录井系统雷击危害分析及模拟试验研究*

刘 娟

(1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266100； 2.化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266100)

0 引言

钻井作业安全是油气勘探、开采过程中关注的重点[1-2]。录井技术是应用电子技术、计算机数字技术、并借助分析仪器在钻井过程中对各种石油地质、钻井工程及其他随钻信息进行采集与分析，进而达到发现、评价油气层并实时监控钻进过程的油气勘探技术，被广泛应用于勘探过程中的参数井、预探井、探井等[3-7]。随着勘探开发需求及钻井新工艺技术发展，录井技术逐渐发展成多学科、多技术集成的技术集合体，存在着大量传感器、信息采集系统、通讯设备、信息处理系统等弱电

设备。这些弱电设备的抗电磁脉冲的能力差，雷电及雷击电磁脉冲极易造成设备的损坏[8-12]。

油气钻井井场多位于山区或者空旷地区等雷电灾害多发区域，且井架较高，存在遭受直击雷、雷电感应危害风险[13]。一旦钻机井架等遭受雷击，产生的电磁辐射必然在录井系统与外部相连的架空线缆上耦合较大的过电压和过电流，可从而造成录井系统的损坏，严重威胁油气勘探开发企业的安全生产及工作人员的生命安全[14-15]。因此，开展录井系统雷击危害分析及模拟试验研究，定量分析了雷击电磁辐射对录井系统的影响，可为录井系统的雷电防护和防雷设计提供依据和指导。

1 录井系统雷击危害分析

雷电侵害弱电系统的途径主要有以下3种：

1)直击雷引起的反击。录井系统一般采用直击雷防雷系统，主要通过接闪器、引导线、接地装置等将雷电流引致接地装置泄入大地。但是直击雷电流可能通过接地装置时造成的高电压使电子设备的薄弱环节击穿，此种方式称为直击雷引起的反击。

2)侵入波。雷电击中与电子设备连接的户外架空线(交流配电线、信号线、电话线，如图1所示)，则雷电波就会沿线传入，这种方式称为侵入波。由于户外线延伸很广，因此雷电侵入的可能性较大。

3)雷电感应。直击雷电流通过引下线(如建筑物结构钢筋)时在室内引起电磁感应。虽然感应电压不如前述几种高，却也足以破坏电子元件，而且它最接近电子设备，在建筑物内部各处都可能出现。设备越是接近雷电流引下线，感应电压越高。另一种情况是雷击建筑物附近地面，雷击通道的强电流产生的电磁辐射也能在建筑物内部引起电磁感应，影响室内的电子设备。

图1 录井房与现场仪表之间的架空线Fig.1 The overhead line between the logging room and the field instrument

录井系统的主要设备都位于金属板房内，可以起到电磁屏蔽效果，进而有效的防止直击雷或是电磁辐射的直接危害。但是，录井系统通过架空线路与外部传感器、仪表等设备相连，而且架空线路缺少有效的电磁屏蔽措施，一旦雷击发生，在架空线路上产生的雷击电磁脉冲或感应过电压沿线路进入，极易烧毁电子电器设备等。由此可见，录井系统遭受雷电侵害的最主要途径是雷电电磁辐射在线路上耦合的过电压和过电流。

2 雷击电磁辐射对录井线路危害模拟试验研究

雷电对录井线路的危害主要来自雷击电磁辐射。为分析雷电电磁辐射对录井线路的耦合危害，采用CJ0101冲击电流发生器产生的8/20 μs冲击电流，分别对BVR 450/750单芯铜线和SYV50-3同轴线缆进行电磁耦合试验，分析电磁辐射在平行直线导体上耦合的电压。CJ0101冲击电流发生器可产生3～110 kA的8/20 μs冲击电流波(波头时间满足8 μs ±10%，波尾时间满足20 μs ±10%)，相关试验设备与波形见图2和图3所示；电磁辐射对平行线缆的耦合试验示意图如图4所示。

整个试验过程中，通过空调、除湿机等手段使得实验室环境条件稳定，实验室温度25℃±2℃，相对湿度64%RH±5%RH。

图2 CJ0101冲击电流发生器Fig.2 Impulse current generator CJ0101

图3 实验用8/20 μs电流波形Fig.3 Photograph of the8/20 μs current waveform

图4 直线线缆的电磁耦合试验示意Fig.4 The schematic diagram of electromagnetic coupling test for linear cable

2.1 冲击电流强度对平行线缆电磁耦合的影响

为了分析冲击电流大小对线缆电磁耦合的影响，采用BVR 450单芯铜线进行了不同电流的电磁耦合试验，测试时调节平行线缆与冲击电流源距离，相应测试结果见图5。

图5 冲击电流强度和线缆长度对平行线缆电磁耦合的影响Fig.5 Influence of impact current intensity and cable length on the electromagnetic coupling of parallel cables

从试验结果可以看出，当平行线缆间隔冲击电流源距离0，50和100 mm时，随着电流的增大，耦合的电压随之增大且基本呈线性变化，16 kA的8/20 μs冲击电流可在测试线缆上耦合出高达2 833 V的电压。

2.2 平行线缆与电流源的间隔对其电磁耦合的影响

平行线缆与电流源的间隔距离是影响电磁辐射耦合的1个较重要的因素。为了分析平行线缆与电流源的间隔距离对电磁耦合的影响，设计试验使用10 kA的8/20 μs冲击电流来冲击电流源，设置平行电缆长度为0.5，1，1.5 m ，平行电缆与冲击电流源的距离分别为0，50，100，150，200，250，300，350，400，450和500 mm。将相应测试结果整理并绘制得到图6。由图6可以看出，在使用长度分别为0.5，1.0和1.5 m线缆测试时，间隔距离为0 mm的线缆耦合电压整体高于间隔距离为5 mm的耦合电压，且间隔距离为5 mm的耦合电压一直高于间隔距离为100 mm的耦合电压，从图6可以发现，在使用长度分别为0.5，1.0和1.5 m线缆测试时，平行线缆与电流源的间隔越大，线缆上的耦合电压越小。

图6 线缆与冲击电流源间隔距离对其电磁耦合的影响Fig.6 Influence of the distance between the cable and the impact current source on the electromagnetic coupling of parallel cables

2.3 平行线缆长度对其电磁耦合的影响

线缆长度是影响电磁辐射耦合的一个较重要的因素。根据2.1和2.2节中的试验，从试验结果图5和图6可以发现，在线缆与冲击电流源间隔距离分别为0，50和100 mm时，长1.5 m的线缆耦合电压整体高于长1 m线缆耦合电压，且长1 m线缆的耦合电压一直高于长0.5 m线缆的耦合电压，表明线缆长度越长耦合的电压越大。

2.4 屏蔽层对平行线缆电磁耦合的影响

为了分析屏蔽层及接地方式对线缆的屏蔽效果，采用SYV50—3同轴线缆进行电磁耦合试验。试验中，同轴线缆长度为1 m，贴近冲击电流源，分别进行了屏蔽层不接地和屏蔽层接地时的电磁耦合试验，相应测试结果如图7所示。从试验结果可以看出，屏蔽层不接地时芯线上耦合的电压随冲击电流的增大呈线性增大，当冲击电流达到18 kA时，芯线上耦合的电压达到了3 560 V；屏蔽层接地时，当冲击电流小于8 kA时芯线上未测量出电压值，随着冲击电流的增大耦合的电压呈线性增大，当冲击电流达到18 kA时，芯线上耦合的电压为218 V。由些可见，屏蔽层接地可以有效地减小电磁辐射对线缆的耦合作用。

图7 屏蔽层接地情况对平行线缆电磁耦合的影响Fig.7 Influence of shielding layer grounding on the electromagnetic coupling of parallel cables

3 结论

1)当线缆平行靠近电流通道时，平行线缆上的耦合电压随着雷电流的增大而增大，且16 kA的雷电流可以在贴紧的线缆上耦合出近3 000 V的电压，对录井的线路系统有着巨大威胁。

2)平行线缆与电流源的间隔越大，线缆上的耦合电压越小。该结论对录井系统的线路防雷具有一定的指导作用。

3)平行线缆长度对线缆的电磁耦合具有重大影响，平行线缆长度越长，雷电的耦合电压就越大。

4)屏蔽层接地可以有效减小电磁辐射对线缆的耦合作用。

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