Adaptability Technology of Continuously-Rotating Intelligent Iron Roughneck for 10，000-meter Drilling Rig

Shi Xianfeng; Zhang Zengnian; Zhu Zaisi; Liao Wenling; Chen Mingkai

doi:10.12473/CPM.202506066

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Adaptability Technology of Continuously-Rotating Intelligent Iron Roughneck for 10，000-meter Drilling Rig

DRILLING TECHNOLOGY AND EQUIPMENT | 更新时间：2026-11-04

- Adaptability Technology of Continuously-Rotating Intelligent Iron Roughneck for 10，000-meter Drilling Rig
- China Petroleum Machinery Vol. 54, Issue 10, Pages: 38-46(2026)
- 作者机构：
  
  1.中国石油川庆钻探工程有限公司
  2.中石油江汉机械研究所有限公司
  3.成都工业学院智能制造学院
  4.三一能源装备有限公司
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.12473/CPM.202506066
  CLC： TE921
- Received：24 June 2025，
  
  Revised：2026-06-28，
  
  Accepted：07 November 2025，
  
  Published：25 October 2026
- 稿件说明：
移动端阅览
石宪峰，张增年，朱再思，等.万米钻机连续旋转智能铁钻工适应性技术研究［J］.石油机械，2026，54（10）：38-46.

Shi Xianfeng，Zhang Zengnian，Zhu Zaisi，et al.Adaptability technology of continuously-rotating intelligent iron roughneck for 10，000-meter drilling rig［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：38-46.
石宪峰，张增年，朱再思，等.万米钻机连续旋转智能铁钻工适应性技术研究［J］.石油机械，2026，54（10）：38-46. DOI： 10.12473/CPM.202506066.

Shi Xianfeng，Zhang Zengnian，Zhu Zaisi，et al.Adaptability technology of continuously-rotating intelligent iron roughneck for 10，000-meter drilling rig［J］.China Petroleum Machinery，2026，54（10）：38-46. DOI： 10.12473/CPM.202506066.

摘要

随着钻井深度向万米级进军，井下高温高压间接导致钻柱载荷和作业需求增加，传统铁钻工在超深井工况下暴露出作业效率低、自动化程度差、适应性不足等问题。为此，以川科1井为研究对象，针对四川盆地复杂地质条件及超深井连续高效作业需求，设计并研制了一种连续旋转智能铁钻工系统。该系统集成360°连续旋转钳头、多连杆柔性悬挂装置、接箍智能识别系统及一键式智能控制系统，实现了钻具快速精确夹持与全流程自动上卸扣作业。通过构建夹紧扭矩计算模型并引入动态工况修正系数，确保作业安全可靠。现场测试结果表明，该系统在钻井液、夜间及雨天等复杂环境下，接箍智能识别系统累计运行30 h，完成304次识别（上扣151次、卸扣153次），综合准确率达98%，高度定位平均偏差仅4.1 mm；铁钻工依据识别结果自动调节臂架高度，响应时间短于0.9 s，单次上卸扣作业时间为35~39 s，相较传统分体式铁钻工（平均每次50~60 s）效率提升30%~35%；自适应夹紧系统将牙板寿命提升至1 000次以上，咬痕深度严格控制在0.5 mm内；“一键式”控制降低人工操作强度90%，并通过多级互锁机制实现零安全事故。相较传统设备，本系统提升了一次性上扣成功率、钻具适应性与作业效率，可为万米钻机智能化升级提供重要工程支撑。

Abstract

As drilling depths advance toward the 10，000-meter level， the downhole high-temperature and high-pressure conditions indirectly increase drill-string loads and operational demands， exposing the deficiencies of traditional iron roughnecks in ultra-deep wells， such as low efficiency， poor automation， and insufficient adaptability. Taking Well Chuanke-1 as the research object， and considering the complex geological conditions in the Sichuan Basin and the demand for continuous and efficient ultra-deep well operations， a continuously-rotating intelligent iron roughneck system was designed and developed. This system integrates a 360° continuously-rotating clamp head， a multi-link flexible suspender， a intelligent coupling recognition system， and a one-button intelligent control system， enabling rapid and precise clamping of drill pipes and fully automatic make-up and break-out operations throughout the entire process. A clamping torque calculation model was established and a dynamic operating-condition correction coefficient was introduced to ensure safe and reliable operations. Field test results show that in complex environments such as drilling fluid， nighttime， and rain， the intelligent coupling recognition system operates for a total of 30 hours， completing 304 recognitions （151 make-ups and 153 break-outs）， with an overall accuracy of 98% and an average height-positioning deviation of only 4.1 mm. Based on the recognition results， the iron roughneck automatically adjusts the arm height with a response time of less than 0.9 s. The single make-up/break-out operation time is reduced to 35-39 s， representing an efficiency improvement of 30%-35% compared with 50-60 s for traditional split-type iron roughnecks. The adaptive clamping system extends the service life of the dies to over 1，000 times， with the bite depth strictly controlled within 0.5 mm. The one-button control reduces manual operation intensity by 90%， and the multi-level interlock mechanism achieves zero safety incidents. Compared with traditional equipment， this system significantly improves the one-time make-up success rate， drill-pipe adaptability， and operational efficiency， providing important engineering support for the intelligent upgrading of 10，000-meter drilling rigs.

关键词

Keywords

references

耿长伟，王清岩，孙友宏，等 . “地壳一号”万米钻机铁钻工伸展机构设计及运动学仿真分析［J］. 探矿工程（岩土钻掘工程）， 2015 ， 42 （ 5 ）： 53 - 56 .

Geng Changwei ， Wang Qingyan ， Sun Youhong ， et al . Design of stretching mechanism of iron roughneck for “Crust Ⅰ” myriameter drilling rig and its dynamics simulation analysis ［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2015 ， 42 （ 5 ）： 53 - 56 .

刘志强，宋朝阳，程守业，等 . 我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状［J］. 煤炭科学技术， 2021 ， 49 （ 1 ）： 32 - 65 .

Liu Zhiqiang ， Song Zhaoyang ， Cheng Shouye ， et al . Development history and status quo of raise boring technologies and equipment in China ［J］. Coal Science and Technology ， 2021 ， 49 （ 1 ）： 32 - 65 .

何平，米永强，李永国，等 . 紧凑型伸缩臂式铁钻工的控制［J］. 钻采工艺， 2025 ， 48 （ 2 ）： 136 - 141

He Ping ， Mi Yongqiang ， Li Yongguo ， et al . Control of Compact Telescopic-arm Iron Roughneck ［J］. Drilling and Production Technology ， 2025 ， 48 （ 2 ）： 136 - 141 .

Wu Chuanyun ， Wang Jianhe ， Yao Yang ， et al . Analysis of the development status and mechanization trends of economic crop industry in China ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization ， 2024 ， 45 （ 1 ）： 1 - 13 .

Molaie A M ， Kaneko N ， Tateshima S ， et al . Robotics in neurointervention ［M］. Switzerland ： Springer ， 2025 ： 343 - 360 .

Eremin A N ， Eremin A N ， Eremin N A . Smart fields and wells ［EB/OL］. PС of Kazakh-British Technical University（KBTU） JSC Almaty ， 2013 ［ 2025-03-05 ］. https：∥www.researchgate.net/publication/297391864_Smart_Fields_and_wells_A_textbook_in_English_Alexander_N_E remin_Anton_N_Eremin_Nikolai_A_Eremin https://www.researchgate.net/publication/297391864_Smart_Fields_and_wells_A_textbook_in_English_Alexander_N_Eremin_Anton_N_Eremin_Nikolai_A_Eremin .

张洪生，于昊，赵金峰．铁钻工的现状与展望［J］．石油矿场机械， 2008 ， 37 （ 1 ）： 12 - 16 ．

Zhang Hongsheng ， Yu Hao ， Zhao Jinfeng . The situation and forecast of iron roughneck ［J］. Oil Field Equipment ， 2008 ， 37 （ 1 ）： 12 - 16 .

易先中，张仕帆，万继方，等．轨道式铁钻工旋扣钳动态特性分析［J］．机床与液压， 2023 ， 51 （ 10 ）： 137 - 142 ．

Yi Xianzhong ， Zhang Shifan ， Wan Jifang ， et al . Analysis of the dynamic characteristics of the rail type iron roughneck snap clamp ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2023 ， 51 （ 10 ）： 137 - 142 .

李根生，宋先知，祝兆鹏，等．智能钻完井技术研究进展与前景展望［J］．石油钻探技术， 2023 ， 51 （ 4 ）： 35 - 47 ．

Li Gensheng ， Song Xianzhi ， Zhu Zhaopeng ， et al . Research progress and the prospect of intelligent drilling and completion technologies ［J］. Petroleum Drilling Techniques ， 2023 ， 51 （ 4 ）： 35 - 47 .

杨双业，于兴军，张鹏飞，等．钻机司钻集成控制系统技术现状及发展建议［J］．石油机械， 2017 ， 45 （ 9 ）： 1 - 7 ．

Yang Shuangye ， Yu Xingjun ， Zhang Pengfei ， et al . Technology status of drilling rig driller integrated control system and its development advices ［J］. China Petroleum Machinery ， 2017 ， 45 （ 9 ）： 1 - 7 .

吕庆田，张晓培，汤井田，等．金属矿地球物理勘探技术与设备：回顾与进展［J］．地球物理学报， 2019 ， 62 （ 10 ）： 3629 - 3664 ．

Lü Qingtian ， Zhang Xiaopei ， Tang Jingtian ， et al . Review on advancement in technology and equipment of geophysical exploration for metallic deposits in China ［J］. Chinese Journal of Geophysics ， 2019 ， 62 （ 10 ）： 3629 - 3664 .

杜可普．轻便型智能化铁钻工研制［J］．智能城市应用， 2019 ， 2 （ 3 ）： 1 - 5 ．

Du Kepu . Development of portable intelligent iron roughneck ［J］. Smart city applications ， 2019 ， 2 （ 3 ）： 1 - 5 .

沈怀浦，何磊，黄洪波，等．适用于大深度地质钻探和油气地热钻井的双动力电顶驱系统设计［J］．探矿工程-岩土钻掘工程， 2020 ， 47 （ 4 ）： 31 - 39 ．

Shen Huaipu ， He Lei ， Huang Hongbo ， et al . Dual-power electric top drive drilling system design for large-depth geological drilling and hydrocarbon & geothermal drilling ［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2020 ， 47 （ 4 ）： 31 - 39 .

杜明甫．基于PLVC 的铁钻工控制系统设计［J］．石油矿场机械， 2016 ， 45 （ 10 ）： 27 - 30 ．

Du Mingfu . Design of iron roughneck control system based on PLVC ［J］. Oil Field Equipment ， 2016 ， 45 （ 10 ）： 27 - 30 .

王定亚，王耀华，于兴军．我国管柱自动化钻机技术研究及发展方向［J］．石油机械， 2017 ， 45 （ 5 ）： 23 - 27 ．

Wang Dingya ， Wang Yaohua ， Yu Xingjun . Research and development trend of domestic automated drilling rig ［J］. China Petroleum Machinery ， 2017 ， 45 （ 5 ）： 23 - 27 .

张宝泉，向勇，辛祖强，等．智能液压抽装管机的电控系统设计与研究［J］．机床与液压， 2023 ， 51 （ 18 ）： 78 - 83 ．

Zhang Baoquan ， Xiang Yong ， Xin Zuqiang ， et al . Design and research of electronic control system of intelligent hydraulic pipe extraction and loading machine ［J］. Machine Tool & Hydraulics ， 2023 ， 51 （ 18 ）： 78 - 83 .

秦赛博，易先中，张徐文，等 . 海底钻井用铁钻工机械臂的工作安全性分析［J］ . 石油机械， 2024 ， 52 （ 10 ）： 74 - 82 .

Qin Saibo ， Yi Xianzhong ， Zhang Xuwen ， et al . Working safety analysis of iron roughneck arm used in seabed drilling ［J］. China Petroleum Machinery ， 2024 ， 52 （ 10 ）： 74 - 82 .

陆文红，赵广慧，李涛，等．铁钻工上卸扣的最大主动扭矩分析［J］．西南石油大学学报（自然科学版）， 2024 ， 46 （ 2 ）： 176 - 186 ．

Lu Wenhong ， Zhao Guanghui ， Li Tao ， et al . An analysis of the maximum torque provided by iron roughnecks ［J］. Journal of Southwest Petroleum University （Science & Technology Edition）， 2024 ， 46 （ 2 ）： 176 - 186 .

孟宪国，冯长儒．锻造操作机钳口夹紧力和夹紧缸能力的计算［J］．一重技术， 2006 （ 2 ）： 1 - 3 ．

Meng Xianguo ， Feng Changru . Calculation of jaw clamping force and clamping cylinder capacity of forging manipulator ［J］. CFHI Technology ， 2006 （ 2 ）： 1 - 3 .

邵博．钻井工程参数监测系统体系结构与数据采集传输模块的研究［J］．中国科技纵横， 2016 （ 10 ）： 42 ．

Shao Bo . Research on the architecture of drilling engineering parameter monitoring system and data acquisition and transmission module ［J］. China Science & Technology Panorama Magazine ， 2016 （ 10 ）： 42 .

张洪生，谷敏永，李向荣 . 基于视觉的铁钻工控制系统的设计［J］. 新技术新工艺， 2010 （ 1 ）： 23 - 25 .

Zhang Hongsheng ， Gu Minyong ， Li Xiangrong . Design of control system for iron roughneck based on vision ［J］. New Technology & New Process ， 2010 （ 1 ）： 23 - 25 .

刘晓林，王林清，许本冲，等 . 基于Profinet与S7-1200 PLC的RN254型铁钻工电控系统的研发与应用［J］. 钻探工程， 2024 ， 51 （增刊1 ）： 231 - 237 .

Liu Xiaolin ， Wang Linqing ， Xu Benchong ， et al . Research and application of RN254 roughneck electrical control system based on Profinet and S7-1200 PLC ［J］. Drilling Engineering ， 2024 ， 51 （ S1 ）： 231 - 237 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Friction and Wear Test and Lifecycle Evaluation of Flat Gate Valves

Advances and Prospects of Coiled Tubing Equipment

Advances and Prospects of Drilling and Workover Rigs for Fixed Offshore Platforms

Rotation Angle Identification Method of Iron Roughneck Based on Adaptive Hierarchical Matching

Compact Design and Intelligent Control Optimization of Offshore Skid-Mounted Profile Control Equipment

Related Author

Gao Fumin

Zhang Xuliang

Ma Xiaotian

Xu Guohe

Lu Jun'an

Yan Jiafu

Liu Fei

Wu Yuandeng

Related Institution

Key Laboratory of Oil and Gas Production Safety and Emergency Technology， Ministry of Emergency Management

College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum

Engineering Research Center for Ultra‒deep Complex Reservoir Exploration and Development， Xinjiang Uygur Autonomous Region

CNPC R & D Center for Ultra-Deep Complex Reservoir Exploration and Development

PetroChina Tarim Oilfield Company

AI问答

⁰