鉆井作業(yè)噪聲治理技術(shù)研究

張?jiān)瞿辏?王浚璞

（中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司設(shè)備處，成都610051）

0 引言

鉆井作業(yè)使用大功率動(dòng)力設(shè)備會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的噪聲，從而對(duì)井場周邊的居民生活造成影響，隨著新《環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施和《環(huán)境保護(hù)稅法》的出臺(tái)，噪聲污染和危害日益受到人們的重視，鉆探公司每年的噪聲排放稅和各類補(bǔ)償能高達(dá)上億元，給企業(yè)增加了較大負(fù)擔(dān)[1-3]。因此，結(jié)合鉆井作業(yè)環(huán)境和鉆井設(shè)備特點(diǎn)，依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，研究鉆井作業(yè)噪聲治理技術(shù)，形成行之有效且經(jīng)濟(jì)合理的降噪方案，對(duì)保障鉆井作業(yè)和鉆探企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉆井作業(yè)現(xiàn)場噪聲分析

目前鉆井作業(yè)普遍使用機(jī)械鉆機(jī)和電動(dòng)鉆機(jī)，主要設(shè)備產(chǎn)生噪聲由強(qiáng)到弱分別為：柴油動(dòng)力機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、變頻電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)，其中柴油動(dòng)力機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪聲最大，通常能達(dá)到110 dB。設(shè)備的噪聲源主要有排氣噪聲、機(jī)械噪聲、排風(fēng)噪聲和動(dòng)力噪聲[4]，噪聲原因和主要頻率分布如表1所示。

表1 設(shè)備噪聲源分析

機(jī)械鉆機(jī)井場主要噪聲設(shè)備為柴油動(dòng)力機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)排氣噪聲，從井場噪聲測(cè)量圖（圖1所示）可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械鉆機(jī)正常作業(yè)時(shí)，井場邊界最大噪聲為85 dB,井場前場邊界最低噪聲為79 dB，井場前場方向距井口100 m處噪聲為70 dB。電動(dòng)鉆機(jī)井場主要噪聲設(shè)備為柴油發(fā)電機(jī)組、變頻電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)排氣噪聲，從井場噪聲測(cè)量圖（圖2所示）可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)鉆機(jī)正常作業(yè)時(shí)，井場后場邊界最大噪聲為88 dB,井場前場邊界最大噪聲為74 dB，井場前場方向距井口100 m處噪聲為65 dB。

圖1 機(jī)械鉆機(jī)井場噪聲

圖2 電動(dòng)鉆機(jī)井場噪聲

2 噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)

國家噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)主要有三個(gè)，分別是GB 12348《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》、GB 3096《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GBZ/T 189.8《工作場所物理因素測(cè)量-噪聲》。按照聲環(huán)境功能區(qū)分類，鉆井作業(yè)所處環(huán)境屬于2類聲環(huán)境功能區(qū)，國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)2類聲環(huán)境功能區(qū)的噪聲排放要求晝間噪聲不超過60 dB，夜間噪聲不超過50 dB。GB 12348要求廠界達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，GB 3096則要求噪聲敏感建筑物外（民房外）達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。地方政府環(huán)境監(jiān)測(cè)部門對(duì)鉆井作業(yè)噪聲測(cè)評(píng)執(zhí)行的是國標(biāo)GB 3096，以民房處的噪聲為評(píng)價(jià)依據(jù)。GBZ/T 189.8規(guī)定日接觸時(shí)間超過8 h的作業(yè)場所，設(shè)備噪聲限值是85 dB[6-8]。

新西蘭鉆井作業(yè)噪聲限值要求是：以井口為中心半徑300 m處，噪聲不高于60 dB；德國鉆井作業(yè)噪聲限值要求是：井場邊100 m處噪聲不高于45 dB，德國鉆井井場尺寸是140 m×75 m；我國鉆井井場尺寸通常為97 m×45 m。由此可見，按照廠界噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，我國的噪聲排放限值要求比國外高，增加了鉆井作業(yè)噪聲治理難度。

3 鉆井噪聲控制方案

在鉆井設(shè)備噪聲源分析基礎(chǔ)上，根據(jù)噪聲源的特性，有針對(duì)性地采用降噪技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)降噪目標(biāo)，如表2所示。通過技術(shù)研究和方案篩選，根據(jù)鉆井作業(yè)環(huán)境以及距離民房的距離，采用適當(dāng)?shù)慕翟爰夹g(shù)或多種技術(shù)組合，形成了3種鉆井噪聲控制方案：聲屏障、隔聲罩、低氣壓靜音房，達(dá)到既有效降噪又經(jīng)濟(jì)合理的目的[6-8]。

表2 設(shè)備降噪技術(shù)

圖3 聲屏障示意圖

3.1 聲屏障方案

3.1.1 方案設(shè)計(jì)

采用阻性吸聲技術(shù)，將聲能吸收材料應(yīng)用于聲屏障，能使聲波傳播有一個(gè)明顯的衰減。聲屏障的作用，如圖3所示。

聲屏障作為經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和耐用性都較理想的一種降噪措施，已廣泛應(yīng)用于道路交通降噪[9-11]。依據(jù)聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范，聲屏障插入損失計(jì)算采用Meakawa理論公式：

式中：ΔL為聲音衰減值，dB；N為菲涅耳數(shù)，N=±2（A+B-C-D）/λ，λ為聲波波長，m；A、B、C、D為聲屏障距離（見圖1），m。

由Meakawa理論公式可以得出，當(dāng)N＞0，表明受聲點(diǎn)位于“聲影區(qū)”，根據(jù)公式可以計(jì)算出受聲點(diǎn)距聲屏障不同距離的噪聲衰減值，如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，聲屏障對(duì)噪聲的衰減與受聲點(diǎn)至聲屏障的距離關(guān)系不大。

表3 受聲點(diǎn)距聲屏障距離與噪聲衰減值

圖4 聲屏障方案實(shí)施

圖5 聲屏障實(shí)施現(xiàn)場噪聲測(cè)量

3.1.2 方案實(shí)施及效果

聲屏障作為一種噪聲阻隔方案，制造價(jià)格低，安裝方便，容易在現(xiàn)場實(shí)施，如圖4所示。在民房距離井場較遠(yuǎn)的情況下采用聲屏障能實(shí)現(xiàn)一定的降噪效果，但是必須保證民房位于聲屏障的聲影區(qū)內(nèi)。經(jīng)井場實(shí)地噪聲測(cè)量，如圖5所示，聲屏障的實(shí)際降噪效果為10～15 dB。

3.2 隔聲罩方案

3.2.1 方案設(shè)計(jì)

圖6 隔聲罩方案示意圖

綜合采用阻性吸聲技術(shù)和阻抗復(fù)合式消聲技術(shù)，做成隔聲罩，應(yīng)用于集中擺放的動(dòng)力設(shè)備（如柴油發(fā)電機(jī)組）能實(shí)現(xiàn)比聲屏障更好的隔噪效果，方案示意圖見圖6。具體方案設(shè)計(jì)如下：隔聲罩罩體采用阻性吸聲技術(shù)，使用聲能吸收材料，將整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組罩住，發(fā)電機(jī)組后端設(shè)置斜向下的通風(fēng)百葉窗進(jìn)氣，供給柴油機(jī)吸氣及散熱。柴油機(jī)水箱風(fēng)扇前端采用阻抗復(fù)合式消聲技術(shù)，安裝矩陣式消聲模塊，保障自然排風(fēng)的同時(shí)，減少噪聲傳播[12-14]。

3.2.2 方案實(shí)施及效果

通過在電動(dòng)鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組上實(shí)施該方案（見圖7），經(jīng)過現(xiàn)場噪聲測(cè)量（見圖8）可以發(fā)現(xiàn)，隔聲罩方案能使柴油發(fā)電機(jī)組噪聲降低12～17 dB，井場邊100 m外噪聲能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)噪聲排放限值2類要求，因此對(duì)于井場邊100～200 m有居民的情況，可采用該方案進(jìn)行降噪。

該方案現(xiàn)場實(shí)施過程中，當(dāng)機(jī)組滿載荷工作時(shí)，隔聲罩內(nèi)溫升較高，對(duì)設(shè)備功率和人員操作都有一定影響，需要增加強(qiáng)排風(fēng)措施，保障設(shè)備散熱。

3.3 低氣壓靜音房方案

3.3.1 方案設(shè)計(jì)

圖7 隔聲罩方案實(shí)施

圖8 隔聲罩實(shí)施現(xiàn)場噪聲測(cè)量

綜合采用阻性吸聲技術(shù)、阻抗復(fù)合式消聲技術(shù)、多空腔逐級(jí)消聲技術(shù)和低氣壓排風(fēng)散熱技術(shù)，做成靜音房，能大幅降低設(shè)備噪聲，使房體外噪聲低于85 dB，滿足國標(biāo)GBZ/T 189.8要求，方案示意圖如圖9所示。具體方案設(shè)計(jì)如下：房體采用阻性吸聲技術(shù)，使用聲能吸收材料；進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口采用阻抗復(fù)合式消聲技術(shù)，安裝折板式吸聲模塊，如圖10所示；動(dòng)力設(shè)備風(fēng)扇與出風(fēng)口吸聲模塊通過排風(fēng)導(dǎo)罩連接，確保氣流往一個(gè)方向全部排出；動(dòng)力設(shè)備排氣管消聲器采用多空腔逐級(jí)消聲技術(shù)。整個(gè)房體除了進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，其余部分全部封閉，當(dāng)房體內(nèi)空氣由出風(fēng)口排出時(shí)，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入房體會(huì)相對(duì)滯后，在房體內(nèi)形成一個(gè)較低的氣壓，使空氣在房體內(nèi)一致流動(dòng)，能夠有效帶走設(shè)備熱量，實(shí)現(xiàn)設(shè)備良好散熱[15-16]。

圖9 低氣壓靜音房方案示意圖

圖10 折板式吸聲模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2 通風(fēng)量計(jì)算

由于房體封閉，設(shè)備散熱不容忽視，房體總通風(fēng)量可用如下公式計(jì)算：

式中：Q為總排放熱量，kJ/h；γ為空氣密度，一般為1.29 kg/m3；Cr為空氣比熱容，一般為1 kJ/（kg·℃）；ΔT為進(jìn)排氣溫差，一般取10～15℃，取12℃。

以鉆井常用的12V190柴油機(jī)為例，正常工況下熱耗率一般為8000 kJ/（kW·h）,，熱效率為31%，單臺(tái)柴油機(jī)總排放熱量：

圖11 低氣壓靜音房方案實(shí)施

單臺(tái)柴油機(jī)總通風(fēng)量：

因此，單臺(tái)柴油機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣量28 m3/s大于總通風(fēng)量5.85 m3/s，因此無需額外安裝風(fēng)機(jī)以增加進(jìn)氣量。

圖12 低氣壓靜音房實(shí)施現(xiàn)場噪聲測(cè)量

3.3.3 方案實(shí)施及效果

通過在機(jī)械鉆機(jī)機(jī)房柴油機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)上實(shí)施該方案，如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)，由于房體封閉，噪聲只能通過進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口向外傳播，而折板式吸聲模塊能很大程度上吸收噪聲，因此，該方案能使設(shè)備噪聲降至85 dB以下，井場邊100 m外噪聲能達(dá)到國標(biāo)GB 3096噪聲排放2類要求，如圖12所示。當(dāng)井場邊100 m近距離范圍內(nèi)有居民時(shí)，可采用該方案進(jìn)行降噪。

4 結(jié) 論

1）由于我國還沒有明確的鉆井作業(yè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，給當(dāng)前的噪聲評(píng)估和治理工作增加了一定難度；2）降噪效果最好的低氣壓靜音房方案，能使設(shè)備噪聲滿足國標(biāo)GBZ/T 189.8要求，井場邊100 m處噪聲達(dá)到國標(biāo)GB 3096要求。3）根據(jù)鉆井井場地理位置和民房分布情況，可以選擇聲屏障、隔聲罩、低氣壓靜音房，或者幾種方案組合使用，消除鉆井作業(yè)噪聲擾民影響；4）噪聲治理不應(yīng)僅依靠降噪設(shè)施，還應(yīng)利用山體地形，在定井場時(shí)盡量使主要噪聲源背靠山體遠(yuǎn)離民房。