マルチウェルパッド向け制御システムの最適化：モジュラーで拡張可能なアプローチ

データと制御要件が、モジュラーで拡張可能な制御アーキテクチャの必要性を駆り立てる

掘削技術の進歩により、石油・ガス作業は単純な単一ウェルパッドから、より複雑なマルチウェルパッドへと進化してきた。

今日、多くの生産者はフラッキングと水平掘削技術を用いて、1つのパッドに10本以上の井戸を配置している。一部オペレーターは単一パッドで52本もの井戸を運用するほどだ。これらの進歩は、井戸からの生産回収率を高めただけでなく、非従来型エリアにおける全く新しい生産機会を創出した。また、オペレーターの運用フットプリント削減にも寄与している。

しかし、マルチウェルパッドにはメリットばかりでなく、その規模と範囲の大幅な拡大が新たな課題を生んでいる。単一パッド上の井戸密度増加により、現場に必要な設備が増え、データと制御の要件が飛躍的に高まっているのだ。

数十年間使われてきた従来型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。代わりに、現代のウェルパッドが要求する拡張可能なアーキテクチャを処理できる、より高度な制御システムが必要とされている。

その結果、オペレーターとそれを支援する設備ベンダーの双方が、マルチウェルパッド向けの制御システムアプローチを修正せざるを得なくなっている——場合によっては抜本的な変更を迫られている。

RTUテクノロジーの進化

上流油ガス生産者は、数十年にわたりリモートターミナルユニット（RTU）技術をウェルサイト制御に頼ってきた。当初、RTU導入コストとプログラミングの難しさから、シンプルなデータ収集と制御に用途が限られていた。

しかし時間とともに、RTUはI/O、通信、IEC-61131プログラミングなどの機能を取り込んできた。これらにより、オペレーターはより多くのデータポイント監視、履歴・アラーム記録、RTUへの複雑な計算組み込みが可能になった。設備ベンダーとエンジニアリング会社も、ウェルヘッド人工揚昇制御向けに独自マイクロプロセッサコントローラを用いた特殊アプリケーションを開発し始めた。

やがて、ほぼすべての人工揚昇メーカーが自社ソリューションの制御・最適化用独自RTUを開発するようになった。エンジニアリング会社も独自の手法とわずかに異なるRTUアプリケーションを開発し、計器メーカーも必要なあらゆるプロセスポイントを測定する新機器を投入してきた。

しかし近年、マルチウェルパッド運用に伴う要件増大が、RTU技術の能力を超え始めている。

デバイスが限界に

マルチウェルパッドの各井戸には、人工揚昇、流量測定、設備制御、液位測定が必要だ。これにより、単一RTUの処理能力を超えるI/Oと制御需要が生じる。結果、オペレーターは追加RTUを購入し、アプリケーションとサイト制御を複数ユニットに分散せざるを得なくなる。

複数RTUコントローラをウェルパッドで運用することは可能だが、いくつかの共通問題に直面する：

• 各ウェルパッドでの複数設定/プログラムの変更管理
• 現場の多数RTUの通信管理（ピアツーピア通信等）
• 複数ベンダーのハードウェアへのSCADA通信
• RTU内カスタムプログラムの信頼性の低い実行

RTUデバイスへの究極の要求は、より大規模なマルチウェルパッド制御が必要になるときだ。これには単一パッドに10本、あるいは数十本の井戸を持つ運用が含まれる。井戸密度の増加は現場設備の増加も意味する。例えば、こうしたウェルパッドの多くは独自のセパレーターを持つ。

パッドから大量の天然ガスが産出されるため、パイプライン圧縮、ベーパー回収ユニット（VRU）とVRUタワーの設置も経済的になる。リース自動所有権移転（LACT）ユニット、水移送、薬液注入装置もこれらのウェルパッドでは一般的だ。

さらに、多くのオペレーターが「Eハウス」と呼ばれる電気設備棟に投資している。これらは主幹電力配分、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、無停電電源装置（UPS）を収容し、多くは環境制御下に置かれる。

これらすべて——設備、フィールド計装、アプリケーションの増加——が、RTUアーキテクチャの共通問題をさらに複雑化させる。

また、新たなサービス・サポート課題も生む。複数RTUの使用により、複数のアプリケーション設定とプログラムの維持管理が必要になる。オペレーターを複数ベンダーとの協働にも強いる。

さらに、複数ベンダーの複数デバイスを扱うには、作業員により多くのトレーニングと経験が必要になる。一部の生産者はウェル制御システムの保守に十分な訓練済み人員を抱えているが、多くはそうではない。これらの生産者はメーカーサポートや契約エンジニアリングサポートに頼らざるを得ない。

モジュラーで拡張可能な制御システムへの移行

RTUは数十年間、シンプルな制御要件、シンプルなフィールドデバイス相互作用、シンプルな通信を処理する役割を果たしてきた。しかし、今日のより複雑な運用環境ではもはや十分ではない。

一般的なRTU問題を経験した多くのオペレーターが、モジュラーで拡張可能なプログラマブルロジックコントローラ（PLC）という実行可能な代替ソリューションを見出している。PLC技術は、上流油ガス生産と同様に過酷な産業プロセス制御環境で長年磨かれてきた。

PLCはRTUに比べ、以下の利点を提供する：

• モジュール性：一部RTUもモジュラーハードウェアをサポートするが、RTUでモジュール要件とアプリケーション・制御要件をバランスさせるのはPLCより遥かに難しい。また、RTUはオープンアーキテクチャではないためサードパーティモジュールが通常入手できないが、PLCでは入手可能。
  
  PLCには多様なモジュールがあり、幅広いフィールド計装の監視・制御が可能。多様なネットワークタイプへの通信サポートもモジュール構成で対応可能。
  
  
• 拡張性：マルチウェルパッドの構築過程を考えると重要だ。単一井戸がマルチウェルサイトに最初に設置され、数ヶ月〜数年後に追加井戸と設備がオンラインになる。
  
  設備ベンダーは、設備スキッドをオフサイトで組み立て、ウェルパッドで単に接続・設定するだけで済むようにしたい。溝掘り、配線引き、端子処理、現場でのパネル・計器設置を減らしコスト削減したい。プログラミングとハードウェアの両面での拡張性が求められるが、それがPLC技術の提供するところだ。
  
  
• プログラミングの容易さ：歴史的にPLCは、自動化と制御の「白紙のキャンバス」と見なされてきた。エンジニアリング会社や経験豊富なプログラマーだけが、ゼロからPLCで必要な制御を開発できた。
  
  しかし現代のPLCには、ほぼドラッグ＆ドロップで迅速に追加できる、事前開発・文書化済みコードのライブラリがある。一部PLCベンダーは、現場で設定可能な上流油ガス向けライブラリを持つ。オペレーターはHMIから必要なデータを有効化・設定するだけでPLCを起動でき、既存システムへのスキッドハードウェア追加も容易。
  
  これにより、プログラミング環境を知り新コードを書けるウェルテクニシャンのような専門家が、ハードウェア追加時に必須ではなくなる。
  
  さらに、PLCではプログラムと設定変更をプロセス停止なしでオンライン実行可能。RTUは従来、オフラインにしてダウンロードしないと変更を受け付けない。これは、制御システム停止が生産損失に直結する現代のマルチウェルパッド環境では、決定的な差別化要因だ。
  
  
• リモートI/O機能： RTUには従来ネイティブなリモートI/O機能がないが、PLCにはある。これにより設置コスト削減が可能。また、設備スキッド追加時に、I/Oと計装を事前搭載・配線済みで納入できる。これらスキッドの起動は、イーサネットケーブルをスイッチに繋ぎ、コントローラでI/Oを設定するだけで完了。

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悩みの種だ。井戸は自然流出、電動潜水ポンプ（ESP）または進んでキャビティポンプ（PCP）、サッカーロッドポンプなど、多くの異なる流出状態を経験する。流出タイプとライフサイクルは井戸ごとに異なる。

複数RTUが、井戸の多様なライフサイクル制御のためだけに使われることが多い。RTUを変えると、物理的なRTUが新ベンダーのハードウェアになるため、SCADAシステムへの通信ドライバーも変える必要がある。アプリケーション制御用にRTUを設定し、そのハードウェアをシステムに設置するのは往々にして骨の折れるプロセスだ。

PLCベースのウェルパッドなら、この領域で大幅な緩和が可能だ。オペレーターが想像もしなかった効率化と最適化メリットをもたらす。

PLCが提供するモジュラーで拡張可能なI/Oハードウェアアーキテクチャを用い、計装設置箇所にI/Oモジュールを設置し、そのデータをPLCへ送る。オペレーターがどのI/O設計アプローチを採用しても、制御システムのハードウェアは不変、SCADAへの通信は同一ドライバーを使用、更新中もシステムはオンラインで全アプリケーションを制御し続ける。そして、維持管理すべきPLCプログラムは常に1つだけだ。

ベンダーアプリケーションサポートの問題もある。前述の通り、多くのベンダーが上流生産向け独自アプリケーションを開発し、各ベンダーが異なるタイプのRTUを使用している。結果、ベンダーは通常、一部特定アプリケーションしかサポートできず、すべてには対応できない。

マルチウェルパッド設計向けPLCベンダーサポートは日々拡大している。これには設備制御、人工揚昇、流量測定アプリケーションのサポートが含まれる。設備自動化は豊富なプログラミング環境と多様なI/O・通信モジュールで容易に対応可能。流量測定も、AGA・API準拠の測定、校正サポート、SCADAへのカストディ移転報告でサポートされる。人工揚昇アプリケーションはPLCではまだ普及していないが、全タイプの人工揚昇をサポートするべく急速に開発が進んでいる。

最後に、多くのオペレーターがRTUアプリケーションを「ブラックボックス」だと不満を漏らす。これは、特定入力のみで特定出力を制御するよう設計されていることを意味する。

ブラックボックスアプローチは柔軟性を阻害し、オペレーターがシステム機能を変更できない。結果、ニーズに合うベンダーに切り替えるか、効率的でないと分かっていても既存技術に甘んじるかの二択を迫られる。

一方、PLCベースシステムなら、一般的な産業ツール（IEC-61131）で現場修正可能で、遥かに高い柔軟性を提供する。

「新しい常識」を受け入れる

PLCは長らく、ウェルパッド制御より製造施設向けソリューションと見なされてきた。しかし、今日のモダンなウェルパッドは、本質的に「小さな工場」だ。環境制御された建物、ユーティリティまたは自家発電、遥かに大きなデータと制御要件を備えている。

これがPLCに最適なフィットとなる理由だ。PLCのモジュラーで拡張可能な能力を活用した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、生産稼働率を向上させ、ライフサイクル管理を容易にする。

ザック・マンクはRockwell Automationのオオンショア上流油ガスビジネス開発マネージャー。