陳子恒，李新民，惠坤龍，田 柯，雷正明

（西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前，陜北油氣井井深普遍達2000m左右，高溫高壓井深一般達5000m以上。對于石油井下測試來說，油井深度不斷增加，地層溫度也在不斷升高，井內(nèi)壓力也在逐步升高，因此測井儀常因外部高溫高壓環(huán)境無法正常工作，難以得到理想的數(shù)據(jù)且耗時、耗力，檢修周期長。為此，井下工具保護措施逐步興起。在石油管道運輸中，因為現(xiàn)有的管道熱損耗大，保溫效果不明顯，不得已選用外部加保溫層，這不但影響了檢修周期還增加了投入成本。近年來興起的3D打印技術(shù)是一種把數(shù)字模型作為基礎(chǔ)，將諸如粉末狀的金屬、塑料等一些可粘合的材料，由逐層打印方法來塑性或者構(gòu)造出物體的技術(shù)，目前國內(nèi)已經(jīng)開始利用該項技術(shù)工藝。其特點是經(jīng)濟成本較低，加工周期短，且易于修改產(chǎn)品。

1 3D打印技術(shù)在石油機械方面的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)的原理是利用以往的平面打印技術(shù)，通過機械噴頭的三維立體運動，逐層利用二維度打印的疊加來實現(xiàn)對曲面的打印，再由增加的層級材料來形成三維的實體，是一種增材過程，是從零開始構(gòu)建物體。而以往的塑性加工技術(shù)，是利用鉆孔、切割、銑削等方式來加工成形的，可看作是消減的過程。在3D打印中其分層逐步加工過程與傳統(tǒng)噴墨打印比較相似，經(jīng)過預(yù)先特殊方法處理的打印用材料，如金屬、陶瓷、樹脂、尼龍、食材、混凝土等都可以用做3D打印的“墨水”。在3D打印技術(shù)體系中，新型打印材料、打印工藝、打印設(shè)計和控制軟件等是其重要的組成部件，除此之外其核心部件為3D打印機。

1.2 3D打印技術(shù)在油井測試類儀器方面的應(yīng)用

油井測試數(shù)據(jù)是油田開發(fā)生產(chǎn)中不可或缺的資料，同樣也是對油田的開發(fā)規(guī)律以及油藏動態(tài)開展研究的重要根據(jù)，因此保證測試數(shù)據(jù)的準確性至關(guān)重要。在油氣生產(chǎn)過程中，受地層溫度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等因素的影響，實際的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜且多變，井下工具很容易磨損甚至毀壞，且維修成本高，因此對井下工具的保護技術(shù)應(yīng)運而生。在以往的石油類機械防護產(chǎn)品中大多是分塊加工，然后將井下工具放在其中，用電焊的方式把各部分焊接在一起。由于電焊是超高溫工況加工，其接口處已經(jīng)改變工具的應(yīng)力分布及相變，且有可能對井下工具造成一定的損害。

在此背景下，針對石油類井下工具，本研究主要目的是利用3D打印技術(shù)來制造一些新的石油機械類零部件，利用3D打印技術(shù)分兩部分打印然后實現(xiàn)對接，對石油機械零件進行保護，既在強度上保證性能，又進一步降低成本，縮短生產(chǎn)周期，更好地保護井下工具免受磨損。即：利用3D打印技術(shù)，制作一個略大于測井儀的外殼，在加工過程中，可以降低噴頭移動速度或者暫停加工把測井儀放到里面，然后進一步加工成無縫型的保護殼。

選擇3D打印制造保護殼具有以下優(yōu)點：①節(jié)省材料，無邊角廢料，提高打印材料利用效率，進一步降低生產(chǎn)成本；②提高保護殼精度；③不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床或任何模具，直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成保護殼形狀；④可以自動、快速、直接、精確地把計算機編程出的設(shè)計圖轉(zhuǎn)化打印為實物模型，制造出可用來安裝的零部件，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；⑤提高保護殼硬度、強度、耐高低溫特性，減輕自身重量，等。

1.3 3D打印技術(shù)在石油保溫管材方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)制造的保溫管材熱損較高，保溫度低，制造成本高，破損后很難再回收利用。而利用3D打印技術(shù)制造出的保溫管材耗能低，污染小，并可以回收后二次利用，且有較好的保溫性能，熱損小，制造成本低。

傳統(tǒng)制造的石油管道多為金屬材質(zhì)，生活用管多為塑料制品。為了避免金屬材質(zhì)的管路發(fā)生腐蝕，需對其經(jīng)常維護，同樣塑料材質(zhì)的管路也需避免老化現(xiàn)象發(fā)生。在管材的使用中，主要解決和考慮的是管道的保溫能力。傳統(tǒng)的保溫管材在25℃時的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.08W·(m·K)，硬質(zhì)保溫管材的密度不大于220 kg/m3，半硬質(zhì)管材不大于200 kg/m3，軟質(zhì)管材不大于150 kg/m3。通過計算機軟件設(shè)計的管材與普通管材看似毫無差別，但是在其內(nèi)部達到無縫的條件下，還可以再通過調(diào)節(jié)管壁的厚度來進一步控制管材保溫的效果。針對管壁縫隙可填充保溫材料泡沫劑或者選擇真空。

對于保溫管材的選擇，首先考慮的是管材允許使用的溫度應(yīng)高于正常操作時介質(zhì)的最高溫度。其次，當在相同的溫度范圍下有著不同材料可供選擇時，應(yīng)選用熱導(dǎo)率小、密度小、造價低、易于施工的材料制品。

1.4 3D打印與傳統(tǒng)制造保溫管道的對比

（1）保溫性能。傳統(tǒng)管材一般經(jīng)過后期加工，通過外部使用泡沫保溫層或者其他保溫層來達到保溫目的。而3D打印管材在加工管道的同時，通過改變管道的管壁結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)保溫效果，并且可以通過改變壁厚使管材的保溫性能改變，使管道在南北方溫差大的場合均適用。

（2）防腐性能。一般深埋于地下的管道，或多或少都會被腐蝕，尤其是金屬管材。傳統(tǒng)管道通過給金屬管道表面涂防腐漆或者鍍抗氧化性、酸堿性的物質(zhì)來實現(xiàn)防腐防氧化。而3D打印管材利用塑料自身的抗氧化性能及ABS材料自身的抗酸堿性能，可不用后期加工實現(xiàn)抗氧化性和防腐性能。

（3）制作成本。傳統(tǒng)管材在制造過程中成本較高，原材料進價高，還要通過后期成形加工，制作成本比較高。且管材密度大，硬度大，質(zhì)量大，運輸成本高。庫存率受市場影響大。而3D打印使用的材料源于塑料，便于分類回收，且可對廢物進行二次利用，成本低。管材密度小，硬度較小，質(zhì)量小，運輸成本低。受市場影響小，可以實現(xiàn)即需即供。

（4）導(dǎo)熱率。保溫管材的導(dǎo)熱率非常重要。傳統(tǒng)管材所采用的原材料比較單一，具有恒定的導(dǎo)熱率。金屬管材導(dǎo)熱率大，保溫性能差；塑料管材導(dǎo)熱率較小，保溫性能略好。而3D打印制造的管材，通過調(diào)整自身的管壁結(jié)構(gòu)，可以進一步降低導(dǎo)熱率，從而達到更好的保溫效果。

2 結(jié)語

3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)勢。而《中國制造2025》也提出要大力發(fā)展3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)。未來，3D打印不僅在醫(yī)療、食品、工業(yè)、石油機械等領(lǐng)域大放光彩，也會在中國芯片等高技術(shù)制造領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟進化，該技術(shù)也必將得到更廣泛的應(yīng)用。