雷电对录井仪器设备的主要入侵形式是直接雷击和间接雷击，其中间接雷击包括：雷电的间接引入（由信号线或电缆线引入）、雷电感应和雷电波的入侵。

1.1　直接雷击防护方案

直接雷击防雷系统主要由接闪器、引导线、接地装置等部分组成，雷击于避雷针后，强大的雷电流通过接地引线至接地装置泄入大地，如图1所示。录井现场的避雷针系统由架设在井架顶端的接闪器通过引导线与各个录井仪器房进行连接，仪器房接有地线装置进行泄流。

1.1.1　井场避雷针系统保护范围计算

单避雷针保护范围计算方法［2］如图2所示。从避雷针接闪器针的顶点向下作45°斜线，构成锥形保护空间的上部，在其H／2处转折，与地面上距针底各方向1.5　H 处相连接，转折点以下的斜线，即构成保护空间的下半部。井场避雷针系统设置如下：接闪器设置在井场井架的顶部，引导线沿着井架垂直方向铺设，一般长度为40ｍ，接地线介入地下5ｍ；井场录井仪器房的安装位置Ｌ 一般位于距离井架50～100ｍ 处；录井现场仪器设备房的高度H0一般为10ｍ；不同型号的井架高度有所不同，取其平均值40ｍ。井场避雷针系统的保护半径Rｘ的计算公式为：

Rｘ＝B（1.5H －2H0） （1）

式中：

Rｘ为井场避雷针系统的保护半径，ｍ；

H 为井场井架上接闪器顶端与地面的距离，ｍ；

H0为录井仪器房的高度，ｍ；

B 为高度影响系数。

一般井架高度都会大于30ｍ，系数B 取值依据《GB 50057－2010建筑物防雷设计规范》：当H≤30ｍ，B＝1；当30ｍ＜H ≤120ｍ，B＝5.5。实际设计计算中宜取B＝5.5。

依据公式（1）和实际的参数值计算，可得井场避雷针系统的保护范围Rｘ为220ｍ。

1.1.2　录井仪器房处于保护范围内

实际录井仪器房距离井架的中心点的位置Ｌ一般为50～100ｍ，可见Ｌ＜Rｘ，因此在井架处设置避雷针系统，可以保护录井仪器设备不遭遇直接雷击危害。

1.2　间接雷击防护方案

录井现场雷电间接引入的方式主要有：传感器的信号线和仪器房的供电电缆线引入、卫星信号线的引入以及雷电感应和雷电脉冲的间接影响。间接雷击的防护措施主要是在所需防护设备的前端介入防雷器（SPD），但要根据录井现场的实际以及与录井仪器设备的兼容性和经济实用等多方面进行综合考量，从而选择最优的方案、最合适的防护措施。

1.2.1　间接雷击的入侵方式

雷电间接侵入录井设备最为常见的方式是经由传感器信号线和仪器房的供电电缆以及电动脱气器的供电电缆，雷击最有可能首先发生在钻井井架，雷电因录井传感器与井架的良好连接而进入录井仪器房；其次是感应雷击，雷电放电在附近导体上产生静电感应和电磁感应，能使金属部件之间产生火花，一般500ｍ范围内的电子信息设备均是其破坏对象；再次是雷电波入侵架空线路或金属管道，沿着这些途径入侵室内，危及人身安全、损坏设备。雷电电磁脉冲防护理论和实践经验证明，雷电入侵中电子信息设备的损坏主要是雷电感应浪涌电压造成的，它可以通过各种引线把感应浪涌电压波引入电子信息设备内部，破坏其芯片和接口。

1.2.2　录井仪器设备保护分区

根据以上分析不难看出，必须对录井仪器设备按照其重要程度进行保护级别的分区，依据ＩEC（国际电工委员会）雷电保护区的划分要求，如图3所示。录井仪器设备分级保护如下：

（1）录井仪器房本身及传感器的接线系统因处于井场井架避雷针系统的保护范围内，故属于很少遭到直接雷击区域，但该区内电磁场没有衰减，定义为LPZ0B区。

（2）录井仪器设备电源系统，其中包括UPS电源系统及市电供电系统，位于仪器设备房内部属于不可能遭受直接雷击且流经各类导体的电流比LPZ0B区进一步减小的区域，定义为LPZ1区，实行B级保护。

（3）录井仪器设备通信系统，包括隔离栅、节点等，位于仪器房内，其重要程度较高，是受电磁场或电流场影响严重的区域，定义为LPZ2区，实行C级保护。

（4）录井仪器设备计算机网络系统，是较为脆弱的部分，也是最容易遭遇电磁场或电流场影响的区域，将该区定义为LPZ3区，实行D级保护。

1.2.3　录井仪器设备不同级别的保护措施

不论是要确保各系统，特别是资料采集系统正常运行，不受雷电所造成的过电流、过电压的干扰和破坏，还是保护机房不致被雷电袭击，首先是要阻断所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，并结合机房的实际情况按规范正确实施。

（1）B级保护措施。采用架设井场井架避雷针系统，同时在UPS供电系统中加入防雷开关的措施实施保护。

（2）C、D级保护措施。采用在设备前端介入防雷器SPD，同时对于计算机系统还要采用DBSE技术，即分流、均压、接地、屏蔽4项技术的综合应用，确保达到多重保护、层层防护的目的。

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防雷器的介入方法及选型

由于井场架设井架避雷针系统与UPS加入防雷开关保护措施较为简单易行，这里不作系统介绍，以下重点介绍录井仪器设备C、D级保护措施的具体实施和防雷器的介入办法。

2.1　防雷器的介入方法

防雷器是一种电压开关型电涌保护器（英文缩写SPD）［3］，为录井仪器设备C、D级保护的关键设备，它的基本原理是在最短时间（nS级）内将被保护线路连入等电位系统中，使设备各端口电位相等，同时释放系统中因雷击而产生的大量脉冲能量，并短路泄放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而保护线路上用户的设备［2］。对录井仪器设备而言，传感器供电线路和传感器信号线路是雷电袭击产生过电压并传导的两条主要通道，因此录井现场必须将防雷器介入于传感器接线与隔离栅或节点之间，才能达到防止间接雷电入侵的目的。

本文以隔离栅作为信号传输硬件设备的综合录井仪为例，介绍录井现场仪器设备房内部C、D级防护防雷器的介入方法。为了达到防雷效果，需将防雷器的介入方法与DBSE技术结合使用，因此需在录井仪器设备传感器信号接入的接线铜排和接线总成及计算机网络3处A、B、C引入接地点，如图4所示。

2.2　防雷器的选型

2.2.1 防雷器选型原则

依据对录井仪器设备防雷保护级别的分类，在实施C、D级保护的仪器设备中既包含电流、电压信号的隔离栅等，还包括网络接口装置，因此防雷器选择时必须考虑既能节省经济成本，又便于现场安装维护的要求。选型的总体原则为：

（1）兼容性。防雷器的兼容性是能否应用到录井现场并起到较好防雷效果的关键，由于录井传感器通过信号线和供电线返回隔离栅或节点处的是4～20mA电流信号，SPD在选型时应考虑电子设备的相容性，应满足录井仪器设备信号传输速率、工作电平、网络类型的需要，同时其接口应与被保护设备兼容［4－6］。

（2）特殊性。录井现场设备供电系统和信号系统的特殊性决定防雷器在选用SPD电源时要考虑供电系统的形式、额定电压和信号接口的连接及信号的输入、输出方式等因素；同时SPD串接在线路中，在选用时应选用插入损耗较小的SPD，正确安装才能收到预期的效果［7］。

2.2.2　防雷器的技术参数

（1）交流标称电压。录井现场设备供电分为220V、380V，而国外引进的新型录井仪电源为110V，因此选择防雷器的标称电压应为220V／380V／110V，可调。

（2）最大放电电流Ｉmax。考虑到录井设备的实际载荷情况，选用Ｉmax为100～150kA，8／20～10／35μS为宜。

（3）响应时间。防雷器的响应时间应该与录井现场设备内部断路器的响应时间相匹配，为了达到更好的防雷保护效果，防雷器的响应时间要略小于断路器的响应时间，一般选择响应时间≤25nS。

（4）数据传输速率。防雷器用于传感器信号防护时，一方面作为浪涌大电流出现时的断路开关，另一方面更是日常数据信号传输的通道。因此，防雷器的数据传输速率必须与录井数据采集、存储系统相匹配，要根据不同型号的综合录井仪进行选择，一般以隔离栅和ADAM70作为数据接口的综合录井仪，应选择数据传输速率≥230KB／S［8－11］。

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应用实例

应用本文直接防雷和间接防雷系统的设计方案，在大庆油田松辽盆地对法国ALS2.3型综合录井仪进行设计安装及现场试验取得了较好的效果。图5为ALS2.3型综合录井仪室内间接防雷设计安装实物图。

2016年7月，松辽盆地某区块，井场地势低洼，相隔100ｍ左右有两口井同时进行录井作业，两部综合录井仪均为ALS2.3型，一部安装了防雷系统，一部未安装。在一个多月的施工期间，发生雷雨天气5次，安装防雷系统的综合录井仪未受到影响，未安装防雷系统的综合录井仪损坏传感器2支、隔离栅3块，ADAM4570模块2台；钻井中止作业8h，累计经济损失70多万元。

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结论

（1）通过录井现场雷击类型即来源的分析，明确了录井现场防雷系统设计方案为直接雷击防护和间接雷击防护。

（2）在井场井架上安装避雷针系统，可有效地防止录井仪器设备遭遇直接雷击，是钻井、录井现场防止直接雷击的有效手段。

（3）明确了录井仪器设备防雷的重点区域的划分，采用在重点部位进行防雷器SPD介入的方法，并在实施过程中利用各个部位防雷的特点对防雷系统进行布设，收到了较好的防雷效果。