當前，3D打印技術在中國油氣行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，這一行業(yè)中的一些企業(yè)已經開始將3D打印技術應用在零部件重構、增材制造工藝改進、特殊產品制造及教學宣傳等領域，并且有望擴大到油氣生產、油氣田服務以及設備制造領域。

根據中國石油新聞中心的消息，近日中石油體系中的幾位用戶分享了3D打印技術在工作實踐中的應用，暢談了3D打印技術的價值及挑戰(zhàn)，并展望了3D打印技術在石油天然氣行業(yè)的發(fā)展前景。

本期，3D科學谷將對此進行分享，以此與谷友共同感受3D打印技術在我國石油天然氣行業(yè)中的發(fā)展。

優(yōu)勢

高效、靈活、更具成本效益的適應創(chuàng)新研發(fā)需求

“油氣行業(yè)的特征決定了需要3D打印技術優(yōu)勢支撐?！遍L慶油田工會勞動經濟女工部主管米順林認為，一是油氣行業(yè)的創(chuàng)新產品普遍為鋼鐵材質，笨重、不易攜帶，許多實物需要吊車、卡車裝運。二是油氣行業(yè)創(chuàng)新氛圍濃厚，職工創(chuàng)新能力、計算機制圖能力普遍提高，為3D打印技術在油氣行業(yè)的普及推廣建立了牢固的群眾基礎。

大慶油田采油二廠第六作業(yè)區(qū)采油48隊采油工班長、劉麗工作室負責人劉麗也表示，在創(chuàng)新研發(fā)初期，3D打印以高效、靈活、低成本占據著不可撼動的地位。因為它不像傳統加工行業(yè)需要高技術操作人員及多種加工設備，也不需要傳統的刀具、夾具、模具，通過3D打印機就可以直接打制出三維實物模型以供革新研發(fā)使用。3D打印作為一種增材制造方式，可以制造出采用傳統方法制造不出來的非常復雜的零件，有效地縮短了產品研發(fā)周期。一個產品通過3D打印能在數小時內成型，實現了從平面圖到實體的飛躍，在大家的創(chuàng)新思維還沒有冷卻的時候，可以不斷修改以到達最終的創(chuàng)新效果。

大慶油田劉麗工作室員工展示應用3D技術打印的產品——“節(jié)能型上下可調式盤根盒”模型。劉野 攝

滿足小批量復雜件生產需求，提升產品性能

3D打印技術在石油測井領域展現出了一些優(yōu)勢。中油測井制造公司經理馬驍認為，較傳統銑削設備的減材制造方式，3D打印增材制造材料成本相對較低，浪費極少。在高精度、高強度、高復雜度的測井儀器加工制造中，利用金屬3D打印技術，可實現一臺設備完成多道工序，解決了批量小、換產頻的生產效率問題，還提升了產品性能。以微電阻率成像極板為例，通過模擬仿真研究，3D打印產品耐磨性能較傳統加工方式提升6%。同時，3D打印技術可以高效制造傳統手段不能或者很難制造的零部件，如儀器液壓系統中的各種閥組、多油路模塊等。

測井裝備案例

中油測井員工操作金屬3D打印機器，制造微掃極板。

胡彥峰 攝

近年來，油氣勘探開發(fā)力度不斷加大，耐高溫高壓、高精度、小直徑的測井儀器需求量快速增長，但一些結構復雜、材料特殊、集成度高的關鍵部件，卻因加工難度大、周期長而供不應求。測井裝備迭代研發(fā)的加快，也對復雜結構件制造提出了更高要求。

2015年，中油測井與西安交大、西北工業(yè)大學密切合作，開啟了3D打印技術的探索之旅?！爱敵?，我們專門設計了幾種零部件，成型工藝、結構優(yōu)化、變形控制等均由校方完成。”中油測井智能制造部負責人劉旭說，經高溫高壓測試，首批3D打印的試制品，性能指標完全符合井下惡劣工況測井要求。

中油測井逐步掌握了金屬、樹脂、陶瓷等不同材料產品的建模技術、打印工藝、最佳預熱時長等，并于2019年成功打印出溝槽種類多、形狀不一、結構精巧的陣列感應測井儀線圈骨架。

2020年初，公司引進了用于金屬和非金屬3D打印的激光選區(qū)熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）設備，試制的第一項產品是電成像測井儀的極板?！斑@種核心部件只有巴掌大，但結構復雜?！睖y井技術研究院機械工程師郭英才說，極板要在幾千米深的井筒中緊貼井壁工作，加工精度將直接影響測井成功率。

技術人員結合極板加工余量大，成型過程中易出現開裂、局部變形等實際，在計算機上設計出產品3D數字模型，并按照設定厚度，用切片軟件把模型文件分成幾千個二維平面，同時，加強質量缺陷分析，優(yōu)化三維模型，調整應力集中處結構，嚴控零件裝夾誤差，合理添加支撐提供反向拉力。

2020年5月14日，經過16個小時連續(xù)打印，兩塊電成像測井儀極板一次成型，質量和性能均達到設計要求。

2021年12月13日，中油測井西安自動化車間中的粉末床激光熔化金屬3D打印設備經過26個小時，將第15批30支3D打印成型的網狀薄壁結構外殼成功“出艙”。每個僅重幾百克的網狀結構件，包含了螺紋、網紋、鏤空、漢字以及LOGO等多種元素，充分展示了公司精密零部件的制造水平，為下一步測井零件輕量化設計和加工提供了新的途徑。

“3D打印技術是傳統機械加工手段的補充，能夠實現產品的一次成型，對科研樣機和復雜樣件的制造具有立竿見影的優(yōu)勢，可以有效縮短石油測井儀器研發(fā)制造周期，幫助石油測井行業(yè)簡化裝備部件制造的復雜結構，避免長時間等待零件的現象等，在提效率、保質量、降成本方面顯示出巨大潛力?！敝杏蜏y井制造公司西安制造廠廠長王新峰說。

長慶油田新能源項目部應用3D打印機設計的合閘線圈保護器，榮獲全國發(fā)明展覽會銀獎。（長慶油田數字化與信息中心 供圖）

挑戰(zhàn)

管控標準有待制定

3D打印以其制造原理的優(yōu)勢成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ闹圃旒夹g。油氣企業(yè)要想成功采用3D打印技術必須克服許多挑戰(zhàn)，技術問題仍然存在。

劉麗坦言，油氣行業(yè)管理制度和規(guī)定較為煩瑣，3D打印技術作為新技術，其使用設備及材料在一般企業(yè)管理中不易被接受。且油氣行業(yè)產品一般尺寸規(guī)模較大，對增材制造-3D打印設備和現場機械零配件硬度強度要求較高。目前，3D打印技術在我國主要應用于新產品研發(fā)，制造精度尚不能令人滿意。3D打印技術在進行批量生產時的效率有待提升。

尤其是在測井領域，針對特殊材料的3D打印技術應用，仍需要繼續(xù)摸索。比如石油測井儀器常用的硬質合金耐磨涂層，如何有效地使合金材料在儀器上燒蝕成功，并能保證其在井下高溫高壓環(huán)境的質量水平，這也是金屬3D打印技術應用面臨的挑戰(zhàn)之一。同時，馬驍表示，在3D打印技術標準化方面，油氣行業(yè)還沒有形成統一的增材制造質量控制標準體系。

具有增材制造思維的人才仍不足

米順林談道，3D打印技術目前主要應用于初創(chuàng)設計階段，在表達設計思路上有獨特的優(yōu)勢，但是應用技術需要培養(yǎng)專業(yè)的設計師，熟練掌握3D制圖，透徹理解3D打印的技術精要，運用3D打印思維進行設計。然而油氣行業(yè)缺乏懂制圖、會使用3D打印設備的復合型人才。另外，設備普及率低，主要是設備的易用性有待提升，特別是一些初創(chuàng)企業(yè)推出的3D打印設備，在設備的操作便利性，用戶友好型的交互系統方面仍存在很大改進空間，目前的設備往往需要耗費時間調整參數。

未來

前景廣闊，助力企業(yè)壓縮成本、提高運營效率

根據最新的《石油天然氣3D打印——主題研究》報告，到2030年，3D打印市場的價值將超過600億美元。3D打印技術已經成為推動工業(yè)生產力發(fā)展的關鍵技術之一。

“從企業(yè)管理者角度來講，關注的始終是產品的質量、效率、成本。3D打印技術怎么用、怎么發(fā)展，在行業(yè)內還沒有統一意見。通過近年來中油測井產品制造驗證，已經證明3D打印技術在油氣行業(yè)是可行的，應用方向也比較明確，確實帶來了生產效率、產品質量的有效提升?！瘪R驍肯定了3D打印技術的價值，并對其未來發(fā)展充滿期待。他認為，未來5到10年，隨著3D打印技術發(fā)展成為主要制造技術之一，結合5G廣泛應用，可以建立零件模型庫云平臺，幫助客戶進行產品定制設計、實時仿真。廠家定制化快速生產和提供，實現零庫存，將有助于企業(yè)提高運營效率，具有廣闊的發(fā)展空間。

米順林認為3D打印技術對油氣產品設計理念產生了影響。傳統的產品設計是建立在工業(yè)革命以來所形成的大批量生產方式之上的，這意味著產品的差異性在設計過程中難以體現，3D打印技術使產品的個性化、少量化設計與生產成為可能。隨著3D打印技術的發(fā)展與應用，產品的生產方式不再成為設計師想象力的束縛，外觀再復雜的產品都能通過3D打印機打印出來，且具有功能集成一體化的特點。3D打印可以現場制造所需配件，而不必停工拆解配件。比如鉆機，只要有打印機和打印材料就能制造配件，3D打印一個部件只需6個至24個小時。

總體來看，3D打印技術在油氣行業(yè)大有可為，但要對油氣行業(yè)產生深遠影響，仍有很長的路要走。劉麗談道，3D打印技術表面上看可以降低研發(fā)成本、加快研發(fā)進程。深入看，需要成果向生產的轉化以及理論與實踐的深入融合。

3D打印技術的未來一定可以幫助油氣行業(yè)解決很多問題，例如研發(fā)成果直接運用到現場、野外現場所需的機構復雜或購買周期長的零件都可以直接打印、在海上鉆井平臺上應用等。

根據3D科學谷的市場觀察，由于石油天然氣行業(yè)的特殊性，保持石油和天然氣生產設施平穩(wěn)運行被廣泛認為是任何行業(yè)中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。在石油和天然氣環(huán)境中的高壓、嚴苛服務條件的壓力下，關鍵過程控制組件不可避免地會發(fā)生故障。從歷史上看，由于平均制造提前期與運營需求不兼容，油氣運營商不得不實施昂貴的庫存計劃，以避免延長停工期的風險。

尤其是許多石油和天然氣站點還位于偏遠或難以進入的地理位置，這使得服務和現場支持成為問題。除非在每個地點都有庫存，否則如何能夠可靠且快速地向世界遙遠角落的設施提供關鍵零件？而3D打印可以成為快速、小批量的為石油天然氣設備制造零部件的解決方案。