自升式鉆井平臺防雷技術(shù)

趙吉振

(中海油田服務股份有限公司，河北 廊坊 065201)

隨著科技的不斷進步，海上鉆井設備設施的電氣自動化程度越來越高，弱電系統(tǒng)設備也逐步得到廣泛應用。鉆井設備設施一旦遭受雷擊，輕則導致相關(guān)設備故障和誤動作，重則造成設備設施永久性損壞，甚至間接引發(fā)生產(chǎn)事故。

我國海上鉆井平臺一般在渤海、東海以及南海海域開展作業(yè)。由于平臺在作業(yè)區(qū)域一般為最高的孤立金屬體，因此在雷雨季節(jié)易遭受雷擊。有學者基于星載光學瞬態(tài)探測器(OTD)和閃電成像傳感器(LIS)探測資料，計算出我國近海海域的閃電密度分別為4.21 fl·km-2·a-1(渤海)、2.52 fl·km-2·a-1(黃海)、2.28 fl·km-2·a-1(東海)和4.22 fl·km-2·a-1(南海)[1]。作為比較，雷電災害較為嚴重的南京市，閃電密度也不超過4 fl·km-2·a-1[2]。可以看出，我國海上鉆井設備設施的防雷形勢較為嚴峻。

為此，我公司開展了針對自升式鉆井平臺的防雷科研工作，并對試點平臺進行防雷改造施工，以期平臺上的關(guān)鍵設備免遭雷電影響和破壞，保障生產(chǎn)作業(yè)的正常進行。

1 典型雷電事故案例分析

近年來，我公司所屬鉆井平臺中，多個平臺均不同程度遭受了雷擊，造成頂驅(qū)編碼器接口板、電子司鉆系統(tǒng)服務器、頂驅(qū)變頻器數(shù)字測速接口(DTI)板、鉆井儀表主機等關(guān)鍵設備損壞，視頻系統(tǒng)、探頭報警裝置失靈，造成一定的經(jīng)濟損失。

1)電子司鉆光纖收發(fā)器損壞。光纖收發(fā)器是一種將短距離雙絞線電信號和長距離光信號進行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元。結(jié)合防雷理論分析雷擊損壞原因如下。

(1)收發(fā)器有雙絞線RJ-45接口和光纖接口，分別連接雙絞線和光纖。光纖本身不具備導電性，雷電浪涌不會在光纖上感應和傳輸，但光纜具有加強芯，因此存在感應雷電沿加強芯侵入光纖收發(fā)器并打壞接口電路的情況。

(2)雙絞線如未采取屏蔽措施(如使用非屏蔽雙絞線、線路未套管布設等)，線路上會有感應浪涌產(chǎn)生，可入侵并打壞RJ-45接口電路。總結(jié)來說，線路未屏蔽、布線不規(guī)范(如斜飛亂拉)都是光纖收發(fā)器遭感應雷損壞的潛在原因。

2)電子司鉆系統(tǒng)主板和顯卡損壞。結(jié)合防雷理論分析電子司鉆系統(tǒng)主板和顯卡的損壞原因。

(1)主板和顯卡由各種微電子元器件組成，井架遭受雷擊時，周圍會感應產(chǎn)生強大的瞬變電磁場。若電磁兼容性不佳，當主板、顯卡所處環(huán)境的磁感強度峰值超過一定量時會損壞。

(2)現(xiàn)場傳感器線路多位于井架周圍，線路上會產(chǎn)生感應浪涌侵入數(shù)據(jù)采集器，擊穿電子元器件。雙絞線也可能產(chǎn)生雷電感應浪涌，沿線路侵入電子司鉆網(wǎng)絡接口，擊穿電子元器件。

3)頂驅(qū)DTI板損壞。DTI板的作用是將頂驅(qū)編碼器輸出的信號整形成方波，然后再傳輸給主板(CUVC板)，由CUVC板對轉(zhuǎn)速進行實際計算，同時對旋轉(zhuǎn)方向是否與變頻器的驅(qū)動相序相符合進行辨別。DTI板卡與頂驅(qū)編碼器通過信號線路相連，經(jīng)由游動電纜連接頂驅(qū)接線箱。該游動電纜位于井架旁，雷擊時線路上會感應產(chǎn)生浪涌，加之編碼器、傳感器信號線路工作電壓低，DTI板接浪涌耐受流能力差，因此井架遭雷擊時，DTI板易遭雷電感應浪涌的沖擊而損壞。

4)鉆井儀表數(shù)據(jù)采集處理單元(DAQ)板損壞。DAQ為鉆井儀表顯示屏的數(shù)據(jù)采集和處理設備，主要作用是為傳感器供電，接收和處理鉆機傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到鉆井儀表顯示屏，接收和處理操作員通過顯示面板輸入的數(shù)據(jù)等。DAQ板分別連接傳感器線路和鉆井儀表顯示屏線路。傳感器多處于井架附近，傳感器線路接入機艙內(nèi)DAQ板的布線長達數(shù)十米，因此雷擊井架時信號線路中會因電磁感應產(chǎn)生共模過電壓，擊壞信號線的安全柵和DAQ電路接口。另外DAQ連接司鉆房鉆井儀表的網(wǎng)線為單屏蔽雙絞線，在強雷電暫態(tài)電磁場環(huán)境中屏蔽效果不佳，會感應產(chǎn)生雷電浪涌沿線路進入DAQ板。

5)畫面分割器和井架攝像頭。畫面分割器位于司鉆房內(nèi)，與井架攝像頭通過視頻信號線路相連。視頻信號電壓峰峰值為1 V，傳輸信號采用的同軸電纜對于雷電暫態(tài)電磁場的敏感度遠高于雙絞線和光纖，雷擊井架時電纜感應過電壓可達千伏級，極易侵入并損壞畫面分割器接口電路。井架攝像頭供電電壓為12 V(DC)，耐受浪涌電壓在數(shù)十伏，供電線路中侵入千伏級的感應過電壓時必將擊壞攝像頭。

6)二層臺對講喇叭。對講喇叭與司鉆房內(nèi)對講機通過音頻信號線路連接，這段線路挨著井架布設，井架遭雷擊時線路上會產(chǎn)生千伏級的感應過電壓，侵入對講喇叭擊壞電路板。

7)氣體監(jiān)測系統(tǒng)控制電路板。氣體監(jiān)測裝置位于隊長室內(nèi)，與13對現(xiàn)場硫化氫和可燃氣體探頭信號線路相連接，為探頭電路供電的同時接收信號，電壓為24 V(DC)。而氣體探頭多分布在司鉆房、振動篩、泥漿池等附近，靠近井架且到隊長室的布設線路較長，在強雷電暫態(tài)電磁場環(huán)境中信號線上會感應出雷電過電壓，擊壞變送器，同時浪涌侵入氣體監(jiān)測裝置擊壞控制電路板。

2 鉆井平臺防雷設計分析

雷電的破壞作用有熱效應、機械效應、沖擊波效應、靜電感應效應、電磁感應效應、電磁輻射效應等[3]，前三者由直擊雷造成，后三者則由感應雷引起。雷電發(fā)生時，其強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場以及強烈的電磁輻射等物理效應，都可能會對鉆井設施及人員安全帶來嚴重威脅。因此，對于鉆井平臺應綜合考慮直擊雷和感應雷防護措施。

2.1 平臺防直擊雷措施

直擊雷防護措施由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)組成。相關(guān)標準規(guī)范有以下規(guī)定：避雷系統(tǒng)應由接閃器、引下線和接地端子組成。對于金屬結(jié)構(gòu)平臺，由于其桅、構(gòu)件和船體構(gòu)成固有的對地低電阻通路，故不需另設防直擊雷系統(tǒng)[4]；防雷引下線的沖擊接地電阻不宜大于10 Ω[5]。

根據(jù)靜電感應理論，鉆井平臺各部位在閃電發(fā)生前會感應出與雷暴云極性相反的電荷。井架與樁腿頂部物體表面曲率遠大于平臺其他金屬部件，根據(jù)尖端放電理論，閃電發(fā)生前井架、樁腿頂部的面電荷密度極大，周圍電場強度遠大于平臺其他區(qū)域，致使附近空氣被電離，引發(fā)上行先導并與閃電下行先導匯合，形成閃電放電通道。因此，閃電發(fā)生時，平臺井架和樁腿就成了雷電接閃和泄放裝置。

未下套管時，井架沖擊接地電阻實測值在6 Ω左右，滿足要求。井架的接地電阻較樁腿大，這是因為懸臂與甲板、甲板與樁腿之間存在一定阻抗。如平臺進行作業(yè)，則除樁腿外又增加套管這一接地體。套管遠超出常規(guī)的接地體尺寸，具備良好的接地性能[6]。此時平臺的整體接地電阻相當于未作業(yè)時的接地電阻并聯(lián)上套管接地電阻，井架的沖擊接地電阻將進一步減小。如出現(xiàn)井架接地電阻超過10 Ω的情況，可另設不少于2根、截面積不小于70 mm2的銅芯電纜，沿井架對稱布置并將一端焊接在井架上[4]，在另一端剝?nèi)?0 m絕緣皮并將電纜置于海水中或者連接至樁腿合適位置。

綜上所述，鉆井平臺已具備符合要求的防直擊雷裝置，但還應定期檢測井架接地電阻。如沖擊接地電阻超標，建議采取上一段的做法。

2.2 平臺防感應雷措施

感應雷防護措施包括電纜和設備的屏蔽、等電位接地、配備浪涌保護器。可參考相關(guān)標準規(guī)范設置鉆井平臺感應雷防護措施。

1)平臺設備應采取的等電位接地措施。相關(guān)標準規(guī)范有以下規(guī)定：設備的金屬外殼應可靠接地，安全保護接地電阻小于4 Ω；可移動和可攜電氣設備的不帶電裸露金屬部分，應用專用軟銅絞線與船體連接，截面積不小于16 mm2[4]。

平臺上有大量設備設施，井架附近有頂驅(qū)變頻器柜、司鉆房儀器儀表(鉆井儀表、司鉆控制臺、防爆控制器、畫面分割器等)、鉆井絞車、渦磁剎車、轉(zhuǎn)盤以及防爆氣體變送器等。這些設備設施應做好外殼接地且保護接地電阻應小于4 Ω。經(jīng)過現(xiàn)場查看和實測，保護接地均滿足要求，但由于海上的潮濕和高鹽腐環(huán)境，平臺應對以上設備設施的保護接地線和端子進行定期檢查，如發(fā)現(xiàn)保護接地達不到要求應及時修復。

2)平臺電纜和設備的屏蔽措施。平臺室外布設有大量電纜，如未采用金屬鎧裝屏蔽電纜或雙層屏蔽電纜，則要求穿鋼管或封閉金屬電纜槽敷設。平臺所用電纜均為船用電纜，分為動力電纜、控制電纜和通訊電纜，這些電纜均具備編織鎧裝層，因此可不要求穿管或封閉金屬電纜槽敷設。沿井架敷設的電纜無法滿足與井架的距離要求，而采用鎧裝電纜并在金屬橋架內(nèi)布線后，要求得到滿足。

對于弱電設備，應采用所在金屬房體本身作為屏蔽裝置，并采用金屬箱體對設備實行進一步屏蔽。平臺主要弱電設備包括頂驅(qū)(編碼器、頂電磁閥、傳感器等)、變頻器(PLC模塊、DTI板、CUVC板等)、司鉆控制器(遠程I/O模塊等)、液位傳感器、氣體變送器、鉆井儀表(儀表、電子屏)、鉆井儀表控制箱(安全柵、變送器、PLC模塊等)、鉆井攝像頭、氣體監(jiān)測系統(tǒng)等。其中，頂驅(qū)本體上的弱電器件均具備全封閉金屬外殼；變頻器內(nèi)弱電器件均處于變頻房房體和變頻器柜的雙重屏蔽中；司鉆控制器內(nèi)的弱電器件處于司鉆房房體與司鉆控制臺金屬外殼的雙重屏蔽中；液位傳感器、氣體變送器均具備封閉金屬外殼屏蔽；鉆井儀表的弱電器件均處于司鉆房房體與鉆井儀表外殼的雙重屏蔽中；鉆井儀表控制箱位于封閉機艙內(nèi)；鉆井攝像頭具備金屬外殼；氣體檢測系統(tǒng)位于生活樓的隊長室內(nèi)。總結(jié)來說，平臺主要弱電設備都采取了符合規(guī)范要求的電磁屏蔽措施。

3)平臺設備浪涌保護器的設置。相關(guān)標準規(guī)范有以下規(guī)定：儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表端、變送器現(xiàn)場端、電磁閥等現(xiàn)場電信號執(zhí)行器類儀表端、電子開關(guān)現(xiàn)場端等應設置電涌保護器，對應的控制室端也均應設置電涌保護器。

根據(jù)以上要求，應設置浪涌保護器的設備包括幾種：①頂驅(qū)本體的電磁閥、編碼器端口的防爆箱中，變頻器游動電纜進線端的對應線路端口；②司鉆控制臺的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號端口；③泥漿返流、泥漿池液位、計量罐液位傳感器現(xiàn)場端的定制防爆箱內(nèi)，和相應的鉆井儀表控制箱對應線路進線處(連接在安全柵之前)；④鉆井儀表的傳感器信號(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、泵沖、懸重、立管壓力傳感器)接收端的防爆箱內(nèi)；⑤鉆井儀表、鉆井儀表控制箱的網(wǎng)線進線接口處；⑥二層臺、套管平臺攝像頭的控制線路和視頻線路接口，以及司鉆房處的上述線路接口處；⑦硫化氫、可燃氣體探頭(應設置滿足防爆等級要求的裝配式浪涌保護器)和室內(nèi)氣體監(jiān)測系統(tǒng)端。

3 結(jié)束語

隨著科技的進步，近年來海上鉆井平臺裝備了大量的弱電設備設施，在雷雨季節(jié)飽受雷電災害困擾，已造成較為嚴重的經(jīng)濟損失并影響到安全生產(chǎn)。通過開展自升式鉆井平臺的防雷技術(shù)研究工作，得到以下結(jié)論。

1)我國渤海和南海近海海域的平均閃電密度值遠大于全球海洋的平均值，與東部沿海城市相當；而自升式鉆井平臺又為海上孤立金屬體，其上配備了大量弱電設備，因此防雷形勢較為嚴峻。

2)根據(jù)已有鉆井平臺雷擊損失情況，受損的多為弱電設備設施，雷電靜電感應和電磁感應效應造成的浪涌入侵是導致這類設備設施誤動作甚至損壞的元兇。

3)自升式鉆井平臺宜利用井架和樁腿作為雷電流接閃和泄放裝置。如未下套管時井架的沖擊接地電阻無法滿足要求，建議另設銅芯電纜作為井架到海水之間的引下線。

4)自升式鉆井平臺的電纜設備屏蔽、等電位接地等防感應雷措施基本滿足要求。尚需為頂驅(qū)本體、頂驅(qū)變頻器、司鉆控制臺、液位傳感器、鉆井儀表控制器、鉆井儀表、井架攝像頭、云臺控制器和畫面分割器、氣體探頭、氣體監(jiān)測系統(tǒng)設置匹配的信號浪涌保護器。

5)在爆炸危險區(qū)域內(nèi)設置的浪涌保護器，應安裝在滿足現(xiàn)場防爆等級的防爆箱內(nèi)。