鉆井作業噪聲治理技術研究

張增年， 王浚璞

（中國石油集團川慶鉆探工程公司設備處，成都610051）

0 引言

鉆井作業使用大功率動力設備會產生持續的噪聲，從而對井場周邊的居民生活造成影響，隨著新《環境保護法》的實施和《環境保護稅法》的出臺，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償能高達上億元，給企業增加了較大負擔[1-3]。因此，結合鉆井作業環境和鉆井設備特點，依據相關法律法規和標準，研究鉆井作業噪聲治理技術，形成行之有效且經濟合理的降噪方案，對保障鉆井作業和鉆探企業可持續發展具有重要的現實意義。

1 鉆井作業現場噪聲分析

目前鉆井作業普遍使用機械鉆機和電動鉆機，主要設備產生噪聲由強到弱分別為：柴油動力機、柴油發電機組、變頻電動機、空壓機，其中柴油動力機和柴油發電機組產生的噪聲最大，通常能達到110 dB。設備的噪聲源主要有排氣噪聲、機械噪聲、排風噪聲和動力噪聲[4]，噪聲原因和主要頻率分布如表1所示。

表1 設備噪聲源分析

機械鉆機井場主要噪聲設備為柴油動力機、柴油發電機組、空壓機排氣噪聲，從井場噪聲測量圖（圖1所示）可以發現，機械鉆機正常作業時，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。電動鉆機井場主要噪聲設備為柴油發電機組、變頻電動機風機、空壓機排氣噪聲，從井場噪聲測量圖（圖2所示）可以發現，電動鉆機正常作業時，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 機械鉆機井場噪聲

圖2 電動鉆機井場噪聲

2 噪聲排放標準

國家噪聲排放標準主要有三個，分別是GB 12348《工業企業廠界環境噪聲排放標準》、GB 3096《聲環境質量標準》和GBZ/T 189.8《工作場所物理因素測量-噪聲》。按照聲環境功能區分類，鉆井作業所處環境屬于2類聲環境功能區，國家標準中對2類聲環境功能區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要求廠界達到上述標準，GB 3096則要求噪聲敏感建筑物外（民房外）達到上述標準。地方政府環境監測部門對鉆井作業噪聲測評執行的是國標GB 3096，以民房處的噪聲為評價依據。GBZ/T 189.8規定日接觸時間超過8 h的作業場所，設備噪聲限值是85 dB[6-8]。

新西蘭鉆井作業噪聲限值要求是：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準，我國的噪聲排放限值要求比國外高，增加了鉆井作業噪聲治理難度。

3 鉆井噪聲控制方案

在鉆井設備噪聲源分析基礎上，根據噪聲源的特性，有針對性地采用降噪技術，以實現降噪目標，如表2所示。通過技術研究和方案篩選，根據鉆井作業環境以及距離民房的距離，采用適當的降噪技術或多種技術組合，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，達到既有效降噪又經濟合理的目的[6-8]。

表2 設備降噪技術

圖3 聲屏障示意圖

3.1 聲屏障方案

3.1.1 方案設計

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

聲屏障作為經濟性、實用性和耐用性都較理想的一種降噪措施，已廣泛應用于道路交通降噪[9-11]。依據聲屏障聲學設計規范，聲屏障插入損失計算采用Meakawa理論公式：

式中：ΔL為聲音衰減值，dB；N為菲涅耳數，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N＞0，表明受聲點位于“聲影區”，根據公式可以計算出受聲點距聲屏障不同距離的噪聲衰減值，如表3所示。由表中數據可以發現，聲屏障對噪聲的衰減與受聲點至聲屏障的距離關系不大。

表3 受聲點距聲屏障距離與噪聲衰減值

圖4 聲屏障方案實施

圖5 聲屏障實施現場噪聲測量

3.1.2 方案實施及效果

聲屏障作為一種噪聲阻隔方案，制造價格低，安裝方便，容易在現場實施，如圖4所示。在民房距離井場較遠的情況下采用聲屏障能實現一定的降噪效果，但是必須保證民房位于聲屏障的聲影區內。經井場實地噪聲測量，如圖5所示，聲屏障的實際降噪效果為10～15 dB。

3.2 隔聲罩方案

3.2.1 方案設計

圖6 隔聲罩方案示意圖

綜合采用阻性吸聲技術和阻抗復合式消聲技術，做成隔聲罩，應用于集中擺放的動力設備（如柴油發電機組）能實現比聲屏障更好的隔噪效果，方案示意圖見圖6。具體方案設計如下：隔聲罩罩體采用阻性吸聲技術，使用聲能吸收材料，將整個柴油發電機組罩住，發電機組后端設置斜向下的通風百葉窗進氣，供給柴油機吸氣及散熱。柴油機水箱風扇前端采用阻抗復合式消聲技術，安裝矩陣式消聲模塊，保障自然排風的同時，減少噪聲傳播[12-14]。

3.2.2 方案實施及效果

通過在電動鉆機柴油發電機組上實施該方案（見圖7），經過現場噪聲測量（見圖8）可以發現，隔聲罩方案能使柴油發電機組噪聲降低12～17 dB，井場邊100 m外噪聲能達到國家標準噪聲排放限值2類要求，因此對于井場邊100～200 m有居民的情況，可采用該方案進行降噪。

該方案現場實施過程中，當機組滿載荷工作時，隔聲罩內溫升較高，對設備功率和人員操作都有一定影響，需要增加強排風措施，保障設備散熱。

3.3 低氣壓靜音房方案

3.3.1 方案設計

圖7 隔聲罩方案實施

圖8 隔聲罩實施現場噪聲測量

綜合采用阻性吸聲技術、阻抗復合式消聲技術、多空腔逐級消聲技術和低氣壓排風散熱技術，做成靜音房，能大幅降低設備噪聲，使房體外噪聲低于85 dB，滿足國標GBZ/T 189.8要求，方案示意圖如圖9所示。具體方案設計如下：房體采用阻性吸聲技術，使用聲能吸收材料；進風口和出風口采用阻抗復合式消聲技術，安裝折板式吸聲模塊，如圖10所示；動力設備風扇與出風口吸聲模塊通過排風導罩連接，確保氣流往一個方向全部排出；動力設備排氣管消聲器采用多空腔逐級消聲技術。整個房體除了進風口和出風口，其余部分全部封閉，當房體內空氣由出風口排出時，空氣從進風口進入房體會相對滯后，在房體內形成一個較低的氣壓，使空氣在房體內一致流動，能夠有效帶走設備熱量，實現設備良好散熱[15-16]。

圖9 低氣壓靜音房方案示意圖

圖10 折板式吸聲模塊結構示意圖

3.3.2 通風量計算

由于房體封閉，設備散熱不容忽視，房體總通風量可用如下公式計算：

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為進排氣溫差，一般取10～15℃，取12℃。

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

圖11 低氣壓靜音房方案實施

單臺柴油機總通風量：

因此，單臺柴油機工作時進氣量28 m3/s大于總通風量5.85 m3/s，因此無需額外安裝風機以增加進氣量。

圖12 低氣壓靜音房實施現場噪聲測量

3.3.3 方案實施及效果

通過在機械鉆機機房柴油機和柴油發電機上實施該方案，如圖11所示，可以發現，由于房體封閉，噪聲只能通過進風口和出風口向外傳播，而折板式吸聲模塊能很大程度上吸收噪聲，因此，該方案能使設備噪聲降至85 dB以下，井場邊100 m外噪聲能達到國標GB 3096噪聲排放2類要求，如圖12所示。當井場邊100 m近距離范圍內有居民時，可采用該方案進行降噪。

4 結 論

1）由于我國還沒有明確的鉆井作業噪聲標準，給當前的噪聲評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，能使設備噪聲滿足國標GBZ/T 189.8要求，井場邊100 m處噪聲達到國標GB 3096要求。3）根據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，消除鉆井作業噪聲擾民影響；4）噪聲治理不應僅依靠降噪設施，還應利用山體地形，在定井場時盡量使主要噪聲源背靠山體遠離民房。