油田勘探噪聲污染源分析及監(jiān)測治理方法研究

李增強，和虎

（1.中國石化勝利油田分公司安全環(huán)保質(zhì)量管理部；2.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東 東營 257001）

1 前言

石油勘探根據(jù)油藏位置布設(shè)勘探井，我國東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達(dá)，人口密集，大部分勘探井與居民距離較近，而由于油田勘探開發(fā)工藝極其復(fù)雜，包含物探、鉆井、采油、集輸?shù)榷喾N工序，各工序涉及多種大型機械設(shè)備，且需晝夜連續(xù)作業(yè)，對周圍居民生活造成不同程度的影響，并且當(dāng)噪聲超標(biāo)嚴(yán)重引起周圍居民投訴時，對油田的正常生產(chǎn)造成影響。因此，系統(tǒng)分析油田生產(chǎn)作業(yè)中產(chǎn)生的噪聲污染源，進(jìn)而有效治理油田噪聲污染一直是近年來的工業(yè)性難題之一，能否攻克這一難題，不僅關(guān)系到周圍群眾和油田員工的生活健康，更是油田正常生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)，事關(guān)城市形象，其重要性和緊迫性不言而喻。

油田噪聲污染不僅對井場周圍居民日常生活造成極大的影響，而且對油田生產(chǎn)企業(yè)一線員工的聽力造成不同程度的損傷。隨著人們生活水平的提高，人們越來越重視噪聲污染問題，2013年某油田對一線生產(chǎn)中7225名人員身體情況開展統(tǒng)計，結(jié)果表明從業(yè)人員患噪聲性疾病概率高達(dá)10.7%。因此，如何加強噪聲監(jiān)測治理，對油田周圍居民和生產(chǎn)員工的健康安全環(huán)境均具有重大意義。

近年來，每年因噪聲污染及超標(biāo)問題被周圍居民投訴約10余起，居民投訴間接導(dǎo)致油田勘探、鉆井、采油等工藝無法順利開展。因此，如何在保障石油正常生產(chǎn)前提下，采取有效的監(jiān)測治理措施防御噪聲污染，對保障油田正常生產(chǎn)具有重大意義。

綜上所述，分析油田噪聲污染源，并探討如何有效監(jiān)測治理一直是噪聲監(jiān)測防護(hù)控制的重中之重，對保障油田正常生產(chǎn)意義重大。

2 噪聲污染源分析

油田勘探開發(fā)工藝極其復(fù)雜，包含物探、鉆井、采油、集輸?shù)榷喾N工序，各工序需要涉及不同的生產(chǎn)設(shè)施，每種生產(chǎn)設(shè)施會持續(xù)不斷的產(chǎn)生多種噪聲，導(dǎo)致產(chǎn)生多種噪聲污染源。只有對其噪聲污染源進(jìn)行系統(tǒng)且全面的認(rèn)識，才可能從產(chǎn)生噪聲源頭進(jìn)行控制，用最小的改革、最節(jié)約的成本來治理噪聲污染現(xiàn)象。

（1）鉆井噪聲源。鉆井噪聲源主要源于柴油發(fā)電機、泥漿泵、振動篩、鉆機等機械設(shè)備，如表1所示，根據(jù)測量均值都在90dB（A）以上，并呈現(xiàn)出連續(xù)、穩(wěn)態(tài)的特性，其呈點聲源輻射影響周圍。雖然不同油田采用的鉆井設(shè)備存在一定差異，但大部分噪聲都由泥漿泵產(chǎn)生，以球面波的形式向四周輻射傳播，主要包含頻率為600～1000Hz，其不同設(shè)備在發(fā)生異常時，噪聲危害程度更強。

表1 井場主要設(shè)備噪聲特性

（2）采油噪聲源。采油噪聲源主要包括抽油機、抽油泵、抽油管、抽油桿等，主要分為機械噪聲和電磁噪聲。正常情況下噪聲強度一般在70dB（A）左右，但由于采油過程是一個源源不斷的活塞運動，有時會引起疲勞、磨損、抽油桿斷裂等故障，這些異常故障往往是引起采油噪聲污染的主要原因。

（3）集輸噪聲源。油田集輸噪聲源主要包括：注水泵、輸油泵、外輸泵、產(chǎn)水泵、脫水泵、加熱爐、風(fēng)機及電機等。主要分為機械噪聲、電磁噪聲和混合噪聲。機械噪聲主要是泵類設(shè)備產(chǎn)生，由于內(nèi)部電機與其他部件摩擦造成。電磁噪聲主要是由加熱爐產(chǎn)生，混合噪聲則是不同設(shè)備集中在同一空間時，機械噪聲、電磁噪聲及空氣摩擦噪聲混合產(chǎn)生。

綜上所述，掌握油田生產(chǎn)設(shè)施和施工產(chǎn)生的噪聲源，并采用與之對應(yīng)合適的手段對其進(jìn)行一定程度的消除是目前油田正常生產(chǎn)亟需解決的首要難題。

3 噪聲治理方法

目前已存在的降噪治理手段主要分為物理降噪和主動降噪。

3.1 物理降噪

物理降噪又分為有源噪聲控制和無源噪聲控制，有源噪聲控制是指從噪聲聲源發(fā)出的時候便開始控制噪聲，主要有設(shè)備改造、工藝流程改造等，無源噪聲控制就是指在傳播途徑過程中去消除噪聲，主要有吸聲吊頂及墻面、隔聲門窗、移動式隔聲屏及隔聲罩、房中房隔振、風(fēng)機消聲器及配套等。

有源噪聲控制中設(shè)備改造與工藝流程改造具有良好的降噪效果，但其成本較高，這也導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中受限。例如喇Ⅱ—1注水站改造工程，其在傳統(tǒng)注水泵房降噪設(shè)計的基礎(chǔ)上采用多種圍護(hù)結(jié)構(gòu)及輕質(zhì)屋面板材做墻體內(nèi)部保溫及吸音降噪處理，以使注水泵房達(dá)到更好的保溫節(jié)能和降噪效果。與傳統(tǒng)注水泵房降噪設(shè)計相比，其改造后噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，獲得了良好的降噪效果，并且其整體施工時間也比傳統(tǒng)所用時間大大縮減。

盡管上述有源噪聲控制獲得了令人滿意的降噪效果，但令人遺憾的是，上述設(shè)備大部分均從國外進(jìn)口，極少國內(nèi)設(shè)備可以在少量改動后用于降噪。因此國內(nèi)消噪工作多采用有吸聲材料、隔音墻、阻尼減震等無源噪聲控制方式，其相關(guān)材料及配套的投資成本相對較低，并且安裝改造簡便，具有一定的降噪效果。例如，中國石化勝利油田濱南采油廠通過采用吸聲吊頂、吸聲墻面、隔聲門窗、移動式隔聲屏、防爆軸流風(fēng)機及配套裝置、進(jìn)排風(fēng)消聲器等，使泵房噪聲值由平均72.3dB降低到54.3dB，達(dá)到了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。實踐證明，采取無源噪聲控制方法是油田井場噪聲污染治理的有效手段之一。

3.2 主動降噪

主動降噪是個體通過佩戴耳塞、耳罩、防噪聲帽盔等措施降低噪聲。例如，國外學(xué)者研制出了一款自動降噪耳套，當(dāng)噪聲大于設(shè)定分貝數(shù)時，耳套會自動衰減噪聲，減弱使用者聽到的噪聲。市面上大多耳機內(nèi)置隔聲材料以阻擋噪聲，是一種被動降噪。當(dāng)噪聲頻帶較高時，此方法十分有效，一般能將噪聲降低15～20dB。上述耳機降噪方法具有原理簡單、成本低和效果較好等優(yōu)點，但由于油田企業(yè)一線員工較多，嚴(yán)格實施存在一定的困難，并且該方法更多有助于企業(yè)員工，對于周圍居民，不能要求其佩戴耳套等設(shè)備進(jìn)行主動降噪。

4 噪聲監(jiān)測及信號識別治理

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展給油田治理帶來了新的方向，從傳統(tǒng)治理轉(zhuǎn)向自動噪聲監(jiān)測及信號識別，采用先進(jìn)的硬件采集設(shè)備及信號分析方法，對油田噪聲進(jìn)行自動化采集監(jiān)測，并通過對不同噪聲信號分析進(jìn)行識別診斷，為噪聲治理提供科學(xué)依據(jù)。

4.1 噪聲監(jiān)測

目前，環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)正處于由傳統(tǒng)向現(xiàn)代過渡的階段，主要有系統(tǒng)化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化3種發(fā)展方向。關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境噪聲自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究已成為熱點。目前噪聲監(jiān)測主要分為自動監(jiān)測和功能區(qū)監(jiān)測兩大類。

國內(nèi)開發(fā)的自動噪聲監(jiān)測系統(tǒng)通?？梢詫崟r監(jiān)控并記錄生產(chǎn)工業(yè)噪聲超標(biāo)情況；為后續(xù)的噪聲信號分析、噪聲超標(biāo)設(shè)備定位以及噪聲治理提供有效且可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

功能區(qū)監(jiān)測相較于前者更關(guān)注于某一特定功能區(qū)的噪聲，布控成本更低，并且對于后續(xù)的信號分析與識別治理更有效果，但如何選取功能區(qū)也是實際監(jiān)測中的難點之一，這需根據(jù)實際油田布局進(jìn)行科學(xué)選取。

4.2 噪聲信號識別治理

在上述獲取有效可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對獲取的噪聲信號進(jìn)行分析，隨著研究的深入和設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步，噪聲信號分析方法層出不窮，主要可以分為以下兩大類：一類是用測試方法識別噪聲源，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行噪聲治理，如表2所示，主要包括分別運行法、倒拖法、鉛覆蓋法、聲強測試法、聲全息法等。其中分別運行法、倒拖法、鉛覆蓋法和聲強測試法屬于較傳統(tǒng)的測試方法，其操作簡單，被廣泛用于油田噪聲識別治理，但由于其工作量較大，在實際分離噪聲和識別治理時存在較大誤差；而聲全息法是一種采用干涉原理測試噪聲聲源信息的方法，對后續(xù)噪聲源識別及定位提供良好依據(jù)，雖然其優(yōu)勢明顯，但成本較高，較少應(yīng)用于實際應(yīng)用。

另一類是利用不同的信號分析方法對噪聲信號進(jìn)行分析，主要包括信號分解方法和時頻分析方法。信號分解方法是指從原始信號中分離或恢復(fù)出混疊源信號的方法，因為采集監(jiān)測的噪聲信號并不是單一設(shè)備源產(chǎn)生的信號，所以對其分析識別前首先需要采用信號分解方法將其分離若干單一信號，其主要包括經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）、變分模態(tài)分解（VMD）、經(jīng)驗傅里葉分解（EFD）和基于獨立成分分析的盲源分離技術(shù)等。時頻分析方法將一維非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為時間和頻率兩個維度對信號進(jìn)行分析，進(jìn)而反映信號在局部時間內(nèi)的頻域特征。其主要包括傳統(tǒng)時頻分析方法（短時傅里葉變換、小波變換、S變換及廣義S變換等）和高精度后處理時頻分析方法。傳統(tǒng)時頻分析方法作為傅里葉變換的延伸，通過加窗變換挖掘時頻信息，但由于其受到海森堡測不準(zhǔn)原理的限制，難以精細(xì)表征不同噪聲源信號特征。為此在傳統(tǒng)時頻分析方法的基礎(chǔ)上演化出一系列高精度后處理時頻分析方法，主要包括同步擠壓變換、同步提取變換等，高精度時頻分析方法有助于更好的監(jiān)測油田井場噪聲特征，從而為噪聲識別提供科學(xué)依據(jù)。

上述的噪聲分析法存在著不同的優(yōu)缺點和適合范圍，在工程應(yīng)用中會根據(jù)實際信號特點，使用多種噪聲分析方法，充分發(fā)揮各方法的優(yōu)點，更準(zhǔn)確的識別噪聲源。本文以一個模擬油田采油環(huán)節(jié)抽油機噪聲信號為例，該井場噪聲信號如圖1（a）所示，對該模擬信號采用經(jīng)驗傅里葉分解后得到的四個單一噪聲信號如圖1（b～e）所示，并對得到的4個單一噪聲信號采用同步擠壓變換得到的時頻譜如圖2所示，通過時頻譜更好地識別油田井場不同噪聲源特征（如表2所示），從而為噪聲識別治理提供科學(xué)依據(jù)。

圖1

圖2 采用同步擠壓變換得到的時頻譜

表2 不同噪聲源信號特征

5 結(jié)語

經(jīng)過上述調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對于油田井場噪聲監(jiān)測治理主要集中2方面，其關(guān)鍵技術(shù)已取得了一定進(jìn)展，但仍需進(jìn)一步探討，針對各自油田井場特點開展行之有效的噪聲監(jiān)測治理措施。

（1）噪聲治理。油田噪聲污染源種類較多、分布較廣，導(dǎo)致其監(jiān)測治理是一項比較繁瑣的工作，需根據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，主要可以從一下幾方面開展治理工作如：從物理防噪角度上，做好噪聲監(jiān)測工作，利用吸聲材料、隔音墻、阻尼減震等控制噪聲的傳播和反射；從主動防噪角度上，應(yīng)加強工作人員個體防護(hù)意識，主動佩戴耳塞、耳罩、防聲盔等防護(hù)工具，定期體檢并且實施崗位輪換制。在噪聲治理過程中，應(yīng)針對不同類型噪聲的特點及噪聲污染現(xiàn)狀，選取一種或多種方式組合的治理方法。

（2）噪聲監(jiān)測及識別治理。現(xiàn)有的噪聲信號分析方法雖然在噪聲源信號分析方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，但是由于噪聲傳播速率以及時頻分析方法的時頻分辨率有限等客觀因素，需要針對噪聲信號的時變非平穩(wěn)特征，探討不同時頻分析方法在噪聲信號分析的適用性，并根據(jù)實際應(yīng)用效果與效率，選取最適合的信號分析方法，從而獲取原始噪聲信號中的有效信息用于識別治理噪聲污染。

綜上所述，油田噪聲污染問題應(yīng)從噪聲控制、噪聲監(jiān)測及識別治理2方面入手，為油田井場環(huán)境噪聲監(jiān)測治理提供現(xiàn)實可行的控制手段。石油產(chǎn)業(yè)作為國家能源戰(zhàn)略資源領(lǐng)域的重要行業(yè)，其噪聲監(jiān)測治理更是我國環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的重要一環(huán)，如何自動監(jiān)控油田生產(chǎn)中不同設(shè)備的噪聲信號來判斷油田生產(chǎn)情況，并在保障油田正常運轉(zhuǎn)的前提下盡可能減少噪聲，這是需要長期研究的課題。