1 井場防雷擊理論簡介

1.1 雷電形成原理概述

通常閃電包括云內閃電、云際閃電和云地閃電3種。雷云雨在井架等設備上的直接放電，稱為“直擊雷”。不論何種閃電，都會產生雷擊電磁脈沖(LEMP)即“感應雷”，并在井場設備上產生浪涌電壓，“感應雷”的形式有靜電感應、電磁感應、電磁脈沖和雷電反擊等。

1.2 井場防雷擊的基本措施

防雷擊的基本措施主要包括消雷、屏蔽、均壓和分流。消雷是針對直擊雷而言，通過避雷針和接地體將雷擊電流引入大地，通過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設備；均壓是將金屬導體與等電位母線聯結后接入大地，雷擊電流通過等電位母線直接散入大地；分流是通過防雷器保護設備，當雷擊電位升高到保護電壓時，防雷器電阻下降，雷擊浪涌電流通過防雷器散入大地。井場采取消雷、屏蔽和均壓措施即可起到很好的防雷作用，只對弱電設備和重要儀器房的入戶電源采取分流措施。

1.3 井場防雷接地理論[1]

1) 鉆機主機接地將主機(井架、鉆機)、柴油機房、泥漿循環系統、泥漿泵房、錄井房、發電房、油水罐、野營房等金屬結構用一根電纜連接起來，形成總等電位聯結母線，并在多處非防爆區域重復接地。鉆機底座直接放在地面上的水泥基礎上，石油套管通過水泥固定在地層內。鉆進時，套管內的泥漿不斷進入井底，并循環返回泥漿罐，使套管與井底形成離子導電通道。套管頭通過方井與地面形成離子導電通道，套管中部與底部均通過水泥中的氣泡水分接地。所以，井筒實際上成為一個巨型接地體，鉆機底座通過井控管線與井筒相連形成接地通道。井架固定在鉆機底座上，偏房、司控房固定在鉆臺上。經實測，鉆機底座、井架、偏房、司控房的固定共同構成了主機的接地裝置，接地性能很好。

但是，錄井房、發電房、電控房、頂驅房與鉆機井架距離較遠，鉆機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) 鉆機主機接地電阻及對地電壓

由歐姆定律得土壤散入電流時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為鉆機對地電阻；r0為鉆機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)可得鉆機對地電壓和對地電阻

式中Ud為鉆機對地電壓；Id為散入電流。

由式(3)可知，對地電壓Ud取決于鉆機接地電阻，而鉆機接地電阻取決于鉆機主機接地裝置。

鉆機主機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；但若因油漆絕緣性能良好及采用非金屬連接方式，無法形成良好的接地通道，則必須采取恰當措施。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。套管至井口/井底土壤間的過渡電阻可忽略不計。因此，在鉆機井控管線與鉆機底座之間采取正確的措施后，可將井筒直接視為鉆機接地裝置的人工類型的單根接地體，鉆機接地裝置的對地電阻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。

井架和石油套管遠遠超出常規的接地體尺寸，因此一般認為石油鉆機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。當鉆臺上工頻下某相絕緣破壞或設備外殼帶電時，觸摸帶電設備外殼時的接觸電位為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，鉆機對地電位分布曲線即雙曲線非常平緩，在工頻下主機電氣設備某相絕緣破壞或設備外殼帶電以及井架遭受直擊雷的情況下，操作者在主機附近的接觸電壓和跨步電壓都比常規避雷裝置低，這也是井場很少發生操作人員因主機漏電或雷擊發生觸電事故的原因。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，當鉆機遭受直擊雷時能夠迅速釋放。

3) 鉆機接地的電感特性

對于帶有機房的鉆機，其金屬底座較長較寬，在潮濕環境下有可能通過離子導電形成水平布置的接地體。由于雷電流的等值頻率很高，可能使這個大型接地體呈現出自身的電感特性，阻礙雷電流向遠端接地體流通，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，這種現象稱為電感效應。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。這也是有些帶機房的鉆機防雷性能不穩定的原因之一，造成了雷擊損失大小不一的奇怪現象。

1.4 井場總等電位聯結理論[2]

1.4.1井場總等電位聯結母線概念的提出

主等電位聯結是將所有金屬導體盡量與等電位端子相連，但由于其聯結線數量太多，無法實施。因此，假定將主等電位聯結端子箱內的母排延伸為一根一定長度的等電位聯結母線，即井場總等電位聯結母線，如果能達到等電位的效果，將具有實用意義。

1.4.2井場總等電位聯結母線的理論推導

1.4.2.1 電位差與穩恒電場

經推導可得到下式：

即得到穩恒電場自由電荷密度不隨時間改變的條件公式(即穩恒電流條件)。式中j0為傳導電流密度，如為自由電荷密度。

由可知，穩恒電流的磁場為穩恒場，磁場不隨時間改變。其中B為磁感應強度，t為時間。這個穩恒場結論是井場總等電位的理論基礎。

1.4.2.2 靜電場與等電位聯結端子的理論基礎

等電位端子達到靜電平衡時，根據電位差定義，端子內任意兩點x1、x2的電位差為

式中E為靜電場強度，l為等電位端子長度。

由此得出端子內各點電位相等，端子表面是等位面，因此在靜電場下，端子是等電位體。

1.4.2.3 雷擊電場與井場總等電位聯結母線的理論基礎

經推導[1]，將主電位端子延伸一定長度成為井場總等電位聯結母線的條件為

式中λ為電流波長，L為總等電位聯結母線長度。

1.4.2.4 波長與母線長度

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波長為

2) 雷擊電流

“8/20”雷擊電流陡波的1/4波長為

按雷電流的等效頻率10kHz計算，其1/4波長為

所以，雷電脈沖下，母線仍滿足似穩條件，母線中可近似視為等電位母線。

根據以上推導及實際應用，在川慶鉆探工程公司的QSYCQZ/037—2008標準中規定，井場總等位聯結母線最大長度為150m。

1.5 井場接零保護概述[3]

國家標準《施工現場臨時用電安全技術規范》規定：在施工現場專用電源為中性點直接接地的電力線路中，必須采用TN-S保護接零系統，即電氣設備的金屬外殼必須與PE連接。國家標準《工業與民用電力裝置的接地設計規范》規定，中性點接地系統宜采用接零保護。

采取總等電位聯結和輔助總等電位聯結兩種措施，可提高自動供電切斷措施的可靠性和有效性，消除用電安全隱患，同時可成為防雷的“大地”基礎。

2 井場專用防雷擊系統應用中常見問題及整改措施

建立井場專用防雷擊理論后，形成了川慶鉆探工程公司《石油天然氣井場防雷技術規范》，在川渝地區井場使用后，達到了預期效果。但在應用后，個別井隊仍有雷擊損失，經調查研究，原因是未認真執行標準。

2.1 井場視頻系統雷擊損失與整改措施

視頻系統即井場視頻監視系統，其攝像頭分別安裝于二層臺、鉆臺、振動篩、循環罐及泵房等。按照井場專用防雷擊系統要求，二層臺攝像頭應安裝于井架內側，視頻電纜應安裝于井架籠梯內，井場內視頻電纜線均應安裝于屏蔽于金屬結構內。雷擊損壞原因主要包括安裝錯誤和接地錯誤兩種，具體情況如下：

2.1.1安裝錯誤及整改措施

二層臺攝像頭尾部在井架外側，岡其金屬外殼感應出靜電，直擊雷擊中攝像頭外殼，雷擊電流順著電纜進入攝像頭內，燒毀其電路板。

整改措施如下：

1) 調整二層臺攝像頭安裝位置，使攝像頭置于井架內側。

2) 如果無法躲開井架內絞車鋼絲繩的撞碰，攝像頭尾部只能置于井架外側，可將攝像頭置于屏蔽金屬外殼內。

3) 攝像頭視頻井架段電纜置于井架籠梯內，其余段置于金屬屏蔽結構內。特別注意不能將電纜順著管道或結構件外敷設，防止岡耦合作用在電纜內產生雷擊耦合電流。

2.1.2接地錯誤

直流電源0V與金屬外殼連接，雷擊時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措施和接地錯誤。

2.2.1保護錯誤

綜合錄井儀安裝了防雷器的錄井終端，均沒有雷擊損失；錄井隊自行取消了錄井終端防雷器的，存在雷擊風險。衛星遠傳系統沒有安裝天饋防雷器，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衛星遠傳系統攝像頭安裝屏蔽金屬盒，采取正確的接地方式，同時在主機視頻輸入接頭處安裝天饋防雷器。

2.2.2接地錯誤

包括絞車傳感器、出口流量、溫度、懸重、立壓等傳感器、室內接口箱E板及工作站工控機等接地錯誤：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信號地、數字地與電源接地混接，綜合錄井房內傳感器24V直流電源的0V錯誤接地，與PE相連即與房體外殼相通，當雷擊時由于地電位升高，導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，當井架釋放雷擊電流時，可能在傳感器外殼與井架之間產生電位差，導致放電燒壞傳感器，同時也有可能因耦合作用，在傳感器內產生浪涌電壓，通過傳感器共接的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生感應電壓，導致傳感器損壞；⑤屏蔽措施不夠，部分信號電纜基本上采取架空方式到循環罐，容易遭受感應雷，造成設備損壞；⑥綜合錄井房至井場總電位聯結母線之間未接輔助等電位母線，造成雷擊時地電位反擊升高，造成綜合錄井儀與鉆機之間的電位差，從而產生浪涌電流損壞綜合錄井設備。

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采取獨立的傳感器直流供電系統，嚴禁將直流電源0V與房體外殼相連；⑤裸露的傳感器和攝像頭應安裝屏蔽外殼，并正確接地，防止遭受直擊雷。

3 結論與認識

通過鉆井井場專用防雷擊系統的研發與推廣應用，可得如下結論：

1) 井場專用防雷擊系統理論是降低井場直擊雷損失和預防感應雷的行之有效的實用理論。

2) 井場總等電位聯結母線是電氣保護、防雷和防靜電的“大地’’母線。因此應正確地安裝和維護井場總等電位聯結母線及輔助等電位母線。

3) 直擊雷不能完全預防但可降低其損失程度。對于裸露的攝像機、傳感器等弱電設備，應采取屏蔽和均壓方法，降低其直擊雷損失。

4) 感應雷可通過消雷、屏蔽和均壓等方法進行預防，應正確采取措施。

5) 弱電設備的直流電源0V、數字地、信號地等與金屬結構相連時，當雷擊時地電壓升高，將造成連接在同一直流電源上的大部分傳感器及主機損壞。

6) 井場防雷擊系統在會議室、隊長室和錄井房安裝了交流電源防雷箱，打印機、電腦、傳真機等弱電設備應通過插在防雷箱上的防雷插座供電，并應正確接地。

7) 應及時檢查維護防雷器，否則仍會造成雷擊損失。