模型建立的模塊流程、數(shù)據(jù)分析方法及相模型建立的常用方法，要求學(xué)生根據(jù)不同層位的相帶分布特征，分層段、分相帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并選擇合適的相模型建立方法構(gòu)建合理的相模型。這個(gè)環(huán)節(jié)是地質(zhì)研究和模型建立的核心環(huán)節(jié)。通過(guò)分層段、分相帶的數(shù)據(jù)分析訓(xùn)練，學(xué)生能夠掌握精細(xì)地質(zhì)研究的實(shí)踐操作技能，對(duì)數(shù)字化地質(zhì)研究有一個(gè)真實(shí)的、深入的理解和學(xué)習(xí)。

在屬性模型建立環(huán)節(jié)，教師主要講授屬性模型的模塊流程、數(shù)據(jù)分析方法和常用算法，要求學(xué)生利用相模型或地震屬性的約束進(jìn)行屬性數(shù)值運(yùn)算，建立一個(gè)合理的屬性模型。這個(gè)過(guò)程考查學(xué)生的綜合分析能力及對(duì)研究結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)能力。

3.課程思政

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程思想政治教育設(shè)計(jì)3 個(gè)環(huán)節(jié)，具體如下。一是邀請(qǐng)一名油田企業(yè)專(zhuān)家，現(xiàn)場(chǎng)講述油田企業(yè)數(shù)字化改革的必然性、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，讓學(xué)生深入了解石油行業(yè)數(shù)字化改革的背景、內(nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)。二是邀請(qǐng)油田企業(yè)專(zhuān)家講述其在油田工作的經(jīng)歷，即近些年油田地質(zhì)工作數(shù)字化發(fā)展的歷程、具體工作成果及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，展示油田數(shù)字化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。三是教師帶領(lǐng)學(xué)生到油田研究部門(mén)、生產(chǎn)一線(xiàn)參觀(guān)交流，讓學(xué)生觀(guān)察、了解油田數(shù)字化的情況，理解數(shù)字化給油田發(fā)展帶來(lái)的巨大變化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

（四）課程考核

除考勤與課堂表現(xiàn)外，“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程考核重點(diǎn)從建模成果鑒定、團(tuán)隊(duì)建設(shè)匯報(bào)、結(jié)題文字報(bào)告3 個(gè)方面進(jìn)行。

考勤與課堂表現(xiàn)：上課出勤率、課堂回答問(wèn)題及與教師的互動(dòng)情況，占總成績(jī)的10%。

建模成果鑒定：考查學(xué)生對(duì)數(shù)字化研究方法和操作流程的掌握程度，共占總成績(jī)的40%?？己朔譃閮刹糠郑谝徊糠挚己烁鲌F(tuán)隊(duì)完成的三維地質(zhì)模型內(nèi)容是否完整、各建模環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置是否合理、研究成果是否合理、成果圖件是否規(guī)范等，占總成績(jī)的20%。對(duì)于完成課堂創(chuàng)新探索研究的團(tuán)隊(duì)，視完成情況獎(jiǎng)勵(lì)1～5 分。第二部分是在課程內(nèi)容講授完畢后，各團(tuán)隊(duì)抽取1 個(gè)題目進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，占總成績(jī)的20%。

團(tuán)隊(duì)建設(shè)匯報(bào)：各團(tuán)隊(duì)匯報(bào)上課期間團(tuán)隊(duì)內(nèi)部成員的分工情況、在研討過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決辦法、團(tuán)隊(duì)成員的貢獻(xiàn)情況、團(tuán)隊(duì)合作的感想和體會(huì)等。該部分重點(diǎn)考查學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和口頭表達(dá)能力，占總成績(jī)的20%。

結(jié)題文字報(bào)告：要求學(xué)生對(duì)“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程成果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，包括技術(shù)研究成果、軟件操作成果、團(tuán)隊(duì)建設(shè)成果、對(duì)課程的建議等。該部分重點(diǎn)考查學(xué)生總結(jié)和文字表達(dá)能力，占總成績(jī)的30%。

四、教學(xué)實(shí)踐及效果

（一）教學(xué)實(shí)踐

“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程數(shù)字化教學(xué)在2020 級(jí)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生中開(kāi)展，整個(gè)教學(xué)時(shí)間為10 天，學(xué)生共83 人，每組學(xué)生2～3 人。教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為理論知識(shí)授課1 天，數(shù)據(jù)加載到圖件制作共9 個(gè)實(shí)踐操作教學(xué)內(nèi)容各分配一天時(shí)間。實(shí)踐操作教學(xué)期間，在上午，教師帶領(lǐng)學(xué)生同步操作，在下午，教師引導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)練習(xí)及提升探索。課程結(jié)束后，學(xué)生進(jìn)行上機(jī)測(cè)試，每人撰寫(xiě)3000 字左右的課程總結(jié)報(bào)告。

（二）效果分析

1.學(xué)生學(xué)習(xí)熱情較高，學(xué)習(xí)效果較好

在開(kāi)課前，許多學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)形式和教學(xué)時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的詢(xún)問(wèn)，表現(xiàn)出了較高的興趣；在課程進(jìn)行過(guò)程中，80%的學(xué)生積極主動(dòng)就軟件操作及繪圖方法進(jìn)行交流，約有5%～10%的學(xué)生對(duì)一些制圖方法的探索超出了課堂講授的范圍，表現(xiàn)出了較高的探索學(xué)習(xí)的積極性。從結(jié)課后提交的圖件成果、文字報(bào)告和上機(jī)測(cè)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，超過(guò)90%的學(xué)生能夠很好地完成研究和建模工作，并提交合理的研究成果，能夠達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目的。其中，有10%的學(xué)生完成的成果十分優(yōu)秀。

從顯示效果來(lái)看，三維立體圖展示、地質(zhì)模型立體展示、模型任意方向剖面3 種方式很好地展示了地下油藏的高低起伏、內(nèi)部關(guān)鍵屬性的空間差異分布特征。

從研究時(shí)效來(lái)看，數(shù)字化研究大大縮短了研究周期。通過(guò)對(duì)比和測(cè)算，同樣一個(gè)油藏的地質(zhì)研究、常規(guī)研究及紙質(zhì)繪圖，傳統(tǒng)教學(xué)需要60 天，而數(shù)字化研究方法僅需要20 天，時(shí)間縮短了2/3，效率明顯提高。

2.兩人組學(xué)習(xí)效果最好

從分組成果來(lái)看，兩人組學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)成果最好。三人組易出現(xiàn)個(gè)別學(xué)生偷懶、分工不明確等情況，學(xué)習(xí)效果相對(duì)較差。

從數(shù)字化教學(xué)改革實(shí)踐來(lái)看，數(shù)字化教學(xué)作為貼近油氣發(fā)展前沿的教學(xué)方式，在教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容上十分新穎，并具有較高的科技含量，不僅加深了學(xué)生對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象的理解，還對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)“油氣田開(kāi)發(fā)地質(zhì)”課程的興趣有很大幫助。與此同時(shí)，數(shù)字化教學(xué)可以幫助學(xué)生提高油藏開(kāi)發(fā)地質(zhì)研究的效率，增強(qiáng)地質(zhì)研究成果的三維立體、動(dòng)態(tài)顯示效果，大大提高了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究的熱情。此外，數(shù)字化教學(xué)實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與油田企業(yè)生產(chǎn)崗位需求的無(wú)縫銜接，學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入企業(yè)，可直接上手進(jìn)行地質(zhì)研究，縮短了學(xué)生就業(yè)后的適應(yīng)期，是一項(xiàng)十分前沿、效果顯著的教學(xué)改革。

但是，教學(xué)改革在實(shí)踐應(yīng)用中不可避免地遇到了一些問(wèn)題。由于教師之前多為課堂理論授課，學(xué)生沒(méi)有接觸軟件操作和油田現(xiàn)場(chǎng)資料的機(jī)會(huì)，在課程教學(xué)過(guò)程中存在部分學(xué)生對(duì)軟件敏感度不夠、進(jìn)度跟不上、對(duì)油田企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)資料理解程度不夠等問(wèn)題，影響學(xué)習(xí)質(zhì)量。

針對(duì)以上問(wèn)題，教師可以在課前增加2～3 天的軟件基本操作訓(xùn)練輔導(dǎo)，增加油田資料獲取方法講解及資料解讀等環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。