油田鉆井設(shè)備制造商 APS 采用金屬3D打印技術(shù)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(gè)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(jìn)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(jī)通常需要穿透多個(gè)巖層，鉆出深達(dá)幾英里的孔，鉆頭往往需要在數(shù)萬英尺深的地下，通過復(fù)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(duì)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(jìn)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(shí)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)。

接下來我們就結(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，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(jià)值。

挑戰(zhàn)：如何提高鉆進(jìn)設(shè)備的耐用性和靈活性？

APS Technology 是全球最先進(jìn)、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(chǎng)性能和理想設(shè)計(jì)。公司于 1993 年成立于美國康涅狄格州。在世界各地，鉆井機(jī)通常需要穿透多個(gè)巖層，鉆出深達(dá)幾英里的孔。鉆頭往往需要在數(shù)萬英尺深的地下，通過復(fù)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(cè)量 (MWD) 與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng) (RSS) 相結(jié)合的方式， 可直接安裝在鉆頭下方以實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)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(huì)受到嚴(yán)重磨蝕并很快流失。這樣會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(jí)堅(jiān)硬的鉻鎳鐵合金和 17-4 不銹鋼。而對(duì)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(dǎo)向鉆進(jìn)電 機(jī)、減振器、建模及分析工具和 測(cè)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(jì)驗(yàn)證的3D打印塑料零部件，完成了多項(xiàng)持續(xù)改進(jìn)工作。為了制造出能夠在真實(shí)環(huán)境中使用的復(fù)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(dǎo)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(dǎo)向系統(tǒng)中的復(fù)雜零部件，用以為油氣井有效提供導(dǎo)向。

圖片來源：APS

解決方案：增材制造前所未有的復(fù)雜零部件

EOS 為 APS 準(zhǔn)備了理想的解決方案： 通過EOSINT M 280系統(tǒng)進(jìn)行耐用金屬的增材制造。APS 可以借助這項(xiàng)技術(shù)，在短時(shí)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(jì)人員可以創(chuàng)建先前無法制造的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，并且輕松應(yīng)對(duì)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(xì)密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)的零件相比傳統(tǒng)的同類機(jī)加工產(chǎn)品更具空間效率。

整個(gè) MWD 系統(tǒng)：一些內(nèi)部渦輪機(jī)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(shí)，這個(gè)系統(tǒng)在這里剛剛上馬一個(gè)月左右。” APS Technology 營銷副總裁 Paul Seaton回憶道�！巴�事們進(jìn)行了一系列測(cè)試打樣和其他工作來熟悉這個(gè)系統(tǒng)，但它對(duì)于我們所有人而言都是一項(xiàng)全新的技術(shù)。EOS 為我們提供了現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)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(jì)。這些早期的成就使得我們?nèi)缃竦墓ぷ鞲�加具有生產(chǎn)導(dǎo)向性�！�

其中一個(gè)成就是五級(jí)渦輪機(jī)的應(yīng)用，用來為導(dǎo)向鉆頭及其機(jī)載 MWD 系統(tǒng)提供動(dòng)力。每臺(tái)渦輪機(jī)都包含若干個(gè)采用 DMLS 技術(shù)打印的零件，在這項(xiàng)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(xué)部件將 CAD 模型的極薄切片描記到精細(xì)金屬粉末層上。激光器所經(jīng)之處，每個(gè)獨(dú)立的金屬微粒熔化，并與鄰近的微粒和下一層融合。 每個(gè)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(fù)執(zhí)行上述加工過程，逐層進(jìn)行，直至加工完成。

每臺(tái)渦輪機(jī)包含數(shù)個(gè)復(fù)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(duì)我們而言是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兛梢圆捎?D打印技術(shù)制作出真實(shí)的零件并應(yīng)用到真實(shí)的環(huán)境中�！� Seaton 表示。高級(jí)機(jī)械工程師Chris Funke 表示，這些組件絕對(duì)能夠應(yīng)對(duì)真實(shí)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(cè)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(gè)獨(dú)立零部件減少到僅僅一個(gè)。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(fèi)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(shì)外，APS 的設(shè)計(jì)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(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)，因此常�？珊喕�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(fèi) 18 個(gè) 小時(shí)�！盕unke 指出。“零件的打印需要花費(fèi)22-26個(gè)小時(shí)，但它擁有的特性卻是傳統(tǒng)方法無法比擬的，例如有機(jī)孔。

如今，車間只需花費(fèi) 3-4 個(gè)小時(shí)來加工密封面并進(jìn)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(gè)小時(shí)的時(shí)間來生產(chǎn)其他產(chǎn)品。DMLS 正在改變我們的整個(gè)制造流程，使我們擁有更強(qiáng)大的能力來運(yùn)營其他項(xiàng)目，甚至承攬其他工作。我們計(jì)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(xué)谷