Книги
Окрик памяти. Книга третья
ЗАСЛУГИ АКАДЕМИКА Л.С. ЛЕЙБЕНЗОНА
В 1979 году общественность страны, в первую очередь специалисты нефтяной промышленности, отмечали столетие со дня рождения академика Леонида Самуиловича Лейбензона (1879–1951) – выдающегося российского ученого. Его основные научные труды, а их насчитывается более 100, имели непосредственное отношение к проблемам нефтепромысловой механики. На них, а также на его учебниках выросло не одно поколение инженеров-нефтяников и научных работников. Достаточно назвать такие классические монографии как «Нефтепромысловая механика», «Гидравлика», «Курс теории упругости», «Подземная гидрогазодинамика» и др. В студенческие годы, которые пришлись на начало 1950-х годов, мне в курсовых и дипломной работах не однажды приходилось обращаться к этим публикациям. До сих пор храню в своей библиотеке трехтомное наиболее полное собрание сочинений ученого, изданное Академией наук СССР в 1951 – 53 годах.
Столетнему юбилею Л.С. Лейбензона в Баку в Азербайджанском институте нефти и газа были посвящены лейбензоновские чтения и выпуск журнала «Нефть и газ. Известия ВУЗ» (№6,1979). Мне довелось участвовать в этом памятном для меня событии и выступить с докладом «Динамика бурильной колонны в трудах академика Л.С. Лейбензона». Текст выступления был опубликован в упомянутом журнале. Памятным оно оказалось потому, что в Баку мне приходилось часто бывать со студенческих лет, когда я проходил там практику, а также в последующие годы по служебным делам. Более того, в 1970 году в этом же институте я защитил докторскую диссертацию по теме, близкую к теме доклада.
Спустя 12 лет, в 1991 году, будучи в Москве, я посетил любимый мною магазин «Академкниги». Тогда он размещался на Тверской улице. В те годы мне доставляло удовольствие коллекционировать очередные выпуски академической «Научно-биографической серии (естествознание и техника)», в которой публиковались жизнеописания выдающихся ученых России и мира. О популярности этой серии можно судить по такому знаменательному факту. С начала издания серии в 1959 году к нашему времени издано более 300 книг. Очередное посещение магазина ознаменовалось приобретением книги А.Н. Боголюбова и Т.Л. Канделаки «Л.С.Лейбензон» (илл. 210). Она вышла к 40-летию со дня кончины ученого. По возвращении в гостиницу просмотрел ее страницы и с изумлением обнаружил, что авторы не только не забыли мое выступление на лейбензоновских чтениях, но и дали со ссылкой на мою публикацию в журнале доброжелательный анализ доклада. Когда в Москве твое имя, имя провинциального профессора, не забывают – это событие не только приятно, но и ответственно, и вынуждает меня напомнить читателю краткую биографию и некоторые заслуги академика, которому я обязан в своем становлении как научного работника и преподавателя высшей школы.
Л.С. Лейбензон родился в Харькове в семье врача. В 1901 году окончил курс обучения на физико-математическом факультете Московского университета. По совету знаменитого профессора МВТУ Н.Е. Жуковского молодой ученый поступил на второй курс инженерно-механического отделения МВТУ и по завершении учебы получил звание инженера-механика. Преподавал в Московском и Юрьевском университетах, читал курс «Сопротивления материалов» в Тбилиси, а с 1921 года работал в Баку в политехническом институте, занимая должность декана нефтепромышленного факультета. Здесь он организовал гидронефтяную лабораторию, и свои научные интересы целиком посвятил проблемам добычи нефти и подземной гидравлики. Ученый впервые установил общие уравнения движения жидкости и газов в пористой среде.
Итоги исследований непрерывно публиковались в журнале «Азербайджанское нефтяное хозяйство». По возвращении в Москву Лейбензон преподает в ряде столичных вузов, в том числе – в Горной академии и в университете. В МГУ организует НИИ механики, заведует кафедрой теории упругости. В 1934 году ему присуждается ученая степень доктора технических наук. Независимый характер стал поводом для ссылки на три года в Казахстан. В 1943 году избран действительным членом АН СССР. Последние годы жизни прошли на кафедре гидромеханики МГУ.
Все свои работы Л.С. Лейбензон в первую очередь предназначал для практикуемых в промышленности инженеров. Может быть, поэтому, несмотря на свободное владение математическим аппаратом исследований, ученый научные рекомендации приводил к простым алгебраическим выражениям, пригодным для инженерных расчетов. Трудно указать область нефтепромысловой науки, где бы работы акад. Л.С. Лейбензона не оказали заметного влияния на решение проблем нефтяного дела. И хотя принято считать, что Л.С. Лейбензон является основоположником современной трубной и подземной гидродинамики и его труды в этой области произвели на современников наибольшее впечатление, мы – специалисты по бурению скважин, относим Л.С. Лейбензона к зачинателям теоретических исследований динамики бурильной колонны. В подтверждение этих слов я счел возможным поместить здесь свой, упомянутый ранее, доклад. Если изобилие специальных терминов наскучит читателю, раздел можно при чтении пропустить.
«Работая в Баку в начале 1920-х годов, когда на смену ударному бурению стали приходить вращательный, или, как его тогда называли, «американский» способ бурения, Л.С. Лейбензон обратил внимание на аномально высокую аварийность бурильных труб и необычные, в отличие от ударного бурения, искривления скважин. Сам Л.С. Лейбензон писал следующее: «Разбор этих задач был начат нами вследствие вопросов, поставленных нам выдающимися практическими инженерами Бакинской нефтяной промышленности».
В то время усилия, необходимые для разрушения долотом горной породы, передавались на забой скважины путем вращения всей колонны. Лопастные долота, конструкция которых отрабатывалась предшествующим многолетним опытом ударного бурения, требовали больших крутящих моментов. Для таких условий работы бурильные трубы оказались неприспособленными. Как и долота, трубы создавались исходя из потребностей старой технологии, а расчет их прочности основывался преимущественно на сжимающе-растягивающих нагрузках, столь характерных для ударного бурения.
Шарошечные долота, изобретенные в США в 1909 г. и обладающие меньшей моментоемкостью, в какой-то мере облегчили бы работу бурильных труб, но массовое производство их в те годы не было и не могло быть налажено в условиях полукустарного нефтепромыслового хозяйства – основного поставщика оборудования для буровых установок того времени.
Мировая и отечественная литература тех лет не давала ответа на вопросы практики, и Л.С. Лейбензон самостоятельно взялся за решение задач динамики вращательного движения бурильных труб с точки зрения их прочности и потери устойчивой формы равновесия. Решение таких задач позволило бы дать ответ на причины аварий с трубами и отклонений скважин от вертикали.
В итоге исследований впервые в мире в январском номере журнала «Азербайджанское нефтяное хозяйство» за 1923 г. им была опубликована статья под названием «Неустойчивость направления вращательного бурения», содержащая оценку критических угловых скоростей вращения труб, при которых исчезает устойчивая неискривленная форма колонны в скважине. Причины искривления, учтенные линейным уравнением 4-го порядка с переменными коэффициентами для срезывающей силы, сводились к неуравновешенным массам идеально неотцентрированных труб и к центробежным силам. Уравнение содержало критическую угловую скорость, зависящую от условий на концах бурильной колонны. Сопротивление вращению труб в скважине со стороны промывочной жидкости не учитывалось.
Л.С. Лейбензон получил численные значения угловых скоростей для принятых в то время размеров бурильных труб. Было показано, что уже при сравнительно небольших числах оборотов трубы теряют прямолинейную форму, а скважина отклоняется от вертикали. Ученый сделал единственно возможный вывод о необходимости забойного двигателя, при котором бурильные трубы были бы освобождены от вращения. Мы не знаем, известны ему были или нет, когда готовилась статья (1921–1922), предварительные результаты работы об изобретении турбобура М.А. Капелюшниковым. Тем не менее, Л.С. Лейбензон уверенно пишет в статье: «Именно в этом направлении и пойдет ближайший прогресс техники вращательного бурения, который до известной степени может устранить причины неустойчивости направления, кроющегося в современном способе вращения бурящей фрезы».
Много внимания в статье уделено продольным колебаниям труб, возникающим из-за изменения прогиба по их длине.
«Именно этим, – по мнению Л.С. Лейбензона, – обусловлены дрожания вала в вертикальном направлении». Во всех случаях вывод одинаков: «Длинные валы неустойчивы при вращательном движении уже при небольших числах оборотов». Как инженер, Л.С. Лейбензон не уходит от вопроса, как бороться с такими искривлениями труб. Он вводит отдельный параграф под названием «Выгодность быстроходных станков вращательного бурения, где указывает, что «при прочих равных условиях амплитуда отклонения... искривленной оси вала будет обратно пропорциональна квадрату номера критической угловой скорости вращения бурового вала...». Иными словами, устойчивость колонны тем выше, чем больше скорость ее вращения. Здесь же впервые делаются общие заключения о действии гироскопического эффекта.
Характерно вслед за этим замечанием, что «если вал... потеряет свой прямолинейный вид, то, передавая в процессе работы крутящий момент, он примет спиральную форму». Отсюда логически следовал вывод о появлении крутильных колебаний труб и немедленно был дан расчет периода колебаний и условий резонанса – причины поломки труб. Как пишет сам Л.С. Лейбензон: «Эта опасность, конечно, была бы самая грозная... В этом именно и кроется причина возможности возникновения опасных динамических напряжений кручения, во много раз превосходящих статические, которые могут повлечь за собой порчу и даже поломку бурящего вала».
В историческом отношении, применительно к бурению скважин на нефть и газ, немалый интерес вызывают работы Л.С. Лейбензона, посвященные ударному бурению. В частности, им рассмотрены вопросы динамической прочности бурильных труб, условия возникновения продольных упругих вынужденных и свободных колебаний труб («штанг»), даны расчеты предельного числа качаний балансира. В итоге исследований был рекомендован быстроходный режим работы балансира ударно-канатного станка, при котором достигается повышение производительности бурения.
Пытаясь выяснить возможности снижения динамических усилий в трубах, Л.С. Лейбензон рассчитал работу яса и фрейфала как противоударного устройства. Будучи одним из учеников Н.Е. Жуковского, Л.С. Лейбензон весьма плодотворно развивал его идеи. Известно, что Н.Е. Жуковскому впервые удалось решить задачу гидравлического удара и проверить свое решение на практике при работах на Алексеевской водокачке в Москве.
Расчет яса как устройства, снижающего передачу удара и колебаний, был впервые выполнен Л.С. Лейбензоном. Этими исследованиями он предвосхитил теоретические исследования современных виброгасителей, сейчас широко применяемых в бурении скважин.