自升式钻井平台防雷技术

赵吉振

(中海油田服务股份有限公司，河北 廊坊 065201)

随着科技的不断进步，海上钻井设备设施的电气自动化程度越来越高，弱电系统设备也逐步得到广泛应用。钻井设备设施一旦遭受雷击，轻则导致相关设备故障和误动作，重则造成设备设施永久性损坏，甚至间接引发生产事故。

我国海上钻井平台一般在渤海、东海以及南海海域开展作业。由于平台在作业区域一般为最高的孤立金属体，因此在雷雨季节易遭受雷击。有学者基于星载光学瞬态探测器(OTD)和闪电成像传感器(LIS)探测资料，计算出我国近海海域的闪电密度分别为4.21 fl·km-2·a-1(渤海)、2.52 fl·km-2·a-1(黄海)、2.28 fl·km-2·a-1(东海)和4.22 fl·km-2·a-1(南海)[1]。作为比较，雷电灾害较为严重的南京市，闪电密度也不超过4 fl·km-2·a-1[2]。可以看出，我国海上钻井设备设施的防雷形势较为严峻。

为此，我公司开展了针对自升式钻井平台的防雷科研工作，并对试点平台进行防雷改造施工，以期平台上的关键设备免遭雷电影响和破坏，保障生产作业的正常进行。

1 典型雷电事故案例分析

近年来，我公司所属钻井平台中，多个平台均不同程度遭受了雷击，造成顶驱编码器接口板、电子司钻系统服务器、顶驱变频器数字测速接口(DTI)板、钻井仪表主机等关键设备损坏，视频系统、探头报警装置失灵，造成一定的经济损失。

1)电子司钻光纤收发器损坏。光纤收发器是一种将短距离双绞线电信号和长距离光信号进行互换的以太网传输媒体转换单元。结合防雷理论分析雷击损坏原因如下。

(1)收发器有双绞线RJ-45接口和光纤接口，分别连接双绞线和光纤。光纤本身不具备导电性，雷电浪涌不会在光纤上感应和传输，但光缆具有加强芯，因此存在感应雷电沿加强芯侵入光纤收发器并打坏接口电路的情况。

(2)双绞线如未采取屏蔽措施(如使用非屏蔽双绞线、线路未套管布设等)，线路上会有感应浪涌产生，可入侵并打坏RJ-45接口电路。总结来说，线路未屏蔽、布线不规范(如斜飞乱拉)都是光纤收发器遭感应雷损坏的潜在原因。

2)电子司钻系统主板和显卡损坏。结合防雷理论分析电子司钻系统主板和显卡的损坏原因。

(1)主板和显卡由各种微电子元器件组成，井架遭受雷击时，周围会感应产生强大的瞬变电磁场。若电磁兼容性不佳，当主板、显卡所处环境的磁感强度峰值超过一定量时会损坏。

(2)现场传感器线路多位于井架周围，线路上会产生感应浪涌侵入数据采集器，击穿电子元器件。双绞线也可能产生雷电感应浪涌，沿线路侵入电子司钻网络接口，击穿电子元器件。

3)顶驱DTI板损坏。DTI板的作用是将顶驱编码器输出的信号整形成方波，然后再传输给主板(CUVC板)，由CUVC板对转速进行实际计算，同时对旋转方向是否与变频器的驱动相序相符合进行辨别。DTI板卡与顶驱编码器通过信号线路相连，经由游动电缆连接顶驱接线箱。该游动电缆位于井架旁，雷击时线路上会感应产生浪涌，加之编码器、传感器信号线路工作电压低，DTI板接浪涌耐受流能力差，因此井架遭雷击时，DTI板易遭雷电感应浪涌的冲击而损坏。

4)钻井仪表数据采集处理单元(DAQ)板损坏。DAQ为钻井仪表显示屏的数据采集和处理设备，主要作用是为传感器供电，接收和处理钻机传感器数据并将数据传送到钻井仪表显示屏，接收和处理操作员通过显示面板输入的数据等。DAQ板分别连接传感器线路和钻井仪表显示屏线路。传感器多处于井架附近，传感器线路接入机舱内DAQ板的布线长达数十米，因此雷击井架时信号线路中会因电磁感应产生共模过电压，击坏信号线的安全栅和DAQ电路接口。另外DAQ连接司钻房钻井仪表的网线为单屏蔽双绞线，在强雷电暂态电磁场环境中屏蔽效果不佳，会感应产生雷电浪涌沿线路进入DAQ板。

5)画面分割器和井架摄像头。画面分割器位于司钻房内，与井架摄像头通过视频信号线路相连。视频信号电压峰峰值为1 V，传输信号采用的同轴电缆对于雷电暂态电磁场的敏感度远高于双绞线和光纤，雷击井架时电缆感应过电压可达千伏级，极易侵入并损坏画面分割器接口电路。井架摄像头供电电压为12 V(DC)，耐受浪涌电压在数十伏，供电线路中侵入千伏级的感应过电压时必将击坏摄像头。

6)二层台对讲喇叭。对讲喇叭与司钻房内对讲机通过音频信号线路连接，这段线路挨着井架布设，井架遭雷击时线路上会产生千伏级的感应过电压，侵入对讲喇叭击坏电路板。

7)气体监测系统控制电路板。气体监测装置位于队长室内，与13对现场硫化氢和可燃气体探头信号线路相连接，为探头电路供电的同时接收信号，电压为24 V(DC)。而气体探头多分布在司钻房、振动筛、泥浆池等附近，靠近井架且到队长室的布设线路较长，在强雷电暂态电磁场环境中信号线上会感应出雷电过电压，击坏变送器，同时浪涌侵入气体监测装置击坏控制电路板。

2 钻井平台防雷设计分析

雷电的破坏作用有热效应、机械效应、冲击波效应、静电感应效应、电磁感应效应、电磁辐射效应等[3]，前三者由直击雷造成，后三者则由感应雷引起。雷电发生时，其强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场以及强烈的电磁辐射等物理效应，都可能会对钻井设施及人员安全带来严重威胁。因此，对于钻井平台应综合考虑直击雷和感应雷防护措施。

2.1 平台防直击雷措施

直击雷防护措施由接闪器、引下线和接地系统组成。相关标准规范有以下规定：避雷系统应由接闪器、引下线和接地端子组成。对于金属结构平台，由于其桅、构件和船体构成固有的对地低电阻通路，故不需另设防直击雷系统[4]；防雷引下线的冲击接地电阻不宜大于10 Ω[5]。

根据静电感应理论，钻井平台各部位在闪电发生前会感应出与雷暴云极性相反的电荷。井架与桩腿顶部物体表面曲率远大于平台其他金属部件，根据尖端放电理论，闪电发生前井架、桩腿顶部的面电荷密度极大，周围电场强度远大于平台其他区域，致使附近空气被电离，引发上行先导并与闪电下行先导汇合，形成闪电放电通道。因此，闪电发生时，平台井架和桩腿就成了雷电接闪和泄放装置。

未下套管时，井架冲击接地电阻实测值在6 Ω左右，满足要求。井架的接地电阻较桩腿大，这是因为悬臂与甲板、甲板与桩腿之间存在一定阻抗。如平台进行作业，则除桩腿外又增加套管这一接地体。套管远超出常规的接地体尺寸，具备良好的接地性能[6]。此时平台的整体接地电阻相当于未作业时的接地电阻并联上套管接地电阻，井架的冲击接地电阻将进一步减小。如出现井架接地电阻超过10 Ω的情况，可另设不少于2根、截面积不小于70 mm2的铜芯电缆，沿井架对称布置并将一端焊接在井架上[4]，在另一端剥去10 m绝缘皮并将电缆置于海水中或者连接至桩腿合适位置。

综上所述，钻井平台已具备符合要求的防直击雷装置，但还应定期检测井架接地电阻。如冲击接地电阻超标，建议采取上一段的做法。

2.2 平台防感应雷措施

感应雷防护措施包括电缆和设备的屏蔽、等电位接地、配备浪涌保护器。可参考相关标准规范设置钻井平台感应雷防护措施。

1)平台设备应采取的等电位接地措施。相关标准规范有以下规定：设备的金属外壳应可靠接地，安全保护接地电阻小于4 Ω；可移动和可携电气设备的不带电裸露金属部分，应用专用软铜绞线与船体连接，截面积不小于16 mm2[4]。

平台上有大量设备设施，井架附近有顶驱变频器柜、司钻房仪器仪表(钻井仪表、司钻控制台、防爆控制器、画面分割器等)、钻井绞车、涡磁刹车、转盘以及防爆气体变送器等。这些设备设施应做好外壳接地且保护接地电阻应小于4 Ω。经过现场查看和实测，保护接地均满足要求，但由于海上的潮湿和高盐腐环境，平台应对以上设备设施的保护接地线和端子进行定期检查，如发现保护接地达不到要求应及时修复。

2)平台电缆和设备的屏蔽措施。平台室外布设有大量电缆，如未采用金属铠装屏蔽电缆或双层屏蔽电缆，则要求穿钢管或封闭金属电缆槽敷设。平台所用电缆均为船用电缆，分为动力电缆、控制电缆和通讯电缆，这些电缆均具备编织铠装层，因此可不要求穿管或封闭金属电缆槽敷设。沿井架敷设的电缆无法满足与井架的距离要求，而采用铠装电缆并在金属桥架内布线后，要求得到满足。

对于弱电设备，应采用所在金属房体本身作为屏蔽装置，并采用金属箱体对设备实行进一步屏蔽。平台主要弱电设备包括顶驱(编码器、顶电磁阀、传感器等)、变频器(PLC模块、DTI板、CUVC板等)、司钻控制器(远程I/O模块等)、液位传感器、气体变送器、钻井仪表(仪表、电子屏)、钻井仪表控制箱(安全栅、变送器、PLC模块等)、钻井摄像头、气体监测系统等。其中，顶驱本体上的弱电器件均具备全封闭金属外壳；变频器内弱电器件均处于变频房房体和变频器柜的双重屏蔽中；司钻控制器内的弱电器件处于司钻房房体与司钻控制台金属外壳的双重屏蔽中；液位传感器、气体变送器均具备封闭金属外壳屏蔽；钻井仪表的弱电器件均处于司钻房房体与钻井仪表外壳的双重屏蔽中；钻井仪表控制箱位于封闭机舱内；钻井摄像头具备金属外壳；气体检测系统位于生活楼的队长室内。总结来说，平台主要弱电设备都采取了符合规范要求的电磁屏蔽措施。

3)平台设备浪涌保护器的设置。相关标准规范有以下规定：仪表系统的现场仪表端、变送器现场端、电磁阀等现场电信号执行器类仪表端、电子开关现场端等应设置电涌保护器，对应的控制室端也均应设置电涌保护器。

根据以上要求，应设置浪涌保护器的设备包括几种：①顶驱本体的电磁阀、编码器端口的防爆箱中，变频器游动电缆进线端的对应线路端口；②司钻控制台的转速、转矩信号端口；③泥浆返流、泥浆池液位、计量罐液位传感器现场端的定制防爆箱内，和相应的钻井仪表控制箱对应线路进线处(连接在安全栅之前)；④钻井仪表的传感器信号(转速、转矩、泵冲、悬重、立管压力传感器)接收端的防爆箱内；⑤钻井仪表、钻井仪表控制箱的网线进线接口处；⑥二层台、套管平台摄像头的控制线路和视频线路接口，以及司钻房处的上述线路接口处；⑦硫化氢、可燃气体探头(应设置满足防爆等级要求的装配式浪涌保护器)和室内气体监测系统端。

3 结束语

随着科技的进步，近年来海上钻井平台装备了大量的弱电设备设施，在雷雨季节饱受雷电灾害困扰，已造成较为严重的经济损失并影响到安全生产。通过开展自升式钻井平台的防雷技术研究工作，得到以下结论。

1)我国渤海和南海近海海域的平均闪电密度值远大于全球海洋的平均值，与东部沿海城市相当；而自升式钻井平台又为海上孤立金属体，其上配备了大量弱电设备，因此防雷形势较为严峻。

2)根据已有钻井平台雷击损失情况，受损的多为弱电设备设施，雷电静电感应和电磁感应效应造成的浪涌入侵是导致这类设备设施误动作甚至损坏的元凶。

3)自升式钻井平台宜利用井架和桩腿作为雷电流接闪和泄放装置。如未下套管时井架的冲击接地电阻无法满足要求，建议另设铜芯电缆作为井架到海水之间的引下线。

4)自升式钻井平台的电缆设备屏蔽、等电位接地等防感应雷措施基本满足要求。尚需为顶驱本体、顶驱变频器、司钻控制台、液位传感器、钻井仪表控制器、钻井仪表、井架摄像头、云台控制器和画面分割器、气体探头、气体监测系统设置匹配的信号浪涌保护器。

5)在爆炸危险区域内设置的浪涌保护器，应安装在满足现场防爆等级的防爆箱内。