基于典型案例的测井仪器课程教学改革探析

卢俊强,门百永,柯式镇,王 兵,谢然红

［中国石油大学(北京)地球物理学院,北京,102249]

一、引言

测井被誉为“地质家的眼睛”,是一种现代地下勘探与资源开发的重要地球物理技术。在石油探测领域,地球物理测井又被称为“油矿地球物理”或者“矿场地球物理”,简称“测井”。［1］在石油天然气勘探开发的油气井未下套管之前、油气井下完套管进行固井之后以及油气井开发的整个周期,都要开展不同目的的测井作业。在此过程中,测井仪器是重要的作业工具,在一定程度上决定了测井作业的质量和测井资料的计算解释结果。

测井技术的发展经过了模拟测井、数字化测井、数控测井、成像测井等多个阶段。分析各个阶段的技术特征可以看出,测井仪器的技术发展特征很大程度上代表了测井技术的发展水平。近十年来,随着国家地球深部探测计划的落实和逐步推进［2-3］,对井下探测仪器提出了更高要求。特别是我国首口万米深井深地塔科1井正式开钻,这对地球深部井下探测仪器追求突破和发展提出了急迫需求。［4］钻探能力开启“万米时代”,高校人才培养要为我国面向深层探测的科学研究和油气资源开发提供重要支持。测井仪器课程肩负着推进目标实现的重大使命,课程教学改革顺势而为。

勘查技术与工程专业是中国石油大学(北京)(以下简称我校)在2019年入选的首批国家级一流本科专业建设点之一。测井仪器是为勘查技术与工程专业(测井方向)本科生开设的一门专业必修课,同时,该课程也是测控技术与仪器、电子工程等专业本科生的选修课。测井仪器课程的主要内容包括电测井仪器、声波测井仪器和核测井仪器的使用,通过课程学习使学生掌握测井仪器的基本原理、电路组成框图和典型单元电路,培养学生对基本电路图的阅读、分析和初步设计能力,使其能够适应现场测井仪器使用、维护和开发的需要。这些内容是从事油气勘探和开发工作必不可少的专业技能。勘查技术与工程专业是我校最早开设的石油主干专业之一。测井仪器课程随着我校勘查技术与工程专业的建设得到了长足发展,目前是我校的本科生院级品牌课程。但课程建设也面临新挑战,即课程如何适应新时代人才培养的需求。以往的课程建设经验表明,深入分析教学案例是提高测井仪器课程教学效果的重要措施之一。本研究精选课程教学中的一个教学案例作为研究资料,分析课程教学的改革措施及初步取得的成效。

二、课程教学存在的问题

(一)知识难度较大影响学生学习动力

测井仪器的研发水平与测井方法原理、微电子技术、数字系统设计技术、计算机接口、计算机软件等基础理论和现代IT技术的进步有极大的关联,这就要求学生了解或者掌握测井方法原理、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理(计算机接口)、单片机原理、程序设计(C、C++等)、复杂数字系统开发、嵌入式系统(硬件、嵌入式操作系统)、数字信息传输、传感器原理及应用、信号检测技术以及机械结构设计等多方面知识。授课教师于2021年秋季学期面向勘查技术与工程专业(测井)的36名学生开展了问卷调查。结果显示,80%以上的学生认为测井仪器课程难度大,不容易学好。学生抱着难以学好的心理预期,可能产生“反正学不好,差不多就行”的心理暗示。学生的学习动力不足,对课程教学的有效开展造成了无形障碍。

(二)知识内容较多要求学生付出更多时间

测井仪器课程涉及了测井学科中多种方法,对应了多类型仪器,主要包括电流聚焦测井仪器、普通感应测井仪器、阵列感应测井仪器、井壁电成像测井仪器等电测井仪器(14学时),常规声波测井仪、多极子阵列声波测井仪、超声波扫描成像测井仪等声波测井仪器(12学时),自然伽马能谱测井仪器、补偿中子测井仪器、岩性密度测井仪器等核测井仪器(12学时),还包括测井地面系统以及测井数据传输(8学时)等内容。较多的学习内容要求学生在学习中付出更多的时间和精力,否则无法跟上教学进度或及时消化教学内容。这在一定程度上影响了课程教学的效果。

(三)理论联系实际较少导致学习存在盲目性

受限于教学时长以及实践条件等,测井仪器课程的教学以讲授理论知识为主,理论与实践之间的联系不够紧密。但该课程又是一门对实践性有一定要求的课程。经常会有学生与任课教师讨论“测井仪器地面系统与井下仪器如何连接”“电测井仪器的电极是什么样的”“多极子阵列声波测井仪器单极子换能器、偶极子换能器有什么区别”等问题。在课程教学中,学生在识记或理解部分理论知识时,因缺乏实践支撑或实践探索,难以理解理论知识的应用场景。

(四)开设节点特殊易受其他因素干扰

如前所述,测井仪器课程的前导课程较多。在正式开展课程学习前,学生需要掌握较多的基础知识,故将该课程安排在学生本科学习阶段的后期。该课程作为我校勘查技术与工程专业(测井方向)的主修课程,修读时间是大四第一学期(秋季学期)。但大四学生作为应届毕业生,处于从校园走向社会或继续追求学习深造的转折时期,多忙于毕业论文,并根据个人不同的毕业去向规划投身于考研学习或找工作。在多重压力下,部分学生难以全身心投入课程学习。

面对以上问题,常规的教学方法较难取得好的教学效果。因此,课程教学改革需要秉持问题导向原则,设立以下改革行动目标。一是调动学生学习的积极性,帮助学生缓解难学的心理压力。二是梳理测井仪器基本构成原理的共同点,帮助学生归纳总结,以点带面学习知识。三是打造有针对性的学习内容,追求理论联系实际。四是合理安排教与学的方式,以提高学生的学习效率。而课程改革的具体实施有赖于教师的一线教学,这对教师实施教学提出了更高要求。且测井仪器课程为48学时,考虑到教学内容的丰富性,课程总学时较不充裕。授课教师如何合理安排教学,高效利用学时,也是开展课程教学改革的问题之一。

本研究在测井仪器课程教学中引入典型案例,以案例推动教学改革。基于案例的教学可行性已在其他专业课程教学中取得较好论证。［5］该方法既可以激发学生学习的激情,调动学生学习的积极性,又可以使学生在掌握某个案例的同时领悟测井仪器原理的共同点,实现融会贯通的效果,提高学习效率。

三、教学案例设计

(一)分析测井仪器系统基本结构

现代测井仪器的实质是搭建起地球物理场(模拟环境)与应用终端(数字环境)之间的桥梁。图1为测井仪器系统的基本组成结构示意图。通过控制人工源产生源信号,源信号作用于地层产生地球物理场,由测井探头(由传感器组成的探测器)接收经过地层传播的地球物理信息,测井探测器一般输出模拟形式的电信号。探测器输出的模拟信号经过数据采集转换为数字信号,经过处理后通过电缆传输到地面系统,由地面系统对电缆传输信号进行处理并通过数据采集得到数字化的测井数据。地面同时要对深度、电缆张力等信息进行数据采集并转换为数字信号,由车载计算机进行数字处理并实现作业控制、显示、绘图、数据文件记录等工作。分析测井系统的组成结构及工作过程是测井仪器系统的核心功能之一,也是系统中多个环节的必要构成环节。理解了数据采集系统的构成及工作原理,就对测井仪器的工作原理有了最基本的掌握,并且可以应用到大多数类型的测井仪器上。

图1 测井仪器系统基本组成结构示意图

在掌握数据采集原理的基础上,学生需要将原理应用于不同类型的仪器,据此分析仪器的整体工作原理和功能,并进一步分析数据采集系统在该类仪器中的作用及其特殊点,以此做到触类旁通。

(二)设计测井仪器数据采集系统典型模型

根据数据采集系统在测井仪器中的应用要求和特点,课程设计了一种能够应用于大多数测井仪器的数据采集系统模型,图2为原理示意图。模型设计的原则如下。一是通俗易懂。学生能够较好理解和掌握模型,模型能够充分调动学生学习兴趣。二是构成典型。模型能够应用于大多数仪器的数据采集模型。三是深入浅出。学生通过模型既能够体会到仪器科学的深度,又能通过示意图简要分析工作原理。四是理论联系实际。模型内容既能涉及模拟电子技术、数字电子技术、微处理器接口以及程序设计等理论基础知识,又能将这些知识有机集合形成一套比较完整的应用系统。五是专业性强。模型既能体现测井仪器中多种基础知识之间的衔接,又能解决测井专业的基础测量问题。

图2 测井仪器数据采集系统的典型模型

(三)基于典型模型规划教学方案

表1为案例各部分教学内容对应的基础知识、课程目标、目标达成指标点、解决的问题以及教学方式等。教学内容涵盖测井仪器课程的所有知识点。课程目标可分为认知、理解、应用三个层面,具体的课程目标如下。

表1 案例设计与教学的对应关系

课程目标1:掌握测井仪器原理。培养学生根据已学知识掌握常用测井仪器的基本工作原理,提高结合测井方法原理对测井仪器原理的综合分析能力。

课程目标2:掌握电、声、核井下仪器电路框图和基本单元电路。培养学生对基本单元电路的分析能力,以及从整体分析仪器电路构成的能力。

课程目标3:学会测井仪器基本电路图的阅读分析和初步设计。在分析常用测井仪器电路基本构成原理的基础上能够开展电路的初步设计,为综合设计测井仪器电路图打下基础。

四、教学案例应用

教学案例的应用主要分为以下几个步骤。

第一步,教师分析测井仪器的基本功能,说明测井仪器系统在测井学科中发挥的作用,以及测井仪器与测井方法和测井解释之间的联系和区别,让学生明确测井仪器是测井方法和测井解释的桥梁。

第二步,教师分析测井仪器系统的基本组成结构,从井下地球物理场的建立、传感器的作用、传感器信号的基本处理方法和流程、模拟信号与数字信号之间的转换方法、数字接口原理、数字信号的传输、程序设计和微机接口等方面展开分析,并联系学生已有的基础知识,如测井方法、模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理、C语言程序设计以及微机原理等,帮助学生从宏观层面建立起测井仪器系统与多种已学基础知识之间的关系,但暂不涉及具体理论、电路设计、程序设计等内容,减轻学生学习负担。学生在此过程中可习得测井仪器系统的基本概念,习得基础理论知识在测井仪器系统中的应用方法,同时有助于减轻学习压力带来的心理负担。

第三步,教师引导学生分析测井仪器系统中传感器模拟信号与数字化信号、井下信息与地面接口系统、地面接口系统和地面辅助信号(深度、张力等)处理系统与车载计算机之间的关系,了解数据采集系统在测井仪器系统中的作用。

第四步,教师根据数据采集系统的作用引出数据采集系统的基本构成原理,并引导学生运用模拟电子技术和数字电子技术的基础知识解决具体的问题。

第五步,教师带领学生分析数据采集系统的各部分功能,并分别利用已学知识设计各个构成部件,在此过程中积极引导学生运用模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理、C语言程序设计、微机原理等基础知识。

第六步,教师指导学生将设计的数据采集系统应用于实际的测井仪器,解决实际的设计问题。以数据采集系统在多极子阵列声波测井仪器中的应用为例,图3是应用示意图。可以看到,该仪器主要包括换能器激励系统、数据采集系统和仪器接口总线。换能器激励系统是声波测井仪器的共有部分,可以作为声波测井仪器的通用教学案例。仪器接口总线是所有测井仪器的必需部件,可以作为测井仪器系统中的通用教学案例。

图3 数据采集系统应用示意图

可见,学生掌握数据采集系统的原理再去学习其他教学案例,可以较好地掌握多极子阵列声波测井仪器的工作原理。这种精心设计并合理运用的教学案例既有利于学生理解和掌握仪器的工作原理和设计方法,又可锻炼其扩展思维。学生在较好地掌握各种仪器原理的同时,又能做到以点带面、融会贯通,进一步提高学习的积极性,锻炼综合分析的能力。

五、结语

测井仪器课程是勘查技术与工程专业(测井方向)本科生的核心专业必修课,课程教学质量与专业人才的培养质量高度关联。测井仪器课程适应新形势下国家对专业人才培养的指导和行业对专业人才的需求。对其积极开展教学改革,提升教学质量,能够更好地服务于国家级一流本科专业建设。基于典型案例开展的测井仪器课程教学改革,克服了课程教学中存在的部分问题,能够有效激发学生学习的内生动力,提高学生学习效率,锻炼学生对所学知识的综合分析和综合应用能力。