当前，3D打印技术在中国油气行业发挥着越来越重要的作用。目前，这一行业中的一些企业已经开始将3D打印技术应用在零部件重构、增材制造工艺改进、特殊产品制造及教学宣传等领域，并且有望扩大到油气生产、油气田服务以及设备制造领域。
根据中国石油新闻中心的消息，近日中石油体系中的几位用户分享了3D打印技术在工作实践中的应用，畅谈了3D打印技术的价值及挑战，并展望了3D打印技术在石油天然气行业的发展前景。
本期，3D科学谷将对此进行分享，以此与谷友共同感受3D打印技术在我国石油天然气行业中的发展。
优势
高效、灵活、更具成本效益的适应创新研发需求
“油气行业的特征决定了需要3D打印技术优势支撑。”长庆油田工会劳动经济女工部主管米顺林认为，一是油气行业的创新产品普遍为钢铁材质，笨重、不易携带，许多实物需要吊车、卡车装运。二是油气行业创新氛围浓厚，职工创新能力、计算机制图能力普遍提高，为3D打印技术在油气行业的普及推广建立了牢固的群众基础。
大庆油田采油二厂第六作业区采油48队采油工班长、刘丽工作室负责人刘丽也表示，在创新研发初期，3D打印以高效、灵活、低成本占据着不可撼动的地位。因为它不像传统加工行业需要高技术操作人员及多种加工设备，也不需要传统的刀具、夹具、模具，通过3D打印机就可以直接打制出三维实物模型以供革新研发使用。3D打印作为一种增材制造方式，可以制造出采用传统方法制造不出来的非常复杂的零件，有效地缩短了产品研发周期。一个产品通过3D打印能在数小时内成型，实现了从平面图到实体的飞跃，在大家的创新思维还没有冷却的时候，可以不断修改以到达最终的创新效果。
大庆油田刘丽工作室员工展示应用3D技术打印的产品——“节能型上下可调式盘根盒”模型。刘野摄
满足小批量复杂件生产需求，提升产品性能
3D打印技术在石油测井领域展现出了一些优势。中油测井制造公司经理马骁认为，较传统铣削设备的减材制造方式，3D打印增材制造材料成本相对较低，浪费极少。在高精度、高强度、高复杂度的测井仪器加工制造中，利用金属3D打印技术，可实现一台设备完成多道工序，解决了批量小、换产频的生产效率问题，还提升了产品性能。以微电阻率成像极板为例，通过模拟仿真研究，3D打印产品耐磨性能较传统加工方式提升6%。同时，3D打印技术可以高效制造传统手段不能或者很难制造的零部件，如仪器液压系统中的各种阀组、多油路模块等。
测井装备案例
中油测井员工操作金属3D打印机器，制造微扫极板。
胡彦峰摄
近年来，油气勘探开发力度不断加大，耐高温高压、高精度、小直径的测井仪器需求量快速增长，但一些结构复杂、材料特殊、集成度高的关键部件，却因加工难度大、周期长而供不应求。测井装备迭代研发的加快，也对复杂结构件制造提出了更高要求。
年，中油测井与西安交大、西北工业大学密切合作，开启了3D打印技术的探索之旅。“当初，我们专门设计了几种零部件，成型工艺、结构优化、变形控制等均由校方完成。”中油测井智能制造部负责人刘旭说，经高温高压测试，首批3D打印的试制品，性能指标完全符合井下恶劣工况测井要求。
中油测井逐步掌握了金属、树脂、陶瓷等不同材料产品的建模技术、打印工艺、最佳预热时长等，并于年成功打印出沟槽种类多、形状不一、结构精巧的阵列感应测井仪线圈骨架。
年初，公司引进了用于金属和非金属3D打印的激光选区熔化（SLM）和熔融沉积成型（FDM）设备，试制的第一项产品是电成像测井仪的极板。“这种核心部件只有巴掌大，但结构复杂。”测井技术研究院机械工程师郭英才说，极板要在几千米深的井筒中紧贴井壁工作，加工精度将直接影响测井成功率。
技术人员结合极板加工余量大，成型过程中易出现开裂、局部变形等实际，在计算机上设计出产品3D数字模型，并按照设定厚度，用切片软件把模型文件分成几千个二维平面，同时，加强质量缺陷分析，优化三维模型，调整应力集中处结构，严控零件装夹误差，合理添加支撑提供反向拉力。
年5月14日，经过16个小时连续打印，两块电成像测井仪极板一次成型，质量和性能均达到设计要求。
年12月13日，中油测井西安自动化车间中的粉末床激光熔化金属3D打印设备经过26个小时，将第15批30支3D打印成型的网状薄壁结构外壳成功“出舱”。每个仅重几百克的网状结构件，包含了螺纹、网纹、镂空、汉字以及LOGO等多种元素，充分展示了公司精密零部件的制造水平，为下一步测井零件轻量化设计和加工提供了新的途径。
“3D打印技术是传统机械加工手段的补充，能够实现产品的一次成型，对科研样机和复杂样件的制造具有立竿见影的优势，可以有效缩短石油测井仪器研发制造周期，帮助石油测井行业简化装备部件制造的复杂结构，避免长时间等待零件的现象等，在提效率、保质量、降成本方面显示出巨大潜力。”中油测井制造公司西安制造厂厂长王新峰说。
长庆油田新能源项目部应用3D打印机设计的合闸线圈保护器，荣获全国发明展览会银奖。（长庆油田数字化与信息中心供图）
挑战
管控标准有待制定
3D打印以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。油气企业要想成功采用3D打印技术必须克服许多挑战，技术问题仍然存在。
刘丽坦言，油气行业管理制度和规定较为烦琐，3D打印技术作为新技术，其使用设备及材料在一般企业管理中不易被接受。且油气行业产品一般尺寸规模较大，对增材制造-3D打印设备和现场机械零配件硬度强度要求较高。目前，3D打印技术在我国主要应用于新产品研发，制造精度尚不能令人满意。3D打印技术在进行批量生产时的效率有待提升。
尤其是在测井领域，针对特殊材料的3D打印技术应用，仍需要继续摸索。比如石油测井仪器常用的硬质合金耐磨涂层，如何有效地使合金材料在仪器上烧蚀成功，并能保证其在井下高温高压环境的质量水平，这也是金属3D打印技术应用面临的挑战之一。同时，马骁表示，在3D打印技术标准化方面，油气行业还没有形成统一的增材制造质量控制标准体系。
具有增材制造思维的人才仍不足
米顺林谈道，3D打印技术目前主要应用于初创设计阶段，在表达设计思路上有独特的优势，但是应用技术需要培养专业的设计师，熟练掌握3D制图，透彻理解3D打印的技术精要，运用3D打印思维进行设计。然而油气行业缺乏懂制图、会使用3D打印设备的复合型人才。另外，设备普及率低，主要是设备的易用性有待提升，特别是一些初创企业推出的3D打印设备，在设备的操作便利性，用户友好型的交互系统方面仍存在很大改进空间，目前的设备往往需要耗费时间调整参数。
未来
前景广阔，助力企业压缩成本、提高运营效率
根据最新的《石油天然气3D打印——主题研究》报告，到年，3D打印市场的价值将超过亿美元。3D打印技术已经成为推动工业生产力发展的关键技术之一。
“从企业管理者角度来讲，