Défis

Le déploiement de technologies plus sûres pour le contrôle des puits est un enjeu majeur de l'industrie du forage en mer. Parmi les technologies clés, on trouve le forage à pression contrôlée (MPD), qui utilise un système de pompage de boue en circuit fermé pour contrôler activement la pression et détecter les venues de fluides et les pertes de pression pendant le forage.

Les systèmes MPD nécessitent des unités de contrôle pour les barrières hydrauliques critiques pour la sécurité qui doivent rester fonctionnelles en conditions normales d'exploitation, en cas de dégradation et de défaillance des composants. Elles doivent être surveillées en permanence pendant les opérations de forage en cours.

Lors de la conférence de System Modeler en 2026, Robert Prince-Wright et Konstantinos Antoniadis de Berkeley & Imperial ont démontré comment ils ont développé une solution de jumeau numérique opérationnel pour les unités de commande hydrauliques MPD, en utilisant System Modeler comme moteur de simulation physique central et en l'intégrant à des équipements réels via des normes de communication industrielles.

Les défis étaient de :

• vérifier et valider les fonctions hydrauliques complexes et les comportements en cas de défaillance,
• soutenir l'injection systématique de défauts et l'analyse des modes de défaillance,
• visualiser l'hydraulique et la mécatronique sous forme d'animations 2D,
• s'assurer que la simulation puisse s'exécuter en temps réel,
• synchroniser les états du jumeau numérique avec les données des capteurs en direct du banc d'essai,
• déployer plusieurs instances jumelles en toute sécurité dans des environnements opérationnels,
• fournir aux opérateurs des diagnostics et des alertes exploitables en quelques secondes,
• collecter, analyser et visualiser les données de l'ensemble de la flotte.

Solutions

Berkeley & Imperial a construit un ensemble technologique de jumeau numérique centrée sur une simulation System Modeler du système de commande hydraulique MPD.

Un modèle hydraulique physique et performant en termes de calcul a été créé dans System Modeler et validé par comparaison avec les résultats d'essais d'intégration du système. Ce modèle a été conçu pour permettre une exécution en temps réel, une initialisation robuste à partir de conditions stationnaires et un comportement stable en régime nominal et en cas de défaut.

Le flux de travail du jumeau numérique combine :

• System Modeler pour la simulation en temps réel du comportement hydraulique et de contrôle,
• Wolfram Language en tant que couche d'orchestration, d'analyse et d'automatisation,
• des études structurées d'injection de défauts et de fiabilité réalisées à partir de notebooks,
• un échange de données en direct sécurisé via OPC UA.

L'équipe a développé deux modes opérationnels.

En mode simulation, une simulation System Modeler autonome est utilisée pour les études de conception, l'optimisation, l'analyse de sensibilité, l'entraînement des opérateurs et les diagnostics en temps réel.

En mode veille, une simulation System Modeler modifiée est synchronisée avec les équipements en fonctionnement. Les positions des vannes, les vitesses des pompes et les pressions sont transmises au modèle via un client Wolfram OPC UA intégré, et le jumeau numérique calcule en continu le comportement physique attendu du système. Les écarts entre le comportement prévu et le comportement mesuré sont détectés et font l'objet d'alarmes en temps réel, aussi bien sur le site de forage que dans un centre d'opérations distant.

Pour permettre un déploiement industriel, la simulation System Modeler est exportée sous forme de fichier exécutable et déployée dans des environnements conteneurisés, permettant ainsi à plusieurs instances de jumeaux numériques de fonctionner en parallèle pour différents puits ou installations.

Avantages

En utilisant System Modeler comme moteur principal de jumeau numérique, l'équipe de Berkeley & Imperial a réalisé des opérations plus sûres, réduit les risques et permis un forage durable, avec :

• des jumeaux numériques en temps réel basés sur la physique pour les systèmes de commande hydrauliques critiques pour la sécurité,
• des flux de travail de vérification automatisés, y compris l'injection de fautes et l'analyse des modes de défaillance,
• une validation opérationnelle continue par comparaison des données de capteurs en temps réel avec les prédictions du jumeau numérique,
• une détection et une alerte rapides des anomalies lors des opérations de forage,
• un déploiement évolutif de plusieurs jumeaux numériques synchronisés via une exécution conteneurisée.

Ce projet fait évoluer System Modeler au-delà de la simulation hors ligne pour devenir la base des jumeaux numériques opérationnels pour la surveillance en temps réel et l'assurance de la sécurité dans les systèmes MPD.