В умовах стрімкого зростання цін на енергоносії, коли економіка України, у порівнянні з індустріально розвиненими країнами, споживає енергоресурсів у багато разів більше на одиницю виробленої продукції велика увага повинна приділятися розробці енергозберігаючих технологій і енергоефективних пристроїв. 

Останнім часом у світі спостерігається стійка тенденція у розробці технологій, які використовують гідродинамічну або ультразвукову кавітацію як засоби їх інтенсифікації та підвищення енергоефективності.

Перспективним пристроєм у розвитку цього напрямку є кавітаційний генератор[1], що створює високоамплітудні коливання в діапазоні звукових частот. Це досягається тільки за рахунок відповідної геометрії спеціального гідравлічного каналу, без використання яких-небудь частин, що рухаються, і додаткових джерел енергії. Дослідженнями установлено чотири механізми кавітаційного впливу на різноманітні матеріали 

• у результаті взаємодії з поверхнею ударних хвиль, що розходяться від центра схлопування маленького пухирця;
• у результаті утворення мікрострумків рідини з високою кінетичною енергією при зхлопуванні каверни;
• з організацією аномально високих амплітуд коливання тиску рідини в діапазоні звукових частот при реалізації в проточному каналі гідроопору спеціальної геометрії режиму періодично-зривного кавітаційного потоку;
• з перетворенням кавітаційного дискретно-імпульсного потоку в спеціальному пристрої – гідровібраторі в механічні коливання інструмента.

Аналіз прикладів по використанню кавітаційного генератора коливань тиску рідини в пристроях по інтенсифікації технологій, що пройшли промислові випробування, підтверджують їх енергоефективність у різних галузях[2]:

• у металургії, при гідрозбиванні окалини в прокатному виробництві; 
• у машинобудуванні при очищення різних поверхонь від іржі, забруднень, задирок;
• у хімічній промисловості для емульгування рідин і диспергування фарб;.
• у гірничій галузі – для інтенсифікації процесів розкольматації скважин, і гідроімпульсного розпушування викидонебезпечних вугільних шарів[3].Використання генератора у цих випадках дозволяє знизити питоме енергоспоживання до 50%

Перспективним науковим напрямком розвитку технологій буріння свердловин для транспортування рідких,газоподібних копалин та геотеплає використання вібраційного навантаження бурового інструменту з частотами в звуковому діапазоні їх проходження (звукове буріння). Це підтверджено дослідженнями різних країн. Ударний вплив на породу з високою частотою, доповнює породоруйнівний ефект, в особливості при зближенні частот ударів бурового інструменту та власної частоти породи, яка руйнується. 

Надійним джерелом інтенсифікації технологічного процесу спорудження свердловин є буровий снаряд з гідровібратором, ключовим елементом якого являється кавітаційній генератор. Такий буровий снаряд пройшов повний комплекс експериментальних досліджень на гідравлічних та бурових стендах [4], а також в умовах спорудження гідрогеологічних та геологорозвідувальних свердловин. 

Зображення (у 3D проекції) кавітаційного гідровібратора (a) та його компонувальна схема у складі бурильної колони (b) представлені на рис. 1.

На протязі останніх років науковцями інституту була розроблена математична модель поздовжніх коливань динамічної системи «буровий снаряд із кавітаційним гідровібратором – гірська порода». В ній ураховані масові, пружні і дисипативні характеристиками конструкції бурового снаряду, а вплив на буровий інструмент у зоні контакту з породи визначався по її акустичному імпедансу. Як приклад на рис. 2. для значення параметра кавітації τ=0,16 представлені процеси зміни в часі розрахункових залежностей гідравлічних коливань тиску і об'ємної витрати рідини та механічних коливань конструкції ‒ віброшвидкостіі вібросили в перерізі бурового інструменту.Ці залежності отримані при тиску нагнітання Р₁=4 MPa і осьовому навантаженню F=9,8 kN для експериментального зразка гідровібратора з діаметром критичного перетину 6mm.

Як випливає з наведених залежностей, коливальний процес має імпульсний характер. Основна гармоніка частоти коливань рідини дорівнює 323 Hz, а перша мода частоти коливань конструкції бурового снаряда складає 970 Hz при значені вібропереміщення Δх≈0,0034 мм. Це пояснюється динамічною взаємодією конструкції та рідкого середовища, що знаходиться в його проточній частині.

Адекватність такої математичної моделі підтверджена в роботах [5,6], де наведено порівняльний аналіз розрахункових та експериментальних даних.

Розрахункові залежності швидкості буріння, які були виконані двома методами (за гідравлічною потужністю та вібропереміщенням) дозволили встановити, що:

• для рівних за міцністю гірських порід використання бурового снаряда з кавітаційним гідровібратором ефективніше в порівнянні з іншими засобами збудження вібронавантаження бурового інструменту. Так, швидкість буріння з кавітаційним гідровібратором при частоті приблизно 2500 Hz становить 43 m/h і приблизно на 28% перевищує значення швидкості при бурінні з високочастотним механічним віброударником;

Механізм зростання швидкості проходки свердловини в цьому випадку пояснюється чотирьома чинниками:

• руйнуванням породи під дією знакозмінних навантажень настає раніше досягнення нею межі міцності;
• ефективним виносом пульсуючими струменями промивної рідини зруйнованої породи із зони її контакту з буровим інструментом, що виключає повторне перетирання розбуреної породи;
• резонансними процесами при зближенні частот коливань бурового інструменту з власною частотою породи, яка руйнується; 
• зменшенням тертя бурової колони об стінку свердловини.

Висновки

Таким чином, результати наведених досліджень показують що:

• використання кавітаційного генератора в промислових технологіях дозволяє знизити питоме енергоспоживання до 50%. Кавітаційний генератор, має ряд переваг перед іншими технічними засобами хвильового впливу, це простота виготовлення, відсутність рухливих частин та додаткових джерел енергії. Він органічно вписується в існуюче обладнання;
• в порівняні з другими віброударниками, буровий снаряд з гідровібратором, ключовим елементом якого являється кавітаційній генератор, дозволяє значно підвищити швидкість проходки свердловини для транспортування рідких, газоподібних копалин та геотепла.

Перелік джерел посилання

1. Пилипенко В.В. (1989)Кавитационные автоколебания: монография / В.В. Пилипенко. – К.: Наукова думка, – 316 с.
2. Zhulay Yu., Zahovailova D. (2022) Energy efficient technologies for the mining industry. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (6). 11÷17. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-6/011
3. ЗберовськийВ.В. (2024) Гідродинамічнакавітаціяувирішенніпроблемигазодинамічногофакторавугільнихшахт: монография /О. П.Круковський, Ю. О. Жулай, О. А. Ангеловський.– К.: Наукова думка, – 324 с
4. O. Nikolayev, Yu. Zhulay, Yu. Kvasha, N. Dzoz. (2020) Evaluation of the vibration accelerations of drill bit for the well rotative-vibration drilling using the cavitation hydrovibrator. International Journal of Mining and Mineral Engineering (IJMME), Vol. 11, No. 2. – P.102-120. https://doi.org/10.1504/IJMME.2020. 108643. 
5. Zhulay, Yu., Nikolayev, O. (2021). Sonic Drilling with Use of a Cavitation Hydraulic Vibrator. Book chapter in ‘Mining Technology. IntechOpen, London. October 2021. 81÷100. https://10.5772/intechopen.100336. 
6. Zhulay, Yu., Nikolayev, O. (2024) Sonic drilling with a cavitation hydraulic vibrator: theoretical computation of the energy performance and rate of penetration. Book chapter in ‘Mining Technology. IntechOpen, London. October 2024. 1÷27. doi: 10.5772/intechopen.114296