近年來，管柱處理設備已成為增強自動化能力的重要領域。這類設備對于在鉆機上安全高效地執行關鍵作業至關重要——例如，將鉆桿從管架移動至鉆臺，或完成鉆桿連接的上扣與卸扣操作。包括自動化貓道和鐵鉆工在內的一系列系統，正助力提升該領域的作業效率。
 
“石油行業過去依賴蠻力和決心，我們只能靠苦干完成任務，”美國鉆井解決方案提供上——HMH業務發展總監馬克?塔格特說：“如今我們的工作方式更智能了。我們設計和使用的設備具備智能化特性，幫助我們更安全高效地作業。”
 
傳統管柱運行系統（TRS）通常依賴勞動密集型的機械方法，容易出現數據斷層和安全隱患。原始設備制造商（OEM）認為 TRS 領域已具備變革條件，自動化技術可取代人工執行高重復性任務。這些系統的可重復性既能為鉆井人員和操作人員節省時間，也能消除井眼規劃與執行過程中的部分不確定性。
 
“自動化的直接優勢在于效率提升，而未來項目的可預測性正是價值所在。” 麥考伊全球（McCoy Global）產品與工程副總裁達斯蒂?索尼耶解釋說：“規劃井眼時，人們總會主觀判斷完成作業所需的條件，但自動化能幫助我們更有信心地縮小未知因素的范圍，大幅降低作業風險。”
 
在開發這些自動化系統時，OEM始終注重人機協同——畢竟在多數情況下，仍需要人工進行監督以確保系統平穩運行。這意味著界面和遠程控制系統的設計必須直觀易用。
 
“我們非常重視這些系統的設計。”Expro套管技術總監羅伯特?蒂博說：“鉆井工和助理鉆井工在崗位上已面臨信息過載問題，“我們不能再給他們增加一個屏幕，或要求他們操作需要多重用戶輸入的復雜設備。他們需要的是‘一鍵操作’的便捷性。”

 
圖1 HMH 在其BD120型鐵鉆工（如圖）的液壓缸上安裝了線性位置傳感器，同時在旋轉器系統上配備旋轉傳感器，并在鉗具上設置壓力傳感器，以實現自動化功能。
 

傳感器與云端技術的應用

自動化管柱處理設備是HMH產品的核心，其BD120鐵鉆工等創新成果及自動化貓道系統的技術突破尤為突出。
 
塔格特先生介紹稱，BD120作為HMH “斗牛犬”系列鐵鉆工產品，集成了液壓元件、電氣元件、傳感器及可編程邏輯控制器（PLC）。其中液壓設備是執行作業的“動力核心”，PLC是系統的“控制大腦”，而電子元件與傳感器則充當橋梁，在液壓系統與PLC之間實現反饋信息的采集與傳輸。
 
為實現鐵鉆工的自動化功能，HMH在每個液壓缸上安裝了線性位置傳感器，在旋轉器系統中配置旋轉傳感器以計數鉆桿轉速，并在鉗具上設置壓力傳感器。用戶可在HMH的云端軟件平臺輸入參數——例如設定最大扭矩、選擇激活的自動化流程，隨后一鍵啟動即可。
 
軟件持續監控工具以確保其保持在這些參數范圍內，若超出參數范圍，系統會自主重新校準。實際上，該系統精準模擬了人工在鉆機上進行連接作業的方式。
 
“傳感器為你提供反饋，反饋會傳輸至PLC。” 塔格特先生解釋說：“如果運行速度過快，PLC會向閥門發送信號使其減速。這就是我們在整臺機器中使用的反饋類型。機器運行時，所有這些都在后臺發生，而這只是一個流程——整個程序中還有并行流程在運行。”
 
像BD120這樣的鐵鉆工還設計成可與HMH更大的自動化管柱送進機（TFM）和貓道系統集成。TFM貓道與裝扣系統協同工作，在地面水平完成管柱連接，貓道將這些預先組裝好的立根提升至鉆臺，要么將它們放入立根盒，要么直接安裝到鉆柱中。
 

 
圖2 HMH的自動化管柱送進機與貓道系統可配合裝扣系統，在地面自動完成管柱組裝，隨后將管柱提升至鉆臺。其“三聯”版貓道能夠同時向鉆臺輸送最多三根鉆桿立根，目前已在中東地區的三臺陸地鉆機上完成安裝。此外，HMH正著手開發適用于自升式平臺的新型貓道設備。
 
塔格特先生將TFM貓道系統稱為“三聯”貓道，這意味著它能同時處理并向鉆臺輸送三根鉆桿立根。截至2025年6月，HMH已在中東地區的三臺陸地鉆機上安裝了這種三聯系統。
 
“過去，所有立根都需要垂直組裝。現在，三根鉆桿組成的立根在地面水平組裝，然后被提升到鉆臺并放入指梁架中。” 塔格特解釋道，在地面完成組裝后將其交給鉆臺，鉆機可以在準備新立根的同時繼續鉆進。這些能力可提高鉆機的利用率，以維持連續的鉆井作業。
 
貓道系統還設計成可同時運行雙立根套管。“現在，每兩根套管連接在地面上完成，在到達鉆臺之前就已做好。鉆機不再等待貓道，而是貓道等待鉆機。過去， crew會在鉆臺一側使用套管鉗手動上扣套管。在那段時間里，絞車會停止，沒有管道會進入地下，這是損失的鉆井時間。通過水平組裝套管并將其輸送到鉆臺，我們將鉆機利用率提高了多達50%。”
盡管HMH尚未公布自動化TFM貓道的性能數據，但塔格特先生指出，與前一年相比，使用該系統的鉆機在過去一年中套管連接作業時間平均減少了25-35%。
 
HMH還在開發適用于自升式平臺的自動化TFM貓道改造版本，目標是實現對管匯甲板下方存放鉆桿的管槽自動化操作。塔格特解釋稱，該系統對管槽的使用方式類似快餐店的吸管分配器。
 
這些管槽位于貓道旁，通過液壓和有線連接裝置實現聯動，可自動向貓道輸送鉆桿，隨后貓道將鉆桿從管匯甲板運送至鉆臺。
 
“這些鉆桿管槽并非新技術，它們已在鉆井行業應用多年。我們所做的是增加一層自動化功能，使其能與貓道完全集成。操作人員只需坐著觀看貓道自動將管柱輸送至鉆臺即可。” 塔格特表示。他補充稱，HMH已開發出工作原型機，目前正與多家中東鉆井公司洽談，計劃于今年晚些時候在自升式平臺上進行現場試驗。

 
圖3 此前 Expro的自動化鉗具迭代產品仍需用戶根據對卡瓦內套管殘樁高度的視覺識別進行手動操作。而該公司2021年首次推出的iTONG系統集成了機器視覺平臺，可自動測定殘樁高度，從而無需人工干預。
 

當鉗具遇上人工智能

Expro自2004年起就在產品體系中應用自動化鉗具，但早期系統主要實現由人工預設程序的自動化功能。而iTONG系統具備自學習能力——據蒂博多先生介紹，該功能使人工從連接作業中解放出來，僅需承擔監督角色。“只要流程運行正常，操作人員只需旁觀并監控進程。”
 
當系統部署至井眼中心時，會通過機器視覺平臺自動測定卡瓦內套管殘樁的高度，確保鉗具以正確高度接近井眼中心。準確測定殘樁高度至關重要：這能讓鉗具精準夾持管柱，從而最大化連接完整性，最終保障井眼的最佳密封狀態。
 
對比早期機械化甚至自動化鉗具系統，操作人員仍需通過目視識別殘樁高度來手動調整鉗具動作。
 
“當管柱下放并固定卡瓦時，殘樁高度并非每次都一致。”蒂博多先生說：“傳統鉗具系統的操作人員每次都需垂直調整鉗具，以確保其正確咬合，這既需要專注度又耗費時間。這是我們設計iTONG系統時首先要攻克的難題之一：若設備實現自動化，就必須確保其每次都定位在正確位置。iTONG通過AI識別殘樁高度，使系統每次都能自動調整至正確高度，從而確保每次連接作業時都能實現最佳咬合。”
 
確定殘樁高度后，鉗具會自動部署至井眼中心，夾持殘樁和背鉗銷，隨后開始上扣作業。
 
安裝在鉗具上的編碼器傳感器組和稱重傳感器分別用于測量旋轉圈數和扭矩。從這些傳感器采集的數據會傳輸至Expro的Datatrek軟件，生成扭矩-圈數關系圖。該公司的iCAM（智能連接分析上扣）軟件利用AI和機器學習算法，對圖表數據進行評估，以確保連接完整性。
 
傳統上，扭矩/圈數圖僅由訓練有素、勝任且經驗豐富的操作人員評估。如今，iCAM應用程序為操作人員提供了蒂博多先生所稱的 “建議連接處置”（即接受或拒絕該連接），并在拒絕連接時提供診斷和規定的行動方案。
 
“如果iCAM發現異常，它會在上扣過程中停止鉗具，防止出現諸如螺紋交叉或擦傷等情況，避免接頭受損到第二次嘗試也無法成功上扣的程度。它還會根據觀察到的參數及其對歷史數據的了解，評估問題所在及解決方法。相比任何人，即使是審查圖表達25年之久的人，iCAM在評估圖表方面的工作都更為準確和精確。”蒂博多先生解釋道。
 
iCAM內置的機器學習算法通過對與特定連接類型相關的歷史數據進行統計分析，幫助識別可能出現的潛在異常。該應用程序可在咨詢模式或主動模式下工作。在咨詢模式下，用戶可以否決應用程序提供的建議行動方案。在主動模式下，應用程序會向iTONG發送建議操作信號，然后iTONG會進行過程修正，以確保實現最佳連接。
 
“我們自1938年起開展業務，因此積累了海量的連接數據。”蒂博多先生說：“我們擁有大量可用于評估所有連接的數字數據，這正是推動我們開發iCAM的真正原因。這些數據在訓練算法學習各類連接的優劣特征方面極具價值。隨著技術發展，系統每完成一次上扣作業，都會持續為數據庫補充新數據。”
 
iTONG系統自2021年底起在挪威投入運行。其開發背景是與一家在北海高效自升式平臺作業的運營商合作，當時該平臺受挪威疫情時期法規限制，現場作業人員數量受限。
 
在投入運行的前六個月內，該系統參與了22項作業，完成了1600余次連接。Expro估算，與引入iTONG前的上一年作業相比，該技術每年為運營商節省約50小時的鉆機時間。此外，在初期現場試驗中，運營商觀察到平均上扣時間縮短了40%。
 
這一成功促使Expro擴大了該系統的應用范圍，先在挪威的第二座自升式平臺上部署，隨后于2023年在科特迪瓦近海的一艘鉆井船上投入使用。該公司表示，在鉆井船上使用時節省時間的效果更為顯著——與前一年相比，第一年作業中上扣時間減少了50%，據估算每口井相當于節省20萬美元成本。
 
Expro稱，基于該系統已驗證的客戶價值，公司計劃在2026年通過第二輪iTONG系統生產大幅擴充設備規模。
 
“隨著新生產系統的交付，我們將部署下一版本的iTONG控制軟件，進一步提升效率、可靠性和可重復性。借助自動化技術，iTONG每次都能始終如一地實現同樣的高性能表現。”
 

 
圖4 McCoy Global的smarTR系統包含多種技術，其中一款液壓套管送入工具（如圖所示）配備了鏈接傾斜系統、動態吊環，以及可選的用于無線操作的遠程腹部組件。該工具通過集成多項創新設計，旨在提升套管下入作業的自動化水平與操作靈活性，例如鏈接傾斜系統可適應不同井眼角度的安裝需求，動態吊環能優化起吊過程中的載荷分布，而遠程無線操作組件則可減少現場人員配置，增強作業安全性與便捷性。這類智能化裝備的應用，體現了油氣工程領域向自動化、數字化作業轉型的趨勢。
 

套管下入流程的自動化革新

今年4月，McCoy Global通過商業化推出smarTR技術，在套管下入作業自動化領域邁出重要一步。
 
smarTR技術集成了多項創新模塊：液壓套管送入工具。配備鏈接傾斜系統、動態吊環及可選遠程腹部組件（支持無線操作）；嵌入式卡盤。通過可更換模架處理套管的旋轉設備，無需人工使用鉗具；軟件平臺。支持用戶遠程監控和控制管柱連接作業，無需現場值守。
 
“套管下入作業猶如鉆臺上多環節協作的交響樂。” 索尼耶先生解釋說：“有人負責手動卡瓦，有人操作鉗具，司鉆控制鉆機系統，還有人員在貓道作業。從全局看，這套系統實現了全流程自動化協同。我們在所有設備上部署傳感器，實時采集位置數據和載荷信息，通過軟件判斷下一步動作的時機。自動化不僅消除了傳統作業中因溝通不暢導致的故障，還簡化了操作流程。”
 
作為整合smarTR全套設備的 “中央樞紐”，該軟件通過算法處理各設備傳感器數據，實現硬件間的信息互通，從而推動連接流程的自動化運行。
 
“軟件的核心邏輯在于除非設備位置正確或壓力參數達標，否則禁止執行特定動作。” 索尼耶先生解釋說：“這類信息在傳統作業中通常依靠語言和手勢傳遞——比如我隔著鉆臺看到同事的手勢確認，但這種溝通方式極易出錯。如今所有條件都由系統自動校驗：每臺設備向系統反饋自身狀態是否滿足下一步操作要求，再由系統觸發指令。”
 
索尼耶指出，通過smarTR等產品實現管柱運行服務的自動化，對緩解熟練勞動力短缺問題具有重要價值：這類系統無需依賴大量專業人員操作，顯著降低了對個體技能的依賴。
 
“這套系統不會讓操作流程出錯。” 他補充說：“在早期測試中，我們把腹部遙控器交給操作人員并培訓控制方法，他們只需連接幾根套管就能掌握整個系統的操作。而傳統模式下，培訓操作人員使用各類設備往往需要數周時間。即便是經驗較少的人員使用這套系統，也不會出現操作失誤。這讓操作人員更有信心執行任務，也大大提升了他們優化作業效率的能力。”
 
McCoy于2023至2024年間在四臺陸地鉆機上開展了smarTR系統的現場試驗——北美兩臺，中東和北非各一臺。盡管公司尚未發布具體案例研究，但據其透露，這四臺鉆機的套管安裝時間平均縮短了30%。
 
 
 
圖5 smarTR系統配備嵌入式卡盤，該裝置通過可更換模架來夾持套管，從而無需使用集成背鉗和手動鉗具。這款卡盤屬于全聯網設備，可將工具的實時信息發送至司鉆顯示屏。借助這一設計，不僅減少了人工操作環節，提升了作業安全性，還能讓司鉆實時掌握卡盤的工作狀態，比如夾持力度、位置等關鍵參數，以便更精準地調控整個套管下入流程，進一步優化作業效率與自動化水平。
 
索尼耶先生表示：“若探究效率提升的核心驅動因素，‘可重復性’是關鍵要素。傳統作業中，套管作業團隊與司鉆在同一流程中同步執行不同環節的操作，兩者的配合難以完全精準，導致效率損失和時間浪費。而我們的系統能確保每個流程環節始終精準執行，每根套管的連接都能實現可重復的時間節省。”
 
4月23日，McCoy宣布smarTR技術商業化落地，其現場試驗合作伙伴已累計授予價值1100萬美元的合同。
 
關于技術的下一步發展，該公司正計劃拓展更多功能。目前其自動化能力仍處于基礎階段——需人工將套管下入流程預編程至系統，系統按預設流程運行，尚不具備自主生成作業流程或在套管下入過程中根據工況變化自適應調整流程的能力。
 
索尼耶先生說：“描述這種自動化的最佳方式是，我們正在記錄基本的宏序列。我們觀察合作伙伴在套管下入作業初期前幾根管柱的操作流程，然后復現該序列。但當我們進入不同市場時，發現這些流程存在差異。不同地區如何執行這些操作？捕捉這些市場的不同動態，以及下入套管的不同方法，可能是目前最大的挑戰。”
 
該公司旨在繼續構建算法以實現這些功能，并在未來一年與合作伙伴進行試驗。索尼耶先生表示，他相信該系統將在兩年內實現完全自動化。