Научно-образовательный центр «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах»

Для кафедры физики моря и вод суши Научно-образовательные центры, создаваемые в ведущих институтах РАН, не дань моде, а существенная помощь в организации обучения студентов, помощь в организации научной работы, помощь в оплате сотрудников и студентов, работающих в НОЦ.

Еще в 1997 г. в рамках проекта Федеральной целевой программы «Интеграция» физическим факультетом МГУ в Институте проблем механики РАН им. А.Ю. Ишлинского был создан филиал кафедры физики моря и вод суши физического факультета МГУ. В начале 2000-х годов филиал кафедры трансформировался в Научно-образовательный центр «Потоки и структуры в жидкостях (физика геосфер)», а в 2014 г. был создан новый научно-образовательный центр — «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах».

НОЦ «Потоки и структуры в жидкостях (физика геосфер)» оборудован уникальными установками, которые внесены в реестр уникальных экспериментальных установок РАН. Ежегодно РАН выделяются средства для их содержания и средства для поддержки научной работы студентов и аспирантов на этих установках. В части оснащения уникальными отечественными измерительными приборами (оптическими, акустическими, контактными), их комплексности, оснащенности современной вычислительной техникой экспериментальный комплекс не имеет аналогов в мире. Подобные лабораторные установки существуют еще только в двух учебно-исследовательских центрах (Лаборатория динамики жидкостей, Департамент прикладной математики и технической физики Кембриджского университета, Великобритания, и Центр водных исследований Университета Западной Австралии, Перт). НОЦ «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах» создан на базе лаборатории геомеханики, организованной в 1972 г. выдающимся ученым академиком Сергеем Алексеевичем Христиановичем, автором теории гидроразрыва нефтяного пласта. Лаборатория проводит как фундаментальные, так и прикладные исследования. Одно из основных направлений работы — создание научных основ новых технологий добычи углеводородного сырья, как из традиционных, так и из нетрадиционных источников: сланцевых месторождений, баженовских отложений, угольных пластов. Лаборатория располагает уникальной экспериментальной базой. В НОЦ «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах» удалось совместить традиционную тематику кафедры, которая реализовывалась в НОЦ ранее и развитие новой актуальной тематики.

Лабораторные комплексы ИПМ РАН органически дополняют лабораторные установки, существующие на кафедре физики моря и вод суши, значительно расширяя диапазон возможных научных исследований студентов и сотрудников кафедры. В ИПМех РАН организован практикум студентов кафедры, что позволяет организовать широкий спектр лабораторных работ. Причем перечень лабораторных работ, многие из которых являются уникальными, органически следует из круга научных задач, изучаемых на установках. Вот названия некоторых лабораторных работ:

• Изучение механизмов формирования тонкой структуры среды;

• Присоединение внутренние волны;

• Боковая конвекция в среде с фазовыми переходами;

• Экспериментальное исследование вихревого течения в многокомпонентной жидкости;

• Моделирование переноса вещества в вихревых течениях со свободной поверхностью;

• Определение типа и степени анизотропии горных пород путем измерения скоростей распространения в них продольных упругих волн и затухания амплитуды колебаний.

Снс Чаплина Т.О. на представлении докторской диссертации в мемориальном кабинете А.Ю. Ишлинского

Ответственная за проведения лабораторных работ в НОЦ — старший научный сотрудник кафедры Т.О. Чаплина. Под руководством Чаплиной проводятся научные исследования волновых и вихревых движений в многокомпонентных жидкостях, изучение механизмов структурирования в них. С одной стороны, эти исследования связаны с традиционными гидронанамическими направлениями исследований для НОЦ «Потоки и структуры в жидкостях (физика геосфер)». С другой стороны, эти исследования, в которых изучается, в частности, распространение углеводородов в волно-вихревых структурах жидкости, связаны с задачами НОЦ «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах» и имеют экологическую востребованность.

Создание НОЦ «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах» необходимо для расширения научной тематики кафедры физики моря и вод суши, ориентации ее на проблемы, которые отличаются не только научной актуальностью, но и востребованы жизнью. На Международном форуме «Университеты, общество и будущее человечества», состоявшемся в марте 2019 г., ректор МГУ Виктор Антонович Садовничий обеспеченность энергией и углеводородами отнес к одному из глобальных вызовов человечеству.

За последние годы направленность научных исследований, проводимых в нашей стране, все чаще устремляется в сторону исследований углеводородов и решения проблем нефтегазовой отрасли. Это обусловлено большим количеством причин. Самые главные из них — решающее значение нефтегазовой отрасли для экономики нашей родины, а также необходимость разработки и применения новых, экологически безопасных способов добычи и переработки углеводородов. Первая из них перетекает в решение вопросов по увеличению дебитов нефте- и газоносных скважин, изобретение новых, экономичных способов добычи, а также поиск методов для эксплуатации труднодоступных горизонтов нефтегазоносных осадочных бассейнов (глубиной более 5.5 километров). Вторая же причина продиктована во многом первой: активная добыча нефти существенно влияет на экологическую обстановку в стране. Таким образом, исследования в области геофизики, геологии и нефтяной отрасли в целом становятся ключевыми для науки в Российской Федерации.

Многие считают, что нефтегазовая отрасль ограничивается в основном инженерными изысканиями. Однако нужно помнить, что за всяким инженерным достижением стоят многочисленные и упорные научные исследования. Появление новых способов добычи нефти и развитие уже существующих способов было бы невозможно без предварительных теоретических и экспериментальных открытий в области наук о Земле и петрофизики. Изучение физических свойств горных пород, исследования фракций нефти, расчеты устойчивости нефте- и газоносных скважин — это лишь малая часть проблем, которые решают такие высокие и сложные науки, как геомеханика, гидро- и газодинамика, геоэкология, геофизика в целом и т.д. К сожалению, в нашей стране существует острая нехватка специалистов в столь узких и сложных областях. Это связано как со стремительными темпами роста отрасли и усложнением возникающих задач, так и с отсутствием актуальных программ подготовки специалистов в данных областях, которые зачастую находятся на стыке нескольких разделов науки.

Стоит отдельно подчеркнуть несколько очевидных фактов для раскрытия актуальности и востребованности одной из областей наук о Земле, в частности, геомеханики. В число прикладных исследований данного направления входят изучение прочностных свойств горных пород, решение проблем поддержания устойчивости нефтяных и газовых скважин, повышение дебитов скважин, решение экологических вопросов. Стоимость бурения лишь одной скважины измеряется миллионами долларов, ремонт скважины после частичного обрушения имеет аналогичный порядок цен. Чтобы не допустить ошибок при выборе места, способа бурения, условий эксплуатации скважины, недопущения ее разрушения в процессе работы, все нефтегазовые компании предварительно проводят либо заказывают подобные исследования у специалистов-геомехаников. Также изыскания такого рода проводят перед процедурой гидроразрыва пласта, направленной на создание и поддержание системы трещин в нефте- или газоносном пласте, для доступа к связанным углеводородам. Цена гидроразрыва имеет порядок миллиардов рублей, а предварительные исследования скважин оцениваются в сотни миллионов рублей. При этом в течение нескольких десятков лет в нашей стране непрерывно финансируются исследования новых, экологически чистых способов повышения продуктивности скважин.

Острая необходимость исследований в данной области диктует и высокий кадровый спрос. С каждым годом государственное финансирование наук о Земле увеличивается, крупные нефтегазовые компании начинают инвестировать все большие средства в разработку более эффективных методов разработки месторождений полезных ископаемых. На базе передовых компаний отрасли возникают новые исследовательские центры по изучению горных пород, углеводородов, альтернативных способов их добычи и т.д. Особая ценность специалистов в области геомеханики связана также с высокой сложностью проводимых исследований, невозможностью полноценного обучения кадров непосредственно на месте работы. Потребность в высококвалифицированных специалистах в области нефтегазовых наук выливается во внушительные размеры оплаты такой сложной и узкопрофильной работы. Нефтегазовые компании делают очень выгодные предложения даже выпускникам без опыта работы. Многие компании ради привлечения молодых специалистов предлагают бесплатное жилье и многие другие льготы, существенно выделяющие начинающих исследователей среди общей массы выпускников.

Не хуже для выпускников обстоят дела и в чисто научной сфере деятельности. Ввиду повышенного спроса на исследования со стороны нефтегазовых компаний, заключаются все новые и новые договоры между государственными исследовательскими институтами и коммерческими организациями. Это приводит к усиленному финансированию любых областей, связанных с нефтяной отраслью. Таким образом, аспиранты и студенты, занимающиеся науками о Земле, в материальном плане уже могут меряться и с опытными инженерами, много лет работающими по специальности. Помимо финансового роста, молодые ученые получают огромное количество материалов для исследований, что позволяет добиваться высокого качества результатов и, как итог, публиковаться в высокорейтинговых журналах.

Одним из популярных мест, где выпускники находят себя, является научный центр в Сколково, а также исследовательские центры на базе компаний Шлюмберже и Газпром. НОЦ «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах» активно ведет с ними совместные работы. Эти компании предлагают выпускникам интересную и разнообразную работу с очень высокой оплатой труда и широким выбором области деятельности.

На физическом факультете МГУ специалистов в области геофизики месторождений углеводородов подготавливают на кафедре физики моря и вод суши в рамках научно-образовательного центра «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах». На базе данного центра уже за 5 лет было выпущено большое количество геофизиков, начавших свою карьеру в нефтегазовой сфере.

Лаборатория геомеханики ИПМех РАН уже давно занимает лидирующую позицию в области исследований горных пород и обеспечивает возможность студентам физического факультета получить качественное образование в области механики месторождений углеводородов. Студенты кафедры имеют возможность выбрать ИПМех РАН как базу для обучения. Здесь им читают спецкурсы, необходимые для того, чтобы стать высококвалифицированными специалистами–геомеханиками в нефтегазовом секторе. С ними проводят лабораторные практические занятия на экспериментальной базе лаборатории геомеханики ИПМех РАН.

Многие из выпускников НОЦ продолжили свое обучение в аспирантуре ИПМех РАН и других институтах РАН. Здесь они продолжают проведение своих научных исследований, получая при этом высококачественное образование и очень достойную оплату труда. Только за последние два года 5 из 11 выпускников кафедры продолжили свою научную карьеру в аспирантуре в РАН в этой области. Некоторые из них при этом стали также сотрудниками нефтегазовых компаний, получая возможность применять получаемые навыки на практике.

В лаборатории функционирует уникальная установка для исследования горных пород — Испытательная система трехосного независимого нагружения (ИСТНН). Аналогичных ей стендов во всем мире насчитывают не более полутора десятков, в России же аналогов и вовсе нет. ИСТНН представляет собой исследовательский комплекс, позволяющий изучать деформационные, прочностные и фильтрационные свойства горных пород с использованием кубических образцов, которые изготавливаются из кернового материала. Установка дает возможность моделировать реальные геомеханические процессы, происходящие в продуктивном пласте при проведении различных технологических операций, в лабораторных условиях. На испытательном стенде проводились и проводятся исследования пород из огромного числа как российских, так и зарубежных месторождений, в том числе Штокмановского месторождения, месторождения им. В. Филановского, Баженовских отложений, Приразломного и Киринского месторождений. Экспериментальные результаты, полученные на ИСТНН, апробированы на множестве международных конференций. На основе экспериментальных исследований в лаборатории геомеханики был запатентован метод георыхления — экологически чистая альтернатива прочим способам повышения продуктивности скважин. Георыхление успешно применяется на нескольких нефтяных месторождениях и дает прирост дебита в несколько раз.

Студенты физического факультета принимают непосредственное участие в исследованиях, накапливают опыт экспериментальной работы и получают свои первые научные результаты. Студенты участвуют в работах по научным грантам и договорам с такими компаниями, как Газпром, Лукойл, Роснефть. Причем в зависимости от своих интересов студенты могут специализироваться на экспериментальных, численных, либо на аналитических методах исследования.

У выпускников НОЦ открывается широкий выбор будущей деятельности: они могут продолжать заниматься научными исследованиями, находясь на передовом рубеже науки, либо пойти работать в крупные нефтегазовые компании. В институте проблем механики действует аспирантура, в том числе по профильной для будущих геомехаников специальности «механика деформируемого твердого тела» (01.02.04). На базе НОЦ организован выпуск журнала «Процессы в геосредах» (включен в список ВАК, переиздается за рубежом), ежегодно проводится международная научная конференция-школа молодых ученых «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах». Сборники трудов конференции индексируются в РИНЦ, а избранные доклады издаются в серии «The Springer Proceedings in Earthand Environmental Sciences book series» и индексируются в SCOPUS. Выпускники НОЦ, поступившие в аспирантуру Института проблем механики РАН, продолжают свое обучение и гораздо глубже вникают в области деятельности, соответствующие их интересам. ИПМех РАН дает возможность каждому аспиранту выбрать интересующее его поле деятельности и предлагает при этом достойную оплату, что связано с большим количеством коммерческих исследований на базе института.

Острейшая необходимость дальнейшего развития нефтегазовой отрасли России очевидна сегодня для большинства граждан РФ. Развитие отрасли требует большего числа высококвалифицированных научных исследователей, которых может, среди немногих других вузов РФ, подготовить Научный образовательный центр физического факультета МГУ и ИПМех РАН «Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах».

Более подробную информацию можно

получить на сайтах:

http://www.ipmnet.ru/labs/geo/

http://geomediacenter.ru/

Аспиранты ИПМех РАН, выпускники физического факультета МГУ

Химуля В.В., Шевцов Н.И.