За годы исследований военные инженеры придумали массу странных, вычурных и просто безумных конструкций. Проследим за их работой с 17 века и до наших дней.

Вы узнаете, что общего у римской свечи и самого скорострельного пулемета, как идеи Архимеда помогли спецназу, и почему некоторые магазины надо заводить, как часы.

Ленточная подача патронов на примере старого американского пулемета Browning 1917. Анимация целиком

Для начала, несколько слов о распространенных конструкциях. Пистолет Walther Model 4, популярный во время Первой мировой войны. Анимация целиком

Наверняка, первое, о чем вы подумали обычный магазин прямоугольный короб с пружиной, куда заталкиваются патроны. Сперва магазины прятали глубоко в корпус оружия, затем стали делать съемными.

В помповых ружьях прижились трубчатые магазины, где патроны уложены друг за другом вдоль ствола.

Классический американский дробовик Remington Model 10. Анимация целиком

По фильмам о Второй мировой вам наверняка знакомы обоймы (stripper clip) и пачки (en-bloc clip) гнутые металлические направляющие, которые удерживают патроны. Они выглядят похоже, но отличаются по назначению.
Немецкий Mauser C96. Анимация целиком

Обоймы нужны, чтобы быстро загрузить патроны в магазин, а вот пачки вставляются внутрь оружия и служат направляющей для подачи патронов во время стрельбы.

Итальянская Винтовка Carcano образца 1891 года. Анимация целиком

В середине 20 века скорострельное оружие использовало барабаны (такие есть у ППШ и пистолета-пулемета Томпсона) и диски (как у пулеметов Дегтярева и Льюиса).

Пулемет Льюиса с дисковым магазином. Анимация целиком

К 21 веку их практически вытеснили гибкие патронные ленты, которые распадаются на отдельные звенья и весело разлетаются во время стрельбы. Но это лишь верхушка айсберга.

Огнестрельная римская свеча

Хочется выстрелить из одной гром-палки два раза подряд добавь еще стволов. Классический пример такого подхода ружье двустволка, но история знает и короткоствольные пистолеты-перечницы и утиные лапы с веером стволов. Примитивно, но действенно.

Кстати, такие звездообразные прямые нарезы не влияют на точность и дальность стрельбы. Их делали, чтобы внутри собиралась пороховая гарь, и оружие можно было реже чистить

Одна проблема, многоствольное оружие получается громоздким и тяжелым. Поэтому в 17 начале 18 века нашлись оружейники, которые рискнули затолкать несколько зарядов в один ствол.

Об унитарных патронах еще никто и не мечтал. Ружья заряжались с дула: в ствол проталкивался пыж, например, из промасленной бумаги, насыпался порох, затем помещалась пуля. На этом стоило бы остановиться, но ведь можно добавить еще один пыж, заряд и пулю и еще Нужно только научиться воспламенять заряды один за другим.

Для этого на ружьях и пистолетах стали устанавливать дополнительные курки. Первое время без защиты от дурака. Владелец такого ружья мог лишиться пальцев, ошибившись с порядком выстрелов.



Чуть позже появились конструкции, которые сами по очереди спускают курки, например, при помощи распределительного вала с храповым механизмом. Этот вариант надежнее, но по-прежнему есть немалый шанс, что пороховые газы прорвутся сквозь пыж, сработает второй заряд, и ствол разорвется от нагрузки.



Такое опасное для стрелка оружие не могло обрести популярность, но, как ни странно, у него оставались поклонники. Его совершенствовали.


Уже в 1820-х неизвестный мастер придумал, как обойтись одним ударно-спусковым механизмом. Он поместил замок на подвижную каретку, которая сдвигается назад после каждого выстрела. Получилась римская свеча аж 12 зарядов.

Следующим был американец Джон Уолч (John Walch), который в 1860-х затолкал по паре зарядов в каждую камору своего капсюльного револьвера. К каждому из них был подведен отдельный канал для передачи искры от отдельного капсюля.


Так Уолч увеличил боезапас до 10 выстрелов, но в барабане не хватало места для двух полноценных пороховых зарядов. Револьвер получился слабее аналогов.

И все же, это изобретение попало на вооружение одной из рот союзников во время американской гражданской войны, и только потом было благополучно забыто. А вот идея римской свечи нет.

В конце 20 века к ней вернулся австралийский менеджер Джеймс ОДуаер (James Michael O'Dwyer). Он придумал решение проблемы одновременного срабатывания нескольких зарядов. Им стали пули с юбкой-уплотнителем из армированного нейлона.


После первого выстрела, уплотнитель вокруг оставшихся пуль слегка расширялся под давлением и не давал горячим газам прорваться к следующему пороховому заряду. Другими особенностями конструкции стали: воспламенение пороха при помощи электрической дуги и микроконтроллер для управления стрельбой.

ОДуаер в своей мастерской

В 1983 году ОДуаер забросил торговлю и вложил все деньги в разработку оружия под брендом Metal Storm. Сперва он экспериментировал с пятизарядным пистолетом, который распознавал владельца по кольцу.

К сожалению, в открытом доступе этот кадр есть только в таком виде

Однако, настоящую славу ОДуаеру принес проект залпового пулемета. Он даже попал в книгу рекордов Гиннеса и в одну из игр серии Battlefield.

Конструктор собрал прямоугольный блок из 36 стволов по 5 пуль в каждом и снабдил их системой электровоспламенения. Получилось оружие вообще без подвижных элементов, разве что кроме пуль, и с чудовищной скорострельностью 180 выстрелов за 0,01 секунды.

Такое облако свинца могло бы пригодиться для борьбы с воздушными целями, но пулемет был, по сути, одноразовым. Для перезарядки его надо было отправлять обратно производителю.

Похожий недостаток был и у другой разработки ОДуаера дробовика MAUL, который позиционировался как вспомогательное оружие для полиции. После пяти выстрелов он требовал замены всего ствола.


В августе 2010 года Metal Storm получила контракт на поставку 500 дробовиков и 10 тыс. стволов к ним в тюрьмы Папуа Новой Гвинеи, но на этом успехи компании закончились. Через два года она обанкротилась.

Патенты достались другой австралийской фирме DefendTex. По данным на 2018 год, она использует технологии Metal Storm для разработки вооружения боевых беспилотников. Так что, возможно, мы еще услышим об этой технологии.

Система Лоренцони

Вернемся в конец 17 века, ко двору великого герцога Тосканы Козимо III Медичи. Флорентийские владыки не жалели денег на меценатство и спонсировали не только художников и скульпторов, но и оружейников.


Один из них, Микеле Лоренцони, умудрился изготовить многозарядное магазинное ружье без унитарного патрона.


В его конструкции круглые пули и порох хранились раздельно в паре длинных трубок (одна в прикладе, другая вдоль ствола) и подавались в ствол при помощи диска с полостями. Его вращает стрелок, держась за специальную рукоятку. Она же взводит курок.

Одна беда, у Лоренцони не было современных пружин. Чтобы порох и пуля попали в отведенные им места, ружье приходилось поднимать вертикально перед каждым выстрелом, а затем направлять стволом в землю.


О жизни Лоренцони ничего не известно, но его конструкцию помнили и повторяли, чуть упростив, аж до конца 18 века. Так, Харви Мортимер (Harvey Walklate Mortimer), оружейник Георга III изготовил для для Горацио Нельсона пистолет с магазинами в рукояти. Перезаряжать его было заметно проще, чем оригинальные итальянские ружья. Впрочем, стоил он также чудовищно дорого.


С изобретением современного патрона система Лоренцони попала в разряд музейных редкостей, но один наш современник вдохновился и переизобрел ее на современной технической базе.

В этом самодельном пистолете за загрузку пороха и пуль отвечает небольшая скользящая планка. Порох поджигает искра от батареи, встроенной в рукоять, которая напечатана на 3D-принтере. Хай-тек, пускай и родом из 17 века.

Магазин с переподвыподвертом

В 1948 году инженер-нефтяник без формального образования, Джон Хилл (John L. Hill) показал военным пистолет-пулемет с плоским прямоугольным магазином, который крепился поверх ствольной коробки. Это решение позволило заметно увеличить боезапас. Вот только патроны в магазине лежали перпендикулярно стволу оружия.


В корпусе пистолета-пулемета был механизм, похожий на миниатюрную танковую башню, который разворачивал каждый патрон в правильное положение перед выстрелом.

Патент дает хорошее представление об этой конструкции

Прототипы попали к военным и даже в ФБР, но те не заинтересовались. Тогда Хилл продал права на производство компании H&B Enterprises. Она выпустила небольшую партию ПП (от силы 100 штук), и даже отправила один на испытания в Бельгию. Тоже без особых результатов.

На youtube есть подробный видеообзор этого оружия

В послевоенное время пистолет-пулемет Хилла оказался никому не нужен, но он просто появился в неудачное время. К 80-м теоретики НАТО задумались о том, чтобы получше вооружить бойцов второй линии: артиллеристов, связистов, водителей грузовиков. Так появилась идея PDW (Personal defense weapon) компактного мелкокалиберного скорострельного оружия.

Прототипы FN Herstal

Бельгийская компания FN Herstal взялась разработать нечто подобное. Тут-то и вспомнили про Джона Хилла. Идею решили докрутить, изготовили несколько странных с виду прототипов, и в 1989 году запатентовали новый, намного более простой способ подачи патронов.


Рене Предазер (Rene Predazzer), автор этой конструкции, не стал заморачиваться с поворотным элементом. Вместо этого он сделал на выходе из магазина спиральный канал. Пружина проталкивала туда патроны, и они постепенно разворачивались в нужное положение. Как это работает, хорошо показано на видео:

В результате появился FN P90. Иронично, но как PDW его используют только в Бельгии. НАТО не приняло этот пистолет-пулемет на вооружение из-за нестандартного калибра. Зато, за компактность и магазин на 50 выстрелов P90 полюбился спецназу. Сейчас его закупают в десятках стран мира


До недавнего времени FN P90 был единственным серийным оружием, в котором используется эта поворотная схема подачи патронов, но в прошлом году ее приспособили к еще одному пистолету-пулемету.


Kel-Tec P50 примечателен еще более необычной, бутербродной схемой крепления магазина. Он зажимается между цевьем и стволом и подает патроны вверх. Для перезарядки оружие буквально разламывают на две части. Механизм со свободным затвором и двойной возвратной пружиной остается в верхней половине, а в нижней оказываются рукоять со спусковым крючком.

Скованные одной цепью

Вновь вернемся в прошлое, на этот раз в 1838 год, в США. Там Эпентус Беннет (Epenetus Bennett) и Фредерик Хэвиленд (Frederick Haviland) придумали Many Chambered Gun.


Внутри ствольной коробки их ружья находилась пара зубчатых роликов, на которые натянута цепь из 12 прямоугольных блоков, соединенных шарнирами. В блоках проделаны отверстия для пороха и пуль, снизу прикреплены трубки для капсюлей. Цепь вращалась вручную при помощи диска с четырьмя рукоятками.


Конструкторы сделали не больше десяти таких ружей, но продали их с большим трудом. Да, с созданием многозарядного оружия они справились, но блоки в цепи ничем не закрывались. Старательно заряженные пули можно было растерять, просто неудачно наклонив ружье. К тому же, в зазор между блоком и стволом прорывались пороховые газы, и это заметно снижало силу выстрела.



Через 16 лет в Британии разработали чуть более практичный вариант цепного заряжания. У Treeby Chain Gun появился ствол с резьбовым креплением.

Перед выстрелом его слегка отвинчивали и взводили курок, механизм помещал новое звено в боевое положение, ствол завинчивали, и он герметизировал камору с пороховым зарядом. И так после каждого выстрела.


Серийно Treeby Chain Gun не производилось.

Другое дело, цепное оружие Полена Гэя (Paulin Gay) Анри Гено (Henri Guenot), запатентованное 17 января 1879 года. Сейчас оно известно, как Guycot Chain Pistol.


Здесь цепь расположена внутри корпуса. Она изгибается и уходит в рукоять. Каждое звено в ней миниатюрный патронник, спроектированный под специальные полые пули с пороховым зарядом внутри.



Механика Guycot Pistol работала за счет силы стрелка. При первом нажатии на спусковой крючок цепь проворачивается на одно звено. Второе нажатие заставляет ствол откатиться назад и закрыть зазор, в который могут прорваться пороховые газы, и одновременно спускает курок.


Пистолеты Guycot были рассчитаны на 40 выстрелов без перезарядки, винтовки аж на 80. Они использовались для развлекательной стрельбы, но в остальном были бесполезны из-за малого калибра и скромной навески пороха.


Последние попытки применить цепь для питания оружия пришлись на первую половину 20 века. Сперва, в 1936 году, Левис Номар (Lewis Nolan Nomar) сконструировал чудовищно сложный магазин для пистолета Colt 1911. Просто взгляните на патент.

На эту штуку тоже есть видеообзор

Чуть позже, в 1934 году сотрудник итальянской оружейной фирмы FNA Brescia Джулио Соссо (Giulio Sosso) собрал с виду вполне обыкновенный пистолет. Разве что рукоять была толще обычного.


Конструктор спрятал внутри цепочку из 21 сегмента с U-образными зажимами, куда вставлялись патроны. Пружин в конструкции магазина не было, вращение цепи обеспечивала система из Г-образного рычага и тяги с крючком. После выстрела затвор пистолета окатывался назад, протаскивал тягу и передавал часть энергии рычагу. Тот, в свою очередь, проворачивал цепь.

Таким образом Джулио Соссо избавился от проблем с усталостью пружины и приобрел целый букет новых. Главной из них было множество мелких, сложных в изготовлении деталей с малыми допусками. Даже фирма, в которой он работал, не бралась наладить серийное производство. Было изготовлено от силы 5 таких пистолетов, и все они были раздарены высокопоставленным итальянским политикам и военным.

На этом история цепных магазинов закончилась. Изобретение Соссо не имеет прямого отношения к современным пулеметным лентам.



Они развивались параллельно и произошли от жестких металлических направляющих типа пачек. Сперва их вытеснили холщовые ленты с кармашками для патронов (типа той, что вы видели на гифке в начале статьи), а затем металлические клипсы, скрепляющие патроны между собой.

Смертельная спираль

История, пожалуй, самого успешного альтернативного магазина началась на диком западе, с разработки стоматолога по имени Уоренн Эванс (Warrin Evans). Он на пару со своим братом-инженером Джорджем увлекся оружейным делом и в 1873 году основал Evans Repeating Rifle Company.



Все ради производства собственной рычажной винтовки. Она напоминала классические винчестеры из вестернов, если бы не одно но, цилиндрический магазин-приклад, в который помещалось 38 патронов.


Эванс догадался использовать в конструкции магазина принцип архимедова винта. Патроны скользили между спиральными направляющими под действием вращающегося толкателя с четырьмя лопастями.

Стрелок дергал за рычаг, а механизм отпирал затвор, выбрасывал гильзу и поворачивал толкатель, который подавал новый патрон. Тренированный ковбой мог расстрелять весь магазин за 19 секунд. А скорострельность тогда ценилась.


Если бы винтовки Эванса лучше переносили грязь и требовали меньше ухода, их взяла бы на вооружение американская армия. Но и без военных заказов Evans Repeating Rifle Company за девять лет продала около 15 тыс. винтовок с новыми магазинами. Укороченный вариант с утяжеленной пулей даже поставляли в Россию во время русско-турецкой войны.

Правда, в конце концов, завод Эванса проиграл в конкурентной борьбе Винчестеру и закрылся. В 1879 году стоматолог вернулся к врачебной практике, а его брат продолжил изобретать, но уже в мирном русле.

Винтовка Эванса достаточно хорошо известна военным историкам, но никто не пытался усовершенствовать ее магазин вплоть до середины 20 века.

Прототип пистолета-пулемета Кучера под патрон 7,62х25 ТТ.

В 1950-х сначала венгерский военный инженер Йозеф Кучер (Jzsef Gyrik), а чуть позже и канадец Клифард Дуглас (Clifford Douglas) заменили толкатель в цилиндре с патронами на полноценный шнек, как в советской мясорубке.


Непонятно, как именно работал ПП Кучера, а вот о разработке Дугласа известно больше. Принцип оставался тем же, что у Эванса, но магазин был съемным. Из его передней части выступал вал с шестерней. Затвор, откатываясь после выстрела, цеплялся за зубцы и проворачивал шнек на оборота. Этого хватало, чтобы извлечь из магазина новый патрон.


Оба прототипа поступили на испытания в войска, но были забракованы, скорее всего, как недостаточно надежные.

Настоящего прорыва добились американцы Майкл Миллер (Michael Miller) и Уоррен Стоктон (Warren Stockton) в 1985 году. Они придумали принцип шахматной спирали заполнили пространство между шнеком и стенкой магазина патронами в два ряда, в шахматном порядке.


Патроны во внешнем ряду выполняли роль роликов, по которым катятся патроны во внутреннем ряду. Это облегчило вращение шнека и позволило использовать для подачи патронов плоскую заводную пружину решение, отработанное на дисковых магазинах. Заряженный магазин можно было хранить неограниченно долго и завести прямо перед стрельбой, так пружина почти не изнашивалась.

Магазин Миллера и Уоррена не зависел от автоматики оружия. Пластмасса с армированием стекловолокном уменьшила его вес, и внутрь без проблем помещалось от 50 до 100 выстрелов, в зависимости от длины магазина.

Кроме того, конструкторы отказались от торцевой подачи патронов и сделали направляющую, выводившую их сбоку цилиндра. Это позволило сделать оружие с нормальным прикладом, но оно все равно выглядело мягко говоря необычно.


Получилось целое семейство пистолетов-пулеметов, где тубус с патронами крепился поверх ствольной коробки. Миллер и Уоррен назвали их Calico и открыли одноименную компанию.


Механизм ПП во многом копировал проверенные решения. Например, конструкцию полусвободного затвора позаимствовали у H&K MP5, но при этом ход подвижных деталей уменьшили. Благодаря этому, автоматика работала очень быстро.

Теоретический темп стрельбы достигал 2 тыс. выстрелов в минуту. В оружие даже пришлось встроить гидравлический замедлитель. Он тормозил работу механизма до 500-800 выстр./мин, и все равно громадный боезапас можно было расстрелять за считаные секунды.

При этом шнековый магазин наконец-то получился надежным. Calico переживал падения с двухметровой высоты и купание в грязной воде на глубине до 30 метров. Во время одних из первых официальных испытаний шесть полицейских за 2,5 часа выпустили из ПП 1100 патронов без единой осечки.

В 1994 году в США ограничили свободную продажу магазинов большой емкости, и компания оказалась на грани банкротства. Однако, полицейские и военные оценили новинку, и уже два года спустя Calico поставляла оружие силовикам в два десятка стран мира и поставляет до сих пор.


Причем российские и китайские оружейники подхватили идею и приспособили шнековые магазины к потомкам автомата Калашникова пистолету-пулемету Бизон и целому автомату, Type 98-2. В конце концов шнековые магазины стали востребованной, но нишевой штукой.

Перспективы нестандартных магазинов

Спецназ КНДР с автоматами Type 98-2

Магазины от FN и Calico вполне надежны и дают большой боезапас, но армия основной заказчик военных конструкторов, не очень-то заинтересована в таких новинках. Для вооружения призывников вполне подходят обычные коробчатые магазины.

Считается, что на современном поле боя у солдата достаточно времени, чтобы перезаряжать оружие, например, каждые 30 выстрелов. А там, где требуется непрерывный огонь, разберется пулеметчик. К тому же, магазины на 50-100 выстрелов долго наполнять вручную. Существуют специальные зарядные машинки, но использовать их где-нибудь в окопе неудобно.

Особым магазинам особые задачи. Подобные технические решения, как правило, оседают в специальных подразделениях. Там ситуация другая, ценится даже малейшее преимущество, события развиваются очень быстро и одного сверхъемкого магазина может хватить на всю спецоперацию. Однако это маленький рынок, и сейчас у ружейников нет реального стимула конструировать нестандартные магазины.

Вряд ли в ближайшее время мы увидим нечто принципиально новое. Впрочем, история показывает, что всегда может найтись гений-самоучка, который всех переплюнет.

P.S. О многом еще не рассказано. Если сообщество одобрит, я напишу продолжение про то, как оружейники переизобретают револьверы: автоматические, магазинные, снайперские, помповые и двуствольные или про реальные проекты космического десанта.

Ни для кого не секрет, что эволюция это крайне длительный, сложный и порой невероятно странный процесс. Стоит взглянуть на муравьеда, птичку киви или на утконоса, как сразу же начинаешь задумываться про чувство юмора матушки-природы. Однако любые адаптационные изменения, приобретенные в ходе эволюции, всегда имеют логическое объяснение и вполне практическое применение, какими бы странными на первый взгляд они ни казались. Ученые из университета Пердью (США) решили повнимательнее изучить необычного жука вида Nosoderma diabolicum, который способен выдерживать внушительное давление. В чем особенность строения жука-экстремала, насколько он вынослив, и как человек может использовать секреты жука в инженерии? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Прежде всего стоит познакомиться с главным героем сего исследования. Жук Nosoderma diabolicum (или Phloeodes diabolicus), также называемый дьявольский броненосный жук, что для самого жука, скорее всего, крайне обидно, принадлежит к семейству зофериды (Zopheridae). Обитает данный вид на западном побережье Северной Америки.


Nosoderma diabolicum

Внешний вид дьявольского жука и стал причиной столь нелестного имени. Обитая под корой лиственных и хвойных деревьев, они стараются всячески слиться с окружением. Ввиду этого их черный панцирь покрыт шероховатостями, придающими ему немного устрашающий вид. Кроме того, этот жук не только маскируется, но и в случае опасности притворяется мертвым.

Забыв про эстетику, можно уверенно сказать, что основной чертой, отличающей дьявольского жука от многих других насекомых, является отсутствие крыльев. Такое строение тела не было изначальным, а проявилось в ходе эволюции.

Подготовка к взлету божьей коровки.

Вспомните, как выглядит, например, божья коровка во время взлета. Ее крылья спрятаны под раскрывающимися элитрами (надкрыльями), которые являются частью прочного экзоскелета. У некоторых насекомых элитры в полете не участвуют, либо их летные функции крайне ограничены.

Но вот дьявольский жук-броненосец когда-то давным-давно решил избавиться от крыльев полностью. Логично, что в таком случае элитры ему больше не нужны, и они могли бы эволюционировать из двух частей в цельный панцирь без швов и стыков. Однако все произошло несколько иначе.

Результаты исследования

Чтобы оценить устойчивость P. diabolicus к внешним нагрузкам, которые могут возникнуть в его естественной среде обитания, были проведены испытания на сжатие всего его экзоскелета и сравнение максимальной прочности на сжатие с показателями других жуков, обитающих в регионе южной Калифорнии.


Изображение 1

Для сравнительного анализа были выбраны виды жуков, которые обладают схожими защитными механизмами как в структуре панциря (защита от давления и клевания), так и в поведении (танатоз мнимая смерть): Asbolus verrucosus, Eleodes grandicollis и Cryptoglossa muricata.

В начале сжатия P. diabolicus демонстрирует изменение жесткости с 115 Н/мм до 291 Н/мм при смещении 0.64 мм (1c). Разрушение панциря происходит при максимальной силе в 149 Н (среднее значение 133 16 Н). Эти показатели примерно в 39000 раз превышают вес его собственного тела. Для сравнения: взрослый человек, сжимающий большой и указательный пальцы вместе, создает силу в 43.0 18.4 Н.

Другие жуки, участвующие в опытах, смогли выдержать пиковую нагрузку не больше 68 Н, а отношение прочности к массе у них гораздо ниже, чем у дьявольского жука (вставка на 1с). Asbolus verrucosus показывал схожие с P. diabolicus результаты, но на середине процесса деформирования (т.е. при 50% от нагрузки) началось разрушение панциря.


Результаты тестов на сжатие.

Помимо микроструктурных, наномеханических и композиционных особенностей надкрылий (график и снимки выше), внутри экзоскелета дьявольского жука было обнаружено две важные особенности:

• медиальный шов, который навсегда соединяет два надкрылья вместе (1e);
• латеральные (боковые) интерфейсы, соединяющие надкрылья с брюшной кутикулой и поддерживающие их (1f).

На медиальном шве расположены необычные образования, напоминающие выступы на кусочках пазла (видео ниже).

Медиальный шов P. diabolicus, соединяющий два надкрылья.

Сравнение P. diabolicus с его летающими родственниками показало, что такие образовании необходимы для взлета и полета насекомого (1g).

Как мы уже знаем, жуки вида P. diabolicus предпочитают прятаться под корой, камнями или под слоем опавшей листвы. Это помогает им справляться с климатическими изменениями и избегать нежелательных встреч с потенциальными хищниками. Однако, когда тебя не видно, есть вероятность быть случайно раздавленным. Следовательно, жуки этого вида должны выдерживать внешнюю нагрузку, не повреждая свои внутренние органы (2а).


Изображение 2

Анализ дьявольского жука с помощью компьютерной томографии (КТ) выявил заполненную воздухом область под надкрыльями (субэлитральная полость), расположенную над брюшной полостью (черное пространство на 2a).


Сравнение макро- и микроструктур панциря у наземных и летающих жуков: P. diabolicus, A. verrucosus, C. muricata, E. grandicollis и T. dichotomus (по рядам сверху вниз).

Дальнейший анализ посредством КТ и СЭМ (сканирующий электронный микроскоп) показал наличие трех латеральных интерфейсных архитектур, которые обеспечивают поддержку надкрыльев над брюшной кутикулой: гребенчатые, защелкивающиеся и свободно расположенные элементы (2b). Также выяснилось, что эти элементы плавно сливаются друг с другом по всей длине тела (видео ниже).

Варианты латеральных интерфейсов, соединяющих надкрылья с брюшной кутикулой у P. diabolicus.

Моделирование всего экзоскелета P. diabolicus при сжатии предполагает, что напряжение сконцентрировано по периметру кутикулы, при этом нагрузка передается на брюшную часть через первый и второй типы латеральной поддержки, описанные выше.


Модель экзоскелета дьявольского жука во время сжатия, созданная методом конечных элементов.

Практические опыты на сжатие и моделирование (изображение выше) изолированных секций панциря демонстрируют вариации жесткости и максимального смещения между опорами (2с и 2d).

Первая опора включает почти полное шовное пересечение, соединяющее надкрылья с брюшной кутикулой и показывающее наиболее жесткую механическую реакцию. Этот высоко интегрированный сустав обеспечивает максимальную защиту грудной клетки и жизненно важных органов, формируя неподвижную опору у основания дугообразных надкрылий, чтобы противостоять изгибающим моментам.

Механические испытания и компьютерная томография подтвердили, что максимальное смещение поперечного сечения до разрушения пропорционально высоте субэлитральной полости.

Вторая опора включает фиксирующую конструкцию, которая блокируется при сжатии, позволяя выдержать смещение на 40% больше при минимальном напряжении на интерфейсе (2c).

При более внимательном рассмотрении поверхности интерфейсов был обнаружен обширный массив стержневидных элементов (микротрихии) размером 2х2 мкм (2b). Подобно волосковидным выступам, которые летающие жуки используют для удержания своих крыльев, микротрихии у дьявольских жуков имеют меньшее соотношение сторон (1:1 против 1:5 у летающих жуков) и, вероятно, обеспечивают фрикционный захват для предотвращения скольжения во время нагрузки.

В случае, когда нагрузки нет, вторая опора (задняя область надкрылий) не имеет никакой механической связи между надкрыльями и брюшной кутикулой.

Двумерные модели поперечного сечения кутикулы в различных местах боковой опоры при сжимающей нагрузке показывают, что напряжение на любой из боковых поверхностей интерфейса более чем на порядок ниже, чем в медиальных швах (2d). Трехмерная модель кутикулы под сжимающей нагрузкой подтверждает, что напряжение существенно падает на боковых опорах для отдельно расположенных опор по сравнению с встречно-гребенчатой опоры.

Данные наблюдения могут свидетельствовать о том, что отдельные и взаимосвязанные опоры обеспечивают отклонение надкрылий и, следовательно, увеличивают поглощение энергии во время сжатия. Таким образом обеспечивается повышение податливости (антипод жесткости). А встречно-гребенчатые опоры в этот момент увеличивают жесткость. Другими словами, в разных участках тела жука имеются разные по функционалу опоры, которые в совокупности позволяют защитить внутренние органы насекомого во время сжатия.

Самой же любопытной частью экзоскелета дьявольского жука с точки зрения защиты является медиальный шов. Данный элемент является результатом того, что жук в ходе эволюции из летающего превратится в наземного. Медиальный шов обеспечивают механическое соединение его надкрылий (3а).


Изображение 3

Жуки других видов также имеют подобные образования, предотвращающие разделение надкрылий. Однако у дьявольского жука медиальный шов все же отличается от остальных.

Моделирование экзоскелета P. diabolicus показало относительно однородное распределение напряжения по шву из-за его эллиптической геометрии и количества соединений (3b). У других же видов в этих областях наоборот наблюдалось повышенное напряжение, особенно в местах контакта встречно-гребенчатых структур.

Геометрический анализ элементов шва (зубцов, напоминающих элементы пазла, которые необходимы для соединения кусочков) P. diabolicus показал соотношение 1.8:1 между большой полуосью (b) и точкой фокусировки (a), при этом первичная геометрия каждого элемента параметрически представлена в виде трех идентичных эллипсов, соединенных друг с другом на расстоянии под определенным углом (3c). Угол контакта между эллипсами составляет 25, что дает механическую блокировку, которая предотвращает разделение надкрылий при растяжении. Кроме того, равномерное распределение напряжений на интерфейсе лопаток панциря увеличивает максимальную жесткость на растяжение и сдвиг, а также прочность и вязкость разрушения.

Из этих данных следует, что пазлообразная структура медиального шва, эллиптическая геометрия его элементов, а также их количество в совокупности позволяют равномерно распределять напряжение и предотвращают разрыв между механически блокируемыми элементами.

Опыты на растяжение образцов, напечатанных на 3D-принтере, и соответствующее моделирование выявили линейную зависимость между количеством зубцов и повышенной жесткостью, и между ударной вязкостью и нормализованной пиковой нагрузкой медиального шва.

Увеличение количества зубцов приводит к более равномерному распределению неупругой деформации. За счет этого соединенные надкрылья, хоть и являющиеся отдельными частями, по своим свойствам напоминают однородный материал (3d).

Более тщательный анализ показал, что максимальная прочность наблюдается у швов с двумя зубцами, тогда как максимальная жесткость наблюдается у образцов с пятью, а пиковая нагрузка с четырьмя зубцами (3e). Чем меньше задействовано зубцов, тем меньше концентрация неупругих деформаций на шейке зубца (зауженная область зубца у его основания). Такое неупругое распределение деформации может объяснить переход от пластичного разрушения (вырывание с повреждением вокруг зубцов) к хрупкому разрушению (разрушение в области шейки) при увеличении количества зубцов или при уменьшении их размера.


Изображение 4

Далее были рассмотрены различные микроструктурные эффекты, связанные с медиальным швом.

При более внимательном рассмотрении поперечных сечений медиального шва (4a) была выявлена многослойная архитектура, которая при растягивающей нагрузке показывает разрушение матрицы, указывая на локальное расслоение (4b). Контрастная визуализация показывает степень расслоения зубцов, что свидетельствует о снятии напряжения (4c). При увеличении деформации наблюдается значительное расслоение с разделением волокон между слоями (желтые стрелки на 4d).

В отличие от однородных материалов, которые обычно ломаются в области зубца или самого тонкого элемента, микроструктура внутри зубцов дьявольского жука обеспечивает значительное снятие напряжения и рассеивание энергии, предотвращая разрушение шейки зубца.

Для лучшего понимания микроструктурных особенностей геометрии зубцов были созданы три модели пазла с различными значениями угла (15, 25 и 50).

Во всех трех случаях первичные соотношения сторон эллипсов постоянны и равны 1.8:1, а зубцы, напечатанные на 3D-принтере, имеют многослойную архитектуру, имитирующую таковую у дьявольского жука.

Зубцы с углом 25 продемонстрировали более высокие нормированные значения пиковой нагрузки и ударной вязкости (4e). Подобное наблюдалось и при 15, однако при увеличении угла до 25 (как у дьявольского жука) возникает значительная деформация с последующим отслаиванием с последующим вырыванием.

Дальнейшие эксперименты на растяжение и моделирование методом конечных элементов выявили распределение деформации, и подтвердили наличие расслоения между слоями зубца перед вытягиванием волокон (4f).

Наконец, у сильно изогнутого зубца ( = 50) наблюдается значительная деформация шейки, за которой следует перелом (без видимого отслоения).

Эти данные говорят о наличии конкурирующих механизмов. С одной стороны мы имеем эллиптическую геометрию, которая обеспечивает максимальное сцепление и прочность шва. С другой расслоение зубцов, предотвращающее локальные напряжения, которые могут вызвать разрушение шейки зубца.

Вывод заключается в том, что тип механического соединения на медиальном шве дьявольского жука обеспечивает надежное соединение надкрылий и более предсказуемый отказ в случае деформации, чем у других жуков.

На заключительном этапе исследования ученые решили применить полученные знания и создать биомиметические композитные аналоги медиального шва дьявольского жука. Полученные образцы тестировали и сравнивали с полимерной нитью, зубцами на полимерной основе и со стандартной аэрокосмической конструкцией Hi-Lok, которая используется для соединения, например, конструкций из алюминиево-углеродного композита.


Примеры Hi-Lok креплений.

Оценка распределения деформации, прочности и рассеивания энергии (4g) показала, что композитные зубцы, имитирующие шовный материал жука, немного прочнее (около 19 1.08 МПа), чем современные инженерные крепежные детали (около 18 0.73 МПа). При этом они демонстрируют существенное увеличение (более чем 100%) рассеяния энергии во время смещения (158.0 30.4 МПа/мм против 76.5 1.4 МПа/мм).

У дьявольского жука наблюдается равномерное распределение напряжения внутри зубца (4h), с локальным отслаиванием, позволяющим избежать разрушения шейки, которое происходит в обоих контрольных образцах (то есть в углеродной нити и зубцах на основе полимера).

Крепеж Hi-Lok демонстрирует локальное распределение деформации вокруг штифтового соединения и приводит к выходу из строя и разъединению пластин. Однако слоистая микроструктура внутри композитного зубца демонстрирует более постепенное разрушение, поскольку расслоение внутри лезвия заставляет шейку структуры расширяться в поперечном направлении, блокируя структуру вместо разрушения или сужения/удлинения до разрушения.

Авторы исследования рассказывают о своих находках.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

С точки зрения науки, природа всегда была вдохновением для человечества. Множество даже самых современных технологий тем или иным образом берут свое начало из чего-то, что встречается в природе.

В данном труде ученые изучили экзоскелет дьявольского жука, которого с уверенностью можно назвать одним из самых живучих насекомых планеты. В ходе эволюции, отказавшись от умения летать, этот жук не просто лишился крыльев, но преобразовал надкрылья в сложную структуру, оснащенную механическими компонентами и продуманной микроструктурой. Надкрылья соединены между собой зубцами, как кусочки пазла, что обеспечивает повышение прочности и сопротивления сжатию.

Для человечества это открытие имеет не только интеллектуальную ценность, но и практическое применение. Тесты с искусственными аналогами медиального шва дьявольского жука, сделанными из композитных материалов, показали, что их свойства превосходят таковые даже у крепежной системы Hi-Lok, которая используется в современной космонавтике.

Иногда можно услышать фразу: что бы вы не делали, природа это уже сделала, причем лучше. Учитывая исследования, подобные рассмотренному нами сегодня, начинаешь верить этому высказыванию все больше и больше.



Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Иногда возникает желание просто почувствовать тепло чей-то руки, но её нет рядом. По крайней мере, человеческой. Учёные из японского университета Gifu сконструировали специальную моторизированную руку, которую мужчины могут сжимать, когда они чувствуют себя одинокими. Рука-робот покрыта специальным мягким податливым гелем для наиболее реалистичной имитации человеческой кожи. Когда вы сжимаете её, она сжимается в ответ.

Моя девушка робот

Четыре инженера из Университета Gifu создали моторизованное устройство, делающее его владельцев чуть менее одинокими. Ведь, как заявляют разработчики, легче держать девушку за руку, чем найти девушку.

В нынешнем виде Osampo Kanojo (в переводе: моя подруга на прогулке) представляет собой портативное устройство с проводами и дорожкой, которые могут создать ощущение и даже запах присутствия партнёрши. Хотя бестелесная рука (предплечье) не может заменить настоящей возлюбленной, ее создатели придумали, как повысить реалистичность.

Из чего состоит устройство

Рука-робот прикрепляется к вашему предплечью, обеспечивая надежное скрепление. Управление вашей подружкой осуществляется через специальное приложение на смартфоне. Для большей реалистичности рука-робот через встроенный динамик воспроизводит звуки шагов, шорох одежды и дыхание девушки, а ткань внутри механизма способна источать аромат женского шампуня.

Интересный бонус: если вы хотите, чтобы тёплая рука немного нервничала (определенно это признак того, что вы ей нравитесь), вы можете заставить её вспотеть. Просто добавьте влажную ткань между утеплителем и кожей, и влага выйдет через мелкие поры в материале.


То, что рука родом из Японии, страны, где создают роботов на все случаи жизни, не вызывает удивления. В Японии уже практиковали разработку виртуальных подружек, и несколько лет назад даже создали курорт для парней, предпочитающих цифровые свидания.

Миссия портативной руки

Идея инженеров Osampo Kanojo состоит в том, чтобы обеспечить некоторый комфорт и дружеское общение для одиноких людей, особенно во время самоизоляции из-за пандемии COVID-19. Что бы вы ни говорили о прогулке с бледными механизированными пальцами, всё больше исследователей находят связь между одиночеством и проблемами со здоровьем. Возможно, такая рука действительно сделает мир чуть счастливее.

Однако пока неизвестно, поступит ли рука-робот в массовое производство или вам придётся искать свидание с ней через Tinder, как с настоящей девушкой.

Кроме того, инженеры позаботились обо всех предпочтениях и уже планируют создание мужской версии такой руки. В целом механизм по своему строению будет схож с женской" предшественницей. Разница лишь в наборе ароматов. Мужская рука будет источать мужской парфюм, древесный уголь и, возможно, запах моторного масла.

Сходили бы на свидание с такой девушкой? Делитесь своими мыслями в комментариях!

Список литературы:

1. Scientists in Japan build robot to hold hands with lonely people [Электронный ресурс]
2. This pale, sweaty robot hand wants to take romantic walks with you [Электронный ресурс]
3. Официальный доклад разработчиков из университета Gifu [Электронный ресурс]

Сегодня мы расскажем о том, кто куда мигрирует в нефтяной отрасли, о том, что происходит с месторождением при добыче, и о том, как вода, нефть и газ взаимодействуют. Это третья часть из серии статей для будущих математиков-программистов, которым предстоит решать задачи, связанные с моделированием нефтедобычи и разработкой инженерного ПО в области сопровождения нефтедобычи. В книжках всё расписано гораздо подробнее, зато здесь о нефтянке рассказывают программисты и для программистов.


Первую и вторую части серии можно прочесть здесь:
habr.com/ru/company/bashnipineft/blog/505300
habr.com/ru/company/bashnipineft/blog/506198

Осадконакопление, образование нефти, миграция

Теорий образования нефти есть несколько, я буду говорить только о той, согласно которой нефть образовалась из остатков живых существ зоопланктона и водорослей. Когда-то давным-давно, in a galaxy far far away, этот самый зоопланктон и водоросли размножался так бурно, а условия по наличию (точнее, отсутствию) кислорода и нужной температуры были такие, что он не успевал разложиться и падал на дно моря, будучи в дальнейшем засыпаем всякой осадочной породой (песочком и глиной). Сейчас даже деревья отказываются превращаться в каменный уголь, а просто, заразы, в присутствии кислорода гниют, а тогда они аналогично планктону подвергались захоронению и с течением времени погружались на всё большую и большую глубину, уплотнялись и обезвоживались. Это не означает, кстати, что вода куда-то пропадала вода всегда была и оставалась вокруг, пропитывая породу. Вода уходила из самих остатков клеток и органических соединений.



По мере того, как захороненное неразложившееся органическое вещество погружалось всё глубже, температура и давление росли, и наконец, попали в такое окно параметров (выше температура и давление недостаточно большие, глубже температура и давление слишком большие), где органическое вещество стало преобразовываться в углеводороды, составляющие нефть и газ такую породу называют нефтематеринской, потому что именно она рождала (и рождает до сих пор, только ооочень медленно!) нефть. Получившиеся углеводороды легче воды, поэтому они мигрируют вверх, в сторону поверхности, просачиваясь через проницаемые породы и застревая на непроницаемых.

На пути к поверхности нефть встречает много разных слоёв, и они к этому времени совсем не обязательно будут горизонтальными. Река подточила глиняный утёс, он упал в воду и его смыло, вынесло в море, и там вся эта глина упала на дно в виде протяжённого, более или менее горизонтального пятна. Процессы движения литосферы, процессы горообразования вспучили земную твердь, и вот уже когда-то горизонтальный пласт низкопроницаемой глины выпятило в виде арки ловушка для нефти готова. Где-то нефть с газом попадёт в такие ловушки и застрянет на определённой глубине, а где-то просочится практически на поверхность. В последнем случае газ и лёгкие углеводороды, конечно, большей частью опередят всех остальных, достигнут поверхности и улетучатся, и останутся битуминозные пески Альберты и бассейна реки Ориноко, но в качестве противоположных примеров предлагаю вспомнить бакинские колодцы и озера с нефтью в 19 веке, а также горящие уже тысячи лет огни Химеры выходы метана на поверхность в районе турецкой горы Олимпос.



Нам важнее всего то, что традиционные месторождения, в которых можно встретить подвижную нефть, чаще всего образуются под куполами из непроницаемой породы или подобными же образовавшимися в результате разломов ловушками, под которыми скопилась в процессе своей миграции наверх нефть. Если откуда-то туда смогла прийти нефть, то гораздо раньше там захватила своё место вода. Когда нефть вытесняет из породы воду, часть воды всё равно в породе остаётся в виде прилипшей к гидрофильной породе плёнки или заполняющей очень мелкие поры и держащейся там очень сильными капиллярными силами, поэтому нефть всегда в месторождении соседствует с водой, пусть даже такой связанной и отказывающейся двигаться (если бы такая вода могла двигаться, нефть бы её выдвинула из породы при своей миграции). Если нефть мигрировала вместе с газом, то они могли вместе попасть в ловушку, тогда у такого месторождения возможно будет газовая шапка насыщенная газом область проницаемой породы над насыщенной нефтью областью. И наконец, под самой нефтью может остаться область проницаемой породы, насыщенная водой, тогда говорят о месторождении с подстилающей водой. А может и не остаться.



Динамика свойств и технологических показателей в процессе работы скважины

С тех пор, как месторождение нефти образовалось, прошло очень много времени, процессы миграции завершились, все переходные процессы устаканились, всё смешиваемое перемешалось, всё несмешиваемое снова разделилось, система пришла в равновесие, остались активными только очень медленные процессы, которые короткоживущие белковые существа могут не учитывать. А потом вдруг раз! эти самые белковые существа изобрели паровую машину, электричество и принялись бурить скважины и добывать нефть.

Какое было начальное пластовое давление? Если забыть про все эти ловушки для нефти и вообразить, будто вся земля представляет собой проницаемый песчаник, насыщенный водой, то давление жидкости на любой глубине будет определяться только плотностью этой воды и глубиной: это известная со школы формула ро-жэ-аш. Делайте как мы, забудьте начальную школу с её задачками на перевод из дециакров в кубофуты и считайте всё только в единицах СИ, и будет вам счастье. Получаем примерно 1000*10*2000 Паскалей или примерно 200 атмосфер.



Если пластовое давление в месторождении примерно равно давлению столба жидкости на той же глубине, говорят о нормальном пластовом давлении; если сильно больше или сильно меньше, то говорят об аномально высоком или низком пластовом давлении. Нефтяники, конечно, любят высокое, но не аномально высокое. Если пробурить скважину до месторождения и заполнить её водой, то в случае нормального пластового давления уровень воды в скважине не будет меняться. В случае пониженного пластового давления, уровень воды в скважине начнёт падать и упадёт до высоты, соответствующей текущему пластовому давлению удобный способ для оценки пластового давления, кстати, понадобятся только два хронометра.

В случае повышенного пластового давления воду из скважины будет выталкивать со всё повышающейся скоростью, и наконец из скважины забьёт фонтан нефти! Теперь представим, что у месторождения нормальное начальное пластовое давление, не повышенное, но скважина заполнена не водой, а нефтью. У нефти плотность меньше, чем у воды, поэтому ро-жэ-аш у такого столба нефти будет меньше, чем пластовое давление, и нефть из скважины будет выталкивать! Чтобы остановить такую скважину, нужно её заглушить, заменить нефть в стволе скважины на воду, а при аномально высоком пластовом давлении ещё и с растворенными солями, чтобы плотность была побольше и ро-жэ-аш как раз равнялось пластовому давлению (и чуть-чуть его превышало). Сами понимаете, при аномально высоком пластовом давлении ещё и при бурении будут проблемы нужно пробурить скважину, создав открытую связь месторождения под давлением с поверхностью, но при этом не допустив выбросов из-за повышенного давления.



Что происходит с физико-химическими свойствами месторождения при добыче? В первом приближении можно считать, что пористость, проницаемость и сжимаемость не меняются, потому что порода остаётся на месте, а вот все насыщающие её флюиды начинают мигрировать, поэтому меняются давление и насыщение. Пусть скважина была заполнена нефтью и при этом находилась в равновесии с пластовым давлением. Насос начинает добывать нефть из скважины, динамический уровень нефти в скважине начинает падать, забойное давление (давление столба жидкости по ро-жэ-аш на забой, то есть нижнюю часть скважины) тоже падает. Насос может быть настроен так, чтобы работать с заданным постоянным расходом, или (если в нём есть свой манометр) поддерживать заданное постоянное забойное давление. Перепад давления (называемый депрессией) между забойным (в стволе скважины) и пластовым (в прилегающей к скважине призабойной части месторождения) давлением вызывает приток нефти к скважине. Но и одновременно при этом понижает пластовое давление в призабойной зоне месторождения! Если проницаемость достаточная, то волна падения давления распространяется дальше, вызывая приток нефти из всё более дальних частей месторождения. Теоретически, при большой проницаемости можно всю нефть месторождения выкачать одной скважиной, просто это займёт очень много времени.



В реальности, через некоторое время для поддержания пластового давления начнут работу нагнетательные скважины, которые наоборот, закачивают в ствол скважины воду, создавая повышенное забойное давление. Обратный перепад давления (репрессия) между стволом скважины и призабойной зоной приводит к тому, что из скважины в месторождение начинает распространяться закачиваемая вода вместе с волной повышенного давления. Это с одной стороны не даёт пластовому давлению падать, а с другой стороны как бы поршнем вытесняет нефть от нагнетательных скважин в сторону добывающих. Хотя если вместо поршневого вытеснения закачиваемая вода пробьёт себе прямые каналы от нагнетательных скважин к добывающим, на оставшейся в этой части месторождения нефти можно ставить крест.

Итак, после начала добычи и закачки на месторождении начинается невиданная за тысячи лет движуха перераспределяется пластовое давление, вызывая фильтрацию (напоминаю, слово фильтрация можно смело заменять на перетоки) содержимого от мест с большим давлением к местам с меньшим, меняя, таким образом, во всех точках нефтенасыщенность, водонасыщенность и газонасыщенность. Если вдруг добычу остановить, то через некоторое время пластовое давление выровняется, на месторождении останется только одна сила тяжести и снова начнутся те же медленные процессы восстановления равновесия: более тяжёлая вода вниз, более лёгкий газ вверх, нефть между ними. Коктейль снова расслаивается.

Физико-химические свойства нефти, воды и газа

Физико-химические свойства флюидов, то есть всего того, что в месторождении может течь и фильтроваться сквозь породу, сильно влияют на то, как эта фильтрация происходит. Мы уже видели, что скорость фильтрации прямо пропорциональна проницаемости породы и обратно пропорциональна вязкости. В условиях, когда в какой-то точке месторождения есть и вода, и газ, и нефть, они фильтруются все одновременно в соответствии с общей абсолютной проницаемостью и собственной вязкостью.

Но оказывается, когда они все находятся в одном месте, в одних и тех же порах, они друг другу начинают мешать, и скорость фильтрации их всех зависит не только от абсолютной проницаемости породы и собственной вязкости, но и от количества остальных флюидов в наличии. Так, например, опыты показывают, что когда в одних и тех же порах находятся нефть и вода, скорость фильтрации нефти при соотношении 10:1 может оказаться во много раз больше, чем скорость фильтрации нефти при соотношении 1:10.



Я понимаю, формулы страшные, но всё-таки, давайте я их объясню на пальцах. Вот раньше мы думали, что всё течёт пропорционально проницаемости и перепаду давления и обратно пропорционально вязкости. Оказывается, когда есть и вода, и нефть, то надо считать отдельно скорость воды и скорость нефти, каждый со своей вязкостью. При этом проницаемость в формуле, что для нефти, что для воды, состоит из какой-то общей неизменной проницаемости, определяемой породой, и дополнительного множителя, который у воды и нефти свой, и этот множитель зависит от количества воды.

Другими словами, когда воды мало, она почти не мешает нефти фильтроваться, а вот когда воды уже много, оставшаяся нефть практически перестаёт фильтроваться. Выглядит это так, будто на коэффициент проницаемости породы накладывается дополнительный множитель, называемый коэффициентом относительной фазовой проницаемости, который для каждого флюида (воды, нефти, газа) свой и ещё, более того, зависит от насыщения (доли воды, нефти и газа).



В итоге, есть абсолютная проницаемость породы, которая зависит только от породы, и есть относительная проницаемость для воды, нефти, газа, которая зависит и от их пропорции, и это всё отображается на графиках, подобных тому, что я привёл выше. Как такую картинку читать? Водонасыщенности меньше 20% на этом гипотетическом месторождении нет, то есть воды всегда как минимум 20%. При таком содержании воды её относительная фазовая проницаемость равна нулю, то есть вода есть, её 20%, но она не течёт никуда, течёт только нефть. С другой стороны, когда воды становится 75% (а нефти остаётся, соответственно, только 25%), относительная фазовая проницаемость нефти падает до нуля, и значит уже нефть никуда больше не течёт, и эти оставшиеся 25% из пор никак не выковырять.

Плотность нефти, воды и газа влияет на их начальное распределение в месторождении. В полном соответствии с законом Архимеда, менее плотные газ и нефть располагаются в верхней части месторождения, а более плотная вода в нижней. В процессе разработки месторождения все эти эффекты, разумеется, продолжают действовать, хотя и могут не успевать за происходящими событиями. Одно дело пузырику газа всплыть со дна стакана на поверхность, а совсем другое просочиться с нижнего пласта до верхнего через мелкие поры породы, где вода и нефть, удерживаемые капиллярными силами, не горят желанием пропускать какие-то пузыри.

Ещё одна особенность нефти заключается в её способности растворять углеводородный газ (чаще всего метан). В одном кубометре нефти могут быть растворены десятки и сотни кубометров газа, в зависимости от давления. Отношение объёма газа, выделившегося из нефти при добыче её на белый свет и в нормальные условия, к объёму той нефти, из которой он выделился, называется газосодержанием. Если вы добываете нефть с газосодержанием, равным 100, то при добыче 1 кубометра нефти вы получите попутно ещё и 100 кубометров газа, которые в ней были растворены и которые из неё при добыче выделятся.



Обратите внимание и никогда не путайте: газосодержание это объём газа, растворенного в единице объёма нефти, а газонасыщенность это доля объёма пор породы, занимаемая свободным газом. Ещё есть один показатель: растворимость газа это объём газа, который потенциально может раствориться в единице объёма этой нефти при заданном давлении.
Растворимость сколько газа может раствориться в нефти при заданном давлении, а газосодержание сколько газа на самом деле растворено. Понятно, что второе никогда не может превысить первое. Если вы в одну бочку поместите нефть без растворённого газа, то газосодержание у этой нефти будет равно нулю. Если вы затем начнёте в эту бочку нагнетать газ под давлением в 200 атмосфер, то газ начнёт в нефти растворяться без остатка, и газосодержание нефти станет расти. Как только газосодержание нефти достигнет растворимости газа при заданном давлении, процесс растворения прекратится, и оставшийся газ начнёт скапливаться в верхней части бочки.

Нефть, в которой при текущем давлении растворено максимальное возможное количество газа, называется насыщенной нефтью, а давление такое называется давлением насыщения. Давление насыщения для заданной нефти это такое давление, при снижении ниже которого из нефти начинает выделяться растворённый в ней газ. Если предположить, что газа больше нет, и начать повышать давление, то с нефтью ничего не будет происходить (хотя она и перестанет быть насыщенной). Если начать, наоборот, понижать давление, то как только давление станет ниже давления насыщения, из нефти начнёт выделяться растворённый в ней газ, и газосодержание начнёт падать (а газонасыщенность породы, в которой всё это происходит, начнёт расти).



В случае месторождения всё происходит похожим образом, но в разных направлениях в зависимости от того, что было в начале и что происходит. Если у месторождения была газовая шапка при давлении в 200 атмосфер, это значит, что нефть уже приняла весь газ, который могла растворить, и находится в насыщенном состоянии. Если начать закачивать в месторождение воду и повышать пластовое давление, то растворимость газа (способность нефти вмещать газ) начинает расти, и газ тут же пользуется этой возможностью и в нефти начинает растворяться (правда, происходит это не быстро). Так что повышая давление можно теоретически добиться, чтобы вся газовая шапка на месторождении растворилась в нефти. Допустим, что это произойдёт при 250 атмосферах, а мы продолжаем нагнетать, что будет происходить, когда пластовое давление вырастет, скажем, до 300 атмосфера? Да ничего, газа как не было, так и не будет. Но нефть как бы запомнила, при каком давлении в ней растворился последний кубометр газа, это давление и называется давлением насыщения.
Если затем начать добывать нефть и снижать давление с 300 до 290, 280, 270 атмосфер, то ничего происходить не будет, но как только давление упадёт до давления насыщения 250 атмосфер, газ начнёт снова выделяться, причём не в шапку, а по всему объёму, и быстро.
Если у месторождения с пластовым давлением в 200 атмосфер с самого начала не было газовой шапки, означает ли это, что в этой нефти нет растворённого газа? Нет, не означает растворённый газ всегда в нефти есть, просто из-за условий её образования. Для такой нефти важно знать, какое у неё газосодержание и давление насыщения, потому что если вдруг в процессе разработки пластовое давление упадёт ниже давления насыщения, то по всему объёму месторождения из нефти начнёт выделяться газ, и этот газ будет очень сильно мешать нормальной фильтрации нефти к скважинам.



Кому трудно понять суть всех этих происходящих процессов с растворением, растворимостью и давлением насыщения, я предлагаю представить себе только что купленную бутылку с газированной водой. В ней, очевидно, под давлением находится вода с растворённым в ней углекислым газом и небольшое количество углекислого газа под крышкой, при этом они находятся в равновесии: газ больше не растворяется, но и не выделяется из воды. Вы вряд ли можете провести этот эксперимент в реальности, поэтому придётся провести его мысленно: если бутылку сжать, повысив в ней давление, то можно добиться того, что весь газ из-под крышки растворится, и в бутылке будет только вода. А вот обратный эксперимент провести легко: если чуть-чуть отвернуть крышку, стравить часть газа и крышку обратно закрутить, то давление под крышкой и в воде уменьшится. А раз до этого вода и газ находились в равновесии, то теперь мы опустили давление ниже давления насыщения, и газ из воды начнёт выделяться, причём по всему объёму сразу, пока не установится новое равновесие.

Кроме этого, важно знать, что при растворении в нефти газа, объём этой самой нефти увеличивается. И наоборот, при добыче 1 кубометра нефти из пласта, когда мы её поднимем на поверхность и из неё выделится растворённый газ, её объем уменьшится в соответствии с так называемым объёмным коэффициентом. Когда нефть поднимают на поверхность, происходит сразу несколько явлений, в разном направлении влияющих на её объём: падает давление (нефть увеличивает объём в соответствии со своим коэффициентом сжимаемости), падает температура (нефть уменьшает объём в соответствии со своим коэффициентом температурного расширения), улетучивается растворённый газ (объём и масса нефти уменьшаются). Всё это вместе объединяют в единый объёмный коэффициент. Если он равен, например, 1.2, то чтобы получить 1 кубометр на поверхности, нужно забрать 1.2 кубометра из пласта.

И вязкость, и объёмный коэффициент, конечно, зависят от давления и газосодержания: чем больше газосодержание (при одном и том же давлении), тем больше объёмный коэффициент и тем меньше вязкость. Чем больше давление (при одном и том же газосодержании), тем больше вязкость и меньше объёмный коэффициент.

В следующей части мы коснемся вопросов математического моделирования процессов, происходящих при разработке нефтяных и газовых месторождений и наконец-то доберёмся до данных, алгоритмов и программного обеспечения.

Продолжение следует

Это четвертая часть из серии статей для будущих математиков-программистов, которым предстоит решать задачи, связанные с моделированием нефтедобычи и разработкой инженерного ПО в области сопровождения нефтедобычи.

Сегодня мы расскажем о том, зачем нужны модели месторождений, и как их строить. Модель это тот самый план действий, который обязательно должен быть и предполагаемый результат этих действий.

Моделирование, прогноз, неопределённость

Все перечисленные в предыдущих статьях (раз, два, три) физические эффекты важно понимать не просто для того, чтобы знать, как устроен мир. Скорее всего их придётся учитывать при построении модели, которая умеет правильно предсказывать будущее. Зачем нам уметь предсказывать будущее в нефтедобыче, если цену нефти и коронавирус всё равно не предсказать? Да затем же, зачем и везде: чтобы принимать правильные решения.



В случае с месторождением мы не можем непосредственно наблюдать, что происходит под землёй между скважинами. Почти всё, что нам доступно, привязано к скважинам, то есть к редким точкам на необъятных просторах болот (все что мы можем измерить заключено примерно в 0.5% породы, о свойствах остальных 99.5% мы можем только догадываться). Это проведённые измерения на скважинах тогда, когда скважина строилась. Это показания приборов, которые на скважинах установлены (давление на забое, доля нефти воды и газа в получаемой продукции). И это измеряемые и задаваемые параметры работы скважин когда включать, когда выключать, с какой скоростью качать.

Правильная модель это такая модель, которая правильно предсказывает будущее. Но так как будущее ещё не наступило, а понять, хороша ли модель, хочется уже сейчас, то поступают так: вкладывают в модель всю имеющуюся фактическую информацию о месторождении, в соответствии с предположениями добавляют свои догадки о неизвестной информации (крылатая фраза два геолога три мнения как раз об этих догадках) и выполняют симуляцию происходивших под землей процессов фильтрации, перераспределения давления и так далее. Модель выдаёт, какие должны были наблюдаться показатели работы скважин, и они сравниваются с реально наблюдавшимися показателями. Другими словами, мы пытаемся построить такую модель, которая воспроизводит историю.
Вообще-то, можно схитрить и просто потребовать от модели, чтобы она выдавала такие данные, какие надо. Но, во-первых, так делать нельзя, а во-вторых, всё равно заметят (эксперты в тех самых гос.органах, куда модель нужно сдавать).



Если модель не может воспроизвести историю, необходимо менять её входные данные, но какие? Фактические данные менять нельзя: это результат наблюдения и измерения реальности данные с приборов. Приборы, конечно, имеют свою погрешность, да и используются приборы людьми, которые тоже могут и накосячить, и приврать, но неопределённость фактических данных в модели, как правило, мала. Менять можно и нужно то, что имеет наибольшую неопределённость: наши предположения о том, что происходит между скважинами. В этом смысле построение модели это попытка уменьшить неопределённость в наших знаниях о реальности (в математике этот процесс известен как решение обратной задачи, и обратных задач в нашей области как велосипедов в Пекине!).

Если модель достаточно корректно воспроизводит историю, у нас есть надежда, что наши знания о реальности, вложенные в модель, не сильно от этой самой реальности отличаются. Тогда и только тогда мы можем такую модель запустить на прогноз, в будущее, и такому прогнозу у нас будет больше оснований верить.

Что если удалось сделать не одну, а несколько разных моделей, которые все достаточно хорошо воспроизводят историю, но при этом дают разный прогноз? Нам ничего не остаётся, как жить с этой неопределённостью, принимать решения, имея её в виду. Более того, имея несколько моделей, дающих спектр возможных прогнозов, мы можем попытаться количественно оценить риски принятия того или иного решения, тогда как имея одну модель, мы будем пребывать в неоправданной уверенности в том, что всё будет так, как модель предсказывает.

Модели в жизни месторождения

Для того, чтобы принимать решения в процессе разработки месторождения, нужна целостная модель всего месторождения. Более того, сейчас без такой модели разрабатывать месторождение вообще нельзя: такую модель требуют государственные органы РФ.



Всё начинается с сейсмической модели, которая создаётся по результатам сейсморазведки. Такая модель позволяет увидеть под землей трехмерные поверхности специфические слои, от которых хорошо отражаются сейсмические волны. Она не даёт почти никакой информации о нужных нам свойствах (пористости, проницаемости, насыщении, и т. д.), но зато показывает, как изгибаются в пространстве некоторые слои. Если вы сделали многослойный бутерброд, а потом как-то его изогнули (ну или кто-то на него сел), то у вас есть все основания считать, что все слои изогнулись примерно одинаково. Поэтому мы можем понять, как изогнулся слоёный пирог из различных нападавших на дно океана осадков, даже если на сейсмической модели увидим только один из слоёв, по счастливой случайности хорошо отражающий сейсмические волны. На этом месте дата-сайнс инженеры оживились, потому что автоматическое выделение таких отражающих горизонтов в кубе, чем и занимались участники одного из наших хакатонов, классическая задача распознавания образов.



Затем начинается разведочное бурение, и по мере бурения скважин в них спускают на кабеле приборы, измеряющие всякие разные показатели вдоль ствола скважины, то есть проводят ГИС (геофизические исследования скважин). Результат такого исследования каротаж ГИС, то есть кривая определённой физической величины, измеренная с определённым шагом вдоль всего ствола скважины. Разные приборы измеряют разные величины, а обученные инженеры затем проводят интерпретацию этих кривых, получая значимую информацию. Один прибор измеряет естественную гамма-радиоактивность породы. Глины фонят сильнее, песчаник фонит слабее это знает любой инженер-интерпретатор и выделяет на каротажной кривой: тут глины, тут слой песчаника, тут что-то среднее. Другой прибор измеряет естественный электрический потенциал между соседними точками, возникающий при проникновении в породу бурового раствора. Высокий потенциал показывает наличие фильтрационной связи между точками пласта, знает инженер и подтверждает наличие проницаемой породы. Третий прибор измеряет сопротивление насыщающего породу флюида: солёная вода ток пропускает, нефть ток не пропускает и позволяет отделить нефтенасыщенные породы от водонасыщенных и так далее.
На этом месте дата-сайнс инженеры снова оживились, потому что входные данные у этой задачи это простые численные кривые, а заменить инженера-интерпретатора какой-нибудь ML-моделью, умеющей вместо инженера по форме кривой сделать вывод о свойствах породы это значит решить классическую задачу классификации. Это только потом у дата-сайнс инженеров начинает дергаться глаз, когда выясняется, что часть этих накопленных кривых со старых скважин есть только в виде длинных бумажных портянок.



Кроме этого, при бурении из скважины достают керн образцы более или менее целой (если повезло) и неразрушенной при бурении породы. Эти образцы отправляют в лабораторию, где определят их пористость, проницаемость, насыщение и всякие разные механические свойства. Если известно (а при правильном проведении это должно быть известно), с какой глубины был поднят конкретный образец керна, то когда придут данные из лаборатории, можно будет сопоставить, какие значения на этой глубине показывали все геофизические приборы, и какие значения пористости, проницаемости и насыщенности имела порода на этой глубине по данным лабораторных исследований керна. Таким образом можно пристрелять показания геофизических приборов и затем только по их данным, не имея керна, делать вывод о таких нужных нам для построения модели свойствах породы. Весь дьявол в деталях: приборы замеряют не совсем то, что определяют в лаборатории, но это уже совсем другая история.

Таким образом, пробурив несколько скважин и проведя исследования, мы можем достаточно уверенно утверждать, какая порода и с какими свойствами находится там, где эти скважины были пробурены. Проблема в том, что мы не знаем, что происходит между скважинами. И вот тут нам на помощь приходит сейсмическая модель.



На скважинах мы точно знаем, какие свойства имеет порода на какой глубине, но не знаем, как слои породы, наблюдаемые на скважинах, распространяются и изгибаются между ними. Сейсмическая модель не позволяет точно определить, какой слой на какой глубине расположен, но зато уверенно показывает характер распространения и изгиба всех сразу слоёв, характер напластования. Тогда инженеры отмечают на скважинах определённые характерные точки, ставя на определённой глубине маркеры: на этой скважине на этой глубине кровля пласта, на этой глубине подошва. А поверхность кровли и подошвы между скважинами, грубо говоря, рисуют параллельно той поверхности, которую видят в сейсмической модели. В итоге получается набор трёхмерных поверхностей, которые охватывают в пространстве интересующие нас, а нас интересуют, конечно же, пласты, содержащие нефть. То, что получилось, называется структурной моделью, потому что она описывает структуру пласта, но не его внутреннее содержание. О пористости и проницаемости, насыщении и давлении внутри пласта структурная модель не говорит ничего.



Затем наступает этап дискретизации, при котором область пространства, занимаемая месторождением, разбивается на такой изогнутый в соответствии с залеганием слоёв (характер которого виден ещё на сейсмической модели!) параллелепипед из ячеек. Каждая ячейка этого изогнутого параллелепипеда однозначно определяется тремя номерами, I, J и K. Все слои этого изогнутого параллелепипеда лежат согласно распространению слоёв, а количество слоёв по K и количество ячеек по I и J определяется детальностью, которую мы можем себе позволить.
Насколько детальная информация о породе у нас есть вдоль ствола скважины, то есть по вертикали? Настолько детальная, насколько часто делал замеры своей величины геофизический прибор при движении по стволу скважины, то есть, как правило, каждые 20-40 см, поэтому каждый слой может быть и 40 см, и 1 м.

Насколько детальная у нас есть информация по латерали, то есть в сторону от скважины? Ни насколько: в сторону от скважины у нас информации нет, поэтому смысла разбивать на очень маленькие ячейки по I и J, как правило, нет, и чаще всего они бывают по 50 или 100 м по обеим координатам. Выбор размера этих ячеек является одной из важных инженерных задач.



После того, как вся область пространства разбита на ячейки, делается ожидаемое упрощение: в пределах каждой ячейки значение любого из параметров (пористость, проницаемость, давление, насыщенность и т. д.) считается постоянным. Конечно в реальности это не так, но раз мы знаем, что напластование осадков на дно моря шло слоями, то свойства породы будут гораздо сильнее меняться по вертикали, чем по горизонтали.



Итак, у нас есть сетка ячеек, в каждой ячейке своё (неизвестное нам) значение каждого из важных параметров, описывающих как породу, так и её насыщение. Пока эта сетка пустая, но через некоторые ячейки проходят скважины, в которых мы прошли прибором и получили значения кривых геофизических параметров. Инженеры-интерпретаторы с помощью лабораторных исследований керна, корреляций, опыта и такой-то матери, значения кривых геофизических параметров переводят в значения нужных нам характеристик породы и насыщающего флюида, и переносят эти значения со скважины на ячейки сетки, через которые эта скважина проходит. Получается сетка, у которой в некоторых местах в ячейках есть значения, а в большинстве ячеек значений всё ещё нет. Значения во всех остальных ячейках придётся воображать с помощью интерполяции и экстраполяции. Опыт геолога, его знания о том, как свойства породы распространяются обычно, позволяют выбрать правильные алгоритмы интерполяции и правильно заполнить их параметры. Но в любом случае приходится помнить, что всё это догадки о неизвестности, которая лежит между скважинами, и не зря говорят, ещё раз эту прописную истину напомню, что у двух геологов по поводу одной и той же залежи будет три разных мнения.

Результатом этой работы будет геологическая модель трёхмерный изогнутый параллелепипед, разбитый на ячейки, описывающий структуру месторождения и несколько трёхмерных массивов свойств в этих ячейках: чаще всего это массивы пористости, проницаемости, насыщения и признака песчаник-глина.



Затем за работу берутся специалисты-гидродинамики. Они могут укрупнить геологическую модель, объединив несколько слоёв по вертикали и пересчитав свойства породы (это называется апскейлинг, и представляет собой отдельную непростую задачу). Потом они добавляют остальные нужные свойства для того, чтобы гидродинамический симулятор мог моделировать, что куда будет перетекать: кроме пористости, проницаемости, нефте-, водо-, газонасыщенности, это будут давление, газосодержание и так далее. Они добавят в модель скважины и внесут по ним информацию о том, когда и в каком режиме они работали. Вы ещё не забыли, что мы пытаемся воспроизвести историю, чтобы иметь надежду на корректный прогноз? Гидродинамики возьмут отчёты из лаборатории и добавят в модель физико-химические свойства нефти, воды, газа и породы, всяческие зависимости их (чаще всего от давления) и всё, что получилось, а это будет гидродинамическая модель, отправят в гидродинамический симулятор. Тот честно рассчитает, из какой ячейки в какую всё будет в какой момент времени перетекать, выдаст графики технологических показателей на каждой скважине и скрупулёзно сравнит их с реальными историческими данными. Гидродинамик вздохнёт, глядя на их расхождение, и пойдёт изменять всё неопределённые параметры, которые он пытается угадать так, чтобы при следующем запуске симулятора получить что-то близкое к реально наблюдавшимся данным. А может при следующем запуске. А может при следующем и так далее.



Инженер, готовящий модель поверхностного обустройства, возьмёт те дебиты, которые месторождение по результатам моделирования будет выдавать, и поместит их уже в свою модель, которая рассчитает, в каком трубопроводе будет какое давление и сможет ли имеющаяся система трубопроводов переварить добычу месторождения: очистить добытую нефть, подготовить нужный объём закачиваемой воды и так далее.

И наконец, на самом верхнем уровне, на уровне экономической модели, экономист рассчитает поток расходов на строительство и обслуживание скважин, электроэнергию на работу насосов и трубопроводов и поток дохода от сдачи добытой нефти в систему трубопроводов, умножит на нужную степень коэффициента дисконтирования и получит суммарный NPV от готового проекта разработки месторождения.

Подготовка всех этих моделей, разумеется, требует активного использования баз данных для хранения информации, специализированного инженерного программного обеспечения, реализующего обработку всей входной информации и собственно моделирования, то есть предсказания будущего по прошлому.

Для построения каждой из перечисленных выше моделей используется свой отдельный программный продукт, чаще всего буржуйский, часто практически безальтернативный и поэтому очень дорогой. Такие продукты развиваются десятилетиями, и повторить их путь силами небольшого института дело бессмысленное. Но ведь и динозавров съели не другие динозавры, а маленькие, голодные, целеустремлённые хорьки. Важно то, что, как в случае экселя для ежедневной работы нужны только 10% функциональности, и наши дубли, как у Стругацких, будут только и умеющие, что но зато уж умеющие это делать хорошо как раз эти 10%. В общем, мы полны надежд, для которых определённые основания уже есть.

В этой статье описан только один, столбовой путь жизненного цикла модели всего месторождения, и уже тут есть, где разгуляться разработчикам ПО, а с текущими моделями ценообразования у конкурентов работы хватит надолго. В следующей статье будет spin-off Изгой-один про некоторые частные задачи инженерного моделирования: моделирование гидроразрыва пласта и гибкие насосно-компрессорные трубы.

Продолжение следует

Зачем нефтяникам NLP? Как заставить компьютер понимать профессиональный жаргон? Можно ли объяснить машине, что такое нагнеталка, приемистость, затрубное? Как связаны вновь принятые на работу сотрудники и голосовой ассистент? На эти вопросы мы постараемся ответить в статье о внедрении в ПО для сопровождения нефтедобычи цифрового ассистента, облегчающего рутинную работу геолога-разработчика.

Мы в институте разрабатываем своё ПО (https://rn.digital/) для нефтяной отрасли, а чтобы его пользователи полюбили, нужно не только полезные функции в нём реализовывать, но и всё время думать об удобстве интерфейса. Одним из трендов UI/UX на сегодняшний день является переход к голосовым интерфейсам. Ведь как ни крути, наиболее естественной и удобной формой взаимодействия для человека является речь. Так было принято решение о разработке и внедрении голосового помощника в наши программные продукты.

Помимо улучшения UI/UX составляющей, внедрение ассистента также позволяет снизить порог вхождения в работу с ПО для новых сотрудников. Функционал у наших программ обширный, и, чтобы со всем разобраться, может уйти не один день. Возможность попросить ассистента выполнить нужную команду позволит сократить время на решение поставленной задачи, а также уменьшить стресс от новой работы.

Поскольку корпоративная служба безопасности очень чувствительно относится к передаче данных во внешние сервисы, мы задумались о разработке ассистента на основе решений с открытым исходным кодом, позволяющих обрабатывать информацию локально.

Структурно наш помощник состоит из следующих модулей:
Распознавание речи (Automatic Speech Recognition, ASR)
Выделение смысловых объектов (Natural Language Understanding, NLU)
Исполнение команд
Синтез речи (Text-to-Speech, TTS)


Принцип работы ассистента: от слов (пользователя) к действиям (в ПО)!

Выход каждого модуля служит входной точкой для следующего компонента системы. Так, речь пользователя преобразуется в текст и отправляется на обработку алгоритмам машинного обучения для определения намерения пользователя. В зависимости от этого намерения активируется нужный класс в модуле исполнения команд, который выполняет требование пользователя. По завершении операции модуль исполнения команд передает информацию о статусе выполнения команды модулю синтеза речи, который, в свою очередь, оповещает пользователя.

Каждый модуль помощника представляет собой микросервис. Так, при желании пользователь может обойтись и вовсе без речевых технологий и обратиться напрямую к мозгу ассистента к модулю выделения смысловых объектов через форму чат-бота.

Распознавание речи

Первый этап распознавания речи обработка речевого сигнала и извлечение признаков. Самым простым представлением звукового сигнала может служить осциллограмма. Она отражает количество энергии в каждый момент времени. Однако для определения произносимого звука этой информации недостаточно. Нам важно знать, какое количество энергии содержится в различных частотных диапазонах. Для этого с помощью преобразования Фурье производится переход от осциллограммы к спектру.


Это осциллограмма.


А это спектр для каждого момента времени.

Здесь нужно уточнить, что речь образуется при прохождении вибрирующего воздушного потока через гортань (источник) и голосовой тракт (фильтр). Для классификации фонем нам важна лишь информация о конфигурации фильтра, то есть о положении губ и языка. Выделить такую информацию позволяет переход от спектра к кепстру (cepstrum анаграмма слова spectrum), выполняемый с помощью обратного преобразования Фурье от логарифма спектра. По оси x вновь откладывается не частота, а время. Для проведения различия между временными областями кепстра и исходного звукового сигнала используют термин сачтота (Оппенгейм, Шафер. Цифровая обработка сигналов, 2018).


Кепстр, или просто спектр логарифма спектра. Да-да, сачтота это термин, а не опечатка

Информация о положении голосового тракта находится в 12 первых коэффициентах кепстра. Эти 12 кепстральных коэффициентов дополняются динамическими признаками (дельта и дельта-дельта), описывающими изменения звукового сигнала. (Jurafsky, Martin. Speech and Language Processing, 2008). Полученный вектор значений носит название MFCC вектор (Mel-frequency cepstral coefficients) и является наиболее распространенным акустическим признаком, используемым в распознавании речи.

Что же происходит с признаками дальше? Они используются в качестве входных данных для акустической модели. Она показывает, какая лингвистическая единица, скорее всего, породила подобный MFCC вектор. В разных системах такими лингвистическими единицами могут служить части фонем, фонемы или даже слова. Таким образом, акустическая модель позволяет преобразовать последовательность MFCC векторов в последовательность наиболее вероятных фонем.

Далее для последовательности фонем необходимо подобрать соответствующую последовательность слов. Здесь в дело вступает словарь языка, содержащий транскрипцию всех распознаваемых системой слов. Составление подобных словарей трудоемкий процесс, требующий экспертных знаний в фонетики и фонологии конкретного языка. Пример строки из словаря транскрипций:

скважина s k v aa zh y n ay

На следующем этапе языковая модель определяет априорную вероятность предложения в языке. Другими словами, модель даёт оценку, насколько правдоподобно появление такого предложения в языке. Хорошая языковая модель определит, что фраза Построй график дебита нефти более вероятна, чем предложение Построй график девять нефти.

Комбинация акустической модели, языковой модели и словаря произношений создает решетку гипотез все возможные последовательности слов, из которых с помощью алгоритма динамического программирования можно найти наиболее вероятную. Её система и предложит в качестве распознанного текста.


Схематичное изображение работы системы распознавания речи

Изобретать велосипед и писать с нуля библиотеку для распознавания речи было бы нецелесообразно, поэтому наш выбор пал на фреймворк kaldi. Несомненным плюсом библиотеки является её гибкость, позволяющая при необходимости создавать и модифицировать все компоненты системы. Кроме того, лицензия Apache License 2.0 позволяет свободно использовать библиотеку в коммерческой разработке.

В качестве данных для обучения акустической модели использовался свободно распространяемый аудио датасет VoxForge. Для преобразования последовательности фонем в слова мы использовали словарь русского языка, предоставляемый библиотекой CMU Sphinx. Поскольку в словаре отсутствовало произношение терминов специфичных для нефтяной отрасли, на его основе с помощью утилиты g2p-seq2seq была обучена модель графемно-фонемного преобразования (grapheme-to-phoneme), позволяющая быстро создавать транскрипции для новых слов. Языковая модель обучалась как на транскриптах аудио с VoxForge, так и на созданном нами датасете, содержащим термины нефтегазовой отрасли, названия месторождений и добывающих обществ.

Выделение смысловых объектов

Итак, речь пользователя мы распознали, но ведь это всего лишь строчка текста. Как объяснить компьютеру, что необходимо выполнить? Самые первые системы голосового управления использовали жестко ограниченный набор команд. Распознав одну из таких фраз можно было вызвать соответствующую ей операцию. С тех пор технологии в сфере обработки и понимания естественного языка (NLP и NLU соответственно) шагнули далеко вперед. Уже сегодня модели, обученные на больших объемах данных, способны неплохо понимать смысл, заключенный в том или ином высказывании.

Чтобы выделить смысл из текста распознанной фразы, необходимо решить две задачи машинного обучения:
1. Классификация команды пользователя (Intent Classification).
2. Выделение именованных сущностей (Named Entity Recognition).
При разработке моделей мы использовали библиотеку с открытым исходным кодом Rasa, распространяемую под лицензией Apache License 2.0.

Чтобы решить первую задачу, необходимо представить текст в виде числового вектора, который может быть обработан машиной. Для подобного преобразования использована нейронная модель StarSpace, позволяющая вложить текст запроса и класс запроса в общее пространство.


Нейронная модель StarSpace

Во время обучения нейронная сеть учится сравнивать сущности, так чтобы минимизировать расстояние между вектором запроса и вектором верного класса и максимизировать расстояние до векторов отличных классов. Во время тестирования для запроса х выбирается класс у, так чтобы:

В качестве меры схожести векторов используется косинусное расстояние:

, где
х запрос пользователя, у категория запроса.

Для обучения классификатора намерений пользователя было размечено 3000 запросов. Всего у нас вышло 8 классов. Выборку мы разделили на обучающую и тестовую выборки в соотношении 70/30 с помощью метода стратификации по целевой переменной. Стратификация позволила сохранить исходное распределение классов в трейне и тесте. Качество обученной модели оценивалось сразу по нескольким критериям:
Полнота (Recall) доля верно классифицированных запросов относительно всех запросов данного класса.
Доля верно классифицированных запросов (Accuracy).
Точность (Precision) доля верно классифицированных запросов относительно всех запросов, которые система отнесла к данному классу.
Мера F1 гармоническое среднее между точностью и полнотой.

Также для оценки качества модели классификации используется матрица ошибок системы. По оси y проставлен истинный класс высказывания, по оси x класс, предсказанный алгоритмом.
На контрольной выборке модель показала следующие результаты:

Метрики модели на тестовом датасете: Accuracy 92%, F1 90%.

Вторая задача выделение именованных сущностей заключается в идентификации слов и словосочетаний, обозначающих конкретный предмет или явление. Такими сущностями могут быть, например, название месторождения или добывающего общества.

Для решения задачи использовался алгоритм условных вероятностных полей (Conditional Random Fields), представляющих собой разновидность Марковских полей. CRF является дискриминативной моделью, то есть моделирует условную вероятность P(Y|X) скрытого состояния Y (класс слова) от наблюдения X (слово).
Чтобы выполнять просьбы пользователей, нашему ассистенту необходимо выделять три типа именованных сущностей: название месторождения, имя скважины и наименование объекта разработки. Для обучения модели мы подготовили датасет и произвели аннотацию: каждому слову в выборке был присвоен соответствующий класс.

Пример из обучающей выборки для задачи Named Entity Recognition.

Однако всё оказалось не так просто. У разработчиков месторождений и геологов довольно распространены профессиональные жаргонизмы. Людям не составляет труда понять, что нагнеталка это нагнетательная скважина, а Самотлор, скорее всего, обозначает Самотлорское месторождение. Для модели же, обученной на ограниченном объеме данных, провести такую параллель пока трудно. Справиться с этим ограничением помогает такая замечательная фича библиотеки Rasa, как создание словаря синонимов.
## synonym: Самотлор
Самотлор
Самотлорское
самое большое месторождении нефти в России

Добавление синонимов также позволило немного расширить выборку. Объем всего датасета составил 2000 запросов, которые мы разделили на трейн и тест в соотношении 70/30. Качество модели оценивалось с помощью метрики F1 и составило 98% при тестировании на контрольной выборке.

Исполнение команд
В зависимости от класса запроса пользователя, определенного на предыдущем шаге, система активирует соответствующий класс в ядре программного обеспечения. Каждый класс обладает как минимум двумя методами: методом, непосредственно выполняющим запрос, и методом генерации ответа для пользователя.

Например, при отнесении команды к классу запрос_график_добычи создается объект класса RequestOilChart, выгружающий информацию по добыче нефти из базы данных. Выделенные именованные сущности (например, название скважины и месторождения) используются для заполнения слотов в запросах для обращения к базе данных или ядру программного обеспечения. Отвечает ассистент с помощью заготовленных шаблонов, пробелы в которых заполняются значениями выгруженных данных.


Пример работы прототипа ассистента.

Синтез речи

Схема работы конкатенативного синтеза речи

Сгенерированный на предыдущем этапе текст оповещения пользователя выводится на экран, а также используется в качестве входа для модуля синтеза устной речи. Генерация речи осуществляется с использованием библиотеки RHVoice. Лицензия GNU LGPL v2.1 позволяет использовать фреймворк в качестве компонента коммерческого ПО. Основными компонентами системы синтеза речи являются лингвистический процессор, который обрабатывает подаваемый на вход текст. Производится нормализация текста: цифры приводятся к письменному представлению, аббревиатуры расшифровываются и т. п. Далее с помощью словаря произношений происходит создание транскрипции для текста, которая далее передается на вход акустического процессора. Данный компонент отвечает за выбор звуковых элементов из речевой базы данных, конкатенацию выбранных элементов и обработку звукового сигнала.

Собираем всё воедино
Итак, все компоненты голосового помощника готовы. Осталось лишь собрать их в правильной последовательности и протестировать. Как мы упоминали ранее, каждый модуль представляет собой микросервис. В качестве шины для связки всех модулей используется фреймворк RabbitMQ. Иллюстрация наглядно демонстрирует внутреннюю работу ассистента на примере типичного запроса пользователя:


Созданное решение позволяет разместить всю инфраструктуру в сети Компании. Локальная обработка информации является главным достоинством системы. Однако платить за автономность приходится тем, что собирать данные, обучать и тестировать модели приходится самостоятельно, а не использовать мощь топовых вендоров на рынке цифровых ассистентов.

В данный момент мы занимаемся интеграцией помощника в один из разрабатываемых продуктов.

Как удобно будет искать свою скважину или любимый куст с помощью всего одной фразы!

На следующем этапе планируется сбор и анализ обратной связи от пользователей. Также в планах расширение команд, распознаваемых и выполняемых ассистентом.

Описанный в статье проект далеко не единственный пример использования методов машинного обучения в нашей Компании. Так, например, анализ данных применяется для автоматического подбора скважин-кандидатов на геолого-технические мероприятия, целью которых является интенсификации добычи нефти. В одной из ближайших статей мы расскажем, как решали эту крутую задачу. Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить!

Сегодня мы поговорим о двух частных областях, где без моделирования не обойтись, и расскажем, как инженеры умеют разбираться в показаниях датчиков. Любая скважина это объект капитального строительства, как здание или завод, который требует капитальных вложений, планирования, периодического и капитального ремонта, и только при удовлетворении этих требований она сможет вернуть затраты на своё строительство и принести прибыль как в энергетическом, так и в денежном выражении. Жизнь скважины напрямую связана с периодически проводимыми на ней технологическими ремонтными операциями. Есть операции, как, например, спуск-подъём и замена труб или насоса, которые нуждаются только в наличии чёткого плана и соблюдении техники безопасности ремонтной бригадой. А есть операции особенные, требующие глубокой инженерной проработки и дополнительного моделирования, и без этих действий жизнь скважины может просто закончиться. А скважина, напомню это большое вложение средств и энергии.

Симулятор гидроразрыва пласта

Одной из самых важных на сегодня операций, проводимых на скважинах, является гидравлический разрыв пласта (ГРП). Суть гидроразрыва пласта в следующем. В скважину под большим давлением (до тысячи атмосфер!) закачивают специальную жидкость, похожую на желе (собственно, это и есть желе при его производстве используют пищевой гелеобразователь). Давление разрывает пласт, раздвигая слои породы. На той глубине, где обычно производится ГРП, породу проще раздвинуть в стороны, чем вверх, поэтому трещина получается почти плоская и вертикальная, при этом ширина её составляет считанные миллиметры или сантиметры. Затем вместе с жидкостью начинает подаваться пропант (иногда также пишут проппант, с двумя п и так, и так правильно) похожая на песок смесь крепких керамических гранул диаметром от долей миллиметров до миллиметров. Цель ГРП закачать нужное количество пропанта в пласт (а, точнее, в коллектор в ту часть пласта, где находится нефть) так, чтобы образовалась проницаемая область, соединённая со скважиной. Жидкость, конечно, утечёт в пласт, а пропант останется там, куда успел дойти. Низкопроницаемые месторождения (а сейчас почти все новые месторождения именно такие, все большие хорошие традиционные месторождения давно уже нашли и разбурили) бесполезно бурить обычными скважинами: проницаемость мала, и к маленькому стволу скважины нефть еле сочится. Можно, конечно, теоретически и скважину пробурить очень толстую, чтобы площадь стенок у неё была большая, но очевидно, что на практике это сделать нереально. А вот если сделать на скважине ГРП, то вокруг скважины образуется обширная, хорошо соединённая со скважиной трещина с большой площадью стенок. Нефть сочится так же медленно, как и раньше, но теперь скважина собирает её потихоньку с большой площади, и суммарный дебит получается хороший, и скважина экономически оправдана. Чтобы ещё увеличить площадь, с которой собирается одной скважиной нефть, скважины бурят горизонтально, и проводят ГРП несколько раз в разных местах горизонтального ствола.



Что тут может пойти не так, и зачем нужно моделирование? Во-первых, трещина может пойти не туда, куда нужно, и пропант может распределиться по ней не так, как нам бы хотелось. Месторождение могло разрабатываться уже давно, и часть слоёв породы уже обводнилась, насытилась водой, а, возможно, и с самого начала на месторождении нижние слои были водонасыщены. Если вдруг трещина пройдёт от скважины к водонасыщенным или газонасыщенным пластам и заполнится пропантом, то вместо части нефти скважина будет добывать воду или газ.

Во-вторых, пропант может застрять на входе в трещину, потому что жидкость, в которую он замешан, оказалось слишком маловязкой, или проницаемость пласта оказалась выше, чем вы планировали, и жидкость просто быстро утечёт, оставляя сплошной пропант, который, понятное дело, без жидкости отказывается двигаться. Тогда вся скважина окажется заполнена пропантом, и для её очистки потребуются дополнительные затраты на промывку.

Наконец, в-третьих, пропант может прокачаться дальше ствола скважины и потерять с ней контакт. Тогда хорошо проницаемая область хоть и будет создана, но со скважиной никак соединяться не будет, и тогда толку от её существования вообще никакого.



Как можно смоделировать то, что в скважине будет происходить при закачке под большим давлением жидкости и пропанта? Этим занимается специализированный софт под названием симулятор ГРП, который использует численную физико-математическую модель развития трещины. Разработка такого софта, как и разработка любого другого софта для численного моделирования физических процессов, требует одновременного участия физиков, математиков, программистов высокопроизводительных параллельных вычислений и программистов, умеющих создавать удобный интерфейс, потому что в конечном счёте симулятором ГРП будут пользоваться инженеры в болотах Западной Сибири, нещадно кусаемые комарами!

Программы, которые позволяют рассчитать ГРП, буквально по пальцам сосчитать, и все они, до недавнего времени, были сделаны только в одной стране мира и легко запрещались к продаже в России. Да, мы гордимся, что разработали и продолжаем развивать первый в нашей стране промышленный симулятор гидроразрыва пласта, РН-ГРИД. До нашей разработки не только мы, но и вся отечественная индустрия была вынуждена пользоваться только американским ПО, потому что другого, собственно, не было, а с 2014 года с покупкой этого ПО возникли проблемы (как говорится, не было бы счастья, да несчастье помогло). Сейчас РН-ГРИД не только полностью заменил всё аналогичное ПО внутри Роснефти, но и успешно продаётся сторонним компаниям.



Чтобы рассчитать трещину, нужна физико-математическая модель. Но какие физические явления должны быть включены в модель, а про какие можно забыть? Насосы на поверхности закачивают под давлением жидкость с замешанным в неё пропантом. Эта смесь поступает в трубу, под давлением и собственным весом спускается на глубину, по пути испытывая трение о стенки трубы, тормозясь из-за собственной вязкости и турбулентности, теряет часть своей энергии на перфорациях и, растачивая словно абразивом эти самые перфорации, поступает в трещину, продвигается по ней, раскрывая её всё шире и шире, прорывается в более слабые пропластки, застревает в узких местах и опускается вниз под действием гравитации, а потом отфильтровывается через стенки трещины во все стороны, оставляя пропант в трещине.



Движение смеси и раскрытие (а потом, после остановки закачки, и закрытие) трещины это всё единая задача, которая включает в себя и механику упругой деформации породы при раскрытии трещины, и гидродинамику движения смеси по трубам и внутри трещины, и множество частных задач вроде расчёта трения в трубах, распада желеобразного геля под действием специальной химии, торможение частиц пропанта друг о друга, растворение породы кислотой (если это не простой, а кислотный ГРП), прогрев жидкости породой и охлаждение породы жидкостью и ещё множество других эффектов. Оцените сами, сколько тут всего!



Таким образом, чтобы описать все эти процессы, нужно перебрать половину университетских учебников по физике и нехилую часть учебников по химии: механику сплошных сред и гидродинамику, термодинамику и динамику химических реакций. Описать мало, надо ещё и запрограммировать, и тут придётся обложиться учебниками по численным методам и думать, как дискретизировать задачу и не получить систему уравнений, не решаемую за осмысленное время. А потом засесть за мануалы Intel по процессорным инструкциям AVX2, чтобы ваш решатель систем нелинейных уравнений был лучшим в мире.

В итоге получится самый быстрый и самый навороченный в мире консольный exe-шник. Чтобы подать ему на вход все нужные данные, и красиво отобразить на выходе результаты расчёта, а потом еще и выгрузить их в отчет по нужной форме, понадобится ещё и такое удобное приложение, как пре-пост-процессор. Полевые инженеры, напомню, довольно суровые ребята, которые сидят ночами, интерпретируя графики и пересчитывая дизайны ГРП. Они всегда готовы высказать всё, что думают о режущем глаза шрифте или о кнопке в диалоге, которая уезжает за пределы экрана на старых ноутбучных мониторах 1024 на 768, которые ты, программист, развалясь в своём уютном офисе за парой 4К мониторов, забыл предусмотреть. А так как работа идёт и днём, и ночью, они тоже очень любят тёмную тему:



Нужно учитывать, что всё описываемое происходит на глубине нескольких километров, и всё, что видят инженеры при проведении ГРП это показания нескольких приборов на поверхности и иногда показания пары приборов, спущенных в скважину. Поэтому инженерам важно заранее запланировать с помощью модели то, что будет происходить, затем во время операции по показаниям приборов вовремя увидеть, идёт ли всё по плану, вовремя реагировать на нештатные ситуации, а после операции построить ретроспективную модель того, как ГРП был выполнен, чтобы полученную информацию можно было использовать на соседней скважине или на соседнем месторождении. Про показания приборов мы ещё скажем ниже, потому что этот модуль нужен на всех технологических операциях.

Симулятор операций с гибкой трубой

В хирургии с незапамятных времён привыкли к операциям, выполняемым через вену, а медицинские эндоскопы тоже давно и успешно используются для исследования и манипуляций со всякими внутренними органами человека. В нефтянке есть свой аналог этой операции это гибкая насосно-компрессорная труба (ГНКТ) меньшего диаметра, которая спускается внутрь обычной насосно-компрессорной трубы и позволяет выполнять разного рода работы, которые иначе выполнять сложно.



Как используют гибкую трубу? Основных вариантов два. Это может быть просто гибкая труба с открытым концом. Её спускают в обычную трубу, по которой до того осуществлялась закачка или добыча, и начинают через неё закачивать жидкость и газ. Но при этом хотят, чтобы они не уходили в пласт, а поднимались по трубе обратно. Посмотрите на схему, и вам станет понятна идея: в трубу 1 засунута труба 2, по трубе 2 подаётся жидкость и газ, а между трубой 1 и трубой 2 закачанные жидкость и газ поднимаются обратно на поверхность. Зачем это нужно? Например, если основная труба 1 была в результате предыдущей неудачной операции забита до половины пропантом, её таким образом можно промыть: пропант будет с обратным током жидкости и газа выноситься обратно на поверхность это называется промывка ствола. Например, если соединение скважины с пластом забилось и плохо пропускает нефть, можно закачивать вместе с жидкостью больше азота, тогда пластовое давление жидкости само прочистит призабойную область. Управляя давлением на входе в трубу 2 и на выходе из трубы 1 можно добиваться, чтобы циркулирующая жидкость не уходила в пласт, потому что нам нужно промыть скважину а можно, чтобы, наоборот, уходила, если мы закачиваем кислоту, чтобы подрастворить породу или нежелательные загрязнения вокруг скважины.

Второй вариант ещё проще на низ трубы 2 насаживается какой-нибудь ёршик инструмент, например, фреза с приводом от потока закачиваемой жидкости, и с её помощью, например, рассверливается какое-нибудь препятствие в трубе 1. В любом случае, это тонкая гибкая металлическая труба, которая разматывается с катушки на машине и спускается в ту трубу, которая уже спущена в скважину. Вот на картинке и катушка с трубой, и кран, и характерная гусиная шея (так называемый гузнек) для того, чтобы не перегибать трубу слишком сильно, направляя в скважину.



Мы в нашем институте сейчас разрабатываем наше ПО для проведения расчётов различных операций, производимых через гибкую трубу РН-ВЕКТОР. Угадаете, где сделан массово применяемый на просторах РФ аналог, который сейчас приходится использовать инженерам?

Что здесь нужно моделировать? Во-первых, нагрузки на гибкую трубу. Её будут спускать в другую трубу, она будет там тереться о стенки, и сначала её нужно будет заталкивать с дополнительным усилием, а потом наоборот, удерживать. Но даже когда в скважину будет спущено 2-3 километра трубы, все эти 2-3 километра будут находиться в очень разных условиях: верхняя часть будет висеть и под собственным весом растягиваться, а нижняя часть, ушедшая в горизонтальный ствол, будет лежать и стараться застрять. Соответственно, важно рассчитать, чтобы нигде и не застряло, и не порвалось. Расчёт разнообразных нагрузок в соответствии с весом гибкой трубы и её трением о стенки основной трубы, гулянием трубы по спирали и механическими свойствами стали это первая часть любого такого продукта.

Во-вторых, гидравлика. На входе в гибкую трубу одно давление, которое теряется сначала при движении жидкости по намотанной на бобину трубе, потом теряется при движении по гибкой трубе вниз, превращается в какое-то давление внизу. Если вдруг внизу окажется давление больше, чем в пласте, жидкость будет уходить в пласт, теряться, вместо того, чтобы уходить наверх между трубами 1 и 2 на рисунке выше. Уважаемый мастер бригады Иван Иванович, скажет рабочий бригады ГНКТ, несомненно, мы наблюдаем потерю циркуляции, как Вы считаете?. Если наоборот, окажется меньше, то из пласта будет сквозить нефть, а мы же ремонт на скважине делаем, а не добычей занимаемся. Так что симулятор этой технологической операции должен уметь правильно рассчитывать все перепады давления. Кстати, а давление в гибкой трубе обратно влияет на её нагруженное состояние.



В-третьих, вынос частиц. На рисунке выше представьте себе взбаламученный песок на дне скважины: будет ли он потоком жидкости подниматься наверх, или скорости потока не хватит, и он будет падать обратно вниз? А если закачивать жидкость вместе с азотом азотный пузырь быстрее воду наверх выталкивает, особенно расширяясь на пути снизу вверх, но при этом сам песок выносить не может. Как много взбаламученного песка можно вынести наверх и при этом не уронить пачку? Нужен расчёт, причём с разными режимами течения.

В-четвертых, нужен учёт усталости трубы. Гибкая труба распрямляется с барабана, снова сгибается на гузнеке, потом снова распрямляется на входе в скважину а потом всё в обратном порядке. Трубу то спускают, то поднимают, соответственно, какие-то её части сгибаются больше, какие-то меньше. Сталь трубы рассчитана на определённую накопленную усталость, и нужно от работы к работе рассчитывать очередную добавку усталости каждого метра трубы и хранить этот профиль в базе данных. Вот как выглядит этот профиль, после определённого числа работ:



Да, конечно, дефектоскоп никто не отменял, и он возможные нарушения в трубе найдёт и покажет, но проверять на нём трубу после каждой работы технически невозможно или очень дорого.

Графики, графики, графики!

Всё железо, используемое что во время операции с гибкой трубой, что во время операции гидроразрыва пласта, обвешано датчиками, где-то больше, где-то поменьше. Во время операции все данные, конечно же, записываются в файл или в базу данных, но параллельно инженерам нужно настроить себе удобный внешний вид для всех показателей, чтобы и глаза не резало, и все показатели были на виду.



А вот после окончания операции файл с данными импортируется, и все графики отображаются и вдумчиво анализируются, и не важно, была это работа с гибкой трубой или гидроразрыв пласта. А когда программисты и инженеры отдыхают, они берут свой любимый софт и загружают в него телеметрию любимого квадрокоптера (потому что никакой другой известный софт почему-то не работает так классно с длинными рядами данных):



Но мы отклонились от темы. Вот, например, как может выглядеть в том же самом софте записанная операция ГРП:



Смотрит грамотный инженер на эти графики, и вся картина произошедшего разворачивается перед ним, как линии судьбы на ладони. В точке 1 началась закачка, и забойное давление (давление внизу скважины) начинает резко расти с точки 2 до точки 3, пока, наконец, при давлении 380 атмосфер не открывается трещина гидроразрыва. Обратите внимание, что давление внизу у скважины так и останется почти постоянным, пока трещина будет расти вплоть до точки 11. Кстати, когда трещина открывается при 380 атмосферах, на поверхности манометр показывает более 500 атмосфер в точке 4. Давление в трещине остаётся почти постоянным, а на поверхности показания манометра падают из точки 4 в точку 5. Инженер и глазом не поведёт: он отлично знает, что это почти вода в скважине замещается на тот самый гель, и потери давления на трение в трубе падают именно на разницу между точками 4 и 5. Пытливый инженер даже измерит наклон линии от точки 4 к точке 5, и получит таким образом отношение коэффициентов трения у жидкости, которая была в скважине и которая туда поступает.

В точке 6 начинает подаваться пропант, и смотрите как сразу в точке 7 начинают падать показания манометра на поверхности это столб жидкости в скважине из-за пропанта становится всё тяжелее и тяжелее. В точке 8 до точки 9 в скважину подбавили понизитель трения, чтобы пропант не слишком сильно тормозился о стенки трубы. В точке 10 перестали подавать пропант, он перестал под своим весом проваливаться в скважину, и поэтому сильнее приходится давлением его продавливать в трещину, устьевое давление возрастает до точки 11. А там насосы выключают, и давление мгновенно падает к точке 12, и там уже начинает медленно снижаться по мере того, как из трещины гидроразрыва утекает жизнь жидкость, и она постепенно закрывается.

Все эти графики дают множество информации инженеру, который не может видеть явно, что там происходит на глубине, но благодаря знаниям, может не только качественно оценить то, что происходит, но и количественно оценить многие показатели. Намеренно оставим за скобками то, что называется анализы тестовых закачек, где к этим графикам прикладывают всякие хитрые линейки и с их помощью вычисляют многие неизвестные параметры пласта. Думаю, и так понятно, насколько обширное поле деятельности для математиков, физиков, программистов и технарей всех мастей представляет собой разработка инженерного ПО!

Во время гражданской войны в США, между Севером и Югом, европейцы заимели обыкновение засылать туда своих легальных информаторов с вполне конкретными задачами наблюдать за новинками в военном деле, с официальным статусом военных наблюдателей, и в их число попал и 25 немецкий лейтенант Фердинанд фон Цеппелин.

Его положение давало ему возможность эти самые новинки, что называется, потрогать руками, и однажды любезные местные военные предложили ему вместе с ними пойти в разведку. А в разведку они ходили, поднимаясь в небо на аэростате, который толстым канатом были привязан к земле, и свысока обозревать перемещение вражеских войск.

Это событие не просто изменило жизнь самого графа фон Цеппелина, но и изменило историю воздухоплавания. Можно сказать, произошло именно то, без чего история не меняется она, история, должна была выбрать того самого человека на Земле, без которого изменения были бы невозможны, и выбор её пал очень удачно.

Заметим, что к тому моменту, когда граф поднялся в воздух над долиной Миссури, Анри Жиффар уже поднял в воздух свой дирижабль, управляемый воздушный шар, и Цеппелину, человеку образованному и любознательному это, разумеется, было известно (об этом невозможно было не знать, дирижабль Жаффара обсуждала много лет вся Европа), но нашему герою понадобилось самому один раз подняться в небо, чтобы навсегда и безнадежно заболеть воздухоплаванием.


Анри Жиффар и его детище, названное им дирижабль.

Потому что с того самого момента юный граф буквально захвачен этой темой он становится лучшим разведчиком в прусской армии во время франко-прусской войны, добывая сведения своими наблюдениями сверху, он бомбардирует свое начальство рапортами и соображениями о том, как важны в военном деле воздухоплавательные аппараты и он постоянно занимается ими, создает проекты, обдумывает узлы и крепления, экспериментирует с материалами и двигателями.

Ученые, однако, относятся к его затеям очень холодно, а сослуживцы и вовсе смеются над ним, признавая, однако, что во всем остальном, не считая этого заскока, фон Цеппелин славный малый и отличный вояка.

Но сам Цеппелин с мечтой не расстается. Наконец, его воинская служба (он уже генерал-лейтенант) закончена, пора на покой, небольшая пенсия и доходы с родовых поместий позволяли вести спокойную жизнь и расслабленно выращивать гладиолусы, но наш герой предпочел иное хобби выращиванию ирисовых он решил, что 52 года отличный возраст, чтобы, наконец-то, целиком отдаться тому, о чем он мечтал целых 27 лет воздухоплаванию.


Подготовка воздушного шара для разведки. Кажется, впервые этот вид наблюдения за передвижением вражеских войск был использован во время гражданской войны в США, инженером-самоучкой венгерского происхождения Тадеушем Лоу. Граф Цепплин пользовался подобным.

Фон Цеппелин мечтал о той гигантской роли, которые дирижабли должны были бы сыграть в деле изучения неизведанных Африки и Арктики, а знакомство с фон Штефаном, основателем всемирного почтового союза, убедило его в том, что в мире есть огромный запрос на перевозки, в первую очередь перевозки почты, что сделало бы его воздухоплавательные проекты коммерчески оправданными.

Но нам придется сделать полшага назад, в историю этого спорта (тогда оно рассматривалось исключительно как спорт, и о применение этого хобби к делу мало кто задумывался), которая, пожалуй, началась с братьев Жозефа-Мишеля и Жака-Этьена Монгольфье, совершивших первый полет на воздушном шаре в 1783 году.

Их первенство оспаривается, но никаких иных достоверных сведений о полете человека на воздушном шаре в истории нет, а вот о первом полете китайских фонариков с установленной внутри бумажной оболочки свечкой есть, это случилось в 1306 году при дворе китайского императора Тэмура (из монгольской династии Юань), где народ поразили зрелищем летящих шаров.

Братья Монгольфье тоже использовали силу теплого воздуха, сжигая влажную солому под тканевой оболочкой. Судя по описанию того, как они шли к поиску своего решения, ни о китайских фонариках, ни об очень схожих экспериментах бразильца Гусмана в Португалии они ничего не знали.


Дирижабль жесткой конструкции Цеппелин-II

Полет человека над землей настоящий триумф науки и старт к новым свершениям, и история воздухоплавания быстро пополняется и новыми идеями, и новыми подвигами: использование водорода, перелет через Ла-Манш

Правда, во всех конструкциях был серьезный недостаток: они были неуправляемы и зависели от силы и направления ветра.

И французский математик и генерал (как часто уживались разные сущности в одном человеке в те годы!) Жан-Батист Мёнье решил эту проблему, создав проект уже не воздушного шара, а дирижабля (приводить в движение его должны были бы 80 велосипедистов силой мышц), но Мёнье умер, не успев его осуществить.

А вот упомянутый уже нами Анри Жаффар в 1852 году совершил первый управляемый полет на устройстве, которому именно он и придумал название дирижабль (с фр. управляемый), и перемещался он не силой мускулов, а посредством парового двигателя.

Правда, у конструкций Жаффара и его последователей был существенный недостаток: паровой двигатель был тяжел и развивал недостаточную, для преодоления силы ветра, мощность (у Жаффара 3 л.с.) и настоящее освоение воздуха началось вместе с повсеместным использованием двигателей внутреннего сгорания.


Альберто-Сантос Дюпон, облетающий на своем дирижабле Эйфелеву башню

Считается, что первым успешным использованием двигателя внутреннего сгорания на дирижабле стал полет француза Дюпона, облетевшего Эйфелеву башню, в 1901 году, однако в тот момент сложно уже понять, кто впереди дирижаблями увлеклись в Британии, России (отличные проекты Циолковского и Сикорского), Америке и, конечно же, в Германии, где граф фон Цеппелин вовсе не был одинок. Его соотечественник Шварц в 1897 году создает новинку дирижабль жесткой конструкции (до этого, да и после, даже сейчас, в ходу многочисленные мягкие варианты с оболочкой из специальный тканей). Оболочка у этого дирижабля алюминиевая, внутри её спрятаны баллонеты с водородом.

В том же году Шварц умирает, и фон Цеппелин выкупает у вдовы его патенты, отныне все дирижабли Цеппелина, или, как скоро начнут их называть, цеппелины, будут дирижаблями жесткой конструкции, с алюминиевыми корпусами.

Граф не беден, но строительство дирижаблей требует очень больших средств, личных денег ему не хватает, и он организовывает акционерное общество, кроме того, финансовую поддержку его начинаниям оказывает немецкий союз инженеров. В 1900 году его первый дирижабль построен, фон Цеппелин сам отправляется в полет, но несколько успешных полетов закончились поломкой аппарата, и для его ремонта и восстановления потребовались такие деньги, которых у Цеппелина не было.


Постройка дирижабля на заводах Цеппелина

Несколько лет граф провел в поисках новых инвестиций увы, ничего не получалось: союз инженеров не располагал такими суммами, понимания и помощи у промышленных тузов Цеппелин не нашел общественное мнение явно было не на стороне летающих монстров, идея дирижаблей не проникла в общественное сознание, в газетах публиковали фельетоны и карикатуры на самого графа и на его детище.

Наконец, над бывшим адъютантом своего отца сжалился король Вютембергский, выделив ему небольшую сумму впрочем, любая сумма для фон Цеппелина была значима. В 1905 году появляется вторая модель его дирижабля, и судьба его тоже будет печальна: фон Цеппелин совершит вынужденную посадку для ремонта мотора, а налетевший ураганный ветер разобьет конструкцию (это драматическое происшествие, свидетелем которого он станет, ярко опишет в своих мемуарах будущий авиаконструктор, а тогда 20-летний студент Эрнст Хейнкель).

Газеты снова злословят, и удрученный фон Цеппелин однажды приходит домой к злостному своему критику, журналисту Хуго Эккенеру вот счастливый случай, кто бы мог подумать, что из этой встречи, которая вполне могла бы закончится дуэлью, выйдет такой замечательный союз двух выдающихся людей?


Граф Цеппелин (слева) и Хуго Эккенер (справа) перед запуском очередного дирижабля

Об Эккенере все без исключения, в том числе и его враги, пишут как о человеке умном и благородном, мы же обратим внимание на такую непопулярную сейчас модель поведения, как умение слушать доводы собеседника и не выдумывать возражения, а понимать и принимать их.

Так или иначе, эта их встреча с Цеппелином заканчивается тем, что с 1905 года Эккенер входит в команду дирижаблестроителей, и именно этому историку, психологу и журналисту суждено будет сыграть великую роль в расцвете воздухоплавания.

Меж тем строится новый воздушный корабль, для изготовления которого фон Цеппелин закладывает родовые имения и всё свое состояние финансовой помощи ждать неоткуда, а ждать 68-летний граф больше не может и не хочет, он не настолько юн, чтобы тянуть с делом.

Если бы и с этой его моделью что-то пошло бы не так, то фон Цеппелин, граф и генерал-лейтенант, остался бы нищим, но все сложилось так, как это бывает в сказках: именно третья его модель стала не просто успешной, а она покорила мир (а до покорения мира, что важно с финансовой точки зрения, растопило лёд в отношениях с военным ведомством, которое закупит сначала этот аппарат, потом закажет еще три, а после уж заказы посыпятся массово).

В 1909 году заказов было уже так много, что создана была компания Luftschiffbau-Zeppelin Gmbx, быстро ставшая законодателем мод в мире, а чуть позже и компания DELAG, которая занялась пассажирскими перевозками.


Самая популярная из моделей дирижабля, LZ-127 Graf Zeppelin

К началу войны цеппелины совершат уже 1588 полетов, перевезут больше 34 тысяч пассажиров и сотни тонн грузов, в основном, как и планировал когда-то сам граф почту. Тон газетных статей давно переменился (и не только благодаря пиару Эккенера дела говорили за себя сами), фон Цеппелина больше не ругали за ослиное упрямство а превозносили его настойчивость в достижении цели и ставили молодежи в пример то, как он просто и одновременно патриотично объясняет свою последовательность на пути к успеху: Я же немец.

Во время первой мировой работы у концерна Цеппелина сильно прибавилось: было выпущено около ста дирижаблей, а Эккенер станет главным инструктором по подготовке летного состава.

Описывать ужасы войны мы не станем, скажем только, что в те времена, когда никакого ПВО не существовало, а винтовая авиация была далека от совершенства, дирижабли господствовали в воздухе. В отличии от самолетов, они могли поднимать в воздух тонны бомб и обрушивать их на противника с большой точностью (хотя ни приборов бомбометания, ни авиабомб не существовало).

Атака дирижабля на Лондон, в результате которой погибло 22 человека, вызвала настоящий шок, о бомбардировке Антверпена писали, что город был уничтожен, но куда важнее итогов разрушения была деморализация противника, который не мог ничего противопоставить налётам.


Каюты дирижаблей Цеппелин. Комфорт, который раньше был доступен разве что на морских лайнерах

В 1917 году 78-летний граф Фердинанд фон Цеппелин умирает в расцвете славы и влиятельности, и на посту директора концерна его сменяет доктор Хуго Эккенер.

Вскоре война заканчивается, Германия терпит поражение, и Версальский мир не просто капитуляция, согласно ему, Германия получает ряд ограничений и запретов, которые касаются, помимо прочего, запретов на производство дирижаблей больших размеров. Кроме того, Германия обязана была передать странам-победителям множество военной техники, в том числе и все дирижабли. Иметь регулярную армию ей было запрещено, таким образом, заводы Цеппелин лишились своего главного заказчика.

Эккенер, который всегда считал, что дирижабли корабли мира, а не войны, рьяно берется за развитие пассажирских перевозок, но договор о дирижаблях настигает компанию в 1921 году строить большие дирижабли запрещено, все имеющиеся ранее суда репатриированы, и Эккенер проявляет чудеса изворотливости, пытаясь удержать завод во Фридрихсхафене и пассажирскую компанию от банкротства одно время завод даже производит (и не без успеха) кухонную утварь из алюминия вместо дирижаблей.


Еще немного интерьеров дирижабля. Справа кают-компания

Он ухитряется организовать совместное предприятие с американским гигантом Goodyear и строит дирижабли во Фридрихсхафене для США это в Германии их использовать нельзя, зато совместное предприятие законно эксплуатирует эти суда в Штатах.

В 1926 году соглашения в Локарно сильно смягчают для Германии условия Версаля, и заводы возвращаются к производству дирижаблей (не станем описывать, каких трудов стоило Эккенеру найти деньги на возобновление масштабного производства), и в 1928 году в воздух поднимается самая совершенная из моделей компании, названная, в честь основания, Graf Zeppelin.

Годом позже Эккенер совершит на нем кругосветное путешествие, ставшее сенсацией, но Граф Цеппелин вовсе не рекламное создание он воплощает мечту своего создателя, совершая регулярные трансатлантические рейсы (сам Эккенер зачастую с удовольствием стоит у штурвала).

В 1931 году в Фридрихсхаффене заложен Гинденбург самый большой воздушный корабль в истории, он будет строится целых 6 лет (совершенствованию нет предела) и станет любимым детищем концерна и его лебединой песней

Но до конца эпохи дирижаблей еще далеко, в Германии все громче и все отчетливее заявляет о себе фашизм, и Эккенера увлекает политика он один из весьма немногих людей нет, не только в Германии, но и в мире понимающих еще тогда, во что может превратить страну и мир эта идеология.


Дирижабль Гинденьург, крупнейшее воздушное судно в истории, отправляется в полет

Эккенер необыкновенно популярен в Германии и выдвигается на пост президента (многие пророчат ему успех), однако, узнав, что фельдмаршал Пауль фон Гинденбург готов участвовать в выборах, снимает свою кандидатуру в его пользу.

Собственно, с этого момента Гитлер и его компания, пришедшая в итоге к власти, начинают отжимать компанию у частных владельцев. Самого Эккенера только прямое заступничество Гинденбурга спасает от ареста.

Пассажирскую компанию министр авиации Геринг принудительно подчиняет государству, её руководителем назначен лояльный нацистам Леманн, дирижабли активно использует в рекламных целях нацистская партия, что вызывает резкие разногласия между Эккенером и Леманном.

В середине 30-х Эккенер фактически отстранен от всех дел в компании, его постоянные споры с Леманном о мерах безопасности злят Геринга и тот твердо знает, кто на самом деле прав собственно, Эккенер отстранен от всего, от чего его только можно отстранить. Он занимается прокладкой новых коммерческих линий за пределами Германии (вроде почтово-пассажирской линии Амстердам Батавия), изучением условий полетов в Индии и рейсами в Южную Америку, а с 1935 года его уже отстраняют от дел полностью, он находится под надзором гестапо и из страны больше не выезжает.

Даже от работы над завершением создания своего детища, дирижабля Гинденбург (оно будет закончено в 1936-м) Эккенер отодвинут.


Хуго Эккенер и его детище

Неизвестно, что было бы с дирижаблестроением и концерном Цеппелин дальше, но в дело вмешался случай: самый большой, оборудованный по последнему слову техники, новейший дирижабль Гинденбург, совершая полет из Берлина в Нью-Йорк, трагически сгорел при приземлении, водород, наполнявший его, вспыхнул, как факел.

К тому моменту уже был известен негорючий гелий, его добывали тогда только в США, но гелий считался веществом, который можно использовать в военных целях, и санкции запрещали его поставку в Германию.

В момент трагического приземления на дирижабль были направлены несколько фотокамер, а одна из радиостанций вела прямой репортаж о прибытии воздушного корабля новость мгновенно облетела мир.

Из 97 человек, находившихся на борту, погибли 35 и еще один сотрудник наземной службы. Среди погибших был и Леманн.

После этой катастрофы популярность дирижаблей не просто снизилась, она мгновенно исчезла.

На земле еще строились здания, которые были в обязательном порядке увенчаны шпилями казалось, что дирижабли вот-вот заполонят планету, и шпили планировались в качестве причальных мачт, художники рисовали картины будущего, где небо было заполнено этими летающими китами, но весь мир уже отвернулся от дирижаблей.

Завод в Фридрихсхаффене был перепрофилирован, в годы войны там начали производить корпуса ракет для ФАУ, и союзники разбомбили его.


Гибель дирижабля Гинденбург, ознаменовавшая окончание эпохи воздушных монстров

Собственно, на этом история заводов Цеппелин заканчивается.

Остается разве что добавить, что Хуго Эккенер пережил войну и так и не подвергся репрессиям, после войны занимался журналистикой и даже политикой, развернув свой родной город Фленсбург, который хотел было войти в состав Дании.

История дирижаблей прервалась, но, надеюсь, не закончилась, потому что даже с учетом катастрофы Гинденбурга и доминирования самолетов, дирижабли, уверен, вовсе не сказали своего последнего слова.

Автор: Александр Иванов

---

Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

Моя бабушка жутко не любила поездки железной дорогой. Паровозы не вызывали у неё доверия, вели себя явно подозрительно и откровенно угрожающе. С большим трудом моему отцу удавалось её посадить в вагон, когда это на самом деле было необходимо. Отец же, за всю свою жизнь исколесив в командировках почти весь союз, провёл в вагонах чистого времени что-то около года или больше, но каждый раз неимоверных душевных усилий стоило ему подниматься на борт самолёта. Я летаю, не замечая в них принципиальных отличий от городской маршрутки и уж точно не переживаю по этому поводу. Рискну предположить, что будь сейчас пассажирский коммерческий космос массово доступен, моим детям или внукам не будет стоить каких-то душевных усилий сгонять на выходные в лунную колонию и обратно, но я сам никогда в жизни не полезу ни во что, что летит за пределы атмосферы Земли. Нормальный, эволюционный ход истории. Потомки должны быть лучше предков, иначе человечество деградирует.

В IT наблюдается схожая тенденция, если брать за критерий меру, так сказать, обыденности технологий, их интеграцию в ежедневные социальные взаимодействия. Персоналки начали своё победное шествие в народ в эпоху, когда вычтехника была уделом учёных, инженеров и кучки маргиналов-нёрдов. Всех их уже объединял инженерный и творческий подход, а персоналкам пришлось туговато поколение наших родителей воспринимало их и тогда и сейчас как какие-то чёрные ящики, над которыми надо проводить точно выверенные шаманские ритуалы для получения нужного результата. Творческому любопытству тут места нет если нужный значок или кнопка отсутствует в указанном инструкцией месте на экране, но оказываются сдвинуты немного в сторону наступает вполне понятная паника и желание беспокоить техподдержку, генерируя тонны соответствующего фольклора в стиле

(испуганно) у меня пропали панельки!
(устало) нажмите контрол-о
(радостно) ой а теперь у меня панельки мерцают!
(устало) отпустите контрол-о

Я полагаю, что в этой отрасли граница между поколениями пролегает там, где исчезает очевидность технических решений. Например, выбор элемента в ListView делается двумя кликами мышки, а нажатие кнопки одним. Мы привыкли к этому. Это наверняка результат какого-нибудь исследования в области эргономики интерфейсов родом из Microsoft или Apple или может быть даже ещё из PARC. Но попробуйте объяснить своей маме в чём же разница Люди, не то чтобы далёкие, а, скажем так, неблизкие к IT, часто подозревают нас в каких-то магических способностях, когда мы, подойдя к заведомо незнакомой (но очевидно склёпанной на каком-то одноплатнике или микроконтроллере), железке с кнопками и экраном, разбираемся в ней существенно быстрее простых смертных. Но никакой магии здесь нет, конечно просто для нас workflow устройства более очевиден и интерфейс как правило разработан именно так, как придумали бы его мы сами. Поэтому и всё сразу понятно.

Промежуточный дисклеймер: всё вышесказанное, как обычно в моих статьях в стиле поболтать, заведомо страдает от множества упрощений и допущений ради краткости последующего изложения основной мысли.

Пока что всё вышеописанное отражает мою собственную, идеализированную и немного упрощённую картину мира, сложившуюся в то время, когда я сам ещё более-менее относился к поколению нынешнему. Но годы идут и вот я, уже преподаватель ряда IT-дисциплин в двух ведущих столичных университетах, работаю со студентами. Студенты бывают разные, целый спектр от энтузиастов до пофигистов, от тех, кто пришёл просидеть штаны 5 лет потому, что так принято, до тех, кто всерьёз намерен получать полезные отраслевые знания и навыки. Первых почему-то больше, и это очень печально, потому что конкурс на эту специальность в этом вузе довольно высокий и попасть сюда требует усилий.

И вот в процессе рутинной работы я в последнее время стал замечать пугающие меня явления. Происходит что-то такое, для чего на ум приходят названия вроде хроническое нелюбопытство. Поясню на примере. Студенты выполняют цикл лабораторных работ на языке по выбору, но как правило это C# или java, редко python. К небольшому формальному отчёту в электронной форме требуется также приложить архив из всех существенных исходников, чтобы я мог запустить и проверить их у себя. Казалось бы, фраза приложите архив исходников не должна ни у кого вызывать непонимание? Когда речь идёт о C# то для пущей понятливости я говорю им приложите архив вашего solution. Тут можно что-то понять не так? Оказывается, ещё как можно.

Помните древний айтишный анекдот доинтернетовских времён про командировочного, которого отправили с дискетой в другой город скопировать какой-то нужный его фирме софт. И который привёз на этой дискете один LNK-файл со ссылкой на этот софт. Вы думаете, такое только в анекдотах бывает? Как бы не так. Сейчас конец семестра, у половины студентов половина лабораторок ещё не сдана, и хотя я в сентябре умолял их не откладывать, чтобы потом не разгребать по 30+ работ со всего потока каждый вечер, они именно это и делают.

И вот, нашёлся один талант, который судя по текстовой части отчёта и скриншотам, сделал очередные три лабораторных работы грамотно и правильно, ничтоже сумняшеся присылает архив, внутри которого да, вы правильно угадали находятся три сиротливых SLN-файла. Я его спрашиваю, мол, уважаемый коллега, а вы вообще знаете, что такое SLN файл и для чего он нужен? А он и отвечает, что там находятся те самые требуемые исходные коды его лабораторок. Когда же я сказал, что исходных кодов там нет, ответ студента был в стиле ну раз вы так говорите, то я всё исправлю. То есть даже тогда, когда преподаватель очевидно зацепился за это конкретное место, у студента не возникло мысли самостоятельно залезть в этот злосчастный файл и лично выяснить, что же с ним не так. Тут становится сначала смешно, а потом не очень, когда таких талантов набралось ещё человека четыре и все, на первый взгляд, умные ребята, задних не пасут, академически не отстают и всё такое.

Значит, проблема хронического нелюбопытства имеет системный характер. Когда мне было лет 10, я создал свой первый в жизни экзешник в Turbo Basic, будучи вне себя от счастья по поводу того, что можно, оказывается, компилировать писать программы, не привязанные к среде разработки, а выполняемые непосредственно. И тут же полез смотреть, что же там внутри. Ещё ничего не понимая из увиденного, я всё же заметил, что там есть сигнатура в начале, какие-то текстовые строки в конце и что сам машинный код выглядит неравномерно. То есть, инженерное любопытство по поводу того, как устроена сложная система под капотом, даже если релевантных знаний около нуля, я считал чем-то естественным для любой человеческой особи. Ну, если не любой вообще, то для любой поступающей в университет на факультет IT по специальности программная инженерия. Ну кто в детстве не пытался разобрать какую-нибудь механическую игрушку и посмотреть, что там внутри?

Так вот, пожалуйста, имеем будущую интеллектуальную и технологическую элиту страны, для которой сама идея заглянуть внутрь произвольного файла и посмотреть, что там и можно ли это как-то понять-трактовать-поправить оказывается, является далеко не очевидной! Даже при том, что SLN-файл текстовый, а не бинарный.

Кстати, отличие текстового файла от бинарного для них тоже не очевидно, и это, увы, более массово чем нежелание смотреть внутрь. Не в том смысле отличие, что любой файл это последовательность байт, нет. А о том, что файлы бывают более человеко-читаемые и более машино-читаемые у них тоже нет никакого понятия. У людей, которые, вроде бы как выбрали стезю разработчика. Внезапно, появилось поколение будущих IT-шников, для которых файл стал базовой семантической единицей информации!

А ведь это не первый и не второй курс, и многие из них уже трудоустроены по специальности и весьма успешны на своих работах. Что происходит? Встречались ли вам похожие явления? Или это у меня уже синдром раньше трава была зеленее? Дискасс.