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

根據中國石油新聞中心的消息，近日中石油體(ti) 係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(jia) 值及挑戰，並展望了3D打印技術在石油天然氣行業(ye) 的發展前景。

本期，3D科學穀將對此進行分享，以此與(yu) 穀友共同感受3D打印技術在我國石油天然氣行業(ye) 中的發展。

優(you) 勢

高效、靈活、更具成本效益的適應創新研發需求

“油氣行業(ye) 的特征決(jue) 定了需要3D打印技術優(you) 勢支撐。”長慶油田工會(hui) 勞動經濟女工部主管米順林認為(wei) ，一是油氣行業(ye) 的創新產(chan) 品普遍為(wei) 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(ye) 創新氛圍濃厚，職工創新能力、計算機製圖能力普遍提高，為(wei) 3D打印技術在油氣行業(ye) 的普及推廣建立了牢固的群眾(zhong) 基礎。

大慶油田采油二廠第六作業(ye) 區采油48隊采油工班長、劉麗(li) 工作室負責人劉麗(li) 也表示，在創新研發初期，3D打印以高效、靈活、低成本占據著不可撼動的地位。因為(wei) 它不像傳(chuan) 統加工行業(ye) 需要高技術操作人員及多種加工設備，也不需要傳(chuan) 統的刀具、夾具、模具，通過3D打印機就可以直接打製出三維實物模型以供革新研發使用。3D打印作為(wei) 一種增材製造方式，可以製造出采用傳(chuan) 統方法製造不出來的非常複雜的零件，有效地縮短了產(chan) 品研發周期。一個(ge) 產(chan) 品通過3D打印能在數小時內(nei) 成型，實現了從(cong) 平麵圖到實體(ti) 的飛躍，在大家的創新思維還沒有冷卻的時候，可以不斷修改以到達最終的創新效果。

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

滿足小批量複雜件生產(chan) 需求，提升產(chan) 品性能

3D打印技術在石油測井領域展現出了一些優(you) 勢。中油測井製造公司經理馬驍認為(wei) ，較傳(chuan) 統銑削設備的減材製造方式，3D打印增材製造材料成本相對較低，浪費極少。在高精度、高強度、高複雜度的測井儀(yi) 器加工製造中，利用金屬3D打印技術，可實現一台設備完成多道工序，解決(jue) 了批量小、換產(chan) 頻的生產(chan) 效率問題，還提升了產(chan) 品性能。以微電阻率成像極板為(wei) 例，通過模擬仿真研究，3D打印產(chan) 品耐磨性能較傳(chuan) 統加工方式提升6%。同時，3D打印技術可以高效製造傳(chuan) 統手段不能或者很難製造的零部件，如儀(yi) 器液壓係統中的各種閥組、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，製造微掃極板。

胡彥峰 攝

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

2015年，中油測井與(yu) 西安交大、西北工業(ye) 大學密切合作，開啟了3D打印技術的探索之旅。“當初，我們(men) 專(zhuan) 門設計了幾種零部件，成型工藝、結構優(you) 化、變形控製等均由校方完成。”中油測井智能製造部負責人劉旭說，經高溫高壓測試，首批3D打印的試製品，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(chan) 品的建模技術、打印工藝、最佳預熱時長等，並於(yu) 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(yi) 線圈骨架。

2020年初，公司引進了用於(yu) 金屬和非金屬3D打印的激光選區熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）設備，試製的第一項產(chan) 品是電成像測井儀(yi) 的極板。“這種核心部件隻有巴掌大，但結構複雜。”測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餘(yu) 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(chan) 品3D數字模型，並按照設定厚度，用切片軟件把模型文件分成幾千個(ge) 二維平麵，同時，加強質量缺陷分析，優(you) 化三維模型，調整應力集中處結構，嚴(yan) 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(ge) 小時連續打印，兩(liang) 塊電成像測井儀(yi) 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(ge) 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(ge) 僅(jin) 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製造水平，為(wei) 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(chuan) 統機械加工手段的補充，能夠實現產(chan) 品的一次成型，對科研樣機和複雜樣件的製造具有立竿見影的優(you) 勢，可以有效縮短石油測井儀(yi) 器研發製造周期，幫助石油測井行業(ye) 簡化裝備部件製造的複雜結構，避免長時間等待零件的現象等，在提效率、保質量、降成本方麵顯示出巨大潛力。”中油測井製造公司西安製造廠廠長王新峰說。

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，榮獲全國發明展覽會(hui) 銀獎。（長慶油田數字化與(yu) 信息中心 供圖）

挑戰

管控標準有待製定

3D打印以其製造原理的優(you) 勢成為(wei) 具有巨大發展潛力的製造技術。油氣企業(ye) 要想成功采用3D打印技術必須克服許多挑戰，技術問題仍然存在。

劉麗(li) 坦言，油氣行業(ye) 管理製度和規定較為(wei) 煩瑣，3D打印技術作為(wei) 新技術，其使用設備及材料在一般企業(ye) 管理中不易被接受。且油氣行業(ye) 產(chan) 品一般尺寸規模較大，對增材製造-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於(yu) 新產(chan) 品研發，製造精度尚不能令人滿意。3D打印技術在進行批量生產(chan) 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，仍需要繼續摸索。比如石油測井儀(yi) 器常用的硬質合金耐磨塗層，如何有效地使合金材料在儀(yi) 器上燒蝕成功，並能保證其在井下高溫高壓環境的質量水平，這也是金屬3D打印技術應用麵臨(lin) 的挑戰之一。同時，馬驍表示，在3D打印技術標準化方麵，油氣行業(ye) 還沒有形成統一的增材製造質量控製標準體(ti) 係。

具有增材製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於(yu) 初創設計階段，在表達設計思路上有獨特的優(you) 勢，但是應用技術需要培養(yang) 專(zhuan) 業(ye) 的設計師，熟練掌握3D製圖，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(ye) 缺乏懂製圖、會(hui) 使用3D打印設備的複合型人才。另外，設備普及率低，主要是設備的易用性有待提升，特別是一些初創企業(ye) 推出的3D打印設備，在設備的操作便利性，用戶友好型的交互係統方麵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(ye) 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(jia) 值將超過600億(yi) 美元。3D打印技術已經成為(wei) 推動工業(ye) 生產(chan) 力發展的關(guan) 鍵技術之一。

“從(cong) 企業(ye) 管理者角度來講，關(guan) 注的始終是產(chan) 品的質量、效率、成本。3D打印技術怎麽(me) 用、怎麽(me) 發展，在行業(ye) 內(nei) 還沒有統一意見。通過近年來中油測井產(chan) 品製造驗證，已經證明3D打印技術在油氣行業(ye) 是可行的，應用方向也比較明確，確實帶來了生產(chan) 效率、產(chan) 品質量的有效提升。”馬驍肯定了3D打印技術的價(jia) 值，並對其未來發展充滿期待。他認為(wei) ，未來5到10年，隨著3D打印技術發展成為(wei) 主要製造技術之一，結合5G廣泛應用，可以建立零件模型庫雲(yun) 平台，幫助客戶進行產(chan) 品定製設計、實時仿真。廠家定製化快速生產(chan) 和提供，實現零庫存，將有助於(yu) 企業(ye) 提高運營效率，具有廣闊的發展空間。

米順林認為(wei) 3D打印技術對油氣產(chan) 品設計理念產(chan) 生了影響。傳(chuan) 統的產(chan) 品設計是建立在工業(ye) 革命以來所形成的大批量生產(chan) 方式之上的，這意味著產(chan) 品的差異性在設計過程中難以體(ti) 現，3D打印技術使產(chan) 品的個(ge) 性化、少量化設計與(yu) 生產(chan) 成為(wei) 可能。隨著3D打印技術的發展與(yu) 應用，產(chan) 品的生產(chan) 方式不再成為(wei) 設計師想象力的束縛，外觀再複雜的產(chan) 品都能通過3D打印機打印出來，且具有功能集成一體(ti) 化的特點。3D打印可以現場製造所需配件，而不必停工拆解配件。比如鑽機，隻要有打印機和打印材料就能製造配件，3D打印一個(ge) 部件隻需6個(ge) 至24個(ge) 小時。

總體(ti) 來看，3D打印技術在油氣行業(ye) 大有可為(wei) ，但要對油氣行業(ye) 產(chan) 生深遠影響，仍有很長的路要走。劉麗(li) 談道，3D打印技術表麵上看可以降低研發成本、加快研發進程。深入看，需要成果向生產(chan) 的轉化以及理論與(yu) 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(ye) 解決(jue) 很多問題，例如研發成果直接運用到現場、野外現場所需的機構複雜或購買(mai) 周期長的零件都可以直接打印、在海上鑽井平台上應用等。

根據3D科學穀的市場觀察，由於(yu) 石油天然氣行業(ye) 的特殊性，保持石油和天然氣生產(chan) 設施平穩運行被廣泛認為(wei) 是任何行業(ye) 中最艱巨的挑戰之一。在石油和天然氣環境中的高壓、嚴(yan) 苛服務條件的壓力下，關(guan) 鍵過程控製組件不可避免地會(hui) 發生故障。從(cong) 曆史上看，由於(yu) 平均製造提前期與(yu) 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於(yu) 偏遠或難以進入的地理位置，這使得服務和現場支持成為(wei) 問題。除非在每個(ge) 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(guan) 鍵零件？而3D打印可以成為(wei) 快速、小批量的為(wei) 石油天然氣設備製造零部件的解決(jue) 方案。