Самарцы сконструировали Monster machine: она исследует землю на глубине 3000 и более метров

В Самарском политехе исследуют недра земли, не выходя из лаборатории. Сотрудники вуза разработали уникальную установку, которая моделирует поведение горных пород на большой глубине, помогает рассчитать риски при бурении скважин и увеличить объем добычи нефти. Как устроено изобретение и почему его прозвали машиной-монстром? Подробности в материале.

Аварий — меньше, нефти — больше

Говорящее название Monster machine новая установка получила не зря. Во-первых, сложная конструкция в ярко-желтом корпусе напоминает о трансформерах и роботах из фантастических фильмов. Во-вторых, в ней заложен по истине «монстрический» потенциал. По оценкам ученых, однажды она может стать ключом к изобретению долота, способного проложить путь к центру земли до 6000 и более метров. А уже сейчас машина способна раз и навсегда изменить принцип изучения месторождений нефти, бурения скважин и добычи «черного золота».

Авторы изобретения — молодые сотрудники опорного вуза, Самарского политеха. Это руководитель проекта, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», кандидат технических наук Алексей Подъячев и старший преподаватель кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» СамГТУ, директор центра 3D-моделирования технических процессов Павел Букин. Изобретатели специализируются на геомеханике и буровом оборудовании.

— Горная порода — земля на глубине 2000–3000 метров — находится под действием трех горных напряжений: максимального по вертикали, среднего и минимального по горизонтали. При бурении скважины в результате выработки напряжения перераспределяются. В результате меняются условия залегания, а это приводит к осыпям и авариям в скважине. Наша машина умеет моделировать такие ситуации в лабораторных условиях. Мы можем убрать или изменить любое из трех напряжений и узнать, как при этом поведет себя горная порода, — рассказали авторы проекта.

Эксперименты, которые позволяет провести с образцами породы новая установка, в дальнейшем помогут давать рекомендации по выбору бурового раствора, траектории и режима бурения скважины, а главное — исключить возможные риски еще на подготовительных этапах.

Еще одна потенциальная область применения установки помимо бурения скважин — разработка местонахождений нефти. По словам ученых, знания о земле, доступные из экспериментов с образцами, позволят изменить проект возведения скважины так, чтобы она давала больше нефти без дополнительных затрат.

— Также Monster machine применима в строительстве. На этой установке можно моделировать фрагменты узлов строящегося объекта, чтобы создать условия, при которых оно может начать рушиться, достаточна ли прочность цемента для конкретной балки и так далее, — отметили сотрудники политеха.

Метод проб и ошибок

Предпосылкой к изобретению стал научный интерес. В 2013 Алексей Подъячев писал диссертацию по разработке математических моделей устойчивости стенок скважины. Ему потребовалось провести эксперимент — изучить механические свойства керна. Так называют образец горной породы. Правда, в Самаре такое исследование заказать было негде.

— Подходящая для этого установка нашлась в Краснодаре. Но изучив принцип ее работы, я задался вопросом: почему исследование проводят именно так? Ведь условия залегания образцов не соответствуют условиям эксперимента. Тогда и родилась идея воссоздать свою установку для изучения керна, в которой можно учесть сразу все необходимые факторы, — вспоминает автор проекта.

За основу будущего аппарата изобретатели взяли установку, разработанную еще в советское время в Москве. Сведения о ней были довольно скромными. Но изучив все доступные данные и фотоснимки, в политехе поняли — за этим подходом будущее. И приступили к разработке собственного проекта.

— Чтобы изучить механические свойства образца и понять, как он может себя повести, нам нужно давить на него с трех сторон. При этом керн будет уменьшаться в объеме. А значит, давящие элементы — прижимные пластины — должны передвигаться так, чтобы с уменьшением объема образца, они продолжали воздействовать на него, а не просто упираться друг в друга. Мы понимали, как это должно работать, но не знали, как реализовать такие прижимные элементы, — делятся разработчики.

В результате начинку машины-монстра проектировали и собирали сами, методом проб и ошибок. А вот оболочку — тот самый желтый корпус с тремя цилиндрами для давления — изготовили под заказ в Санкт-Петербурге.

— Каждый цилиндр может давить до 100 тонн, но для исследований на территории страны нужно 17–25 тонн. Это дает высокую устойчивость: машина стабильна, она не деформируется, мы можем быть уверены в результатах, которые она дает, — рассказали создатели аппарата.

Куда движется Monster machine

Над созданием модели ученые трудятся больше двух лет. Свой отпечаток наложила пандемия, из-за которой работа приостанавливалась на несколько месяцев. Новая задача изобретателей — создать для аппарата собственное программное обеспечение.

— Если сравнить наше изобретение с автомобилем, то сейчас у нас есть кузов, двигатель, колеса и даже почти вся электроника — осталось дело за настройкой, чтобы все элементы заработали так, как нужно. То есть наша машина уже «едет» в ручном управлении, осталось добавить автоматическое, — пояснили разработчики.

Сейчас в планах у изобретателей — усовершенствовать проект: на следующих этапах будут насыщать горную породу жидкостью, добавлять нагрев, чтобы максимально приблизить условия к естественным.

Однако к установке уже проявляют большой интерес. Уже есть отклик от крупнейших нефтедобывающих компаний, познакомиться с машиной-монстром приезжают представители производств из других городов и республик. Для них инженеры Политеха проводят семинары, на которых можно обмениваться опытом и мнениями.

— Мы уверены, что потенциал машины гораздо больше, чем тот, что она может выдавать на данном этапе. Мы видим направление развития и будем его придерживаться. Конечно, это требует колоссальных затрат, чтобы создать максимально точные детали, которые обеспечат точные результаты исследования, — подытожили авторы проекта.