熊健　劉向君　何海銘

摘? 要：巖石物理學(xué)基礎(chǔ)是油氣能源特色高校勘查技術(shù)與工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。針對(duì)巖石物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，梳理和總結(jié)該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式等措施手段，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，利于實(shí)現(xiàn)該課程的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：巖石物理；綜合性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G640? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）18-0081-04

Abstract： Fundamentals of Rock Physics is one of the core professional basic courses of exploration technology and engineering in the universities with oil and gas energy characteristics， and experimental teaching is an important practical link of this course. In view of the current situation of rock physics experiment teaching， the problems existing in the experiment teaching of the course were combed and summarized in this paper， measures and means such as increasing the comprehensiveness of experimental items and improving the experimental report mode were put forward， improving the students' innovative ability and the ability to analyze and solve problems. And it is conducive to achieving the teaching objectives of the course.

Keywords： Rock Physics; comprehensive experiment; experimental report; innovative ability; teaching reform

隨著能源需求的增加，到2021年底，我國(guó)的原油對(duì)外依存度超過(guò)70%和天然氣對(duì)外依存度超過(guò)40%[1]，這嚴(yán)重制約了我國(guó)能源安全。隨著勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，非常規(guī)頁(yè)巖油氣資源因其儲(chǔ)量巨大受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]。非常規(guī)頁(yè)巖油氣、天然氣水合物和地?zé)崮艿刃履茉纯碧介_(kāi)發(fā)技術(shù)的突破，有利于提高能源的自給率，對(duì)保障國(guó)家能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。地球物理勘探方法是頁(yè)巖油氣、天然氣水合物、地?zé)岬刃履茉磳?shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]，說(shuō)明了勘查技術(shù)與工程專業(yè)承載著培養(yǎng)服務(wù)國(guó)家能源戰(zhàn)略的拔尖創(chuàng)新人才的重任。非常規(guī)頁(yè)巖油氣、天然氣水合物和地?zé)崮艿饶茉纯碧介_(kāi)發(fā)的深入，對(duì)地球物理工作者提出了新的挑戰(zhàn)，從而對(duì)勘查專業(yè)學(xué)生的專業(yè)能力、創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)提出了更高要求。巖石物理學(xué)基礎(chǔ)作為西南石油大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保┛辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)的橋梁[4]，對(duì)于勘查技術(shù)與工程學(xué)科發(fā)展及人才培養(yǎng)有重要的作用。巖石物理學(xué)基礎(chǔ)涉及內(nèi)容較多，包括巖石基本物性、巖石力學(xué)性質(zhì)，以及電學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)和放射性等，是一門建立在以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，理論與實(shí)踐并重的結(jié)合性課程[4]，該課程除了理論教學(xué)，還包含25%學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是該課程教學(xué)的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)于理論教學(xué)更具有直觀性、實(shí)踐性、綜合性和創(chuàng)新性[5-6]，是培養(yǎng)學(xué)生基本素質(zhì)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[7]。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要手段。本文對(duì)巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理和總結(jié)，結(jié)合我校油氣能源的特色，圍繞該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展改革實(shí)踐，探索專業(yè)能力和創(chuàng)新能力融合培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高勘查技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力。

一? 巖石物理學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及改革措施

巖石物理學(xué)基礎(chǔ)涉及巖石基本物性、巖石力學(xué)、巖石電學(xué)、巖石聲學(xué)、巖石磁學(xué)和巖石放射性等內(nèi)容，每個(gè)內(nèi)容涉及知識(shí)點(diǎn)較多、實(shí)驗(yàn)方法較多，反映了其是一門實(shí)驗(yàn)性較強(qiáng)的學(xué)科。根據(jù)我校油氣能源特色的特點(diǎn)，以及考慮到教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)設(shè)備等因素，我校巖石物理實(shí)驗(yàn)室建立了巖石孔隙度和滲透率、巖石聲波、巖石電阻率、巖石磁學(xué)性質(zhì)和巖石熱學(xué)性質(zhì)等實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法，其中前三項(xiàng)巖石物理性質(zhì)為必修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)設(shè)了“巖心孔隙度的測(cè)定”“巖心氣體滲透率的測(cè)定”“地層因素和電阻率增大系數(shù)實(shí)驗(yàn)”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數(shù)測(cè)定”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；后兩項(xiàng)巖石物理性質(zhì)為選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)設(shè)了“巖石導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定”“巖石磁化率的測(cè)定”“巖石核磁共振實(shí)驗(yàn)”和“巖石介電常數(shù)的測(cè)定”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。巖石力學(xué)性質(zhì)方面實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)操作員要求較高，給學(xué)生安全帶來(lái)較大隱患，為此筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了單軸/三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、巴西劈裂實(shí)驗(yàn)、直剪實(shí)驗(yàn)等力學(xué)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫，可讓學(xué)生直觀觀看實(shí)驗(yàn)過(guò)程，課堂上可增加教師與學(xué)生間互動(dòng)，以探討形式啟迪學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。然而，該課程所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，缺少探究性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為此，筆者及教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探索實(shí)踐，將科研意識(shí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，以選修實(shí)驗(yàn)為例，初步建立了以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[8]，一定程度上激發(fā)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，訓(xùn)練了學(xué)生思考能力，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力。然而針對(duì)必修實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中探究性或設(shè)計(jì)性問(wèn)題涉及較少，學(xué)生機(jī)械地模仿實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的思考能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，不利于培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到新時(shí)代地球物理人才培養(yǎng)要求。為此，針對(duì)巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，將“地層因素和電阻率增大系數(shù)實(shí)驗(yàn)”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)為綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加探究性內(nèi)容。

同時(shí)，巖石物理學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告一般使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式，其主要包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理和注意事項(xiàng)等部分。然而，這種固定格式化的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生出現(xiàn)應(yīng)付作業(yè)、敷衍了事、內(nèi)容雷同，甚至篡改數(shù)據(jù)等多種不良現(xiàn)象，未能取得較好的教學(xué)效果[9]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的固定格式不需要學(xué)生做過(guò)多的思考，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，易造成學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)，也難以滿足新時(shí)代地球物理人才培養(yǎng)的要求。為此，針對(duì)巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇不同實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式完成，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告基礎(chǔ)上，引入討論式實(shí)驗(yàn)報(bào)告和問(wèn)答式實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式，其中“巖心氣體滲透率的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仍采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式；“巖心氣體滲透率的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用討論式實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式，其增加了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論；“地層因素和電阻率增大系數(shù)實(shí)驗(yàn)”和“聲波縱、橫波速度及衰減系數(shù)測(cè)定”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用問(wèn)答式實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式，包括實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)結(jié)果和問(wèn)題討論等部分，形成了“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-討論式實(shí)驗(yàn)報(bào)告-問(wèn)答式實(shí)驗(yàn)報(bào)告”多種實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式。這樣可避免學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的千篇一律，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的重視程度，有助于學(xué)生加深巖石物理理論知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生對(duì)巖石物理實(shí)驗(yàn)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力，提高了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的個(gè)性和特點(diǎn)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，結(jié)合問(wèn)答式實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫特點(diǎn)，提出了巖石電阻率和聲波速度的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加各參數(shù)的影響因素探討，將科研意識(shí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，并訓(xùn)練學(xué)生Excel、origin等數(shù)據(jù)處理軟件的使用，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力，完成問(wèn)答式實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫。以學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告中問(wèn)題討論為例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（一）? 孔隙度的影響

孔隙度對(duì)砂巖巖石縱波速度和電阻率的影響如圖1所示。從圖1（a）中可看出，隨著孔隙度的增大，砂巖巖石縱波速度先緩慢下降后快速降低，這是因?yàn)閹r石孔隙度越大，聲波在其內(nèi)部發(fā)生各種反射、折射等現(xiàn)象越多，造成聲波在巖石內(nèi)部的傳播距離越大，導(dǎo)致巖石聲波速度降低；相同孔隙度下，高圍壓和低圍壓對(duì)砂巖巖石縱波速度的影響程度存在一定差異，這與圍壓作用下砂巖巖石內(nèi)部孔隙空間壓縮程度有關(guān)。從圖1（b）中可看出，隨著孔隙度的增大，砂巖巖石電阻率呈降低趨勢(shì)，這是因?yàn)閹r石孔隙度越大，巖石孔隙空間越大，巖石的導(dǎo)電通道越大，造成巖石的導(dǎo)電性號(hào)，導(dǎo)致巖石電阻率降低。

（二）? 滲透率的影響

滲透率對(duì)砂巖巖石縱波速度和電阻率的影響如圖2所示。從圖2（a）中可看出，隨著滲透率的增大，砂巖巖石縱波速度先快速下降后緩慢降低，這是因?yàn)閹r石滲透率越大，巖石中連通孔隙空間越大，聲波在其內(nèi)部發(fā)生各種反射、折射等現(xiàn)象越多，造成聲波在巖石內(nèi)部的傳播距離越大，導(dǎo)致巖石聲波速度降低；相同滲透率下，高圍壓和低圍壓對(duì)砂巖巖石縱波速度的影響程度存在一定差異，這與圍壓作用下砂巖巖石內(nèi)部孔隙空間壓縮程度有關(guān)。從圖2（b）中可看出，隨著滲透率的增大，砂巖巖石電阻率先快速下降后緩慢降低，這是因?yàn)閹r石滲透率越大，巖石連通孔隙空間越大，巖石的導(dǎo)電通道越大，造成巖石的導(dǎo)電性好，導(dǎo)致巖石電阻率降低。

（三）? 圍壓的影響

圍壓對(duì)砂巖縱波速度和電阻率的影響如圖3所示。從圖3（a）中可看出，隨著圍壓增大，砂巖縱波速度先快速增長(zhǎng)后增加趨于平緩，這主要是因?yàn)閲鷫涸龃?，巖石將受到壓縮，巖石中孔隙空間將被壓縮，在巖樣內(nèi)部傳播的聲波遇到的阻抗面減小，進(jìn)而發(fā)生反射、折射、繞射等現(xiàn)象減少，造成聲波在巖樣中傳播路徑減少，導(dǎo)致巖樣中波速增大。從圖3（b）中可看出，隨著圍壓增大，砂巖電阻率呈增大的趨勢(shì)，且兩者間具有良好的線性相關(guān)性。這是因?yàn)閲鷫旱淖兓瘜⒁饚r石孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，圍壓增大造成巖石孔隙空間減小，其中部分孔喉和孔隙可能發(fā)生閉合，進(jìn)而相應(yīng)位置的水膜可能產(chǎn)生阻斷現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石內(nèi)部離子通道變少，從而表現(xiàn)為宏觀上的電阻率增高。

（四）? 含水飽和度的影響

含水飽和度對(duì)砂巖縱波速度和電阻率的影響如圖4所示。從圖4（a）中可看出，隨著含水飽和度增加，砂巖巖石縱波速度呈增大的趨勢(shì)，兩者間呈良好的線性相關(guān)性。這是因?yàn)槁暡ㄔ诹黧w介質(zhì)中傳播速度大于氣體介質(zhì)，孔隙中含水飽和度增加，降低了聲波在內(nèi)部傳播的能力損耗，造成巖石聲波速度增大。從圖4（b）中可看出，隨著含水飽和度增加，砂巖巖石電阻率呈降低的趨勢(shì)，兩者間呈較好的指數(shù)關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)巖心內(nèi)部自由水含量增加時(shí)，內(nèi)部離子交換作用更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖樣更容易導(dǎo)電，電阻率相應(yīng)降低，在圖中表現(xiàn)為顯著的頻散現(xiàn)象。含水飽和度進(jìn)一步增大時(shí)，此時(shí)孔隙空間中大部分區(qū)域已充填蒸餾水，外部加壓的水繼而向孔喉、微裂縫、微孔隙或是大孔隙的剩余區(qū)域充填，而這些區(qū)域的離子交換作用對(duì)巖心電阻率有積極作用，并呈現(xiàn)出較明顯的頻散現(xiàn)象。

以上內(nèi)容是學(xué)生基于理論教學(xué)中所掌握的知識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)問(wèn)答所設(shè)計(jì)的巖石電學(xué)和巖石聲學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)方案，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可提高學(xué)生處理數(shù)據(jù)能力，進(jìn)一步加深理解孔隙度、滲透率、圍壓和含水飽和度對(duì)巖石聲波速度和電阻率的影響。除此之外，還可通過(guò)數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步分析不同孔隙度大小，圍壓變化和含水飽和度變化，巖石電阻率和聲波速度的變化幅度，也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)分析，得到四種影響因素對(duì)巖石電阻率和聲波速度的影響程度；也可結(jié)合頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層、天然氣水合物儲(chǔ)層電阻率測(cè)量、聲波速度的測(cè)量設(shè)置為高階實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力，也可通過(guò)不同角度進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，從不同視角分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立自主的思考，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

此外，基于孔隙度和含水飽和度對(duì)巖石電阻率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)據(jù)分析可獲取研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層的巖電參數(shù)（圖5），進(jìn)一步驗(yàn)證了阿爾奇方程。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生進(jìn)一步理解巖電實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以及阿爾奇公式原理，掌握阿爾奇公式中巖電參數(shù)是如何獲取的，這有利于提高巖石電學(xué)的教學(xué)目標(biāo)。

三? 結(jié)束語(yǔ)

巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在勘查專業(yè)本科生的工程能力培養(yǎng)中有著重要作用，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)是巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)巖石物理學(xué)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，采取增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的綜合性和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告模式等措施，將科研意識(shí)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立自主的思考，加深對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而提高勘查專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力。當(dāng)然，隨著新時(shí)代地球物理人才培養(yǎng)要求的提高，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革應(yīng)是不斷探索和實(shí)踐的，需要進(jìn)一步的思考和完善。

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基金項(xiàng)目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目2023年批次立項(xiàng)項(xiàng)目“‘課程思政背景下地礦類高?！稁r石物理學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐”（230726475407287）；四川省2021—2023年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略背景下‘雙創(chuàng)元素深度融入專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革與實(shí)踐”階段成果（JG2021-562）

第一作者簡(jiǎn)介：熊健（1986-），男，漢族，湖北荊州人，博士，副研究員。研究方向?yàn)閹r石物理等方面科研與教學(xué)。