小型铁钻工

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一、开发背景

确保国家能源安全是现如今世界各国能源发展的首要目标，经济增长的可持续性对于油气对外依存度接近70%的我国而言，是一个尤为严峻的问题。能源保障的可持续是经济发展的基础，同时能源生产带来的环境问题也同样影响着经济发展的可持续性。目前石油和天然气依然是未来一次能源的主要消费形式，占比50%以上。

石油和天然气的开发和生产是典型的连续性生产形式，减员增效和提速增效对现阶段及将来的油气生产活动的经济性和竞争力至关重要。油气生产关键生产设备的作业效率、安全性能和自动化及智能化程度是关键保证。智能铁钻工是用于石油天然气钻井过程中钻具接头上卸扣和旋扣作业的钻台自动化工具，在欧美现阶段得到了广泛使用，基本成为为钻机标配，但在国内普及率不及5%，主要配置在海洋钻井平台上。作为高端自动化钻井设备，铁钻工设备的主要技术和国际市场还掌握在国外公司老牌石油装备公司如美国NOV，德国BENTEC等手中。

针对国家对能源安全的更高要求，设计并开发出智能化程度高、安全性强、适应极端工况、能有效提高作业效率的高端智能钻井设备，替代国内市场上的进口同类产品，打破高端钻井设备被国外公司垄断的局面具有极大的市场意义和社会价值。

 

二、成果介绍

1.技术简介

本项目对钻具接头上卸扣和旋扣作业的特点进行了深度分析，深入研究了传统的液压大钳及国外铁钻工设备的不足之处。针对液气大钳作业时工人劳动强度大、安全隐患大，国外现有铁钻工对管具磨损严重、设备维护维修难度大成本高等痛点，重点研发设计了新型的管具旋扣、管具冲扣新结构，将快抓管钳和链钳的原理应用到铁钻工的冲扣钳、旋扣钳设计中，创新地提供了独特且更为先进的解决方案。同时开发出了高效智能化操作控制系统，实现了智能钻井装备铁钻工在钻井平台上的集成应用，全面超越了同类产品的国际先进水平，打破了同类产品的国际垄断。

 

2.技术创新性及先进性

智能铁钻工设备的创新点如下：

1）快抓管钳式冲扣钳：实现冲扣过程中对管具的自锁紧、对不同尺寸管具的夹持自适应，相较于国内外同类产品的虎钳式结构，大幅提高了作业效率，大幅降低了钳牙对管具的损伤。

2）链式旋扣钳：采用链钳原来通过连续链条对管具的形成摩擦自锁，快速旋进或旋出管具。相较于国内外同类产品的钢制滚轮时旋扣钳，大幅延长了管具寿命。

3）智能操控系统：依据运动学理论和应用机器视觉技术，开发电控液的集成控制系统，实现对设备的远控、遥控及一键式操控。相较于同类产品大幅提高了作业安全性及效率、大幅降低了工人劳动强度。

同时，JJC TEC铁钻工相对同级别的同类产品具备如下先进性：

• 体积重量最小，更加适用于陆地钻机。
• 性能参数优异，作业时效更高。
• 结构简单合理，可靠性高，皮实耐用。
• 所需液压源压力等级最低 。
• 控制方式更加多样化，提供一键式司钻远程操控和无线遥控方式，自动识别钻具接头位置，可与其他自动化设备协同，高效完成上卸扣作业，操作更方便，作业更安全。
• 作业时对管具的损伤小，能够有效地降低钻井作业成本。
• 设备维修维护简便，维保成本更低。

3.技术经济指标

在钻机上配置一台智能铁钻工产品，能够有效地提高钻井作业效率，提高作业安全，降低钻井工人的劳动强度。同时能在现场减少2名钻井工人，实现减员增效。以每台铁钻工的价格120万元，每名钻工每年20万元费用计算，3年回收设备投资成本。

本项目预计可形成智能钻井设备铁钻工年产200台套，产值可达2-2.5亿元。本项目还将带动国产石油钻井设备产业链升级，预计形成30-40亿市场规模。

 

 

三、工程化应用示范案例及示范应用效果

1.典型工程应用案例及效果说明

在“提高石油自给能力，加大国内勘探开发力度”的石油战略《7年行动计划》指导下，我国油气开采向深海、远海、陆地复杂地质结构区域拓展。中石油、中石化、中海油等国家石油公司及独立钻井承包商对更加自动化和智能化的钻井装备需求激增。铁钻工是现阶段自动化和智能化钻机配置中机电液及控制软件集成度最高、技术难度最高的设备。

液气大钳需要配置内钳工和外钳工两名钻工、适应的管具范围小、上卸扣扭矩小、不适用于变径接头作业、不同尺寸规格的管具需要更换钳头、作业时容易产生甩尾伤人事故等缺点。铁钻工是替代现阶段钻井液气大钳设备，实现石油钻井作业的减员增效、提速增效、提高作业安全的最佳选择。下表为本项目智能铁钻工和液气大钳参数对照表。

 

相比于代表国际先进水平的美国NOV公司的同级别产品，本项目开发的智能铁钻工设备具有体积重量小、性能参数好、操作可靠性高、作业时对钻具的损伤小、智能化程度高等显著的技术优势。下表为本项目智能铁钻工和NOV同级别铁钻工性能参数对照表。

本项目开发的智能铁钻工设备具备国际领先的技术优势，是中石油集团的三年专业协同集中采购优选产品。除中石油、中石化、中海油等国内知名石油单位外，铁钻工在海外多个国家如沙特、科威特、俄罗斯、乍得等均有使用业绩，获得国内外客户的广泛认可和好评。

2018年4月中国石油新闻中心在发布新闻《“铁钻工”真厉害，轻轻一“摁”钻杆动起来》一文报道铁钻工在西部钻探克拉玛依钻井公司50071队的使用，如实地反映了铁钻工配备后在现场不仅能替代人力操作，还能大幅提高生产效率、增强安全性能。

 

2.推广应用前景及应用范围

在北美及中东地区，铁钻工已成为钻井平台的标准配置。目前在中国、俄罗斯及南美等区域，铁钻工覆盖率还不足5%，主要配置在海洋钻井平台上，均为美国NOV产品。未来8-10年，随着海上资源钻探的巨大市场的发展，智能铁钻工将逐步取代传统铁钻工和传统液气大钳设备，新增需求将快速增加。至2025年全球智能铁钻工市场容量预计上百亿元。

 

四、近五年来获得省部级科技奖励及鉴定情况

1.中石油集团优选优势产品评选第一名

2.中国美国装置和方法发明专利

3.累计销售超过100台，在国内市场占有率超过90%

 

五、建议及诉求

智能铁钻工作为钻井工具的新产品在刚刚进入市场时还没有完全得到广大用户的认识，其功能和性能也需要在实际应用中进一步加以完善和提升。我们希望联合会能够对公司进行技术指导，通过相关科研项目的立项，使公司可以联合国内优势科研单位进行技术攻关，进一步开发性能更加优良的新产品。同时也恳请联合会对智能铁钻工产品在会员单位进行市场推广和应用示范，推动该项成果在国内外石油钻井行业的应用。

 

小型铁钻工
本设备采用了独特设计的伸缩臂形式，并对旋扣钳和冲扣钳做了优化，结构更紧凑，尺寸更小，重量更轻，适用于小型钻机、拖挂钻机、车载钻机等钻台面空间受限的情况，并有机器视觉升级包和低温升级包可选。

工作寿命长
采用创新技术，将快抓管钳和链钳方法以及胳膊肘仿生学技术应用于钻井管具的上卸扣和旋扣，作业方式合理，结构简单，设备可靠性高。同时升级高强度钳牙和旋扣链，消耗件寿命延长50%以上。

作业效率高
专利技术的连续链式旋扣钳有效地解决了旋扣机构对管体的损伤。专利技术冲扣钳结构采用快抓管钳原理，自适应不同管具尺寸，管具夹持范围内无需更换钳牙或牙座，作业效率高，同时能最大限度地减轻钳牙对管具接头的损伤。

体积重量小
与相同级别的设备相比，体积重量最小，能够安装在司钻对井口前方，方便司钻直接看到钳口和钻具接头，同时设备所需压力等级最低，作业安全性能更高。

维修维护少
结构简单合理，采用模块化结构设计，维护更方便。设备皮实耐用，故障率更低，维修少，维护成本更低。

智能化程度高
机器视觉升级包：通过深度学习算法智能识别钻具接头，无需人工找接头，实现一键式全自动作业，效率大增。 低温升级包：智能感应环境温度，自动进行预热循环，确保铁钻工在极寒环境下随时处于最佳状态。

丰富配置
低温环境、钻具倾斜、全自动作业等多种配置可选。本地、遥控、司钻和集成控制选项，满足新造自动化钻机和老钻机自动化改造需求。

 

 

 

 

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