錄井系統(tǒng)雷擊危害分析及模擬試驗研究*

劉 娟

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100； 2.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266100)

0 引言

鉆井作業(yè)安全是油氣勘探、開采過程中關(guān)注的重點[1-2]。錄井技術(shù)是應(yīng)用電子技術(shù)、計算機數(shù)字技術(shù)、并借助分析儀器在鉆井過程中對各種石油地質(zhì)、鉆井工程及其他隨鉆信息進行采集與分析，進而達(dá)到發(fā)現(xiàn)、評價油氣層并實時監(jiān)控鉆進過程的油氣勘探技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于勘探過程中的參數(shù)井、預(yù)探井、探井等[3-7]。隨著勘探開發(fā)需求及鉆井新工藝技術(shù)發(fā)展，錄井技術(shù)逐漸發(fā)展成多學(xué)科、多技術(shù)集成的技術(shù)集合體，存在著大量傳感器、信息采集系統(tǒng)、通訊設(shè)備、信息處理系統(tǒng)等弱電

設(shè)備。這些弱電設(shè)備的抗電磁脈沖的能力差，雷電及雷擊電磁脈沖極易造成設(shè)備的損壞[8-12]。

油氣鉆井井場多位于山區(qū)或者空曠地區(qū)等雷電災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，且井架較高，存在遭受直擊雷、雷電感應(yīng)危害風(fēng)險[13]。一旦鉆機井架等遭受雷擊，產(chǎn)生的電磁輻射必然在錄井系統(tǒng)與外部相連的架空線纜上耦合較大的過電壓和過電流，可從而造成錄井系統(tǒng)的損壞，嚴(yán)重威脅油氣勘探開發(fā)企業(yè)的安全生產(chǎn)及工作人員的生命安全[14-15]。因此，開展錄井系統(tǒng)雷擊危害分析及模擬試驗研究，定量分析了雷擊電磁輻射對錄井系統(tǒng)的影響，可為錄井系統(tǒng)的雷電防護和防雷設(shè)計提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 錄井系統(tǒng)雷擊危害分析

雷電侵害弱電系統(tǒng)的途徑主要有以下3種：

1)直擊雷引起的反擊。錄井系統(tǒng)一般采用直擊雷防雷系統(tǒng)，主要通過接閃器、引導(dǎo)線、接地裝置等將雷電流引致接地裝置泄入大地。但是直擊雷電流可能通過接地裝置時造成的高電壓使電子設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)擊穿，此種方式稱為直擊雷引起的反擊。

2)侵入波。雷電擊中與電子設(shè)備連接的戶外架空線(交流配電線、信號線、電話線，如圖1所示)，則雷電波就會沿線傳入，這種方式稱為侵入波。由于戶外線延伸很廣，因此雷電侵入的可能性較大。

3)雷電感應(yīng)。直擊雷電流通過引下線(如建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋)時在室內(nèi)引起電磁感應(yīng)。雖然感應(yīng)電壓不如前述幾種高，卻也足以破壞電子元件，而且它最接近電子設(shè)備，在建筑物內(nèi)部各處都可能出現(xiàn)。設(shè)備越是接近雷電流引下線，感應(yīng)電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地面，雷擊通道的強電流產(chǎn)生的電磁輻射也能在建筑物內(nèi)部引起電磁感應(yīng)，影響室內(nèi)的電子設(shè)備。

圖1 錄井房與現(xiàn)場儀表之間的架空線Fig.1 The overhead line between the logging room and the field instrument

錄井系統(tǒng)的主要設(shè)備都位于金屬板房內(nèi)，可以起到電磁屏蔽效果，進而有效的防止直擊雷或是電磁輻射的直接危害。但是，錄井系統(tǒng)通過架空線路與外部傳感器、儀表等設(shè)備相連，而且架空線路缺少有效的電磁屏蔽措施，一旦雷擊發(fā)生，在架空線路上產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖或感應(yīng)過電壓沿線路進入，極易燒毀電子電器設(shè)備等。由此可見，錄井系統(tǒng)遭受雷電侵害的最主要途徑是雷電電磁輻射在線路上耦合的過電壓和過電流。

2 雷擊電磁輻射對錄井線路危害模擬試驗研究

雷電對錄井線路的危害主要來自雷擊電磁輻射。為分析雷電電磁輻射對錄井線路的耦合危害，采用CJ0101沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的8/20 μs沖擊電流，分別對BVR 450/750單芯銅線和SYV50-3同軸線纜進行電磁耦合試驗，分析電磁輻射在平行直線導(dǎo)體上耦合的電壓。CJ0101沖擊電流發(fā)生器可產(chǎn)生3～110 kA的8/20 μs沖擊電流波(波頭時間滿足8 μs ±10%，波尾時間滿足20 μs ±10%)，相關(guān)試驗設(shè)備與波形見圖2和圖3所示；電磁輻射對平行線纜的耦合試驗示意圖如圖4所示。

整個試驗過程中，通過空調(diào)、除濕機等手段使得實驗室環(huán)境條件穩(wěn)定，實驗室溫度25℃±2℃，相對濕度64%RH±5%RH。

圖2 CJ0101沖擊電流發(fā)生器Fig.2 Impulse current generator CJ0101

圖3 實驗用8/20 μs電流波形Fig.3 Photograph of the8/20 μs current waveform

圖4 直線線纜的電磁耦合試驗示意Fig.4 The schematic diagram of electromagnetic coupling test for linear cable

2.1 沖擊電流強度對平行線纜電磁耦合的影響

為了分析沖擊電流大小對線纜電磁耦合的影響，采用BVR 450單芯銅線進行了不同電流的電磁耦合試驗，測試時調(diào)節(jié)平行線纜與沖擊電流源距離，相應(yīng)測試結(jié)果見圖5。

圖5 沖擊電流強度和線纜長度對平行線纜電磁耦合的影響Fig.5 Influence of impact current intensity and cable length on the electromagnetic coupling of parallel cables

從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)平行線纜間隔沖擊電流源距離0，50和100 mm時，隨著電流的增大，耦合的電壓隨之增大且基本呈線性變化，16 kA的8/20 μs沖擊電流可在測試線纜上耦合出高達(dá)2 833 V的電壓。

2.2 平行線纜與電流源的間隔對其電磁耦合的影響

平行線纜與電流源的間隔距離是影響電磁輻射耦合的1個較重要的因素。為了分析平行線纜與電流源的間隔距離對電磁耦合的影響，設(shè)計試驗使用10 kA的8/20 μs沖擊電流來沖擊電流源，設(shè)置平行電纜長度為0.5，1，1.5 m ，平行電纜與沖擊電流源的距離分別為0，50，100，150，200，250，300，350，400，450和500 mm。將相應(yīng)測試結(jié)果整理并繪制得到圖6。由圖6可以看出，在使用長度分別為0.5，1.0和1.5 m線纜測試時，間隔距離為0 mm的線纜耦合電壓整體高于間隔距離為5 mm的耦合電壓，且間隔距離為5 mm的耦合電壓一直高于間隔距離為100 mm的耦合電壓，從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在使用長度分別為0.5，1.0和1.5 m線纜測試時，平行線纜與電流源的間隔越大，線纜上的耦合電壓越小。

圖6 線纜與沖擊電流源間隔距離對其電磁耦合的影響Fig.6 Influence of the distance between the cable and the impact current source on the electromagnetic coupling of parallel cables

2.3 平行線纜長度對其電磁耦合的影響

線纜長度是影響電磁輻射耦合的一個較重要的因素。根據(jù)2.1和2.2節(jié)中的試驗，從試驗結(jié)果圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在線纜與沖擊電流源間隔距離分別為0，50和100 mm時，長1.5 m的線纜耦合電壓整體高于長1 m線纜耦合電壓，且長1 m線纜的耦合電壓一直高于長0.5 m線纜的耦合電壓，表明線纜長度越長耦合的電壓越大。

2.4 屏蔽層對平行線纜電磁耦合的影響

為了分析屏蔽層及接地方式對線纜的屏蔽效果，采用SYV50—3同軸線纜進行電磁耦合試驗。試驗中，同軸線纜長度為1 m，貼近沖擊電流源，分別進行了屏蔽層不接地和屏蔽層接地時的電磁耦合試驗，相應(yīng)測試結(jié)果如圖7所示。從試驗結(jié)果可以看出，屏蔽層不接地時芯線上耦合的電壓隨沖擊電流的增大呈線性增大，當(dāng)沖擊電流達(dá)到18 kA時，芯線上耦合的電壓達(dá)到了3 560 V；屏蔽層接地時，當(dāng)沖擊電流小于8 kA時芯線上未測量出電壓值，隨著沖擊電流的增大耦合的電壓呈線性增大，當(dāng)沖擊電流達(dá)到18 kA時，芯線上耦合的電壓為218 V。由些可見，屏蔽層接地可以有效地減小電磁輻射對線纜的耦合作用。

圖7 屏蔽層接地情況對平行線纜電磁耦合的影響Fig.7 Influence of shielding layer grounding on the electromagnetic coupling of parallel cables

3 結(jié)論

1)當(dāng)線纜平行靠近電流通道時，平行線纜上的耦合電壓隨著雷電流的增大而增大，且16 kA的雷電流可以在貼緊的線纜上耦合出近3 000 V的電壓，對錄井的線路系統(tǒng)有著巨大威脅。

2)平行線纜與電流源的間隔越大，線纜上的耦合電壓越小。該結(jié)論對錄井系統(tǒng)的線路防雷具有一定的指導(dǎo)作用。

3)平行線纜長度對線纜的電磁耦合具有重大影響，平行線纜長度越長，雷電的耦合電壓就越大。

4)屏蔽層接地可以有效減小電磁輻射對線纜的耦合作用。

[1] 管志川, 勝亞楠, 許玉強, 等. 基于 PSO 優(yōu)化 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鉆井動態(tài)風(fēng)險評估方法[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2017, 13(8):5-11.

GUAN Zhichuan, SHENG Ya’nan, XU Yuqiang, et al. Dynamic risk assessment method of drilling based on PSO optimized BP neural network[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2017, 13(8):5-11.

[2] ISMAIL Z, KONG K K, OTHMAN S Z,et al. Evaluating accidents in theoffshore drilling of petroleum:regional picture and reducing impact[J]. Measurement, 2014, 51(1):18-33.

[3] 劉力東. 石油勘探開發(fā)中現(xiàn)代信息錄井技術(shù)的運用探究[J]. 當(dāng)代化工研究, 2017, 9(9):23-24.

LIU Lidong.The application of modern information logging technology in petroleum exploration and development[J]. Chenmical Intermediate, 2017, 9(9):23-24.

[4] 張祥國. 錄井現(xiàn)場防雷系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].錄井工程, 2017,28(1):66-69,95.

ZHANG Xiangguo. The lightning protection system of logging field design and application[J]. Logging engineering, 2017,28(1):66-69,95.

[5] 王維凱,杜國勇. 綜合錄井儀防雷系統(tǒng)設(shè)計與維護[J].錄井工程, 2009,20(1):51-53,77.

WANG Weikai, DU Guoyong. Design and maintenance of lightning protection system for comprehensive mud logging system [J]. Logging project, 2009, 20 (1):51-53,77.

[6] 耿賽. 錄井技術(shù)在頁巖氣開發(fā)中的應(yīng)用[J]. 化工設(shè)計通訊, 2017, 43(11):257.

GENG Sai.Application of Logging Technology in shale Gas Development[J]. Chemical Engineering Design Communications, 2017, 43(11):257.

[7] 陳恭洋, 印森林, 劉巖. 錄井學(xué)理論體系與錄井技術(shù)發(fā)展方向探討[J]. 錄井工程, 2016, 27(4):5-11，91.

CHEN Gongyang, YIN Senlin, LIU Yan. Mud logging theory system and development direction of mud logging technology[J].Mud Logging Engineering, 2016, 27(4):5-11，91.

[8] 聶劍紅. 安全監(jiān)控系統(tǒng)的防雷技術(shù)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(6):95-99.

NIE Jianhong.Study on lightningproof technology of security surveillance and control system[J]. Journal of Safety Science and Technology，2009，5(6):95-99.

[9] 劉寶全, 劉全楨, 畢曉蕾, 等. 雷擊石油鉆機井架電磁脈沖危害研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2013, 9(4):109-114.

LIU Baoquan, LIU Quanzhen, BI Xiaolei, et al.Research on lightning electromagnetic pulse harm of lightning stroke on oil derrick[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013, 9(4):109-114.

[10] 景弘, 王思華. 基于時域差分法的雷擊回?fù)敉ǖ乐車臻g電磁場研究[J].電瓷避雷器,2017,140(5):65-70.

JING Hong，WANG Sihua.Research of electromagnetic field around the lightning return-stroke channel based on FDTD method[J].Insulators and Surge Arresters,2017,140(5):65-70.

[11] 趙洪磊, 劉全楨, 張笑, 等. 雷擊時地下空間電磁場與負(fù)載感應(yīng)電磁場的仿真計算[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2015, 11(3):123-128.

ZHAO Honglei, LIU Quanzhen, ZHANG Xiao, et al.Simulation calculation on electromagnetic field in underground space and load induced electromagnetic field in case of lightning[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015, 11(3):123-128.

[12] 譚惠芬, 溫耀美, 龐軍. 電子系統(tǒng)雷擊電磁脈沖風(fēng)險評估分級及工程實例[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2011, 11(34):8635-8637.

TAN Huifen, WEN Yaomei, PANG Jun.The grading of lightning electromagnetic impulse risk assessment to electronic system and engineering example[J]. Science Technology and Engineering, 2011, 11(34):8635-8637.

[13] 畢曉蕾, 于海燕, 劉全楨, 等. 石油鉆機井架雷擊電磁輻射耦合作用研究[J]. 電磁避雷器, 2017, 275(1):87-90.

BI Xiaolei, YU Haiyan, LIU Quanzhen, et al.Research on electromagnetic radiation coupling effect of lighting stroke on oil derrick[J]. Insulators and Surge Arresters, 2017, 275(1):87-90.

[14] 杜虎, 代道文. 淺談石油錄井過程中的防雷保護[J]. 石油化工安全環(huán)保技術(shù),2010, 26 (1):19-23,69.

DU Hu, DAI Daowen. Study onthe lightning protection in oil logging [J]. Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology, 2010, 26 (1):19-23,69.