石油钻机全套系统由动力、提升、旋转及钻井液循环等几大系统组成，通过这些系统才能够实现钻井、测井及完井工作。因此，它是油气钻井工程中的核心装备。长期以来，石油钻机的自动化水平不高，钻井工人不仅体力劳动繁重，而且作业发生事故的风险高。以二层平台排放立根作业为例，在起下钻时，钻工要站在二十多米高的二层平台上，用手移动二十多米长的立根，从井架中心处打开吊卡取出，移至立根盒排放好(起钻时) ， 或自排放立根的立根盒中，移动一根至井架中心处，送入吊卡中锁紧吊卡(下钻时) 。在此期间，钻工不仅在高空作业很危险，而且操作非常费力，迫切要求改善，提高自动化水平。
 
钻机产品的革新是时代的需求
 
中石化建设的智能化油田试点是长庆油田采油二厂，自2018年4月起，已初步建立起智能油田系统，工作人员能够第一时间通过远程监控和实时掌控相隔百公里之外的站库、油水井组的运行参数、管线安全及生产状态。宝鸡石油机械公司研制的3000米ZJ30DB20自动智能钻机于2019年4月在大庆油田首次开钻。实践表明，智能化新时代的大势所趋，石油钻机的自动化智能化势在必行，因为这是与时俱进转型升级的需要。
 
井口操作的智能自动化。井口操作是指钻机提升着钻柱进行起下钻时，在井口上紧或松开管柱丝扣的作业。上紧或松开管柱丝扣时，需将管柱用很重的卡瓦卡紧在转盘上，目前已多采用气动卡瓦，代替了钻工的手提卡瓦劳动；但上紧或松开管柱丝扣，还需要进一步自动化代替人力。现已有一些钻机采用动力大钳，并配有涂油装置(上紧丝扣前抹油) 及钻井液盒(松开丝扣时防止钻井液自井内钻柱中喷溅出来) ，自动联合作业，取代了井口操作的钻工，俗称“铁钻工”。图1所示即为“铁钻工”的主体动力大钳及钻井液盒(黄色上) 和塗油装置(黄色下) 。但是，还需要进一步革新，通过智能自动化，将此三种装置集成在一起，并互不干涉自动独立完成各自的功能，即所谓的一体化铁钻工，如图2所示。

 
图1   组成“铁钻工”的三种装置          1：液压大钳；2：塗油装置；3：钻井液盒
                                            图2   一体化的“铁钻工”
 
排放立根操作的智能自动化。排放立根是钻机在起下钻过程中将卸开的立根排放入钻台上的立根盒中(起钻) 和从立根盒中取出立根送至吊卡锁紧(下钻)的作业。目前，国内只有如宝鸡石油机械公司研制的中深井 3000米ZJ30DB20自动智能钻机等少数钻机，实现了排放立根操作的智能自动化，而深井钻机则少见。因此，我国大部分钻机均需要进行革新，配备排放立根智能自动化操作系统。该系统主要由钻台机械手、二层台机械手、缓冲机械手等组成。钻台及二层台机械手分别完成钻柱的立根底端(钻台)及顶端(二层台)的抓抱运移等任务；缓冲机械手位于钻台，执行管柱自地面输送到钻台上时的自动接管任务。
 
二层台机械手作业如图3所示，它伸出手臂抓住立根盒里的立根上端，向井架中心移送至吊卡内，然后锁紧；钻台机械手作业如图4所示，它伸出手臂自立根盒里抓取立根下端，配合二层台机械手，协同运移立根。图5为机械手本体。
  
图3  二层台机械手作业     图4   钻台机械手作业      图5  机械手本体
 
管柱上下钻台操作的智能自动化。管柱包括钻杆、套管等，通常运至井场后，是摆放在钻台前的平地上，如图6所示。当需要将其送上钻台时，传统作法是依靠人力先将管柱推送到滑道上，再借助起重机将其提拉到钻台上，由钻工手动接收，既体力劳动繁重，又存在事故风险，极须革新，代之以智能自动化操作的液压动力猫道，如图7所示。液压动


图7  液压动力猫道自动送钻杆上钻台             图6  人力手动送钻杆上钻台
力猫道的结构组成及工作原理如图8所示，可在我国研制时借鉴参考。
 
智能自动化的连续不停的起下钻及循环钻井液。起下钻是指钻机自井内将钻柱一节一节地提出(起钻)或是将其下入(下钻)井内的作业。目前，国内外传统作法是每当卸下(起钻)一节(通常是三根钻杆组成的一根立根) 或是接上(下钻) 一节时，停顿一段时间，进行井口及二层台操作，且停泵，暂时停止钻井液循环。显然，这种作法既耗费工时，又增加钻井成本，还因停止钻井液循环，存在卡钻事故风险，故极须革新，提高智能自动化水平。
 
借鉴国外新型钻机产品
 
近年，挪威West公司在全球首次研制出连续运动钻机CMR(Continuous Motion Rig) ，实现了连续起下钻及循环钻井液。样机在北海测试，三单根的立根起下钻速度高达3600m/h，远较常规钻机600~900m/h为高，可供我国借鉴。
 
为了实现连续不停的起下钻，该钻机设置有高、低位两个提升系统，高位提升系统具有吊卡和顶驱装置，以提升、旋转钻柱及输入钻井液；低位提升系统设有动力大钳、气动卡瓦及转盘，形成了一个小钻台，以自动进行井口操作。两者均由井架两侧装设的齿条，与驱动齿轮啮合，实现上下升降。这样，与常规钻机相比，即可省去了钻机的天车、游车、大钩等起升设备。该钻机创新实施连续不停起下钻的理念是进行“接力”，即将卡紧在低位提升系统转盘上的钻柱提升，与下行的设有吊卡的高位提升系统，在空中相会，进入吊卡锁紧，实现“接力”，从而连续不停地作业。图8以起钻为例，给出了起钻时卸下立根的连续作业过程。
 
图9不停泵连续循环钻井液工作原理              图8 起钻时卸立根的连续作业过程
 
如图8所示，自左至右，左1为高、低位提升系统各自位于原始位置，准备起钻；左2为“交接棒”“接力”，通过齿轮与齿条啮合驱动，高位提升系统下行至井架中部与上行的低位提升系统相会，将起出的钻柱交接给高位提升系统(“交接棒”)，用吊卡吊住(“接力”) ；左3为吊住钻柱的高位提升系统将钻柱提升到一个立根高度，与此同时，低位提升系统下降返回到原位；左4为井口操作立根卸扣，低位提升系统的气动卡瓦下入转盘内，卡紧钻柱，“铁钻工”自动卸开立根接头丝扣；左5为二层平台操作排放立根，二层平台机械手在钻台机械手协同配合之下，将卸开扣的立根排放入立根盒；左6为重复作业再起立根，两个提升系统分别上、下行，准备再起立根。这就是智能自动化连续起下钻作业全过程。
 
图9给出了低位起升系统的结构组成，并以起钻卸扣提升立根工况为例，自左至右，用左、中、右三个图，说明了低位起升系统内钻井液通道的切换过程，阐述了起下钻及送钻时不停泵连续循环钻井液的工作原理。图9左图是准备起钻卸扣。此时，低位起升系统的三个闸板均开启，左侧部钻井液进出口两阀门均关闭，钻井液由高提升系统，自顶驱的入口阀门进入，经悬吊的立根流入井内钻柱。图9中图为立根初始卸扣。此时，中闸板开启，上、下闸板关闭，低提升系统内形成了一个密闭腔室，待左侧部钻井液入口阀门打开，钻井液立即进入腔室，自卸扣接头处注入井内钻柱。这时，因卸扣初始，高提升系统悬吊的卸下立根尚未移出腔室，故短时间内，高提升系统中的钻井液也同时流入井内钻柱。图9右图 是提升立根。此时，首先关闭低提升系统的中闸板，于是，自左侧阀门进入到中、下两闸板间腔室的钻井液，即可自卸扣接头处注入井内钻柱。然后，关闭高提升系统的钻井液入口阀门，卸开的立根内剩余钻井液及中闸板以上的钻井液均可自打开的左侧上部出口阀门流出。最后，打开上闸板，于是，卸下的立根即可向上提升，完成连续循环钻井液的同时起一根立根的任务。 上述各项智能自动化作业均汇制成网络化的集成控制系统在室内进行遥控。期待产品标准化、系列化的我国全套智能自动化钻机早日投产；期待我国现用全部钻机的智能自动化革新改造升级提质早日实现。