油田鉆井設備制造商 APS 采用金屬3D打印技術制造零部件

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構來確定鉆井孔的走向……如此惡劣的作業(yè)環(huán)境對油田鉆井設備的性能提出了挑戰(zhàn)。油田鉆井設備制造商APS Technology 公司,，在進行鉆井設備零部件研發(fā)和制造中使用了金屬3D打印技術,，該技術不僅為加工車間節(jié)約了時間，還在延長鉆井設備使用壽命方面和提升鉆探效率方面有著出色表現(xiàn),。

接下來我們就結合APS Technology公司通過EOS DMLS金屬3D打印系統(tǒng)制造鉆井設備零部件的案例,，共同了解增材制造技術為鉆井設備制造商及石油,、天然氣行業(yè)的用戶創(chuàng)造了哪些價值。

挑戰(zhàn)：如何提高鉆進設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構來確定鉆井孔的走向,。APS Technology 采用隨鉆測量 (MWD) 與旋轉導向系統(tǒng) (RSS) 相結合的方式， 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,。

鉆頭和旋轉導向系統(tǒng) (RSS)：APS Technology 公司目前采用 EOS 工業(yè) 3D 打印技術生產(chǎn)旋轉 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，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,， 設計人員可以創(chuàng)建先前無法制造的復雜幾何結構，并且輕松應對諸如此類的挑戰(zhàn),。例如,，可以創(chuàng)建各種晶格結構和細密的網(wǎng)狀結構,，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,。EOS 為我們提供了現(xiàn)場培訓和應用建議，使我們得以迅速上手不同零部件原型設計,。這些早期的成就使得我們?nèi)缃竦墓ぷ鞲�加具有生產(chǎn)導向性,。”

其中一個成就是五級渦輪機的應用,，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打印技術制作出真實的零件并應用到真實的環(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，提升設備鉆探效率和耐用性
采用 EOS 技術后,，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 的設計人員還發(fā)現(xiàn),，這種技術可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,。

DMLS 3D打印技術的使用可以為 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構,，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,�,！傲慵�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�,！盕unke 說道,。

來源：3D科學谷