Гидрокавитационные вибротехнологии в нефтегазовой отрасли

В. П. Родионов 
ГИДРОКАВИТАЦИОННЫЕ 
 ВИБРОТЕХНОЛОГИИ  
В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ 
Монография 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 

УДК 622.24 
ББК 33.131 
Р60 
Р60
Родионов, В. П. 
      Гидрокавитационные вибротехнологии в нефтегазовой отрасли : монография / В. П. Родионов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2020. – 144 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-0325-2 
Рассмотрены явления кавитации, эрозии и гидроабразивного износа, возникающие при бурении нефтяных и газовых скважин. Представлены расчеты, 
необходимые для защиты машин и механизмов от негативного воздействия кавитации, а также способы применения кавитационных струй как рабочего элемента при нефтегазодобыче. Приведены примеры использования суперкавитационных струй для очистки деталей центробежных погружных насосов и применения инновационных антикоррозионных покрытий переменной ватерлинии 
морских нефтяных промыслов.
Для специалистов в области бурения, студентов, аспирантов и научных 
работников.
УДК 622.24 
ББК 33.331 
ISBN 978-5-9729-0325-2 
© Родионов В. П., 2020 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020   
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 
5 
ГЛАВА 1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СТРУИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ  
В БУРЕНИИ ........................................................................................................... 
8 
1.1. Гидравлические струи 
.............................................................................. 
8 
1.2. Бурение струями воды ........................................................................... 
12 
1.3. Виды гидравлического бурения 
............................................................ 
19 
1.4. Гидромониторное бурение .................................................................... 
20 
1.5. Колдюбинговая технология 
................................................................... 
24 
1.6. Гидровибрационное бурение 
................................................................. 
26 
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ КАВИТАЦИИ И СПОСОБЫ ЕЕ  
ИССЛЕДОВАНИЯ .............................................................................................. 
31 
2.1. Виды кавитации ...................................................................................... 
31 
2.2. Методы определения и обнаружения кавитации в струйных  
потоках 
.................................................................................................... 
33 
2.3. Установки и стенды для исследования кавитационных  
 процессов 
................................................................................................. 
35 
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
КАВИТАЦИОННОГО ЭФФЕКТА НА ПРАКТИКЕ 
....................................... 
44 
3.1. Методики исследования кавитации в струйных потоках 
................... 
44 
3.2. Кавитация и суперкавитация в струйных потоках 
.............................. 
48 
3.3. Особенности изменения параметров кавитационного проявления  
 в струйном потоке .................................................................................. 
51 
3.4. Закономерности влияния кавитации на гидродинамические  
характеристики струйного потока ....................................................... 
54 
3.5. Взаимодействие струи с твердой поверхностью  
 при кавитационных режимах истечения 
.............................................. 
64 
3.6. Влияние конструкции пороговых элементов канала истечения  
на степень развития кавитации ............................................................ 
73 
ГЛАВА 4. КАВИТАЦИЯ В БУРОВЫХ МЕХАНИЗМАХ И МАШИНАХ 
... 
80 
4.1. Гидрокавитационный и гидроабразивный износ деталей  
 буровых гидромашин ............................................................................. 
80 
3 

4.2. Кавитация в лопастных насосах 
............................................................ 
90 
4.3. Виды кавитации в насосах 
..................................................................... 
93 
4.4. Кавитация в буровых поршневых насосах ........................................ 
101 
4.5. Кавитация в гидроструйных насосах 
.................................................. 
107 
 
ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУЙНОЙ  
КАВИТАЦИОННОЙ ВИБРОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ  
ОТРАСЛИ 
........................................................................................................... 
114 
5.1. Пример использования суперкавитационных струй для очистки  
 деталей центробежных погружных насосов 
...................................... 
114 
5.2. Пример использования технологий антикоррозионных  
покрытий переменной ватерлинии морских нефтяных 
промыслов ............................................................................................ 
121 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 
136 
 
 
 
4 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Кавитацией называется процесс образования и исчезновения пузырьков 
или (каверн) в жидкости вследствие местного изменения давления. Кавитация 
свойственна только затопленной жидкости и не происходит при нормальных 
условиях ни в твердых телах, ни в газах. Если давление в потоке жидкости 
падает ниже давления насыщенных паров, например, из-за резкого изменения 
геометрии течения, то в ней образуются ядра кавитации, которые перемещаются вместе с жидкостью. Когда пузырьки достигают области повышенного 
давления, они резко схлопываются, что может вызвать эрозию материала, если схлопывание происходит вблизи поверхности твердого тела. 
Возможность возникновения такого явления в жидкостях была предсказана Эйлером еще в 1754 г. «Если случится, – писал он, – что, в каком-то месте трубы величина абсолютного давления в потоке воды станет отрицательной, воде необходимо будет отделиться от стены трубы и в результате там 
образуется пустота». В действительности, такое явление отличается от теоретического [1, 2, 37, 38]. 
Гениальное предупреждение великого ученого не было понято современниками. Так, весной 1915 г. в Атлантический океан вышел на испытание 
новый английский миноносец «Деринг». По проекту его скорость должна была вдвое превышать скорость предшественников. Однако когда машины корабля заработали на максимальных оборотах, корпус корабля задрожал, вода 
за кормой вспенилась, но скорость осталась прежней. Миноносец вернулся на 
базу с изуродованными гребными винтами. Это явление объяснил английский 
физик О. Рейнольдс (1842െ1912), который еще в 1873 г. писал, что иногда 
давление вблизи винта падает до нуля, и тогда к поверхности винта проникает воздух. В воздушной среде гребной винт ускоряет свое вращение, но создаваемая им струя воздуха вследствие малой плотности последнего не в состоянии толкать корабль вперед с большой силой, и он теряет скорость. 
В дальнейшем подобные явления стали подлинным бедствием для судоходства. В поисках причины ученые пришли к выводу, что здесь повинна 
кавитация. Название это происходит от латинского «кавитас», что означает 
«пустота». 
Все это заставило ученых и инженеров серьезно заняться изучением кавитации. Началось строительство специальных сооружений – кавитационных 
труб. 
Бурное развитие науки и техники показало, что кавитация стала неумолимо вторгаться и в другие области человеческой деятельности. 
Кавитация разрушает не только корабельные винты, но и лопатки турбин, насосов, наблюдается в реакторах атомных электростанций, она поражает не только металлы, не щадит ничего. Дерево, резина, пластмасса, стекло, 
бетон и даже алмаз – все рушится под ее ударами. 
Борьба с кавитацией приводила часто ученых в тупик. Тогда возникла 
идея: а почему не использовать для борьбы с кавитацией... кавитацию?  
5 

Оказалось, что при воздействии кавитации на некоторые аустенитные 
стали она уплотнялась и упрочнялась. А нельзя ли ее использовать как полезное явление? И появились способы ее использования по очистке поверхностей 
металлов от ржавчины и наслоений, корпусов судов от обрастаний, труб котлов, для диспергации и стерилизации жидкостей, для бурения скважин и т. п. 
Широкое применение в промышленности получила гидродинамическая 
кавитация, возникающая при истечении высоконапорных жидкостей. 
Наиболее широкое применение водяных струй получило при проходке 
нефтяных и газовых скважин. Эффективным оказалось применение водяных 
струй при бурении песчаных пород. Скорость бурения достигала 7,5 м/мин. 
На сегодняшний день широко применяют для бурения скважин установки, использующие как водяные струи, так и установки, использующие водяные струи в сочетании с обычным долотом. 
Использование механического разрушения породы совместно с резанием водяной струей особенно выгодно в тех случаях, когда требуется удалять 
большие объемы материала. Проведенные учеными исследования показали, 
что комбинированная система обеспечивает на 500 % большую производительность по сравнению как с чисто механическим, так и чисто струйным бурением. 
Большая эффективность достигается при использовании для бурения 
твердых пород (гранита) кавитационных струй при давлении от 50 до 
70 МПа.  
Кавитация создается в специально выполненных гидрокавитационных 
генераторах (кавитаторах). Схлопывание пузырьков около обрабатываемой поверхности создает ослабление внутренних сил, тем самым снижая прочность 
материала. Использование возможности схлопывающихся кавитационных пузырьков как средства извлечения материала разрушенных гидробуром пород 
оказалось весьма ограниченно. Это объясняется малой величиной и строгой 
локализацией выделения энергии отдельных схлопывающихся пузырьков, что 
позволяет удалять лишь очень малое количество вещества с места забоя. 
Проведенные испытания использования кавитации при проходке прочных пород показали, что скорость бурения скважин составляла от 7,9 до 
10 см/с или 280,4 см/ч, а скорость бурения при проходке песчаника была 
3600 см/ч. Это гораздо меньше скорости бурения другими известными способами. Однако при использовании кавитации в бурении повышается давление 
на разрушаемый материал, появляются микротрещины, которые ослабляют 
его до такой степени, что он уже не может противостоять действию струи,  
в этом случае эффективность бурения кавитационными струями возрастает.  
Использование кавитации в струйных течениях в бурении показали, что 
при давлении 21 МПа и перепаде давления на кавитаторе 6,9 МПа для песчаника и 15,5 МПа для известняка кавитационные струи были соответственно 
на 79 % и 20 % эффективнее обычных. Так исследователь Ангона (США) [3] 
путем создания кавитации акустическими колебаниями показал, что скорость 
бурения на глубине 100 м буром 25 см может достигать 7,5 м/ч.  
6 
 

По мере увеличения глубины скважины скорость проходки ее растет за 
счет увеличения гидростатического давления и на глубине 3000 м достигает 
300 м/ч. При этом для возбуждения акустических колебаний потребовалась 
мощность 70 кВт. Обнадеживающие результаты использования кавитационных струй получены исследователем Эль-Сайном (штат Миссури США) [38] 
при бурении гранита. Скорость проходки скважины намного превышала скорость бурения с использованием абразивных добавок. При давлении 70 МПа 
кавитационная 
струя 
обеспечивала 
эффективность 
по 
сравнению  
с мониторным бурением и гидромониторным с добавками абразива соответственно в 2,8 и 2,0 раза, а при давлении 113 МПа в 3,0 и 3,2 раза. 
Исследования по использованию кавитации в струйном истечении для 
гидромониторного бурения в России проводились учеными: А. К. Козодоем, 
А. В. Зубаревым, А. Н. Зелениным, Л. А. Вулис, Р. Г. Арзумановым, С. П. Козыревым, С. М. Кулиевым, К. К. Шальневым, и др. [3, 9, 18, 23, 26]. 
Исследования этих ученых позволили сделать следующие выводы: 
– при создании гидростатического давления после кавитатора, которое
наблюдается в условиях забоя, длина канала и скорость абразивного
разрушения уменьшаются с ростом противодавления;
– наряду с абразивным разрушением породы происходит разрушение
в результате кавитации, появление которой обусловливается выделением газообразных пузырьков растворенного в жидкости газа при
снижении статистического давления в струе;
– рост скорости разрушения обсадных колонн и горной породы, получаемой посредством абразивной перфорации, объясняется повышением эрозионного воздействия схлопывающихся парогазовых пузырьков
в струе воды, вызванного кавитацией;
– экспериментальным путем установлено, что в условиях существования кавитации, последняя оказывает значительное разрушающее действие на породу;
– сопротивляемость породы разрушению струями нормального глинистого раствора в четыре раза больше, чем кавитационными струями.
На основании экспериментальных данных отечественных и зарубежных 
исследований можно сделать вывод о том, что применение кавитационных 
струй при гидромониторном бурении дает большой эффект за счет эрозионного воздействия кавитации на породу и требует дальнейшего изучения. 
Диапазон применения кавитационных струй все время расширяется. 
Испытания по использованию высоконапорных струй показали большую их 
эффективность. Это важное событие применения высоконапорных струй при 
бурении скважин в силу особенностей, присущих нефтяной и газовой промышленности, не приведет к замене существующих технологий на новую. 
Тем не менее, роль высоконапорных водяных струй в бурении скважин 
непрерывно возрастает, а значит и потребность в новейших технологиях растет с каждым годом.  
7 

ГЛАВА 1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СТРУИ  
И ИХ ПРИМЕНИЕ В БУРЕНИИ 
1.1. Гидравлические струи 
 
Гидравлической струей называется конечный поток жидкости, не ограниченный твердыми стенками. 
Гидравлические струи бывают затопленные и незатопленные. Струя, 
вытекающая в жидкость, однородную с жидкостью струи, называется затопленной. Струя, вытекающая в атмосферу, называется незатопленной. На рисунке 1.1 представлен вид на незатопленную струю. К незатопленным гидравлическим струям относятся струи, вытекающие из брандспойта в атмосферу, гидромониторные, служащие для разработки грунтов, дождевальные, 
фонтанные, струи, действующие на лопатки турбин и др. К затопленным 
струям относятся гидромониторные в бурении, для размыва затонувших бревен, струи водоструйных аппаратов для размыва наносов, для очистки поверхностей от наслоений и др. 
 
Рис. 1.1. Незатопленная струя 
 
В компактной части незатопленной струи обеспечивается сплошность 
потока, и струя имеет правильную цилиндрическую форму или близкую  
к ней. В раздробленной части струи обнаруживается нарушение сплошности 
потока, струя как бы разрывается на крупные части, поперечное сечение ее 
увеличивается, и она расширяется по отношению к компактной части. Распыленная часть струи состоит из множества отдельных капель, в которые превращается весь поток. При движении струи на нее действуют сила тяжести, 
силы сопротивления воздушной среды и внутренние силы, вызываемые турбулентным движением жидкости. В момент раздробления струи на мелкие 
капли начинают проявляться силы поверхностного натяжения. Под воздействием всех указанных сил и происходит разрушение струи. 
В зависимости от назначения струи можно изменить и ее структуру. 
Например, для разработки грунтов, при гидромониторном бурении, добычи 
угля гидравлическим способом или для воздействия на лопатки активной 
гидравлической турбины требуется струя с хорошо развитой компактной частью, обладающая большой кинетической энергией. 
Для образования наиболее эффективной компактной части необходимо 
уменьшить турбулентность и устранить винтовое движение струи, выходящей из насадка, с помощью различных приспособлений, размещаемых  
в сопле. Если мы установим распылитель в насадке, то струя будет иметь 
меньшую компактную часть и большую раздробленную. 
8 
 

Затопленные струи являются наиболее изученными и теоретически и 
экспериментально. На рисунке 1.2 изображена осесимметричная свободная 
затопленная струя, вытекающая из насадка. Струя имеет ядро течения и пограничный турбулентный слой. В ядре течения сохраняется постоянная средняя скорость струи. 
Рис. 1.2. Вид на структуру затопленной струи истекающей из насадка 
Выходное сечение насадка называется начальным сечением струи, а сечение, в котором ядро течения переходит в турбулентный пограничный слой, 
переходным сечением струи. Между струей и окружающей средой устанавливается обмен количеством движения, в результате которого масса струи увеличивается, а ядро течения уменьшается. Участок струи, заключенный между 
начальным и переходным сечениями, называется начальным участком lн. 
При движении затопленной струи возникают пульсационные скорости, 
которые и перемешивают жидкость, но так как струя не имеет ограждающих 
твердых стенок, то перемещающаяся жидкость увлекает за собой соседнюю и 
приводит ее в движение. Слой жидкости, где происходит перемешивание 
между основной массой жидкости струи и окружающей ее неподвижной 
жидкостью, называется пограничным турбулентным слоем. Таким образом,  
в пределах начального участка, пограничный слой с внешней стороны граничит с неподвижной окружающей струю жидкостью, а с внутренней – с ядром 
течения. Точка пересечения граничных линий струи (точка 0) называется полюсом. За начальным участком струи имеется так называемый основной участок l0. 
Затопленные струи являются частным случаем автомодельных струйных течений несжимаемой жидкости. Для автомодельных струйных течений 
существует несколько методов расчета, приводящих к близким между собой 
результатам. 
9 

Одним из важнейших гидродинамических параметров струи, связанных 
с динамикой ее распространения в затопленном пространстве и характеризующих ее энергетическую способность, является величина осевого динамического давления. Изучение закономерностей изменения осевых динамических 
давлений в струе в зависимости от расстояния приводит к необходимости 
разделения струи на отдельные специфические участки, отличающиеся друг 
от друга не только характером изменения динамического давления, но также 
и структурными особенностями. 
Свободная затопленная струя имеет место при истечении жидкости в 
среду с той же плотностью, что и плотность вещества струи. При турбулентном режиме истечения из сопла в струе возникают беспорядочные движения 
вихревых масс, приводящие к интенсивному масса обмену между струей и 
«неподвижной» средой, в результате чего масса струи растет, наружный диаметр ее увеличивается, скорость течения у границ падает. 
На участке, называемом основным, увеличение диаметра струи сопровождается существенным падением осевой скорости струи. Точка пересечения внешних границ основного участка струи служит своеобразным полюсом.  
 На величину длины начального участка и пограничного слоя потока 
струи существенное влияние оказывают неравномерность профиля скорости  
в начальном сечении струи, обусловленного наличием пограничного слоя на 
внутренней поверхности сопла. 
Согласно исследованиям Абрамовича Р. И. [2], начальная неравномерность потока струи, приводящая к более сильному расширению струи, может 
быть учтена путем переноса начала пограничного слоя струи (полюса начального участка) внутрь сопла.  
Положение переходного сечения потока струи можно определить, исходя из условия совпадения скорости и толщины струи в конце переходного и 
начала основного участка струи. Однако аналитический путь определения 
абсцисс переходного сечения потока струи сложен и не отличается достаточной точностью. Таким образом, для нахождения абсцисс переходного сечения 
необходимо располагать экспериментальными данными изменения скорости 
или динамического давления на оси струи по длине. 
Затопленные струи являются частным случаем автомодельных струйных течений несжимаемой жидкости. Для автомодельных струйных течений 
существует несколько методов расчета, приводящих к близким между собой 
результатам. В нашем случае принят метод Абрамовича Р. Н. [2]. Принятый 
метод допускает, что при отсутствии особых внешних данных, способных не 
нарушить подобие скоростных полей, все характеристики струи в любом сечении основного участка (диаметр, средняя скорость, расход, тангенс бокового угла расширения струи и т. д.) могут быть выражены через скорость в центре этого сечения, которая зависит от расстояния между полюсом и рассматриваемым поперечным сечением. При этом методе расчета вводится коэффициент, определяемый для каждой струи опытным путем. 
10