钻井井场噪声分析及降噪方案设计

王浚璞， 刘东方， 李 勇

(中石油川庆钻探工程公司设备处)

噪声作为一种污染和危害，已经明确写进《环境保护法》第四十二条，噪声污染对人类健康和环境的危害，日益受到人们的重视。钻井作业由于使用大功率的机械设备，在钻井过程中会产生持续的噪声。井场噪声不仅影响工人的身心健康，对近距离的村民生活也造成恶劣影响，因井场噪声引发的问题，甚至会阻碍钻井作业的正常进行[1-3]，为此每年仅川渝地区因扰民赔付就达到200万元，生产损失则更加高昂。因此，对井场噪声进行分析和治理，有着重要意义。

一、钻井井场噪声源分析

钻井作业各种设备产生的高强度噪音，属于点声源，主要以机房(柴油机)为中心，以球面波的形式向四周传播辐射，具有中低频声波特点，波长较长，方向性弱，衰减消失缓慢，沿柴油机排气管冷却风扇方向噪音最强[4-6]。机房平均噪声为104 dB，最大噪声为115 dB；钻台平均噪声为92 dB，最大噪声为118 dB；井场内区域平均噪声为87 dB；井场边界平均噪声为85 dB；井场边界外50 m处，平均噪声为71 dB；井场边界外100m处，平均噪声为65 dB；井场边界外200 m处，平均噪声为55 dB。

二、钻井井场噪声控制方案设计

1. 井场声屏障设计

在声源与受声点之间,插入一个有足够面密度的密实材料的物体,使声波传播有一个明显的衰减,这样的“障碍物”称为声屏障，如图1所示。

图1 声屏障示意图

声屏障作为经济性、实用性和耐用性都较理想的一种降噪措施，广泛应用于道路交通、工厂企业环境降噪。依据声屏障声学设计规范，声屏障插入损失计算采用Meakawa理论公式：

(1)

式中：ΔL—声音衰减值，dB；

λ—声波波长，m；

A，B，C，D—声屏障距离，m。

由Meakawa理论公式可以得出，当N>0,表明受声点位于“声影区”,声屏障的衰减范围从5 dB到一个上限值,由空气的不规则性及湍流决定。理论方法没有提到声屏障衰减的上限值,但实验资料表明,24 dB几乎达到极限[7-8]。

当C≫D，C≫H时，声屏障的设计高度，可以按照简化公式(2)来计算：

(2)

式中：f—声音频率。

按照式(2)，当敏感点(民房)在100 m外，声屏障衰减目标值为24 dB时，声屏障高度与噪声源距离的关系见表1。

表1 声源距离与声屏障高度

由表1可以看出，声屏障距噪声源越远，需要的屏障高度越高，因此，综合井场道路布局、声屏障架设条件、经济性、稳定性等因素，声屏障距声源距离不宜超过6 m。

2. 主要噪声源密闭设计

通过钻井井场噪声源分析发现，井场柴油动力机是井场最大噪声源。为实现较好的降噪效果，对机房柴油动力机组进行密闭设计，如图2所示。

综合考虑机房噪声源，密闭设计将柴油机、变矩器(耦合器)、链条箱整体进行封闭，隔声板采用离心玻璃棉吸声材料，进排风消声采用形状不同的吸声折板模块铺设而成，柴油机散热风扇与消声模块采用排风导罩连接。

图2 柴油动力机密闭设计

2.1 消声量计算

进、排风消声器为阻性折板式消声器。由于声波在消声器内多次弯折，加大了声波对吸声材料的入射角，避免高频声波呈束状直接通过消声器，提高了吸声效率，达到改善高频消声性能的效果[9]。

设计采用的阻性折板式消声器的消声量可由式(3)计算：

(3)

式中：α0—表示材料的吸声系数；

φ(α0)—表示材料的消声系数；

P—表示进、排风通道周长，m；

S—表示进、排风通道截面积，m2；

l—表示进、排风通道长度，m。

根据已设计的进、排风消声器各个参数，按照等能量原则可换算成倍频程中心频率结果如表2。

表2 进、排气噪声量

各个倍频程中心频率下的进、排气噪声按声压级叠加得到总进气噪声级为67.7 dB。

墙体及顶棚的隔声量可由式(4)计算：

(4)

计算各个倍频程中心频率结果如表3。

各个倍频程中心频率下的辐射噪声按声压级叠加得到总辐射噪声级为59.6 dB。密闭室外总噪声级等于进气噪声与辐射噪声按声压级叠加得到，为68.3 dB；单台柴油机工作时，与气流再生噪声61.8 dB按声压级叠加得69.2 dB；两台工作时，与气流再生噪声79.9 dB按声压级叠加得80.2 dB。

表3 墙体及顶棚噪声量

2.2 通风量计算

密闭室总通风量可用如式(4)计算：

(4)

式中：Q—为总排放热量，kJ/h；

γ—为空气密度，一般为1.29 kg/m3；

Cr—为空气比热，一般为1 kJ/kg·℃；

ΔT—为进排气温差，一般取10℃～15℃，取12℃。

12V190柴油机的在常用工况下热耗率一般为8 000 kJ/kW·h,热效率为31%，单台柴油机总排放热量：

单台柴油机总通风量：

单台柴油机工作时进气量28 m3/s大于总通风量24.4 m3/s，机房内的通风量满足要求；两台柴油机并行工作时同样满足通风量要求，因此无需额外安装风机以增加进气量。

三、钻井井场噪声治理效果

根据井场噪声控制方案设计，对磨溪117井川东钻探70516队机械钻机的主要噪声源(动力设备)实施全密闭降噪，包括机房柴油机降噪房和发电机组降噪房，通过井场噪声测量数据表明，对井场主要噪声源动力设备实施全密闭降噪，能使声源处噪声降至85 dB以下，达到国标GBZ/T 189.8“单体设备噪声低于85 dB”要求；距井场边100 m外噪声低于50 dB，达到国标GB 12348“夜间噪声不超过50 dB”要求。

四、结论

(1)钻井井场产生的噪音，属于点声源，主要以机房(柴油机)为中心，以球面波的形式向四周传播辐射，具有中低频声波特点，波长较长，方向性弱，衰减消失缓慢。

(2)综合井场道路布局、声屏障架设条件、经济性、稳定性等因素，声屏障距声源距离不宜超过6 m。

(3)对主要噪声源柴油动力机进行密闭降噪处理能达到理想的降噪效果，预计能将噪声降至80.2 dB，受井场多噪声源综合噪声影响，井场实测噪声降至85 dB。

(4)采用密闭设计，在不增加排风装置条件下，密闭室内温度增幅可控制在12℃以下，实际室内温度增幅不超过5℃。

(5)钻井井场噪声治理可根据井场地理位置和民房分布情况，设置声屏障、密闭隔音房以及两种方案组合使用。