近年来，管柱处理设备已成为增强自动化能力的重要领域。这类设备对于在钻机上安全高效地执行关键作业至关重要——例如，将钻杆从管架移动至钻台，或完成钻杆连接的上扣与卸扣操作。包括自动化猫道和铁钻工在内的一系列系统，正助力提升该领域的作业效率。
 
“石油行业过去依赖蛮力和决心，我们只能靠苦干完成任务，”美国钻井解决方案提供上——HMH业务发展总监马克・塔格特说：“如今我们的工作方式更智能了。我们设计和使用的设备具备智能化特性，帮助我们更安全高效地作业。”
 
传统管柱运行系统（TRS）通常依赖劳动密集型的机械方法，容易出现数据断层和安全隐患。原始设备制造商（OEM）认为 TRS 领域已具备变革条件，自动化技术可取代人工执行高重复性任务。这些系统的可重复性既能为钻井人员和操作人员节省时间，也能消除井眼规划与执行过程中的部分不确定性。
 
“自动化的直接优势在于效率提升，而未来项目的可预测性正是价值所在。” 麦考伊全球（McCoy Global）产品与工程副总裁达斯蒂・索尼耶解释说：“规划井眼时，人们总会主观判断完成作业所需的条件，但自动化能帮助我们更有信心地缩小未知因素的范围，大幅降低作业风险。”
 
在开发这些自动化系统时，OEM始终注重人机协同——毕竟在多数情况下，仍需要人工进行监督以确保系统平稳运行。这意味着界面和远程控制系统的设计必须直观易用。
 
“我们非常重视这些系统的设计。”Expro套管技术总监罗伯特・蒂博说：“钻井工和助理钻井工在岗位上已面临信息过载问题，“我们不能再给他们增加一个屏幕，或要求他们操作需要多重用户输入的复杂设备。他们需要的是‘一键操作’的便捷性。”

 
图1 HMH 在其BD120型铁钻工（如图）的液压缸上安装了线性位置传感器，同时在旋转器系统上配备旋转传感器，并在钳具上设置压力传感器，以实现自动化功能。
 

传感器与云端技术的应用

自动化管柱处理设备是HMH产品的核心，其BD120铁钻工等创新成果及自动化猫道系统的技术突破尤为突出。
 
塔格特先生介绍称，BD120作为HMH “斗牛犬”系列铁钻工产品，集成了液压元件、电气元件、传感器及可编程逻辑控制器（PLC）。其中液压设备是执行作业的“动力核心”，PLC是系统的“控制大脑”，而电子元件与传感器则充当桥梁，在液压系统与PLC之间实现反馈信息的采集与传输。
 
为实现铁钻工的自动化功能，HMH在每个液压缸上安装了线性位置传感器，在旋转器系统中配置旋转传感器以计数钻杆转速，并在钳具上设置压力传感器。用户可在HMH的云端软件平台输入参数——例如设定最大扭矩、选择激活的自动化流程，随后一键启动即可。
 
软件持续监控工具以确保其保持在这些参数范围内，若超出参数范围，系统会自主重新校准。实际上，该系统精准模拟了人工在钻机上进行连接作业的方式。
 
“传感器为你提供反馈，反馈会传输至PLC。” 塔格特先生解释说：“如果运行速度过快，PLC会向阀门发送信号使其减速。这就是我们在整台机器中使用的反馈类型。机器运行时，所有这些都在后台发生，而这只是一个流程——整个程序中还有并行流程在运行。”
 
像BD120这样的铁钻工还设计成可与HMH更大的自动化管柱送进机（TFM）和猫道系统集成。TFM猫道与装扣系统协同工作，在地面水平完成管柱连接，猫道将这些预先组装好的立根提升至钻台，要么将它们放入立根盒，要么直接安装到钻柱中。
 

 
图2 HMH的自动化管柱送进机与猫道系统可配合装扣系统，在地面自动完成管柱组装，随后将管柱提升至钻台。其“三联”版猫道能够同时向钻台输送最多三根钻杆立根，目前已在中东地区的三台陆地钻机上完成安装。此外，HMH正着手开发适用于自升式平台的新型猫道设备。
 
塔格特先生将TFM猫道系统称为“三联”猫道，这意味着它能同时处理并向钻台输送三根钻杆立根。截至2025年6月，HMH已在中东地区的三台陆地钻机上安装了这种三联系统。
 
“过去，所有立根都需要垂直组装。现在，三根钻杆组成的立根在地面水平组装，然后被提升到钻台并放入指梁架中。” 塔格特解释道，在地面完成组装后将其交给钻台，钻机可以在准备新立根的同时继续钻进。这些能力可提高钻机的利用率，以维持连续的钻井作业。
 
猫道系统还设计成可同时运行双立根套管。“现在，每两根套管连接在地面上完成，在到达钻台之前就已做好。钻机不再等待猫道，而是猫道等待钻机。过去， crew会在钻台一侧使用套管钳手动上扣套管。在那段时间里，绞车会停止，没有管道会进入地下，这是损失的钻井时间。通过水平组装套管并将其输送到钻台，我们将钻机利用率提高了多达50%。”
尽管HMH尚未公布自动化TFM猫道的性能数据，但塔格特先生指出，与前一年相比，使用该系统的钻机在过去一年中套管连接作业时间平均减少了25-35%。
 
HMH还在开发适用于自升式平台的自动化TFM猫道改造版本，目标是实现对管汇甲板下方存放钻杆的管槽自动化操作。塔格特解释称，该系统对管槽的使用方式类似快餐店的吸管分配器。
 
这些管槽位于猫道旁，通过液压和有线连接装置实现联动，可自动向猫道输送钻杆，随后猫道将钻杆从管汇甲板运送至钻台。
 
“这些钻杆管槽并非新技术，它们已在钻井行业应用多年。我们所做的是增加一层自动化功能，使其能与猫道完全集成。操作人员只需坐着观看猫道自动将管柱输送至钻台即可。” 塔格特表示。他补充称，HMH已开发出工作原型机，目前正与多家中东钻井公司洽谈，计划于今年晚些时候在自升式平台上进行现场试验。

 
图3 此前 Expro的自动化钳具迭代产品仍需用户根据对卡瓦内套管残桩高度的视觉识别进行手动操作。而该公司2021年首次推出的iTONG系统集成了机器视觉平台，可自动测定残桩高度，从而无需人工干预。
 

当钳具遇上人工智能

Expro自2004年起就在产品体系中应用自动化钳具，但早期系统主要实现由人工预设程序的自动化功能。而iTONG系统具备自学习能力——据蒂博多先生介绍，该功能使人工从连接作业中解放出来，仅需承担监督角色。“只要流程运行正常，操作人员只需旁观并监控进程。”
 
当系统部署至井眼中心时，会通过机器视觉平台自动测定卡瓦内套管残桩的高度，确保钳具以正确高度接近井眼中心。准确测定残桩高度至关重要：这能让钳具精准夹持管柱，从而最大化连接完整性，最终保障井眼的最佳密封状态。
 
对比早期机械化甚至自动化钳具系统，操作人员仍需通过目视识别残桩高度来手动调整钳具动作。
 
“当管柱下放并固定卡瓦时，残桩高度并非每次都一致。”蒂博多先生说：“传统钳具系统的操作人员每次都需垂直调整钳具，以确保其正确咬合，这既需要专注度又耗费时间。这是我们设计iTONG系统时首先要攻克的难题之一：若设备实现自动化，就必须确保其每次都定位在正确位置。iTONG通过AI识别残桩高度，使系统每次都能自动调整至正确高度，从而确保每次连接作业时都能实现最佳咬合。”
 
确定残桩高度后，钳具会自动部署至井眼中心，夹持残桩和背钳销，随后开始上扣作业。
 
安装在钳具上的编码器传感器组和称重传感器分别用于测量旋转圈数和扭矩。从这些传感器采集的数据会传输至Expro的Datatrek软件，生成扭矩-圈数关系图。该公司的iCAM（智能连接分析上扣）软件利用AI和机器学习算法，对图表数据进行评估，以确保连接完整性。
 
传统上，扭矩/圈数图仅由训练有素、胜任且经验丰富的操作人员评估。如今，iCAM应用程序为操作人员提供了蒂博多先生所称的 “建议连接处置”（即接受或拒绝该连接），并在拒绝连接时提供诊断和规定的行动方案。
 
“如果iCAM发现异常，它会在上扣过程中停止钳具，防止出现诸如螺纹交叉或擦伤等情况，避免接头受损到第二次尝试也无法成功上扣的程度。它还会根据观察到的参数及其对历史数据的了解，评估问题所在及解决方法。相比任何人，即使是审查图表达25年之久的人，iCAM在评估图表方面的工作都更为准确和精确。”蒂博多先生解释道。
 
iCAM内置的机器学习算法通过对与特定连接类型相关的历史数据进行统计分析，帮助识别可能出现的潜在异常。该应用程序可在咨询模式或主动模式下工作。在咨询模式下，用户可以否决应用程序提供的建议行动方案。在主动模式下，应用程序会向iTONG发送建议操作信号，然后iTONG会进行过程修正，以确保实现最佳连接。
 
“我们自1938年起开展业务，因此积累了海量的连接数据。”蒂博多先生说：“我们拥有大量可用于评估所有连接的数字数据，这正是推动我们开发iCAM的真正原因。这些数据在训练算法学习各类连接的优劣特征方面极具价值。随着技术发展，系统每完成一次上扣作业，都会持续为数据库补充新数据。”
 
iTONG系统自2021年底起在挪威投入运行。其开发背景是与一家在北海高效自升式平台作业的运营商合作，当时该平台受挪威疫情时期法规限制，现场作业人员数量受限。
 
在投入运行的前六个月内，该系统参与了22项作业，完成了1600余次连接。Expro估算，与引入iTONG前的上一年作业相比，该技术每年为运营商节省约50小时的钻机时间。此外，在初期现场试验中，运营商观察到平均上扣时间缩短了40%。
 
这一成功促使Expro扩大了该系统的应用范围，先在挪威的第二座自升式平台上部署，随后于2023年在科特迪瓦近海的一艘钻井船上投入使用。该公司表示，在钻井船上使用时节省时间的效果更为显著——与前一年相比，第一年作业中上扣时间减少了50%，据估算每口井相当于节省20万美元成本。
 
Expro称，基于该系统已验证的客户价值，公司计划在2026年通过第二轮iTONG系统生产大幅扩充设备规模。
 
“随着新生产系统的交付，我们将部署下一版本的iTONG控制软件，进一步提升效率、可靠性和可重复性。借助自动化技术，iTONG每次都能始终如一地实现同样的高性能表现。”
 

 
图4 McCoy Global的smarTR系统包含多种技术，其中一款液压套管送入工具（如图所示）配备了链接倾斜系统、动态吊环，以及可选的用于无线操作的远程腹部组件。该工具通过集成多项创新设计，旨在提升套管下入作业的自动化水平与操作灵活性，例如链接倾斜系统可适应不同井眼角度的安装需求，动态吊环能优化起吊过程中的载荷分布，而远程无线操作组件则可减少现场人员配置，增强作业安全性与便捷性。这类智能化装备的应用，体现了油气工程领域向自动化、数字化作业转型的趋势。
 

套管下入流程的自动化革新

今年4月，McCoy Global通过商业化推出smarTR技术，在套管下入作业自动化领域迈出重要一步。
 
smarTR技术集成了多项创新模块：液压套管送入工具。配备链接倾斜系统、动态吊环及可选远程腹部组件（支持无线操作）；嵌入式卡盘。通过可更换模架处理套管的旋转设备，无需人工使用钳具；软件平台。支持用户远程监控和控制管柱连接作业，无需现场值守。
 
“套管下入作业犹如钻台上多环节协作的交响乐。” 索尼耶先生解释说：“有人负责手动卡瓦，有人操作钳具，司钻控制钻机系统，还有人员在猫道作业。从全局看，这套系统实现了全流程自动化协同。我们在所有设备上部署传感器，实时采集位置数据和载荷信息，通过软件判断下一步动作的时机。自动化不仅消除了传统作业中因沟通不畅导致的故障，还简化了操作流程。”
 
作为整合smarTR全套设备的 “中央枢纽”，该软件通过算法处理各设备传感器数据，实现硬件间的信息互通，从而推动连接流程的自动化运行。
 
“软件的核心逻辑在于除非设备位置正确或压力参数达标，否则禁止执行特定动作。” 索尼耶先生解释说：“这类信息在传统作业中通常依靠语言和手势传递——比如我隔着钻台看到同事的手势确认，但这种沟通方式极易出错。如今所有条件都由系统自动校验：每台设备向系统反馈自身状态是否满足下一步操作要求，再由系统触发指令。”
 
索尼耶指出，通过smarTR等产品实现管柱运行服务的自动化，对缓解熟练劳动力短缺问题具有重要价值：这类系统无需依赖大量专业人员操作，显著降低了对个体技能的依赖。
 
“这套系统不会让操作流程出错。” 他补充说：“在早期测试中，我们把腹部遥控器交给操作人员并培训控制方法，他们只需连接几根套管就能掌握整个系统的操作。而传统模式下，培训操作人员使用各类设备往往需要数周时间。即便是经验较少的人员使用这套系统，也不会出现操作失误。这让操作人员更有信心执行任务，也大大提升了他们优化作业效率的能力。”
 
McCoy于2023至2024年间在四台陆地钻机上开展了smarTR系统的现场试验——北美两台，中东和北非各一台。尽管公司尚未发布具体案例研究，但据其透露，这四台钻机的套管安装时间平均缩短了30%。
 
 
 
图5 smarTR系统配备嵌入式卡盘，该装置通过可更换模架来夹持套管，从而无需使用集成背钳和手动钳具。这款卡盘属于全联网设备，可将工具的实时信息发送至司钻显示屏。借助这一设计，不仅减少了人工操作环节，提升了作业安全性，还能让司钻实时掌握卡盘的工作状态，比如夹持力度、位置等关键参数，以便更精准地调控整个套管下入流程，进一步优化作业效率与自动化水平。
 
索尼耶先生表示：“若探究效率提升的核心驱动因素，‘可重复性’是关键要素。传统作业中，套管作业团队与司钻在同一流程中同步执行不同环节的操作，两者的配合难以完全精准，导致效率损失和时间浪费。而我们的系统能确保每个流程环节始终精准执行，每根套管的连接都能实现可重复的时间节省。”
 
4月23日，McCoy宣布smarTR技术商业化落地，其现场试验合作伙伴已累计授予价值1100万美元的合同。
 
关于技术的下一步发展，该公司正计划拓展更多功能。目前其自动化能力仍处于基础阶段——需人工将套管下入流程预编程至系统，系统按预设流程运行，尚不具备自主生成作业流程或在套管下入过程中根据工况变化自适应调整流程的能力。
 
索尼耶先生说：“描述这种自动化的最佳方式是，我们正在记录基本的宏序列。我们观察合作伙伴在套管下入作业初期前几根管柱的操作流程，然后复现该序列。但当我们进入不同市场时，发现这些流程存在差异。不同地区如何执行这些操作？捕捉这些市场的不同动态，以及下入套管的不同方法，可能是目前最大的挑战。”
 
该公司旨在继续构建算法以实现这些功能，并在未来一年与合作伙伴进行试验。索尼耶先生表示，他相信该系统将在两年内实现完全自动化。