第六章 石油井场防雷理论
石油井场没有专门的防雷理论，本书在石油井场防雷实践的基础上，进行了一些理论研究，在四川龙岗等高雷暴地区的钻井队进行了试验，取得了一定效果。
第一节 石油井场防雷接地
一、引言
石油钻机井架较高，常被称为巨型避雷针。钻机及机房底座体积大，“平放”在水泥基础上。石油套管深入地面以下数千米，通过方井与井底“接地”，石油钻杆通过泥浆与套管形成离子导电通道。石油钻机的防雷接地未形成系统理论，接地措施没有得到足够的重视，导致石油井场被雷击的情况不断增多，但一直没有系统化的防雷击措施。我们通过在四川龙岗地区的大部分石油井场进行实测，结合防雷接地理论，总结出了一些防雷接地的规律，并在四川油田的20多个录井队和6个钻井队进行防雷试验，取得了较好的效果。
石油井场专用防雷系统的试验包括了录井仪、电控、顶驱、参数仪、视频监视系统、生活区、H2S监测等系统的防雷，采取了均压、屏蔽及分流等方法，重点对感应雷进行了防护。这些手段建立在防雷接地的基础上，而石油井场防雷接地却是最重要也是最薄弱的环节，因此研究石油井场防雷接地具有重要的实际意义。
二、石油钻机主机防雷接地
石油钻机装置庞大、结构复杂，因此石油井场的防雷接地也很复杂。对建筑物或构筑物而言，防雷接地具有功能接地和保护接地的双重特点，功能接地包括逻辑接地、屏蔽接地、信号接地等。保护接地包括电气设备金属外壳、金属底座、配电柜金属框架等，属于故障接地范畴。石油钻机防雷接地，分主机接地和非主机接地，是石油井场防雷系统的基础。
（一）石油钻机主机的接地装置分析
从与地面接触的结构上划分，石油钻机包括主机（井架、钻机）、柴油机房、泥浆循环系统、泥浆泵房、录井房、发电房、油水罐、野营房等，这些金属结构通常用一根电缆连接起来，形成总等电位联结干线，并在多处非防爆区域重复接地。
钻机底座直接放在地面上的水泥基础上，并没有专用的接地装置。石油套管通过水泥固定在地层内。钻进时，套管内的泥浆不断进入井底，并循环返回泥浆罐，使套管与井底形成离子导电通道。套管头通过方井与地面形成离子导电通道，套管中部与底部均通过水泥中的气泡水分接地。所以，石油套管实际上成为一个巨型接地体。
钻机底座通过井控管线与固定在套管头上的井控装置相连，井架固定在钻机底座上，偏房、司控房固定在钻台上。经实测，钻机底座、井架、偏房、司控房的固定共同构成了主机的接地装置，接地性能较好。
但是，录井房、发电房、电控房、顶驱房与钻机井架距离较远，钻机井架能否起到避雷针的作用，取决于土壤电阻率等多种因素。通常情况下，这些金属构件都有自己的接地装置，但效果不稳定，需要进一步分析。
（二）钻机主机接地电阻及对地电压分析
如图6-1所示为石油套管对地电位分布。
图6-1 石油套管对地电位分布曲线
式中，dRd——土壤散流电阻，Rd——石油钻机主机对地电阻。
由式（6-1-1）和式（6-1-2）可得钻机对地电压和对地电阻
式中，Ud——石油钻机对地电压，单位为V；
d
R——石油钻机接地装置对地电阻，单位为Ω。
由式（6-1-3）可知，对地电压Ud取决于钻机接地电阻，而钻机接地电阻取决于石油钻机主机接地装置。
石油钻机主机接地装置包括井架到底座至套管的电阻，套管至井口/井底土壤间的过渡电阻、井口/井底大地的散流电阻。
如果井架到底座以及底座到井控管线的连接可靠，这部分电阻可忽略不计；但若因油漆绝缘性能良好及采用非金属连接方式，无法形成良好的接地通道，所以必须采取恰当措施。井架及底座至套管间形成良好的接地通道，其电阻可忽略不计。套管至井口/井底土壤间的过渡电阻可忽略不计。
因此，在钻机井控管线与钻机底座之间采取正确的措施后，可将石油套管直接视为钻机接地装置的人工类型的单根接地体，钻机接地装置的对地电阻Rd与土壤的电阻率ρ成正比，与接地体即石油套管半径成反比。
由于钻井深度一般在3000～7000m之间，石油套管直径在φ114.30mm至φ339.72mm之间（API标准），远远超出常规的接地体规格，因此一般都认为石油钻机井架就是最好的巨型避雷针，石油套管就是最好的巨型接地体。
钻台上工频下某相绝缘破坏或设备外壳带电时，触摸带电设备外壳，接触电位为Ud，身体站立处的电位为U1。
施加在人体上的电压Uk为：
施加于人体上的电压为Ukb见图6-1。
由图6-1及式（6-1-5）可知，在井架与套管之间形成可靠接地通道的前提下，钻机对地电位分布曲线即双曲线非常平缓，在工频下主机电气设备某相绝缘破坏或设备外壳带电以及井架遭受直击雷的情况下，操作者在主机附近的接触电压和跨步电压都比常规避雷装置低很多，这也是井场很少发生操作人员因主机漏电或雷击发生触电事故的原因。更为重要的是，接地良好情况下，形成良好的防雷接地通道，钻机遭受直击雷时能够迅速释放。
（三）钻机接地的电感特性
对于带有机房的钻机，其金属底座较长较宽，在潮湿环境下有可能通过离子导电形成水平布置的接地体。由于雷电流的等值频率很高，可能使这个大型接地体呈现出自身的电感特性，阻碍雷电流向远端接地体流通，使石油套管这种接地体得不到充分利用，造成冲击接地电阻大于工频接地电阻，这种现象称为电感效应。良好的接地体需要冲击电阻小于工频接地电阻，即火花效应。这也是有些带机房的钻机防雷性能不稳定的原因之一，造成了雷击损失大小不一的奇怪现象。
采用接地电阻测试仪测量钻机主机的工频接地电阻，并用冲击系数α来表示冲击接地电阻与工频接地电阻的关系，冲击系数可按下式计算：
式中，Rch——冲击电阻，α——冲击系数。
α<1即为火花效应，α>1即为电感效应。
冲击系数的计算如下：
式中，I——冲击电流幅值，单位为kA；
l——水平接地体的长度，单位为m；
ρ——土壤电阻率，单位为kΩ·m；
β、m——形状系数，对水平及闭合接地体β=2.2、m=0.9。
将冲击电流I=100kA，l=20m，ρ=500Ω·m代入式（6-1-7）得
因α>1，带机房的钻机，如机械钻机、转盘电驱动钻机，特别是套管较短时，呈现接地体的电感效应；但在深井时，其冲击系数逐步下降，接地体由电感效应转向火花效应，防雷接地性能变为良好。
三、井场非主机的防雷接地
（一）井场构件防雷接地分析
井场构件包括录井房、生活房、发电房、电控房、顶驱房等金属构件，这些构件的防雷接地通常采用垂直埋设的单根接地体，其接地电阻如下：
式中，ρ——土壤电阻率，单位为Ω·m；
l——接地体长度，单位为m；
d——接地体直径或等效直径，单位为mm，并且l>>d，如果是角钢，d=0.84b，b为角钢每边宽度。
将多组参数代入式（6-1-8）进行计算发现，如果ρ值高，不管采用什么样的常规接地体，接地电阻始终高于10Ω，因此，对于常规防雷接地，包括录井房、电控、顶驱、MCC房等，最主要的是选择接地体埋设位置，并采用接地电阻测试仪进行实测。
（二）井场构件的等电位联结与防雷接地
总等电位联结是通过电控房的接地母排将PE母排、井场的金属构件、金属装置（如桥架等）及人工接地的接地线等相互连通，达到使外露可导电部分、装置外可导电部分以及地面的电位趋于接近，从而降低接触电压。同时还可消除或降低自外部窜入金属构件电气装置内的危险电压。
辅助等电位联结是在导电部分间，用导线直接连接，使其电位相等或接近，使故障接触电压降至接触电压限值以下。
局部等电位联结是在发电房、电控房、值班房等井场内某一局部场所范围内作多个辅助等电位联结时，可通过局部等电位联结端子板将PE母线、PE干线、金属装置和房内金属结构等部分互相连通，以简便实现该局部范围内的多个辅助等电位联结。
实践证明，将总等电位联结作为防雷接地，可有效地防止直击雷、感应雷和雷电波的入侵。
第二节 石油井场防爆与防雷设计
石油井场存在着井喷和油气随泥浆溢出的可能性，这些石油蒸气或天然气与空气混合形成爆炸危险条件，因此在石油井场的防雷器必须具备一定的防爆性能，才不至于因防雷器产生的火星或电弧引燃爆炸性气体混合物而发生爆炸事故。
进行防雷器的防爆设计，必须考虑石油井场爆炸及火灾危险场所的分类，天然气、石油蒸气爆炸性危险级别和组别，防雷器的防爆类型以及防雷器的接地系统。
一、石油井场爆炸及火灾危险场所分类标准
石油井场爆炸及火灾危险场所分类主要有API标准（美国石油学会《1级1区和1级2区的石油设施的电气安装场所分类推荐作法》RP500第二版）、国家标准GB 3863－2000、IEC（国际电工委员会）标准、中石油以及各油气田自行制订的标准。除极个别例外，国家标准、中石油及各油田的划分标准基本上与IEC标准一致。
（一）IEC标准和四川油气田标准
IEC标准将出现爆炸性气体混合物的场所，根据爆炸性混合物出现的频率和持续时间，分为0、Ⅰ和Ⅱ三个区。
四川油气田《石油天然气钻井井场爆炸危险区域划分》（Q/CY268－93）标准将爆炸性气体、可燃蒸气与空气混合形成的爆炸性气体混合物危险场所，按其危险程度的大小分为0区、1区和2区三个区域（间）等级。
0区是在正常情况下，爆炸性气体混合物预计会连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的场所。如有呼吸阀的易燃油口、露天油罐液面以上及罐口以外半径3m内的区域。
1区是在正常情况下，爆炸性气体混合物预计会周期地或偶然地出现的场所。如通风不良的井口、有防风棚的钻台底座、振动筛外半径1.5m的区域、泥浆罐泥浆液面与罐面之间的区域。
2区是在正常情况下，爆炸性气体混合物不会出现，即使出现也只是不频繁并短时间的，或仅在不正常情况下偶尔短时间出现的场所。如转盘半径3m内的球面及上方7.5m高以内的柱面区域；有防风棚的钻台内、振动筛外半径1.5～3m之间的区域；泥浆罐外半径3m以内的区域。
（二）API标准
API标准将井场划分为Ⅰ级区域，即指在空气中有或可能有可燃气体或蒸气，其数量足以形成爆炸性或可燃性混合物的区域。Ⅰ级区域又分为两类：
Ⅰ级1类区：在正常作业条件下或是从事修理、保养作业而连续地、断续地或周期性地出现达到爆炸或引燃浓度的可燃气体或蒸气的区域；发生事故或者工艺流程操作失误可能排出达到爆炸或引燃浓度的可燃气体或蒸气的区域。如通风不良的井口、转盘、封闭的钻台底座、泥浆罐泥浆液面、振动筛四周1.5m以内等。
Ⅰ级2类区：挥发性可燃液体或可燃气体，在输送、处理或使用中，由于容器破裂或事故以及操作不当使其可燃液体或蒸气溢出的区域；爆炸性可燃液体或气体偶尔流入，而易达到爆炸或引燃浓度的区域。如转盘外面半径1.5～3m以内的区域，封井器外半径3m以内的区域，泥浆罐外半径3m的区域，振动筛外半径1.5～3m之间的区域。
（三）石油天然气钻井井场防爆区域划分的标准对比
四川油气田标准与API标准没有明确的对应关系，不像IEC标准和国标那样与API标准有成熟的对应关系，若不加细分，有可能在选用防爆类型时不恰当地降低防爆等级。
一般来说，大致可认为IEC和国家标准中的“0”和“1”区相当于API RP500B标准中的Ⅰ级1类，IEC和国家标准中的“2”区相当于API RP500中的Ⅰ级2类。但四川油气田的标准却没有采用这个对应关系，其原因在于IEC和国家标准并没有针对石油钻井井场防爆区域，而四川油气田的Q/CY268—93标准却是针对石油天然气钻井井场爆炸危险区域而进行的划分，该标准与API标准对应关系如图6-2所示。
图6-2 API标准与四川油气田标准的对比
从图6-2可看出，四川油气田的标准与API标准的对应关系如表6-1所示。
表6-1 四川油气田标准与API标准对应表
新疆塔里木油田和其他油田虽然采用了国家标准，但却在石油天然气钻井井场的防爆区域划分上采取了与API一致的定义标准。其对应关系见表6-2。
表6-2 塔里木油田标准与API标准对应表
二、石油井场防雷器的防爆类型确定
按通常的作法，是根据使用环境及易燃易爆气体或蒸气的分级分组，来选择相应的防雷器及防爆类型。
按国家标准GB 3836—83，天然气和汽油的爆炸性危险级别和组别见GB 3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》附录B，四川油气田井场的爆炸危险区域应属于IIA。
参考电器设备将防雷器防爆性能分成级别和组别，按国家标准GB 3836－2000将防爆防雷器按表6-3和表6-4分级分组。
表6-3 防爆防雷器分组表
表6-4 防爆防雷器分级表
防爆防雷器的防爆性能应符合表6-3、表6-4的对应级别，才可应用于与此相对应的爆炸危险场所的等级或区间。
在井场使用的防爆防雷器的防爆类型和标志见表6-5。
表6-5 井场防雷器的防爆类型和标志
电气设备的防爆类型，是在国家规范规定的基础上，结合各油田的实际情况来确定的。虽然四川油气田防爆区域划分标准与API标准不一致，但由于近年来石油电气装备出口很多，生产厂家基本上都采用了API标准，因此按API标准制定四川油气田钻井井场防爆区域内防雷器的防爆类型是必要的。表6-6列出了四川油气田钻井井场防爆区域防器的防爆类型。
表6-6 四川油气田钻井井场防雷器防爆类型
我们在四川油气田进行了防雷试验的基础上，表6-7列出了四川石油钻井井场各部分防雷器防爆结构的选型。
表6-7 石油钻井井场部分防雷器防爆结构选型表
注：增安须采用复合防爆结构，即增安壳体内采用本安或电器元件。
三、石油井场防雷器的防爆方案
（一）石油井场防雷器防爆类型的确定
对于录井信号采集等弱电设备防雷器，其用途是把它们处于爆炸危险场所中的那部分电路所释放的能量限制到一定的数值内，当电路发生故障，如断路、短路时产生的火花不能引燃爆炸性混合物，从而达到防爆目的，这种电路和设备称为本质安全（简称本安）型电路和电气设备。本安电路实际上是一种低功率设计技术，将电路功率限制在很小的范围内，也就是说本安设备根本不会引起爆炸，所以其防爆安全程度最高，应用较广。本安防爆的检测、变送和电缆都要本安型，而且当本安电路中关联设备含有电感线圈、电容等元件时，需要采取浇封措施。本安型的防雷器就是采取浇封措施，将防雷器用环氧树脂等粘剂与金属外壳粘为一体，达到本安性能要求。
本安防雷器是一种比较好的方案，但缺点是必须与防爆盒配合使用才能与本安电缆进行连接，同时无法对浇封的防雷器的气体放电管进行检测。
隔爆型防爆，是采取带有隔爆面并具有足够强度的结构。当隔爆盒内的爆炸混合气体被引爆时，通过隔爆面向外泄压降温后的气体，不能引爆隔爆盒外面的爆炸混合气体。(www.xing528.com)
隔爆型防雷器，是将防雷电路板安装在隔爆外壳内，再将隔爆外壳固定在金属构件上。
增安型是对于正常运行时不产生火花电弧和危险高温的电气设备，采取一些附加措施来提高设备的安全可靠性，如采用高质量绝缘材料、降低温升、增大电气间隙、爬电距离、提高导线连接质量等，从而大大减少火花、电弧和危险高温现象出现的可能性，使之可以用于危险场所。
增安型防雷器是根据天然气的爆炸级别和组别，选择合适的防爆元件，采取复合防爆结构，通常是在增安外壳内安装本安型、隔爆型或浇封型防爆器件。
浇封型防爆电气设备是将其中可能产生点燃爆炸性混合物的点燃源（电弧、火花和高温等）浇封在如合成树脂一类的浇封剂中，使它不能点燃周围可能存在的爆炸性混合物。实质上是将固化后的浇封作为外壳或外壳的一部分。
浇封型防爆是将整台设备或其中部分浇封在浇封剂中，在正常运行和认可的过载或认可的故障下不点燃周围的爆炸性混合物的电气设备。
将防雷电路板进行整体浇封，目前很难通过防爆认证。浇封措施多用在防雷器上压敏电阻的浇封，防止压敏电阻老化后因漏电流过大引发火灾。
本安防爆要求较高，应用起来较为困难。同时由于防爆区域的接线要求防爆，因此本安、浇封等都需要通过防爆盒进行接线。增安壳体多装入本安或防爆的防雷器，形成复合防爆结构才能满足防爆性能要求。隔爆型壳体可直接装入防雷电路板，立即构成防爆防雷器，安全简单，接线和检修容易，更换方便，特别适合石油钻井井场。
（二）防爆防雷器的接地
采用通常的防雷器接地方式，石油井场防爆防雷器会有很多防雷接地电缆，对于经常搬迁的石油井场而言，安装困难、防雷接地复杂。
根据现场实测和试验，采用防雷接地与总等电位联结共用的方式，是一种切实可行的技术方案。具体方法是先对钻机进行总等电位联结整改，使其达到规定的接地电阻，并设立永久的接地测试点，供设备运行检查。检查整改防爆区域内金属构件的小间隙，消除金属小间隙放电的安全隐患。
四、应用效果
在石油井场专用防雷系统开发试验中，我们通过从石油钻井井场防爆区域划分入手，确定出与之对应的防雷器防爆类型。对比防爆类型的方案，确定出最适合的防爆类型，并进行了现场试验。在防雷接地方面，对石油钻机进行实测，提出总等电位联结的应用及金属小间隙放电的消除等问题，从设计、制造与应用等多方面，确保防雷器在石油钻井井场的安全使用，达到了防雷目的。通过在四川龙岗气田6个钻井队和6个录井队试验，方案可行，目前正进行大面积推广。
第三节 石油井场监视系统的防雷
石油井场监视系统是在井架二层台、钻台、振动筛等四至五处布置摄像头或带云台的摄像头，司控房内的司钻通过显示器监视现场的情况。多数监视系统的电气以及现场安装重点在安装与操作的方便性上，没有采取正确的防雷措施，因此石油井场监视系统被雷击损坏的情况时有发生。通过分析视频系统设计原理以及安装位置和布线的合理性，对监视系统的设计提出改进方案和安装布线的防雷措施。
一、监视系统电气原理
司钻坐椅旁设有一组视频通道选择及控制按钮。司钻在必要时可通过视频通道选择开关选择要控制的视频通道，然后通过方向及控制按钮对云台的上下左右进行控制，或者通过缩放按钮对摄像头进行缩放控制。
（一）视频通道的选择
视频通道选择如图6-3所示，其组成主要包括视频通道选择开关S1、方向中间继电器KA11、KA12以及缩放控制中间继电器KA21、KA22、KA23、KA24、KA25等。S1共六个位置，包括零位、通道1至通道6位。平时S1始终置于零位，视频通道选择开关和所有视频通道的方向及缩放控制中间继电器都处于电气开路状态。选择开关旋至通道1至通道6中任一通道位置时，对应视频通道的选择触点闭合，同时对应视频通道的方向及焦距控制中间继电器闭合，这样才能对视频通道进行方向和焦距进行控制。
图6-3 视频通道选择控制
S1—视频通道转换开关 KA11、KA12—视频通道1和2的云台方向控制中间继电器KA21、KA22、KA23、KA24、KA25—视频通道1至5的缩放控制中间继电器
（二）视频通道方向及缩放控制
通道方向及焦距控制如图6-4所示，其组成主要包括云台方向控制开关S2、摄像头缩放控制开关S3、视频通道选择开关S1的云台控制闭合触点KA11、KA12以及视频通道选择开关S1的摄像头缩放控制触点KA21、KA22、KA23、KA24及KA25。
视频通道选择后，可进行云台的方向及摄像头的缩放控制。
通过方向控制开关S2，可进行云台的方向控制。如S2扳到左边位置，则云台“左”位通电，云台向左旋转，旋转角度由通电时间决定。同样，可对“右”“上”及“下”位进行角度控制。
图6-4 视频通道方向及焦距控制
S2—方向控制开关 S3—缩放开关 KA11、KA12—S1的云台方向控制触点KA21、KA22、KA23、KA24及KA25—S1的摄像头缩放控制触点
通过摄像头缩放开关S3，可进行摄像头焦距的缩放控制。如S3置于缩小状态，则摄像头变焦，监视画面缩小。
（三）摄像头的供电及视频传输
不论视频通道选择开关置于何位，只要摄像头供电和视频传输通道处于传输位置，五个摄像头都处于工作状态，监视画面通过视频控制器在显示器上显示。摄像头电源及视频传输如图6-5所示。
图6-5 摄像头供电及视频传输
二、监视系统抗干扰分析
（一）方向及缩放控制电路的抗干扰分析
视频通道选择开关S1置于零位时，云台方向控制开关触点、摄像头缩放控制开关触点、云台方向控制中间继电器触点以及摄像头缩放控制中间继电器触点都处于断开状态，此时其电气通道开路，所以在S1处于零位时，司控台的云台及摄像头的缩放控制端均处于安全状态，但要在监视系统的操作规程里，加上“雷击时不得进行视频的方向及缩放控制”以及“对视频系统进行方向和缩放控制后，应将视频选择开关置于零位”等内容。这样就不用考虑这部分的防雷问题。但为了防止方向及缩放控制回路因耦合电压造成工作过压，应考虑采取屏蔽以及等电位措施。
（二）摄像头供电及视频回路抗干扰分析
摄像头采取集中供电方式，只要有一路受到过电压影响，所有摄像头的供电回路都会受到影响。视频回路在摄像头端虽然分开，但在视频控制电路板上却处于共地连接，视频回路也是互相影响。
石油井场常用的摄像头，一般为12V DC供电，多数采用普通电缆，无屏蔽措施，因此易受到耦合过电压和雷击感应过电压的影响，因此摄像头电源电路常被雷击过电压损坏。
摄像头供电回路最基本的抗干扰措施，应为屏蔽和等电位联结，即采用屏蔽电缆，同时将摄像头固定金属构件与司控房金属构件用等电位干线联结起来，形成井场总等电位联结的一部分，这样可消除在供电回路上的危险电位差，避免因过电压损坏摄像头和司控房的相应电源电路。
摄像头视频回路一般采取双线，一根为视频线，另一根为屏蔽线。屏蔽线的摄像头端与摄像头外壳联结，司控房端也与其外壳联结。虽然采取了屏蔽措施，但是如果摄像头固定处的金属构件与司控房没有进行等电位联结，同样会受到危险电位差的影响。
三、抗干扰措施
从上面分析可知，摄像头的供电和视频传输回路是重点保护对象，需要采取最基本的抗电磁干扰措施。
一般情况下，是将控制和电源合用一根橡胶护套，称为控制电缆，实际上一根组合电缆。视频为单独一根屏蔽电缆，称为视频电缆。因此最好的办法，就是对控制电缆进行屏蔽保护，即将这根电缆改为屏蔽双绞电缆，同时将视频电缆改为双屏蔽电缆。这两根电缆的屏蔽层在摄像头固定端和司控房出线柜处分别与金属构件可靠连接，同时摄像头固定的金属构件与司控房进行可靠的总等电位联结。很多钻井队已将井架底座、机房、泵房和循环罐进行了金属性连接，但并未形成规范的总等电位联结和局部等电位联结。因此，首先需要规范化井场的等电位联结，同时将总等电位联结的范围扩大到钻台、司控房直至井架，在司控房内还应进行局部等电位连接，防止用电设备外壳因电位不等造成电位差而影响视频系统的正常工作。
四、防雷器及其安装
（一）防雷接地系统
视频系统采用分流式防雷器时，其防雷器需要接地，但相当一部分防雷器处于防爆区，而且井场设备多，分布复杂，因此需要规范井场接地系统。
在井场实行总等电位联结后，总等电位干线通过电控房、井场后场及前场接地体接地，因此可将井场总等电位联结干线及接地系统作为防雷接地，这样，防雷器可直接固定在经过的金属构件上，其防雷器的防爆外壳内接防雷器接地，外接金属构件，安装规范、简单。
（二）安装位置分析
视频监视系统主要包括五台摄像机，其中两台带云台。主要安装在二层台井架后横梁处、循环罐振动筛处、循环罐泵房处、电控房上以及钻台这五个位置。
二层台处的摄像头最容易被雷击过电压损坏，其原因包括摄像头安装及电缆布线不合理。井架和井架的笼梯可近似看成一个法拉第笼，笼内基本不受到过电压或雷击的影响，而在法拉第笼外就很危险。很多井架为了布线和钻工上下方便，将二层台摄像头及云台电缆敷设在笼梯左侧，处于井架外侧位置，这样其电缆因井架遭受雷击产生强烈的感应过电压，损坏摄像头及云台电路板。同时，摄像头处于井架后面外面，未处于法拉第笼的保护范围，而且摄像头或云台与金属横梁距离过小，雷击时产生强烈的金属小间隙火花放电，轻者损坏摄像设备，重者对井架下面的防爆区造成严重的威胁。
因此需要将摄像头、云台置于井架内面范围，同时要将其与井架金属构件保持一定距离，如果确实不好安装，应采用等电位导线将小间隙处的金属连接起来。摄像头及云台的两根电缆应敷设在井架侧的笼梯内，并尽量置于竖向的金属角铁或圆钢之间，同时最好在中间分段将屏蔽层导体直接固定在笼梯内的金属构件上，提高等电位效果。
其余位置的摄像头或云台多数沿着金属型材敷设，容易耦合金属型材上的感应过电压，因此除了采取屏蔽电缆外，还应尽量与同向的金属型材保持距离。
（三）防雷器的设计
应设计两种组合防爆型防雷器，一是带云台的摄像头防爆防雷器，二是不带云台的摄像头防爆防雷器。
带云台的摄像头组合防爆防雷器包括摄像头的控制信号、直流电源、视频及视频屏蔽的保护。
信号、直流电源为π型防雷器，其保护分为两级，第一级为三级气放管，第二级为TVS钳压保护。三极气放管的接地直接与隔爆外壳联结。信号防雷器的两级之间采用防浪涌退耦电阻，直流电源两级保护之间采用退耦电感。由于是组合式防雷器，因此其接地与直流电源保护共地。
视频保护采取单极防雷保护，第一级仍为气放管，第二级为TVS，其传输速度满足视频传输要求。
防雷器的保护电压应在摄像头的工作电压与耐受电压之间，考虑到距离较远，防雷接地与等电位共地，因此残压可能较高，应将保护电压选择得高一些。
防雷器的额定通流量为5kA即可，这样可以降低保护电压。
由于是串联式防雷器，所以只要防雷出现故障，监视系统就会停止工作，维护人员可立即更换防雷器。
五、应用效果
石油井场监视系统的防雷是一个系统工程，不是简单地安装防雷器就能解决的问题。通过调研石油井场视频系统的损坏情况，分析原因，提出应从接地及等电位基础工作做起，尽量利用钻机接地良好的条件，采取屏蔽及均压等基础措施，同时对视频系统的电气系统提出改进措施，然后对效果较差的部位采取分流防雷措施，在四川龙岗地区的井队推广后，效果良好。
第四节 钻井参数仪及浪涌保护
钻井参数仪在石油钻井过程中起着非常重要的作用，但是随着石油钻机大型功率元件如交直流调速器等各种电气设备的使用，浪涌冲击对钻井参数仪具有多种负面影响，从小到难以察觉的元件及线路老化，到电路板烧毁、设备报废等各种损伤。钻井参数仪的半导体元件的接口最容易在系统浪涌下发生老化，数据采集和传输也容易受到影响。如果浪涌电压超过设备额定电压两倍以上，绝大多数半导体元件本身也会因此出现故障，因此研究钻井参数仪的浪涌抑制保护具有重要意义。
本文拟从钻井参数仪的规范化接地、等电位联结以及浪涌抑制方法等三个方面，介绍钻井参数仪的浪涌保护技术。目前在四川油气田应用推广这种技术，收到良好效果。
一、钻井参数仪及存在的问题
钻井参数仪也称钻井仪表或钻井仪系统，主要由传感器单元、数据采集处理单元、数量显示报警单元及数据记录存储单元四个部分组成。
钻井仪的传感器是能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，其原理是将被测量通过敏感元件、转换元件以及基本转换电路转换成4～20mA，0～5V的电量。采集的信号从现场到司控房的DAQ箱，经接线端子进入数据采集处理单元。DAQ箱的主处理板和基于PC104总线嵌入计算机的信号采集接口板，是直接与现场连接的信号采集线路，也是最容易出问题的地方。
钻井参数仪测试的对象主要包括大钩负荷、立管压力、转盘扭矩、吊钳扭矩、转盘转速、泵冲次、泥浆出口相对流量、大钩高度、泥浆池体积、H2S浓度、泥浆出口/入口温度及密度等多种参数。
参数显示及报警单元在司控房内，主要有卧式显示表台、立式显示表台、悬挂式表台和液晶屏等多种类型。
大钩悬重测量单元包括安装于死绳固定器上的传压包、液压软管、指重表、指重压力变送器、阻尼器和排气阀等。其中，指重压力变送器将悬重的4～20mA电量传送到钻井仪信号接口。转盘扭矩传感器有机械式和电扭矩两种，机械式用于机械动力驱动的转盘，电扭矩式用于电机驱动的转盘。
压力变送器组件是将指重、转盘扭矩、立管压力和吊钳扭矩的变送器装在一个箱内，将液压信号转换成4～20mA的电信号。立管压力测量系统主要由立管压力传感器、压力表、阻尼器及液压软管组成。其中，液压软管后端接压力变送器，将立压的4～20mA信号送到主机的信号接口。
井深传感器采用增量式光电编码器，15V供电，将100次/圈或500次/圈的井深脉冲送到信号接口。泵冲和转盘转速都有相应的脉冲传感器，泥浆出口相对流量也有相应的传感器。泵冲传感器由DAQ提供+10V直流电源，安装在泥浆泵视孔盖内，传感器对金属十分敏感，当金属板距探头10mm以内时即有脉冲信号，每个信号表示有一次冲程，DAQ利用这些信号计算出每分钟冲程和每个泵的总冲程。泥浆池体积传感器、H2S传感器、密度传感器，将4～20mA电量传送到信号接口。
钻井参数仪典型接线如图6-6所示。
图6-6 钻井参数仪典型接线
二、钻井参数仪存在的问题
随着电子式钻井参数仪的应用，面临着各种浪涌的危害。浪涌有内外两种，外来浪涌主要有雷击，工频电网异常，大功率设备的启动运行等。内部浪涌主要来自配电系统内部设备的开关和运行。和一般电气设备相比，变频电机、整流器及微处理器等更容易引起内部浪涌。
2008年4月以来，四川油气田的部分钻井参数仪遭受浪涌电压并有部分器件损害。绞车、进出口流量、悬重、扭矩、立压、套压、密度、池体积等传感器以及DAQ主板、排量板、泵冲板、采样电阻板、信号接口板、井深电路板、采集单元以及电流隔离、频压、7080、7017等模块多次被浪涌电压损坏。
现场分析损坏的主要原因是没有专用的防雷接地线，在电源线和信号线之间没有浪涌保护器。
三、钻井参数仪的规范化安装
浪涌电流是由浪涌电压而产生的，因此抑制浪涌电压最好的办法就是采用总等电位联结和局部等电位联结。因此四川油气田开始规范井场电气安装工程，做到系统接地类型规范化、电气安装技术要求规范化、等电位联结规范化以及供电系统规范化。具体方法是做到以下几点：
（一）系统接地规范化
在整个井场强行推广TN-S系统，防止原来TN-C-S系统中的PEN线因三相不平衡影响弱电系统的PE电缆。同时发电机中性点经PE母排一点接地，减小了杂散电流对弱电系统的影响。原来钻井参数仪的PE线多就地与金属连接，与电源的返回通道不可靠，采用TN-S系统后，MCC为钻井参数仪提供的电源包括了PE线。
（二）井场等电位联结规范化
在井场采用并规范总等位联结，用铝芯电缆将井架、钻台、司控房、机房、泵房、固控罐、VFD房、顶驱房及发电房连接起来，形成一个400V总等电位联结母线MEB。在钻井参数仪DAQ箱内设置局部等电位母排LEB，将箱内金属等装置内外导体部分与LEB联结，再与司控房外壳相连，司控房外壳与井场总等位联结母线可靠连接。采用专用等电位联结测试仪表测量等电位连接电阻，确保等电位联结可靠。
具体而言，将信号线外屏蔽线在DAQ箱体里连到一点，并用导线与钻台面上的等电位端子连接，将内层屏蔽线与DAQ箱体连接，并用导线与钻台面上的等电位接线端子连接。所有电子设备，地线应汇集一点后接入大地。
（三）井场供电接口规范化
在接口规范化电源输出线，如相线、N线和PE线等，所有设备都按TN-S供电系统要求接线。
四、钻井参数仪的浪涌抑制
（一）浪涌抑制
通常抑制浪涌的办法是屏蔽、均压、分流。在井场等电位联结中以及DAQ箱内采取等电位端子就是最好的均压措施。
雷击等外部浪涌可能对参数仪等电气系统造成严重的电流冲击，因此实施浪涌保护，一般采取分流方法，将有害电流进行消除后导入接地。因为钻井参数仪的供电电源不是很大，因此在DAQ 箱220V电源前端，增加一个额定通流量为20kA的单相交流电源浪涌保护器就可以了。
如果司控房内高频噪声和电磁射频干扰严重，可以考虑选用正弦跟踪滤波浪涌抑制保护器，其特点是采取正弦跟踪技术，沿电压波形进行保护，即使在浪涌保护时，也不会影响系统的正常工作，属于不停电浪涌保护。
钻井参数仪的另一种有效保护是屏蔽。可重新选用电缆线和信号线，在危险的区域选用双层屏蔽线。
在泵区和泥浆罐区的传感器电缆线槽接至钻台时，在不能进入电缆槽的情况下，电缆线用金属管穿起来，并将金属管两端就近接地。下位机信号线进房前，屏蔽线接入大地。上位机与下位机之间的通信线，不能飞线，布线时应埋在地下。
对信号采集和传输采用信号浪涌保护抑制器，也是分流的一种方法。方法是在传感器端加上信号浪涌抑制保护器，并将接地线与金属构件连接，金属构件与井场总等电位联结可靠连接。
（二）现场安装
现场浪涌抑制器的安装如图6-7所示。由于参数采集的区域多为防爆区域，现场浪涌抑制保护器都采用隔爆类型，并且与现场传感器的距离应尽量短，如果超过500mm，应在保护器与传感器之间加装金属编织软管，降低残压。隔爆盒内的保护器气放管接地，应与盒体可靠连接，隔爆盒应与金属构件可靠固定，金属构件应与井场总等电位联结母线可靠连接，并确保等电位联结电阻小于规定值。
图6-7 现场浪涌抑制器的安装
（三）DAQ箱内的安装
在DAQ箱内，统一加上信号浪涌抑制电路板，信号和电源进入DAQ接线端后，通过浪涌抑制保护电路板后，再与DAQ采集单元或电源连接，如图6-8所示。
图6-8 DAQ箱内浪涌抑制器的安装
（四）防爆区内浪涌抑制的风险评估
按国家发展和改革委员会发布的SY/T 5225—2005石油天然气钻井、开发、储运防火防爆安全生产技术规程[1]规定，井场距井口30m以内的电气系统的所有电气设备如电机、仪器仪表、电路线路及接插件等应符合防爆要求，做到整体防爆。而在转盘井口中心以及振动筛外面1.5m内，属APIⅠ级1类防爆区域，3m以内属于APIⅠ级2类防爆区域。因此对钻井参数传感器的浪涌抑制必须考虑到防爆风险。通常采用隔爆型接线盒内安装浪涌抑制器，防爆的效果与接线盒本身以及进出线的隔爆隔栏都有很大关系，因此选用合格的隔爆盒至关重要。
考虑到防爆失效的风险，制定以下原则：
1．不需要安装浪涌抑制器或传感器本身成本很低的，决不装浪涌抑制器。
2．决不在APIⅠ级1类防爆区域内安装抑制器，即使是隔爆型的，也不安装。
3．浪涌抑制器的隔爆盒，在盒内应可靠与接地螺栓连接，盒体应可靠与金属构件固定，并用专用等电位测试仪表测试等电位电阻，等电位电阻值推荐小于1Ω。
4．定期检查防爆抑制器，确保隔爆盒的螺栓可靠紧固以及隔爆面间隙小于0.01mm。
五、应用效果
对整个井场进行接地系统、电气安全技术要求、等电位联结和供电接口四方面的统一，是井场所有弱电系统进行浪涌抑制的基础工作。在此基础上，进一步采取屏蔽和分流措施，可有效抑制浪涌。对浪涌抑制进行风险评估，确保防爆区域内的安全性，是进行浪涌抑制的前提。
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