Optimaliseren van Control Systemen voor Multi-Well Pads: Een Modulaire, Schaalbare Aanpak

Data, controleisen drijven noodzaak voor modulaire, schaalbare controlearchitectuur.

Boorvoortgang heeft de evolutie van olie- en gasoperaties gespurd van eenvoudige single-well pad velden naar complexere multi-well pads.

Vandaag gebruiken veel producenten fracking en laterale boortechnieken om 10 of meer putten op één pad te plaatsen. Sommige operators duwen hun operaties zelfs tot wel 52 putten op een enkel pad. Deze vooruitgang heeft niet alleen de productieherwinning uit putten verhoogd, maar ook volledig nieuwe productiemogelijkheden in onconventionele gebieden gecreëerd. Ze hebben ook olie- en gasproducenten in staat gesteld hun operationele voetafdruk te verkleinen.

Voor alle voordelen van multi-well pads, heeft hun grote toename in grootte en omvang echter een nieuwe uitdaging gecreërd. De hogere dichtheid van meerdere putten op een enkel pad verhoogt de benodigde apparatuur on-site en resulteert in veel grotere data- en controleisen.

De traditionele controlearchitecturen die decennialang zijn gebruikt, worden aan hun grenzen geduwd en zijn misschien simpelweg niet meer houdbaar. In plaats daarvan zijn geavanceerdere controlsystemen nodig om de schaalbare architecturen te hanteren die vereist worden door moderne well pads.

Als resultaat moeten zowel operators als de apparatuurfabrikanten die hen ondersteunen nu hun controlsysteembenadering voor deze multi-well pads wijzigen — zo niet radicaal veranderen.

Evolutie van RTU-technologie

Upstream olie- en gasproducenten hebben decennialang vertrouwd op remote terminal unit (RTU) technologie voor well-site controle. Initieel beperkte de kosten van het implementeren van RTU's en de uitdagingen in het programmeren ervan de apparaten tot simpele data-acquisitie en controle.

In de loop van de tijd hebben RTU's echter meer functies geïntegreerd, waaronder I/O, communicatie en IEC-61131 programmering. Deze capaciteiten stelden olie- en gasoperators in staat om meer datapunten te monitoren, geschiedenis en alarmen te loggen, en meer complexe berekeningen in de RTU's toe te voegen. Apparatuurfabrikanten en engineering bureaus begonnen ook specialistische applicaties te ontwikkelen voor kunstmatige-lift controles met eigen microprocessor controllers.

Uiteindelijk had praktisch elke kunstmatige-lift fabrikant zijn eigen RTU ontwikkeld om zijn respectievelijke oplossingen te controleren en te optimaliseren. Engineering bureaus ontwikkelden ook hun eigen methoden met licht verschillende RTU-applicaties, terwijl instrumentatiefabrikanten nieuwe instrumenten introduceerden om bijna elk vereist procespunt te meten.

Recentelijk echter, hebben de verhoogde eisen geassocieerd met multi-well pad operaties de capaciteiten van RTU-technologie begonnen te overschrijden.

Apparaten Tot Hun Limieten Geduwd

Elke put in een multi-well pad vereist een kunstmatige lift, stroommeting, apparatuurcontrole, en niveau meting. Dit creëert meer I/O en controle-eis dan een enkele RTU kan aan. Als resultaat zijn olie- en gasproducenten gedwongen extra RTU's aan te schaffen en toepassing en sitecontrole over meerdere units te spreiden.

Olie- en gasproducenten hebben met succes meerdere RTU-controllers op een well pad geïmplementeerd, maar ze lopen wel tegen enkele veelvoorkomende problemen aan met deze architectuur. Enkele van deze problemen zijn:

• Wijzigingsbeheer van meerdere configuraties of programma's op elk well pad.
• Communicatiebeheer van de vele RTU's on-site (bijv. peer-to-peer communicatie).
• SCADA communicatie naar meerdere leveranciers' hardware.
• Onbetrouwbare uitvoering van aangepaste programma's in de RTU's.

De ultieme eis aan RTU-apparaten komt wanneer veel grotere multi-well pad controle nodig is. Dit kan een operatie omvatten met 10 of zelfs diverse dozijnen putten op een enkel well pad. De hogere dichtheid van putten op een pad verhoogt ook de benodigde apparatuur on-site. Bijvoorbeeld, veel van deze well pads hebben hun eigen scheider.

Het wordt ook economischer om pijplijncompressie, dampherstelunits (VRU's) en VRU-torens te installeren vanwege de hoge snelheid van aardgas geproduceerd vanaf het pad. Lease automatic custody transfer (LACT) units, wateroverdracht, en chemische injectiemachines worden ook veelvuldig gezien op deze well pads.

Daarnaast investeren veel olie- en gasproducenten in elektrische gebouwen bekend als E-huizen. Deze gebouwen huisvesten hoofdnutstroomverdeling, motorcontrolcentra (MCC), netwerkswitches en onderbroken stroomvoorzieningen (UPS), en ze zijn vaak omgevingsgecontroleerd.

Al deze toenames — in apparatuur, veldinstrumentatie en applicaties — verergeren alleen de veelvoorkomende problemen met RTU-architecturen.

Ze creëren ook nieuwe service- en ondersteuningsuitdagingen. Het gebruik van meerdere RTU's heeft geleid tot meerdere toepassingsconfiguraties en programma's om ze te onderhouden. Het heeft ook olie- en gasoperators gedwongen om met meerdere leveranciers te werken.

Daarnaast vereist het hebben van meerdere apparaten van meerdere leveranciers ook dat werknemers meer training en ervaring hebben om ze te ondersteunen. Terwijl sommige producenten volledig bemand zijn met voldoende getraind personeel om het onderhoud van de well controlsystemen te hanteren, zijn velen dat niet. Deze producenten moeten vertrouwen op fabricantondersteuning of contract-engineering ondersteuning om hun controlsystemen te onderhouden.

Overstappen naar Modulaire, Schaalbare Controlsysteem

RTU's hebben hun rol decennialang vervuld in het hanteren van simpele controleisen, simpele veldapparaatinteractie en simpele communicatie. Maar ze volstaan niet meer in de huidige complexere operationele omgevingen.

Veel olie- en gasproducenten die veelvoorkomende RTU-problemen hebben ervaren, hebben een haalbare alternatieve oplossing gevonden in de vorm van een modulaire en schaalbare programmeerbare logische controller (PLC). PLC-technologie is jarenlang verfijnd in industriële procescontrole-omgevingen die net zo robuust zijn als upstream olie- en gasproductie.

PLC's bieden een aantal voordelen ten opzichte van RTU's:

• Modulariteit: Sommige RTU's ondersteunen wel modulaire hardware. Maar het balanceren van de module-eisen met toepassings- en controleisen in een RTU is veel moeilijker dan in een PLC. Bovendien zijn third-party modules voor RTU's doorgaans niet beschikbaar omdat RTU's geen open architecturen zijn, terwijl PLC's dat wel zijn.
  
  Een grote verscheidenheid aan modules is beschikbaar voor PLC's die monitoring en controle van een grote verscheidenheid aan veldinstrumenten mogelijk maken. Communicatieondersteuning voor veel verschillende nettypen wordt ook ondersteund via modulaire configuratie.
  
  
• Schaalbaarheid: Dit is belangrijk bij het overwegen hoe een multi-well pad samengesteld is. Een enkele put wordt vaak op een multi-well site geïnstalleerd, en het duurt maanden of zelfs jaren voordat extra putten en apparatuur online komen.
  
  In deze gevallen willen apparatuurfabrikanten apparatuur skids off-site bouwen en ze dan simpelweg insteken en configureren op de well pad. Ze willen de noodzaak voor graven, kabeltrekken, kabelbeëindiging, paneel- en instrumentinstallatie in het veld verminderen om kosten te besparen. Schaalbaarheid in zowel programmeren als hardware is in dit geval vereist, en dat is precies wat PLC-technologie biedt.
  
  
• Gemak van Programmeren: Historisch werden PLC's gezien als een blanco doek voor automatisering en controle. Alleen engineering bureaus of ervaren programmeurs wisten hoe vanaf nul te beginnen en de controle te ontwikkelen die vereist was in een PLC.
  
  Echter, moderne PLC's hebben bibliotheken van vooraf ontwikkelde en gedocumenteerde code die snel toegevoegd kunnen worden in een bijna drag-and-drop manier. Sommige PLC-leveranciers hebben ook vooraf ontwikkelde upstream olie- en gasbibliotheken die on-site geconfigureerd kunnen worden. Olie- en gasproducenten hoeven alleen de vereiste data van de HMI in te schakelen en te configureren om een PLC op te starten, of om skid-hardware toe te voegen aan een bestaand systeem.
  
  Dit kan de noodzaak elimineren voor iemand als een well technician met gespecialiseerde expertise om de programmeeromgeving te kennen en nieuwe code te schrijven bij het toevoegen van hardware.
  
  Wat meer is, programma- en configuratiewijzigingen kunnen online in een PLC worden gemaakt zonder het proces af te sluiten. RTU's kunnen traditioneel dergelijke wijzigingen niet accepteren zonder offline gehaald en gedownload te worden. Dit is een kritisch differentiërend kenmerk in een moderne multi-well pad omgeving omdat het afsluiten van het controlsysteem resulteert in verloren productie.
  
  
• Remote I/O Functionaliteit: RTU's hebben traditioneel geen native remote I/O functionaliteit, maar PLC's wel. Dit kan installatiekosten verminderen. Ook, wanneer apparatuur skids aan een site worden toegevoegd, kunnen ze voorzien zijn van vooraf gemonteerde en bedrade I/O en instrumenten. Opstarten van deze skids is zo simpel als een Ethernet-kabel in een switch steken en de I/O in de controller configureren.

Levenscyclusbeheer Verbeteren

Well pad levenscyclusbeheer kan een grote hoofdpijn zijn voor operatieteams. Putten kunnen door veel verschillende stromingstoestanden gaan, waaronder natuurlijke stroom, elektronische duikpomp (ESP) of progressieve kaviteitspomp (PCP), en zuigerstangpomp. En het stromingstype en de levenscyclus kunnen per put variëren.

Meerdere RTU's worden vaak gebruikt om alleen de verschillende levenscycli van de put te controleren. Het veranderen van de RTU betekent communicatiedrivers naar het SCADA-systeem veranderen omdat de fysieke RTU op de put hardware is van een nieuwe leverancier. En het configureren van de RTU om de applicatie te controleren en die hardware op het systeem in te stellen is vaak een pijnstakend proces.

Een PLC-gebaseerd well pad kan hier aanzienlijke verlichting bieden, met efficiëntie- en optimalisatievoordelen die operators misschien nooit mogelijk dachten.

Door de modulaire en schaalbare I/O hardware-architecturen die een PLC biedt te gebruiken, kunnen operators I/O-modules installeren precies waar instrumentatie zich bevindt en die data naar de PLC sturen. En ongeacht welke I/O-ontwerpbenadering een olie- of gasproducent gebruikt, blijft de hardware in het controlsysteem constant, communicatie naar het SCADA-systeem gebruikt dezelfde drivers, en het systeem blijft online en in controle van alle applicaties terwijl updates worden gemaakt. Terwijl er slechts één PLC-programma te onderhouden is.

Er is ook de kwestie van leveranciersapplicatieondersteuning. Zoals al gezegd, maken veel leveranciers hun eigen applicaties voor een verscheidenheid aan upstream productiebehoeften, en elke leverancier gebruikt doorgaans een ander type RTU. Als resultaat kunnen leveranciers meestal maar een paar specifieke applicaties ondersteunen, niet allemaal.

PLC-leveranciersondersteuning op multi-well pad ontwerpen groeit dagelijks. Dit omvat ondersteuning voor apparatuurcontrole, kunstmatige-lift, en stroommeting applicaties. Apparatuurautomatisering wordt eenvoudig afgehandeld door rijke programmeeromgevingen en een grote verscheidenheid aan I/O- en communicatiemodules. Stroommeting wordt ook ondersteund met AGA- en API-compatibele stroommeting, kalibratieondersteuning en custody transfer rapportage naar SCADA-systemen. Kunstmatige-lift applicaties, hoewel niet zo prevalent in PLC's, worden ook snel ontwikkeld om alle typen kunstmatige lifts te ondersteunen.

Ten slotte hebben veel olie- en gasproducenten frustratie uitgedrukt over RTU-applicaties die "black box" zijn. Dit betekent dat het systeem ontworpen is met specifieke inputs die bedoeld zijn om alleen specifieke outputs te controleren.

Een black-box benadering voorkomt flexibiliteit omdat het olie- en gasproducenten niet toestaat om de manier te veranderen waarop het systeem functioneert. Als resultaat hoeven ze ofwel leveranciers te wijzigen om hun behoeften te ondersteunen of gewoon leven met de technologie die ze hebben, wetende dat het niet zo efficiënt functioneert als ze vereisen.

Een PLC-gebaseerd systeem, aan de andere kant, kan in het veld gewijzigd worden met gangbare industriële tools (IEC-61131), wat veel grotere flexibiliteit levert.

De Nieuwe Normaliteit Omhelzen

De PLC is lang gezien als een oplossing meer geschikt voor productiefaciliteiten dan voor well pad controle. Maar de moderne well pads van vandaag zijn, in essentie, kleine fabrieken. Ze hebben omgevingsgecontroleerde gebouwen, nut- of generatorstroom, en veel grotere data- en controleisen.

Dit maakt ze een ideale match voor een PLC. Een multi-well pad controlsysteem dat de modulaire en schaalbare capaciteiten van een PLC benut, kan kosten en installatietijden verminderen, productie-uptime verbeteren en levenscyclusbeheer vergemakkelijken.

Zack Munk is onshore upstream olie & gas business development manager voor Rockwell Automation.