マルチウェル パッドの制御システムの再考

データ、制御要件により、モジュラーでスケーラブルな制御アーキテクチャの必要性が高まっています

掘削の進歩は、単純化された単一油田からより複雑な複数油田へと、石油およびガス事業の進化に拍車をかけました。

今日、多くの生産者は、フラッキングと横方向の掘削技術を使用して、1 つのパッドに 10 個以上の井戸を配置しています。一部の事業者は、1 つのパッドで 52 もの坑井まで操業を推し進めています。
これらの進歩により、坑井からの生産回収が増加しただけでなく、従来とは異なる分野でまったく新しい生産の機会が生まれました。また、石油およびガスの生産者が運用フットプリントを削減することも可能にしました。

しかし、マルチウェルパッドのすべての利点に対して、サイズと範囲の大幅な増加により、新たな課題が生じました。 1 つのパッドに複数のウェルを高密度に配置すると、現場で必要な機器が増え、データと制御の要件が大幅に増大します。

何十年も使用されてきた従来の制御アーキテクチャは限界に達しており、もはや持続可能ではない可能性があります。代わりに、最新の坑井パッドに必要なスケーラブルなアーキテクチャを処理するには、より高度な制御システムが必要です。

その結果、オペレーターとそれらをサポートする機器ビルダーの両方が、これらのマルチウェル パッドに対する制御システムのアプローチを、根本的に変更しないとしても修正する必要があります。

RTU テクノロジーの進化

上流の石油およびガス生産者は、何十年もの間、油井現場の制御にリモート ターミナル ユニット (RTU) 技術に依存してきました。当初、RTU の実装コストとそのプログラミングの課題により、デバイスは単純なデータ取得と制御に限定されていました。

しかし、時間が経つにつれて、RTU には I/O、通信、IEC-61131 プログラミングなど、より多くの機能が組み込まれました。これらの機能により、石油およびガスのオペレーターは、より多くのデータ ポイントを監視し、履歴とアラームをログに記録し、より複雑な計算を RTU に追加できるようになりました。機器メーカーやエンジニアリング会社も、独自のマイクロプロセッサ コントローラを使用して坑口人工揚力制御用の特殊アプリケーションの開発を開始しました。

最終的に、ほぼすべての人工リフト メーカーが、それぞれのソリューションを制御および最適化するための独自の RTU を開発しました。エンジニアリング会社も、わずかに異なる RTU アプリケーションで独自の方法を開発しましたが、計測器メーカーは、必要なほぼすべてのプロセス ポイントを測定するための新しい計測器を導入しました。

しかし最近では、マルチウェル パッド操作に関連する要件の増加が、RTU 技術の能力を超え始めています。

限界まで押し上げられたデバイス

マルチウェルパッドの各ウェルには、人工リフト、流量測定、機器制御、およびレベル測定が必要です。これにより、1 つの RTU で処理できるよりも多くの I/O および制御要求が発生します。その結果、石油およびガスの生産者は、追加の RTU を購入し、アプリケーションとサイトの制御を複数のユニットに分散することを余儀なくされています。

石油およびガスの生産者は、井戸パッドに複数の RTU コントローラーを実装することに成功していますが、これらのアーキテクチャではいくつかの一般的な問題に直面しています。これらの問題には次のようなものがあります:

• 各ウェルパッドでの複数の構成またはプログラムの変更管理
• オンサイトの多数の RTU の通信管理 (ピアツーピア通信など)
• 複数のベンダーのハードウェアへの SCADA 通信
• RTU でのカスタム プログラムの信頼性の低い実行。

RTU デバイスに対する最終的な需要は、はるかに大きなマルチウェル パッド コントロールが必要な場合です。これには、1 つのウェル パッドに 10 個または数十個のウェルを使用する操作が含まれる場合があります。パッド上のウェルの密度が高くなると、現場で必要な機器も増加します。たとえば、これらの井戸パッドの多くには独自のセパレーターがあります。

また、パッドから生成される天然ガスの割合が高いため、パイプライン圧縮、蒸気回収ユニット (VRU)、および VRU タワーを設置する方が経済的になります。リース自動管理移送 (LACT) ユニット、水移送、化学薬品注入機も、これらの坑井パッドでよく見られます。

さらに、多くの石油およびガス生産者は、E ハウスとして知られる電気ビルに投資しています。これらの建物には、主な商用配電、モーター コントロール センター (MCC)、ネットワーク スイッチ、および無停電電源装置 (UPS) が収容されており、多くの場合、環境が制御されています。

機器、フィールド機器、およびアプリケーションにおけるこれらすべての増加は、RTU アーキテクチャに共通の問題を悪化させるだけです。

また、サービスとサポートに関する新たな課題も生じます。複数の RTU を使用すると、複数のアプリケーション構成とそれらを維持するためのプログラムが必要になります。また、石油およびガス事業者は複数のベンダーと協力することを余儀なくされています。

さらに、複数のベンダーの複数のデバイスを使用する場合、従業員はそれらをサポートするためにより多くのトレーニングと経験を積む必要があります。一部の生産者は、油井制御システムのメンテナンスを処理するのに十分な訓練を受けた人員を完全に配置していますが、多くはそうではありません.これらの生産者は、制御システムを維持するために、製造業者のサポートまたは契約エンジニアリング サポートに依存する必要があります。

モジュール式のスケーラブルな制御システムへの移行

RTU は、単純な制御要件、単純なフィールド デバイスの相互作用、および単純な通信を処理する上で、何十年にもわたってその役割を果たしてきました。しかし、今日のより複雑な運用環境では十分ではありません。

一般的な RTU の問題を経験した多くの石油およびガス生産者は、モジュール式でスケーラブルなプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) の形で実行可能な代替ソリューションを見つけました。 PLC テクノロジは、上流の石油およびガス生産と同じくらい厳しい産業用プロセス制御環境で、何年にもわたって微調整されてきました。

PLC には、RTU と比較して多くの利点があります。

• モジュール性: 一部の RTU はモジュラー ハードウェアをサポートしています。しかし、RTU でモジュール要件とアプリケーションおよび制御要件のバランスを取ることは、PLC よりもはるかに困難です。さらに、RTU はオープン アーキテクチャではなく、PLC はオープン アーキテクチャであるため、RTU 用のサードパーティ製モジュールは通常利用できません。フィールド楽器。モジュラー構成により、さまざまなネットワーク タイプの通信サポートもサポートされます。
  
  
• スケーラビリティ: これは、マルチウェル パッドをどのように組み合わせるかを考えるときに重要です。多くの場合、単一の坑井が複数の坑井サイトに設置され、追加の坑井や機器がオンラインになるのは数か月後、さらには数年後です。
  
  このような場合、機器メーカーはオフサイトで機器のスキッドを構築し、それらを差し込んで坑井パッドで構成するだけです。彼らは、コストを削減するために、現場での溝掘り、ワイヤの引き抜き、ワイヤの終端処理、パネルおよび機器の設置の必要性を減らしたいと考えています。この場合、プログラミングとハードウェアの両方でスケーラビリティが必要であり、それはまさに PLC テクノロジが提供するものです。
  
  
• プログラミングのしやすさ: 歴史的に、PLC は自動化と制御のための空白のキャンバスと見なされていました。ゼロから始めて PLC に必要な制御を開発する方法を知っていたのは、エンジニアリング会社または経験豊富なプログラマーだけでした。ドラッグ アンド ドロップ ファッション。一部の PLC ベンダーは、オンサイトで構成できる上流の石油およびガス ライブラリを事前に開発しています。石油およびガスの生産者は、HMI から必要なデータを有効にして構成するだけで、PLC を起動したり、既存のシステムにスキッド ハードウェアを追加したりできます。
  
  これにより、井戸のような人員が不要になります。
  
  さらに、プロセスをシャットダウンすることなく、プログラムおよび構成の変更を PLC でオンラインで行うことができます。 RTU は従来、オフラインにしてダウンロードしない限り、このような変更を受け入れることができませんでした。制御システムをシャットダウンすると生産が失われるため、これは最新のマルチウェル パッド環境における重要な差別化要因です。
  
  
• リモート I/O 機能: 従来、RTU にはネイティブのリモート I/O 機能がありませんが、PLC にはあります。これにより、設置コストを削減できます。また、機器スキッドがサイトに追加されると、事前に取り付けられ、有線の I/O と機器が付属する場合があります。これらのスキッドの起動は、イーサネット ケーブルをスイッチに接続し、コントローラーで I/O を構成するだけです。

ライフサイクル管理の改善

ウェルパッドのライフサイクル管理は、運用チームにとって大きな頭痛の種になる可能性があります。井戸は、自然流動、電子水中ポンプ (ESP) またはプログレッシブ キャビティ ポンプ (PCP)、吸盤ロッド ポンプなど、さまざまな流動状態を通過できます。また、フローの種類とライフサイクルはさまざまです。

井戸のさまざまなライフサイクルを制御するためだけに、複数の RTU がよく使用されます。 RTU を変更するということは、通信ドライバーを SCADA システムに変更することを意味します。これは、ウェルの物理 RTU が新しいベンダーのハードウェアであるためです。また、RTU を構成してアプリケーションを制御し、そのハードウェアをシステムにセットアップすることは、多くの場合骨の折れるプロセスです。

PLC ベースの坑井パッドは、この領域を大幅に軽減し、オペレーターが考えもしなかった効率と最適化のメリットを提供します。

PLC が提供するモジュール式でスケーラブルな I/O ハードウェア アーキテクチャを使用することで、オペレータは I/O モジュールを計測器が配置されている場所にインストールし、そのデータを PLC に送信できます。また、石油またはガスの生産者が使用する I/O 設計アプローチに関係なく、制御システム内のハードウェアは一定のままであり、SCADA システムへの通信は同じドライバーを使用し、システムはオンラインのままで、すべてのアプリケーションを制御します。更新が行われます。その間、維持する PLC プログラムは 1 つだけです。

ベンダー アプリケーションのサポートの問題もあります。すでに述べたように、多くのベンダーがさまざまなアップストリームの生産ニーズに合わせて独自のアプリケーションを作成しており、通常、各ベンダーは異なるタイプの RTU を使用しています。その結果、ベンダーは通常、すべてではなく、いくつかの特定のアプリケーションのみをサポートできます。

マルチウェル パッド設計に対する PLC ベンダーのサポートは日々拡大しています。これには、機器制御、人工揚力、および流量測定アプリケーションのサポートが含まれます。設備の自動化は、豊富なプログラミング環境とさまざまな I/O および通信モジュールによって簡単に処理できます。流量測定は、AGA および API 準拠の流量測定、校正サポート、および SCADA システムへの保管転送レポートでもサポートされています。人工リフトのアプリケーションは、PLC ほど普及していませんが、あらゆる種類の人工リフトをサポートするために急速に開発されています。

最後に、多くの石油およびガス生産者は、RTU アプリケーションが「ブラック ボックス」であることに不満を表明しています。これは、システムが特定の出力のみを制御することを意図した特定の入力で設計されていることを意味します。

ブラックボックスのアプローチでは、石油やガスの生産者がシステムの機能を変更することができないため、柔軟性が妨げられます。その結果、ニーズをサポートするためにベンダーを変更するか、必要なほど効率的に機能していないことを知って、既存のテクノロジーをそのまま使用する必要があります。

一方、PLC ベースのシステムは、現場で一般的な産業用ツール (IEC-61131) を使用して変更できるため、柔軟性が大幅に向上します。

ニューノーマルを受け入れる

PLC は長い間、井戸パッドの制御よりも製造施設に適したソリューションと見なされてきました。しかし、今日の近代的な井戸パッドは、本質的に小さな工場です。彼らは、環境的に制御された建物、ユーティリティまたは発電機の電力、およびはるかに大きなデータと制御要件を備えています。

これにより、PLC に最適です。 PLC のモジュール式でスケーラブルな機能を利用するマルチウェル パッド制御システムは、コストと設置時間を削減し、生産稼働時間を改善し、ライフサイクル管理を容易にします。

Zack Munk は、ロックウェル オートメーションのオンショア アップストリーム オイル &ガス ビジネス開発マネージャーです。