油氣鉆井井場(chǎng)防雷擊理論及實(shí)踐

摘 要

摘要：鉆井井場(chǎng)防雷擊是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及多種復(fù)雜設(shè)備，需要滿足防火防爆防雷等耐環(huán)境特殊要求，不是普通防雷廠家在井場(chǎng)簡(jiǎn)單地安裝防雷器所能解決的。針對(duì)川渝高雷暴地區(qū)雷擊風(fēng)險(xiǎn)
摘要：鉆井井場(chǎng)防雷擊是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及多種復(fù)雜設(shè)備，需要滿足防火防爆防雷等耐環(huán)境特殊要求，不是普通防雷廠家在井場(chǎng)簡(jiǎn)單地安裝防雷器所能解決的。針對(duì)川渝高雷暴地區(qū)雷擊風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司對(duì)鉆井井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)進(jìn)行了科技攻關(guān)，開(kāi)展了鉆井井場(chǎng)防雷接地、井場(chǎng)總等位聯(lián)結(jié)和井場(chǎng)接零保護(hù)等理論研究，將電氣保護(hù)、防靜電和防雷擊3者有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成油氣鉆井井場(chǎng)防雷擊實(shí)用理論，并將該理論應(yīng)用于鉆機(jī)總體設(shè)計(jì)、改造及安裝。兩年多來(lái)，在川渝地區(qū)68臺(tái)鉆機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果證明，該理論在降低井場(chǎng)直擊雷損失和預(yù)防感應(yīng)雷方面起到了重要作用。同時(shí)，在使用中發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)存在的問(wèn)題，制訂了相應(yīng)的整改措施，并指出采取屏蔽和均壓方法可將直擊雷損失降到最低，以及功能地與現(xiàn)場(chǎng)故障地錯(cuò)誤聯(lián)結(jié)的危險(xiǎn)性。
關(guān)鍵詞：鉆井井場(chǎng)；防雷擊；理論；實(shí)踐；川渝地區(qū)；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司
    針對(duì)川渝高雷暴地區(qū)雷擊風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程公司開(kāi)展了鉆井井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)科研項(xiàng)目研究，建立了井場(chǎng)防雷擊實(shí)用理論，在川渝地區(qū)井場(chǎng)推廣實(shí)施后取得了顯著效果。但是，項(xiàng)目推廣后仍有個(gè)別井場(chǎng)產(chǎn)生雷擊損失，筆者針對(duì)這些損失，找出了存在的問(wèn)題，制訂了相應(yīng)的整改措施。
1 井場(chǎng)防雷擊理論簡(jiǎn)介
1.1 雷電形成原理概述
    通常閃電包括云內(nèi)閃電、云際閃電和云地閃電3種。雷云雨在井架等設(shè)備上的直接放電，稱為“直擊雷”。不論何種閃電，都會(huì)產(chǎn)生雷擊電磁脈沖(LEMP)即“感應(yīng)雷”，并在井場(chǎng)設(shè)備上產(chǎn)生浪涌電壓，“感應(yīng)雷”的形式有靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電磁脈沖和雷電反擊等。
1.2 井場(chǎng)防雷擊的基本措施
    防雷擊的基本措施主要包括消雷、屏蔽、均壓和分流。消雷是針對(duì)直擊雷而言，通過(guò)避雷針和接地體將雷擊電流引入大地，通過(guò)散流電阻向大地散入電流，即散流；屏蔽是利用法拉第籠原理保護(hù)設(shè)備；均壓是將金屬導(dǎo)體與等電位母線聯(lián)結(jié)后接入大地，雷擊電流通過(guò)等電位母線直接散入大地；分流是通過(guò)防雷器保護(hù)設(shè)備，當(dāng)雷擊電位升高到保護(hù)電壓時(shí)，防雷器電阻下降，雷擊浪涌電流通過(guò)防雷器散入大地。井場(chǎng)采取消雷、屏蔽和均壓措施即可起到很好的防雷作用，只對(duì)弱電設(shè)備和重要儀器房的入戶電源采取分流措施。
1.3 井場(chǎng)防雷接地理論[1]
    1) 鉆機(jī)主機(jī)接地將主機(jī)(井架、鉆機(jī))、柴油機(jī)房、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、泥漿泵房、錄井房、發(fā)電房、油水罐、野營(yíng)房等金屬結(jié)構(gòu)用一根電纜連接起來(lái)，形成總等電位聯(lián)結(jié)母線，并在多處非防爆區(qū)域重復(fù)接地。鉆機(jī)底座直接放在地面上的水泥基礎(chǔ)上，石油套管通過(guò)水泥固定在地層內(nèi)。鉆進(jìn)時(shí)，套管內(nèi)的泥漿不斷進(jìn)入井底，并循環(huán)返回泥漿罐，使套管與井底形成離子導(dǎo)電通道。套管頭通過(guò)方井與地面形成離子導(dǎo)電通道，套管中部與底部均通過(guò)水泥中的氣泡水分接地。所以，井筒實(shí)際上成為一個(gè)巨型接地體，鉆機(jī)底座通過(guò)井控管線與井筒相連形成接地通道。井架固定在鉆機(jī)底座上，偏房、司控房固定在鉆臺(tái)上。經(jīng)實(shí)測(cè)，鉆機(jī)底座、井架、偏房、司控房的固定共同構(gòu)成了主機(jī)的接地裝置，接地性能很好。
    但是，錄井房、發(fā)電房、電控房、頂驅(qū)房與鉆機(jī)井架距離較遠(yuǎn)，鉆機(jī)井架能否起到避雷針的作用，取決于土壤電阻率等多種因素。
    2) 鉆機(jī)主機(jī)接地電阻及對(duì)地電壓
    由歐姆定律得土壤散入電流時(shí)的散流電阻和接地裝置散流電阻：
 
式中dRd為土壤散流電阻；Rd為鉆機(jī)對(duì)地電阻；r0為鉆機(jī)底座與人體接觸處距井口中心的距離；ρ為土壤電阻率；r為人體距井口中心的距離。
    由式(1)和(2)可得鉆機(jī)對(duì)地電壓和對(duì)地電阻
 
式中Ud為鉆機(jī)對(duì)地電壓；Id為散入電流。
    由式(3)可知，對(duì)地電壓Ud取決于鉆機(jī)接地電阻，而鉆機(jī)接地電阻取決于鉆機(jī)主機(jī)接地裝置。
    鉆機(jī)主機(jī)接地裝置包括井架到底座至套管的電阻、套管至井口/井底土壤間的過(guò)渡電阻、井口/井底大地的散流電阻。如果井架到底座以及底座到井控管線的連接可靠，這部分電阻可忽略不計(jì)；但若因油漆絕緣性能良好及采用非金屬連接方式，無(wú)法形成良好的接地通道，則必須采取恰當(dāng)措施。井架及底座至套管間形成良好的接地通道，其電阻可忽略不計(jì)。套管至井口/井底土壤間的過(guò)渡電阻可忽略不計(jì)。因此，在鉆機(jī)井控管線與鉆機(jī)底座之間采取正確的措施后，可將井筒直接視為鉆機(jī)接地裝置的人工類型的單根接地體，鉆機(jī)接地裝置的對(duì)地電阻Rd與土壤的電阻率ρ成正比，與接地體即石油套管半徑成反比。
    井架和石油套管遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)的接地體尺寸，因此一般認(rèn)為石油鉆機(jī)井架就是最好的巨型避雷針，石油套管就是最好的巨型接地體。當(dāng)鉆臺(tái)上工頻下某相絕緣破壞或設(shè)備外殼帶電時(shí)，觸摸帶電設(shè)備外殼時(shí)的接觸電位為Ud，身體站立處的電位為U1：
 
　　施加在人體上的電壓(Uk)為：
    由圖1和式(5)可知，在井架與套管之間形成可靠接地通道的前提下，鉆機(jī)對(duì)地電位分布曲線即雙曲線非常平緩，在工頻下主機(jī)電氣設(shè)備某相絕緣破壞或設(shè)備外殼帶電以及井架遭受直擊雷的情況下，操作者在主機(jī)附近的接觸電壓和跨步電壓都比常規(guī)避雷裝置低，這也是井場(chǎng)很少發(fā)生操作人員因主機(jī)漏電或雷擊發(fā)生觸電事故的原因。更為重要的是，接地良好情況下，形成了良好的防雷接地通道，當(dāng)鉆機(jī)遭受直擊雷時(shí)能夠迅速釋放。
 

    3) 鉆機(jī)接地的電感特性
    對(duì)于帶有機(jī)房的鉆機(jī)，其金屬底座較長(zhǎng)較寬，在潮濕環(huán)境下有可能通過(guò)離子導(dǎo)電形成水平布置的接地體。由于雷電流的等值頻率很高，可能使這個(gè)大型接地體呈現(xiàn)出自身的電感特性，阻礙雷電流向遠(yuǎn)端接地體流通，使石油套管這種接地體得不到充分利用，造成沖擊接地電阻大于工頻接地電阻，這種現(xiàn)象稱為電感效應(yīng)。良好的接地體需要沖擊電阻小于工頻接地電阻，即火花效應(yīng)。這也是有些帶機(jī)房的鉆機(jī)防雷性能不穩(wěn)定的原因之一，造成了雷擊損失大小不一的奇怪現(xiàn)象。
1.4 井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)理論[2]
1.4.1井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線概念的提出
    主等電位聯(lián)結(jié)是將所有金屬導(dǎo)體盡量與等電位端子相連，但由于其聯(lián)結(jié)線數(shù)量太多，無(wú)法實(shí)施。因此，假定將主等電位聯(lián)結(jié)端子箱內(nèi)的母排延伸為一根一定長(zhǎng)度的等電位聯(lián)結(jié)母線，即井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線，如果能達(dá)到等電位的效果，將具有實(shí)用意義。
1.4.2井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線的理論推導(dǎo)
1.4.2.1 電位差與穩(wěn)恒電場(chǎng)
    經(jīng)推導(dǎo)可得到下式：
 
即得到穩(wěn)恒電場(chǎng)自由電荷密度不隨時(shí)間改變的條件公式(即穩(wěn)恒電流條件)。式中j0為傳導(dǎo)電流密度，如為自由電荷密度。
    由可知，穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)為穩(wěn)恒場(chǎng)，磁場(chǎng)不隨時(shí)間改變。其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，t為時(shí)間。這個(gè)穩(wěn)恒場(chǎng)結(jié)論是井場(chǎng)總等電位的理論基礎(chǔ)。
1.4.2.2 靜電場(chǎng)與等電位聯(lián)結(jié)端子的理論基礎(chǔ)
    等電位端子達(dá)到靜電平衡時(shí)，根據(jù)電位差定義，端子內(nèi)任意兩點(diǎn)x1、x2的電位差為
 
式中E為靜電場(chǎng)強(qiáng)度，l為等電位端子長(zhǎng)度。
    由此得出端子內(nèi)各點(diǎn)電位相等，端子表面是等位面，因此在靜電場(chǎng)下，端子是等電位體。
1.4.2.3 雷擊電場(chǎng)與井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線的理論基礎(chǔ)
    經(jīng)推導(dǎo)[1]，將主電位端子延伸一定長(zhǎng)度成為井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線的條件為
 
式中λ為電流波長(zhǎng)，L為總等電位聯(lián)結(jié)母線長(zhǎng)度。
1.4.2.4 波長(zhǎng)與母線長(zhǎng)度
    1) 工頻電流
    電磁波傳播速度C≈30×107m/s，取L=150m。工頻交流電壓的1/4波長(zhǎng)為
 
    2) 雷擊電流
    “8/20”雷擊電流陡波的1/4波長(zhǎng)為
 
    按雷電流的等效頻率10kHz計(jì)算，其1/4波長(zhǎng)為
 
    所以，雷電脈沖下，母線仍滿足似穩(wěn)條件，母線中可近似視為等電位母線。
    根據(jù)以上推導(dǎo)及實(shí)際應(yīng)用，在川慶鉆探工程公司的QSYCQZ/037—2008標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，井場(chǎng)總等位聯(lián)結(jié)母線最大長(zhǎng)度為150m。
1.5 井場(chǎng)接零保護(hù)概述[3]
    國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)用電安全技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：在施工現(xiàn)場(chǎng)專用電源為中性點(diǎn)直接接地的電力線路中，必須采用TN-S保護(hù)接零系統(tǒng)，即電氣設(shè)備的金屬外殼必須與PE連接。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，中性點(diǎn)接地系統(tǒng)宜采用接零保護(hù)。
    采取總等電位聯(lián)結(jié)和輔助總等電位聯(lián)結(jié)兩種措施，可提高自動(dòng)供電切斷措施的可靠性和有效性，消除用電安全隱患，同時(shí)可成為防雷的“大地”基礎(chǔ)。
2 井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)應(yīng)用中常見(jiàn)問(wèn)題及整改措施
    建立井場(chǎng)專用防雷擊理論后，形成了川慶鉆探工程公司《石油天然氣井場(chǎng)防雷技術(shù)規(guī)范》，在川渝地區(qū)井場(chǎng)使用后，達(dá)到了預(yù)期效果。但在應(yīng)用后，個(gè)別井隊(duì)仍有雷擊損失，經(jīng)調(diào)查研究，原因是未認(rèn)真執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 井場(chǎng)視頻系統(tǒng)雷擊損失與整改措施
    視頻系統(tǒng)即井場(chǎng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，其攝像頭分別安裝于二層臺(tái)、鉆臺(tái)、振動(dòng)篩、循環(huán)罐及泵房等。按照井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)要求，二層臺(tái)攝像頭應(yīng)安裝于井架內(nèi)側(cè)，視頻電纜應(yīng)安裝于井架籠梯內(nèi)，井場(chǎng)內(nèi)視頻電纜線均應(yīng)安裝于屏蔽于金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)。雷擊損壞原因主要包括安裝錯(cuò)誤和接地錯(cuò)誤兩種，具體情況如下：
2.1.1安裝錯(cuò)誤及整改措施
    二層臺(tái)攝像頭尾部在井架外側(cè)，岡其金屬外殼感應(yīng)出靜電，直擊雷擊中攝像頭外殼，雷擊電流順著電纜進(jìn)入攝像頭內(nèi)，燒毀其電路板。
    整改措施如下：
    1) 調(diào)整二層臺(tái)攝像頭安裝位置，使攝像頭置于井架內(nèi)側(cè)。
    2) 如果無(wú)法躲開(kāi)井架內(nèi)絞車鋼絲繩的撞碰，攝像頭尾部只能置于井架外側(cè)，可將攝像頭置于屏蔽金屬外殼內(nèi)。
    3) 攝像頭視頻井架段電纜置于井架籠梯內(nèi)，其余段置于金屬屏蔽結(jié)構(gòu)內(nèi)。特別注意不能將電纜順著管道或結(jié)構(gòu)件外敷設(shè)，防止岡耦合作用在電纜內(nèi)產(chǎn)生雷擊耦合電流。
2.1.2接地錯(cuò)誤
    直流電源0V與金屬外殼連接，雷擊時(shí)浪涌電流燒壞所有攝像頭直流電源電路，將直流電源0V與金屬外殼隔離即可。
2.2 綜合錄井儀及鉆井參數(shù)儀雷擊損失與整改措施
    綜合錄井儀雷擊損失的原因主要是未采取保護(hù)措施和接地錯(cuò)誤。
2.2.1保護(hù)錯(cuò)誤
    綜合錄井儀安裝了防雷器的錄井終端，均沒(méi)有雷擊損失；錄井隊(duì)自行取消了錄井終端防雷器的，存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)。衛(wèi)星遠(yuǎn)傳系統(tǒng)沒(méi)有安裝天饋防雷器，因此有雷擊損失。
    整改措施：①安裝錄井終端防雷器，采取正確的接地方式；②衛(wèi)星遠(yuǎn)傳系統(tǒng)攝像頭安裝屏蔽金屬盒，采取正確的接地方式，同時(shí)在主機(jī)視頻輸入接頭處安裝天饋防雷器。
2.2.2接地錯(cuò)誤
    包括絞車傳感器、出口流量、溫度、懸重、立壓等傳感器、室內(nèi)接口箱E板及工作站工控機(jī)等接地錯(cuò)誤：①錄井房輸出端未接地，部分傳感器輸出端未接地，使傳感器屏蔽層失效；②信號(hào)地、數(shù)字地與電源接地混接，綜合錄井房?jī)?nèi)傳感器24V直流電源的0V錯(cuò)誤接地，與PE相連即與房體外殼相通，當(dāng)雷擊時(shí)由于地電位升高，導(dǎo)致大部分傳感器損壞；③部分錄井傳感器如出口流量、懸重、立壓等傳感器，由于裸露在井架外側(cè)，當(dāng)井架釋放雷擊電流時(shí)，可能在傳感器外殼與井架之間產(chǎn)生電位差，導(dǎo)致放電燒壞傳感器，同時(shí)也有可能因耦合作用，在傳感器內(nèi)產(chǎn)生浪涌電壓，通過(guò)傳感器共接的0V通道損壞所有傳感器；④部分傳感器未采用雙屏蔽電纜，不論輸出端是否正確接地，都有可能因耦合作用產(chǎn)生感應(yīng)電壓，導(dǎo)致傳感器損壞；⑤屏蔽措施不夠，部分信號(hào)電纜基本上采取架空方式到循環(huán)罐，容易遭受感應(yīng)雷，造成設(shè)備損壞；⑥綜合錄井房至井場(chǎng)總電位聯(lián)結(jié)母線之間未接輔助等電位母線，造成雷擊時(shí)地電位反擊升高，造成綜合錄井儀與鉆機(jī)之間的電位差，從而產(chǎn)生浪涌電流損壞綜合錄井設(shè)備。
    整改措施：①在綜合錄井儀全面采取消雷、屏蔽、均壓和分流等防雷措施；②安裝錄井終端防雷器，同時(shí)采取雙屏蔽電纜，并在輸出端處正確接地；③采用雙屏蔽傳感器電纜，并在輸出端處正確接地；④采取獨(dú)立的傳感器直流供電系統(tǒng)，嚴(yán)禁將直流電源0V與房體外殼相連；⑤裸露的傳感器和攝像頭應(yīng)安裝屏蔽外殼，并正確接地，防止遭受直擊雷。
3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)
    通過(guò)鉆井井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)的研發(fā)與推廣應(yīng)用，可得如下結(jié)論：
    1) 井場(chǎng)專用防雷擊系統(tǒng)理論是降低井場(chǎng)直擊雷損失和預(yù)防感應(yīng)雷的行之有效的實(shí)用理論。
    2) 井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線是電氣保護(hù)、防雷和防靜電的“大地’’母線。因此應(yīng)正確地安裝和維護(hù)井場(chǎng)總等電位聯(lián)結(jié)母線及輔助等電位母線。
    3) 直擊雷不能完全預(yù)防但可降低其損失程度。對(duì)于裸露的攝像機(jī)、傳感器等弱電設(shè)備，應(yīng)采取屏蔽和均壓方法，降低其直擊雷損失。
    4) 感應(yīng)雷可通過(guò)消雷、屏蔽和均壓等方法進(jìn)行預(yù)防，應(yīng)正確采取措施。
    5) 弱電設(shè)備的直流電源0V、數(shù)字地、信號(hào)地等與金屬結(jié)構(gòu)相連時(shí)，當(dāng)雷擊時(shí)地電壓升高，將造成連接在同一直流電源上的大部分傳感器及主機(jī)損壞。
    6) 井場(chǎng)防雷擊系統(tǒng)在會(huì)議室、隊(duì)長(zhǎng)室和錄井房安裝了交流電源防雷箱，打印機(jī)、電腦、傳真機(jī)等弱電設(shè)備應(yīng)通過(guò)插在防雷箱上的防雷插座供電，并應(yīng)正確接地。
    7) 應(yīng)及時(shí)檢查維護(hù)防雷器，否則仍會(huì)造成雷擊損失。
參考文獻(xiàn)
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[2] 王豫，譚剛強(qiáng)，孟軍，等.石油鉆井井場(chǎng)防雷擊系統(tǒng)研究報(bào)告[R].成都：川慶鉆探工程有限公司，2008.
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(本文作者：王豫 譚剛強(qiáng) 孟軍 王黎清 王五一 沈凡兒 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司川慶鉆探工程有限公司)