防雷技术在川东北“三高”气井钻井中的应用

刘会斌

摘 要 针对高雷暴地区雷击风险高的特点，对钻井井场专用防雷击系统进行了研究，开展了钻井井场防雷接地、井场总等位联结、井场接地保护、安装线路浪涌保护器（SPD）等研究与实践，将电气保护接地、防静电接地和防雷接地三者有机结合起来，安装钻井井场防雷装置，对川东北钻井采用现代综合防雷六大技术，实施完整的、多层次的防护措施。三年多来，在川渝地区23台钻机上进行了安装使用，在防护井场直击雷和感应雷方面起到了显著效果。

关键词 雷击 雷电形成因素 钻井防雷措施

中图分类号：TE927 文献标识码：A

1川东北地区发生钻机雷击事故的原因

雷电是大气中的放电现象，积云随着温度和气流的变化会不停地运动，带有正负电荷的云层运动摩擦生电。此外，静电感应使云层下面的井架、油罐、架空罐、井场较高设施等带有异性电荷。在井场高的设备区，当带有不同电荷的雷云接近到一定程度时，将发生激烈的放电，在井场产生的脉冲电磁场感应作用使井架，井场的内部金属构件、电源线缆、信号线缆等感应出雷电高电压、大电流，通过电源线路、信号线路和接地线的地电位反击以及空间等途径引入室内损坏电气、电子系统设备。雷击后果既可能是火灾、机械破坏、人员伤亡、电气、电子系统设备损坏。还可能危及网电、钻机控制及调节系统，造成供电中断、数据丢失、不能正常生产、发生钻井事故。

2雷击可造成井区内人身及设备不安全的因素点

2.1人身安全

直接雷击与电器短路可导致的不安全因素，可由两个部位引起。一是当雷直接击中井架时，井架所有与表面接触的金属部分均可视为直接雷击的一部分。若人在雷击时站在地上手触井架金属部分，可造成人体成为雷电流泄流通道的一部分。此外，若人在距井架近距离行走时可造成跨步电压对人体的伤害。特别是连接井架线槽与空压机线槽及供电设备房之间，地网之间没有形成等电位，在人员跨越或人体接触时，将会对人体造成伤害。二是活动房屋没有形成等电位连接，当独立活动房屋遭受雷击时，该房对地或相邻房间形成电位差，若人处于他们之间时则会发生人身安全事故。

2.2用电设备的安全

由于用电设备的供电线路没有电磁屏蔽层。该钻机的电磁安全环境较差。当井架或高压架空线路遭受雷击时，感应在这些设备连接线两端的雷电高电压与雷电脉冲电压可以达到几百伏—上千伏。一旦遭受雷击，低耐压水平的设备将损坏无疑。

3 12000钻机防雷措施与对策

依据12000米钻机实际现况和近年的实践经验，结合在钻井施工中的可操作性，制定出钻井井场整体防雷方案。

3.1直击雷防护

由于井架本身属于钢质材料结构，且从顶端到底部均是贯通的大型钢构，因此当直击雷击中井架时均不构成对其本身结构与性质的破坏。但是必须要做好钢体与地网的连接。考虑当地土壤电阻率高，钻机又地处四川亚热带地区湿度大，容易腐蚀，钻机又属于流动性作业，因此，为了满足雷电流的泄放要求，可采用快装高效接地极对钻机钻塔四周做环型接地。

在钻塔四周埋设地网，采用多股铜线做水平接地体连接，塔体对称均匀设六根引下线与钻塔可靠连接。垂直接地体采用ZGDK（SD）高效接地极。间距5m，接地体距钻塔的净距应大于3m，埋地深度大于0.5m，接地体距钻塔及道路净距不足3m其顶端应埋深1.1m。

3.2雷电电磁脉冲防护

由于ZJ120/9000DB钻机现在在川东北地区钻井，工作环境以及地质条件恶劣，气井的勘探危险性较大，所选设备均要采用防暴型避雷器。VFD房和MCC房以及钻机驱动用电均为600V，根据现场情况结合现场环境制定了型号为TPB600-60M特殊高压线路电涌保护器。但是考虑到钻机钻动过程震动較大，防雷器受实际情况的影响所以可能会降低使用年限，必须要做好防雷器的定期检查、保养工作。

在顶驱控制房输出有五条线路，采集数据线路要求严格，信号防雷器都有所损耗，所以选择采用光隔继电器隔离保护措施。

在钻机司钻房装有视频监控摄像系统，控制系统由中央控制级和现场控制级两部分组成，中央控制级完成现场设备的控制和视频监控，司钻监控室由1台计算机主要负责对钻机钻动的管理、调度、集中操作、监视、参数在线修改和设置，监控控制系统采用SIEMENS的Profibus-DP线路。通过加装视频监控避雷器，以保护雷电电磁感应在线路上产生过电压和过电流的危害。

3.3电磁屏蔽措施

作为对雷电电磁脉冲的防护，电磁屏蔽措施是防雷措施的重要组成部分之一。这里，被保护物是指设备本身及其设备相连接的金属线路。为了对设备本身采取屏蔽措施，一般的做法使用金属壳封装设备或将设备所在区域进行屏蔽。那么线路上的屏蔽重要手段就是采用金属线槽、线路分别穿金属钢管或采用有铠装的电缆，金属线槽或屏蔽层应做接地与大地进行连接。

3.4等电位连接措施

井队各活动房屋、发电机房、供电房、储备罐、水罐、井架均属独立接地。活动房屋外壳属于金属物体，而且接地都是各自独立接地，为了防止它们之间在雷击或电源对壳体短路时造成活动房之间活动房与大地之间的电位差，因此，将活动房进行了等电位连接。

3.5共用接地系统

作为钻井作业区内，最理想的连接系统是采用共用接地系统，只要考虑好不同接地引出线间不同要求的安全距离，这对整个井场的安全将起到很好的保证，不同接地引出线间不同要求的安全距离，这对井场的安全起到很好的保护作用。分别采用YDD-II-I低电阻接地模块和YDDK-11快装高效接地极，用以保证它们的接地安全。

3.6合理的综合布线

电源线路、控制线路、信号线路因为它们承受的电压、电流不相同，而且线路的长度、出入路径不同，因此，在其中一条线路感应雷电电磁脉冲时，将会对捆绑在一起平行走向的其他线路上同样耦合上雷电电磁脉冲。因此，线路两端耐压水平低的设备将会损坏，合理的综合布线同样是防雷措施不可分割的一部分。

川东北是三高气井作业，具有易燃易爆危险设施，是防雷的重点对象，一旦遭受雷击，其所造成的损失和影响都可能十分巨大。雷电虽无情，人类却防之有术。需要我们提高防雷意识，普及防雷知识，规范安装使用防雷装置，采取科学应急避险措施，才能从根本上避免雷公对人类的伤害。

参考文献

[1] 刘俊.雷电灾害的类型及其致灾机理浅析[J].安全，2011（05）：5-8.

[2] 肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础[M].北京：气象出版社，2006：47-49.