當前，3D打印技術在中國油氣行業發揮著越來越重要的作用。目前，這一行業中的一些企業已經開始將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，并展望了3D打印技術在石油天然氣行業的發展前景。

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中的發展。

優勢

高效、靈活、更具成本效益的適應創新研發需求

“油氣行業的特征決定了需要3D打印技術優勢支撐。”長慶油田工會勞動經濟女工部主管米順林認為，一是油氣行業的創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。二是油氣行業創新氛圍濃厚，職工創新能力、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區采油48隊采油工班長、劉麗工作室負責人劉麗也表示，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。因為它不像傳統加工行業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。

大慶油田劉麗工作室員工展示應用3D技術打印的產品——“節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、西北工業大學密切合作，開啟了3D打印技術的探索之旅。“當初，我們專門設計了幾種零部件，成型工藝、結構優化、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。“這種核心部件只有巴掌大，但結構復雜。”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勢，可以有效縮短石油測井儀器研發制造周期，幫助石油測井行業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。”中油測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，榮獲全國發明展覽會銀獎。（長慶油田數字化與信息中心 供圖）

挑戰

管控標準有待制定

3D打印以其制造原理的優勢成為具有巨大發展潛力的制造技術。油氣企業要想成功采用3D打印技術必須克服許多挑戰，技術問題仍然存在。

劉麗坦言，油氣行業管理制度和規定較為煩瑣，3D打印技術作為新技術，其使用設備及材料在一般企業管理中不易被接受。且油氣行業產品一般尺寸規模較大，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，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境的質量水平，這也是金屬3D打印技術應用面臨的挑戰之一。同時，馬驍表示，在3D打印技術標準化方面，油氣行業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設計階段，在表達設計思路上有獨特的優勢，但是應用技術需要培養專業的設計師，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，特別是一些初創企業推出的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生產力發展的關鍵技術之一。

“從企業管理者角度來講，關注的始終是產品的質量、效率、成本。3D打印技術怎么用、怎么發展，在行業內還沒有統一意見。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。”馬驍肯定了3D打印技術的價值，并對其未來發展充滿期待。他認為，未來5到10年，隨著3D打印技術發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，將有助于企業提高運營效率，具有廣闊的發展空間。

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大有可為，但要對油氣行業產生深遠影響，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成本、加快研發進程。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解決很多問題，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的特殊性，保持石油和天然氣生產設施平穩運行被廣泛認為是任何行業中最艱巨的挑戰之一。在石油和天然氣環境中的高壓、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。