Подземная механика. Изучение глубинных процессов помогает в разработке месторождений.

Современная наука развивается не только в лабораториях, оборудованных мощными установками, но и в рабочих кабинетах, когда единственным инструментом является компьютер. Не исключение и науки о Земле, где результаты полевых изысканий и сложные расчеты играют почти равную роль. Математические модели и вычислительные эксперименты — предмет интеллектуального поиска ведущего научного сотрудника Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН доктора физико-математических наук профессора РАН Юрия СТЕФАНОВА.

— Моя специальность находится на стыке геофизики, геомеханики и вычислительной механики деформируемого твердого тела, — рассказывает ученый. — Речь идет о моделировании процессов, происходящих в геологических средах. Точнее, деформаций и смещений, происходящих как по естественным причинам, так и в результате человеческой деятельности. 

Главная сложность в изу-чении процессов в недрах Земли заключается в том, что ученым практически не доступны прямые измерения. Мы не можем детально, во всех подробностях, рассмотреть среду, не способны измерить ее состояние на больших глубинах и, за редким исключением, не имеем инструментов для экспериментального повторения того, что происходит в природе. 

Исследователи лишь фиксируют проявления глубинных процессов на поверхности и иногда в скважинах, а также пытаются воздействовать на земную поверхность с целью регистрации отклика на сигнал, например, при геофизических исследованиях. Поэтому главная задача в науках о Земле — построение моделей состояния и поведения среды, ее реакций на воздействия. Это позволяет уточнить гипотезы о внутреннем строении недр, протекающих процессах и свойствах среды на разных глубинах.

Еще одну сложность составляет неоднородность геологической среды — это не монолитное твердое тело, а сложнейшие композиции из твердых, хрупких, сыпучих и вязких структур, поры которых часто заполнены жидкостями разной плотности и температуры. Под теми или иными воздействиями они могут очень по-разному видоизменяться — деформироваться, разрушаться, уплотняться и разуплотняться. Эти абстрактные понятия для людей становятся более предметными, когда говоришь о природных процессах, например землетрясениях и цунами, горообразовании, формировании разломов или бурении и разработке полезных ископаемых.

Численное моделирование (или вычислительный эксперимент) — один из важнейших и перспективных методов исследования применительно к самым различным объектам и процессам. Именно этому направлению посвящена работа Юрия Павловича и его коллег. В списке главных персональных результатов ученого присутствуют модели нелинейных эффектов поведения горных пород с учетом изменения свойств и состояния, включая необратимую деформацию и разрушение, разуплотнение и уплотнение. В частности, Юрий Стефанов вместе с коллегами впервые рассчитал формирование и эволюцию деформационных структур различных масштабов и типов: в их числе “цветковые структуры” при сдвиге в фундаменте, а также зоны локализации, определяющие положение очагов землетрясений в Байкальской рифтовой зоне. И это далеко не полный перечень того, где и как применяются модели ученого.

— Современные средства коммуникации дают возможность участия в решении различных задач, в разных проектах, нередко разнесенных по разным городам и странам, — продолжает Ю.Стефанов. — Работаю в новосибирском институте и преподаю в Новосибирском государственном университете, но также активно задействован в исследованиях Института физики прочности и материаловедения СО РАН, который находится в Томске, руковожу подготовкой дипломных и магистерских работ в Томском госуниверситете. 

Общение с молодежью полезно. Студенты-механики учатся применять свои знания в решении задач о процессах деформации в горных породах, в земной коре. Нынешняя молодежь считает совершенно естественным то, что геологические науки — это не только анализ полевого материала, лично собранного на маршрутах, но и математические расчеты, численные эксперименты. 

Схематически применение математических методов можно представить следующим образом. Нужно правильно сформулировать задачу, выделив наиболее важные явления и факторы, описать все параметры создаваемой модели, после чего приступить к решению системы уравнений. В результате мы пытаемся “в цифре” изучить определенные явления, воспроизвести тот или иной процесс, протекающий в природе. 

В случае успеха ученые имеют основания судить о том, какие условия и каким образом влияют на развитие исследуемого процесса, а значит, могут попытаться прогнозировать его развитие и при необходимости найти способ управления им. При постановке задачи и выборе метода необходимо также учитывать наличие и мощность доступных вычислительных средств. Многие задачи современной науки могут решаться лишь на суперкомпьютерах, где вычисления осуществляются параллельно на множестве ядер.

По образованию Юрий Стефанов математик и механик. Студент мехмата ТГУ “отвлекся” на срочную службу после первого курса, а затем восстановился и окончил университет по специальности “Механика”. Его кандидатская диссертация не была напрямую связана с геологией и относилась к вопросам механики деформируемого твердого тела. А докторская, несмотря на ту же специальность, уже была посвящена проблемам механики горных пород и геологических сред.

— Любое деление знаний на те или иные отрасли и разделы весьма условно, — уверен ученый. — Современные науки о Земле в значительной мере связаны с различными разделами механики сплошной среды. Поэтому я не могу и не хочу четко позиционировать себя как геофизик или геомеханик: для меня большой разницы между механикой подземных структур и “механикой вообще” не существует. Нередко человек может ощущать и называть себя математиком и при этом успешно решать задачи геофизики. И наоборот, геофизик способен прорабатывать чисто математические вопросы, здесь не может быть четких границ. Тем более если речь идет именно о механике, объединившей “в одном котле” физику и математику, а главное — определенный подход, взгляд на окружающий мир и протекающие в природе процессы. 

Здесь скорее важно правильно направлять свои силы при выборе задач и методов их решения. Ведь для успеха важен не формальный подход, когда выполняются действия по определенному шаблону, ибо это будет уже не наука, а ремесло. Необходимо “чувствовать” задачу, верно ее формулировать, а затем и интерпретировать результаты. 

По мере конкретизации задачи ученый выделяет ключевые (или управляющие) факторы. На этом этапе начинается цепочка — длинная и зачастую извилистая — от чистой математики к реальному производству. Протекающие на глубинах процессы имеют совершенно разные масштабы во времени и в пространстве — от тектонических сдвигов и дрейфа материков до проходки скважины через те или иные породы. 

Однако в исследовании мы вынуждены в значительной мере опираться на данные о деформировании и свойствах, полученных на образцах пород размером всего несколько сантиметров. Дело в том, что базовые понятия о физике или механике процессов имеют общий характер. В то же время необходимо учитывать определенные особенности в связи с масштабом процессов: с их нарастанием могут меняться определяющие, управляющие факторы, а также возрастает количество элементов структуры, включая неоднородности, трещины и разломы. В свою очередь, определенные нюансы возникают при изучении процессов на мезо- и микромасштабах, что является также одним из перспективных направлений, поскольку связано с построением моделей, учитывающих строение и состав породы.

Принципиальный барьер, отделяющий фундаментальные и прикладные исследования, в науках о Земле и в механике чаще всего не просматривается. Например, некоторые из интересующих меня фундаментальных задач имеют прямые выходы на поиск и разработку полезных ископаемых. Строение отдельных месторождений и их специфика связаны именно с определенным типом деформации земной коры. Еще более прикладной характер носит задача расчета напряженно-деформированного состояния вокруг скважины и оценка ее устойчивости. В определенных условиях вокруг нее могут возникать деформации среды различных типов: они влияют и на проницаемость среды, и на стойкость к разрушению.

Появление нефтегазовой тематики в моей работе в значительной степени связано с четырехлетним периодом тесного сотрудничества с московским исследовательским центром компании “Шлюмберже”. Несмотря на то что это коммерческая компания, задача, которой я занимался, была фундаментальной, хотя и четко нацеленной на содействие практике добычи углеводородного сырья. 

Один из самых “свежих” результатов работы Юрия Стефанова и его коллег — установление влияния трещиноватости среды на излучение акустических волн при росте трещины гидроразрыва. А из неопубликованного — новые закономерности нелинейных особенностей деформирования горных пород, связанные с раскрытием и закрытием в них трещин. Полученные уравнения, подкрепленные сложнейшими расчетами, могут стать важными для практической геофизики, а также для анализа и интерпретации данных в геологии. 

— Один из сегодняшних приоритетов, наряду с тематикой госзаданий институтов, — тесное сотрудничество со Сколковским институтом науки и технологий, партнером которого наш институт является в очень сложном проекте, связанном с разработкой нетрадиционных месторождений углеводородов, — рассказывает Ю.Стефанов. — В нашу коллаборацию со стороны Сколтеха вовлечены известные специалисты, а одна из ключевых функций института, наряду с функцией заказчика, — это связь с крупными корпорациями.

Главная проблема, которую я осознаю в последние годы, — недостаток времени, так как приходится заниматься сразу несколькими направлениями исследований, которые мало связаны между собой. Тем более, вокруг большое количество задач, которыми хотелось бы заняться, а также множество идей, которые хочется реализовать. Иногда сожалею, что в сутках так мало часов.