想象一下，您只需站在屋外，就可以在起居室的墻上鉆一個孔，經(jīng)過走廊，一直鉆到臥室。這聽起來多么不可思議。雖然，在家裝施工中并不需要用到如此極端的鉆進手段，但在石油和天然氣行業(yè)，如此不可思議的壯舉卻是每天都在上演。

在世界各地的深井中，鉆井機通常需要穿透多個巖層，鉆出深達幾英里的孔，鉆頭往往需要在數(shù)萬英尺深的地下，通過復雜的孔幾何結(jié)構(gòu)來確定鉆井孔的走向……如此惡劣的作業(yè)環(huán)境對油田鉆井設(shè)備的性能提出了挑戰(zhàn)。油田鉆井設(shè)備制造商APS Technology 公司，在進行鉆井設(shè)備零部件研發(fā)和制造中使用了金屬3D打印技術(shù)，該技術(shù)不僅為加工車間節(jié)約了時間，還在延長鉆井設(shè)備使用壽命方面和提升鉆探效率方面有著出色表現(xiàn)。

本期，小編就結(jié)合APS Technology公司通過EOS DMLS金屬3D打印系統(tǒng)制造鉆井設(shè)備零部件的案例，與網(wǎng)友共同了解增材制造技術(shù)為鉆井設(shè)備制造商及石油、天然氣行業(yè)的用戶創(chuàng)造了哪些價值。

增材制造打造全新鉆井體驗

挑戰(zhàn)：如何提高鉆進設(shè)備的耐用性和靈活性？

APS Technology 是全球最先進、最可靠的公司之一，致力于提供滿足各種油田和惡劣環(huán)境要求的現(xiàn)場性能和理想設(shè)計。公司于 1993 年成立于美國康涅狄格州。

在世界各地，鉆井機通常需要穿透多個巖層，鉆出深達幾英里的孔。鉆頭往往需要在數(shù)萬英尺深的地下，通過復雜的孔幾何結(jié)構(gòu)來確定鉆井孔的走向。APS Technology 采用隨鉆測量 （MWD） 與旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng) （RSS） 相結(jié)合的方式，可直接安裝在鉆頭下方以實時測量鉆孔位置并控制軌跡。

除了在地下數(shù)百英尺切割巖石時遇到的那些不言而喻的困難外， 用于冷卻鉆頭和沖走鉆屑的承壓 流體也會受到嚴重磨蝕并很快流失。這樣會嚴重損壞井下系統(tǒng)和許多其他類型的鉆井設(shè)備，甚至能摧毀超級堅硬的鉻鎳鐵合金和 17－4 不銹鋼。

而對于如今的能源生產(chǎn)商而言， 這些困難僅僅是冰山一角。除了 MWD 系統(tǒng)外，APS 還致力于為鉆井操作人員提供包括導向鉆進電 機、減振器、建模及分析工具和 測井傳感器在內(nèi)的多種智能工 具。此前，APS 已經(jīng)借助多種增材制造手段，量身打造用于設(shè)計驗證的3D打印塑料零部件，完成了多項持續(xù)改進工作。為了制造出能夠在真實環(huán)境中使用的復雜金屬零部件，APS 引入了金屬3D打印技術(shù)。

鉆頭和旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng) （RSS）：APS Technology 公司目前采用 EOS 工業(yè) 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)旋轉(zhuǎn) 導向系統(tǒng)中的復雜零部件，用以為油氣井有效提供導向。圖片來源：APS

解決方案：增材制造前所未有的復雜零部件

EOS 為 APS 準備了理想的解決方案： 通過EOSINT M 280系統(tǒng)進行耐用金屬的增材制造。APS 可以借助這項技術(shù)，在短時間內(nèi)建造出持久耐用的零件。借助EOSINT M 280系統(tǒng)的 DMLS 金屬3D打印技術(shù)， 設(shè)計人員可以創(chuàng)建先前無法制造的復雜幾何結(jié)構(gòu)，并且輕松應(yīng)對諸如此類的挑戰(zhàn)。例如，可以創(chuàng)建各種晶格結(jié)構(gòu)和細密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的零件相比傳統(tǒng)的同類機加工產(chǎn)品更具空間效率。

整個 MWD 系統(tǒng)：一些內(nèi)部渦輪機組 件由 EOSINT M 280 系統(tǒng)打印出來。圖片來源：APS

“我最初來到 APS 時，這個系統(tǒng)在這里剛剛上馬一個月左右。” APS Technology 營銷副總裁 Paul Seaton回憶道。“同事們進行了一系列測試打樣和其他工作來熟悉這個系統(tǒng)，但它對于我們所有人而言都是一項全新的技術(shù)。EOS 為我們提供了現(xiàn)場培訓和應(yīng)用建議，使我們得以迅速上手不同零部件原型設(shè)計。這些早期的成就使得我們?nèi)缃竦墓ぷ鞲泳哂猩a(chǎn)導向性。”

其中一個成就是五級渦輪機的應(yīng)用，用來為導向鉆頭及其機載 MWD 系統(tǒng)提供動力。每臺渦輪機都包含若干個采用 DMLS 技術(shù)打印的零件，在這項增材制造工藝中，EOSINT M 280 利用大功率 Yb 光纖激光器和精密掃描光學部件將 CAD 模型的極薄切片描記到精細金屬粉末層上。激光器所經(jīng)之處，每個獨立的金屬微粒熔化，并與鄰近的微粒和下一層融合。 每個切層經(jīng)激光照射并熔化后， 將在逐漸成型的工件上鋪上一層新的金屬粉末并重復執(zhí)行上述加工過程，逐層進行，直至加工完成。

每臺渦輪機包含數(shù)個復雜的端蓋和五套定子與轉(zhuǎn)子，這些全部由 APS 的 EOSINT M 280 制造完成。 “而現(xiàn)在，我們已經(jīng)有能力使用不銹鋼、鉻鎳鐵合金和其他金屬制造這些組件，這對我們而言是一個巨大的優(yōu)勢，因為我們可以采用3D打印技術(shù)制作出真實的零件并應(yīng)用到真實的環(huán)境中。” Seaton 表示。高級機械工程師Chris Funke 表示，這些組件絕對能夠應(yīng)對真實環(huán)境中的鉆井作業(yè)， 包括在該公司自有的 3，000 英尺深的測試井中服役。

成果：節(jié)約制造成本和周期，提升設(shè)備鉆探效率和耐用性

采用 EOS 技術(shù)后，APS 得以將鉆井組件的零部件數(shù)量從四個獨立零部件減少到僅僅一個。DMLS 還幫助該公司的大規(guī)模制造車間節(jié)約了成本，曾經(jīng)需要花費數(shù)天甚至數(shù)周才能制造出來的夾具和固定裝置，如今可在無人值守的情況下一夜之間打印完成。除了在減少零部件數(shù)量和制造新型組件形狀方面的優(yōu)勢外，APS 的設(shè)計人員還發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

DMLS 3D打印技術(shù)的使用可以為 APS 開辟許多其他思路。相比之前，采用增材制造工藝生產(chǎn)的零件更加接近預期的幾何結(jié)構(gòu)，因此常常可簡化下游加工操作，有些情況下甚至可以完全省去這些操作。此外， 新技術(shù)還幫助APS省去了模具和其他一次性加工成本，只需 CAD 模型和金屬粉末就足以制作出來。 “如今我們可以為車間提供 DMLS 零件，此前采用傳統(tǒng)方法以棒料制造同等零件可能需要花費 18 個 小時。”Funke 指出。“零件的打印需要花費22－26個小時，但它擁有的特性卻是傳統(tǒng)方法無法比擬的，例如有機孔。

如今，車間只需花費 3－4 個小時來加工密封面并進一步控制公差特性，即可完成該零件。因此，借助 DMLS 工藝，我們可以為加工車間節(jié)約 14－15 個小時的時間來生產(chǎn)其他產(chǎn)品。DMLS 正在改變我們的整個制造流程，使我們擁有更強大的能力來運營其他項目，甚至承攬其他工作。我們計劃利用 EOSINT M 280 為我們完成更多的工作。”Funke 說道。